2章 特種陶瓷成型工藝(2009.11.12).ppt

1、第2章 特種陶瓷成型工藝第一節(jié) 配料計算與制備,一、配料計算 常用的配料計算方法有兩種：一種是按化學計量式進行計算，一種是根據(jù)坯料預期的化學組成進行計算。 1、按化學計量式計算 Ca(Ti0.54Zr0.46)O3，(Ba0.85Sr0.15)TiO3 上述化學分子式的特點：與ABO3相似，A位置上和B位置上各元素右下角系數(shù)的和等于1。例如，(Ca0.85Ba0.15)TiO3可以看成是CaTiO3中有15%摩爾的Ca被Ba取代了。同樣，Ca(Ti0.54Zr0.46)O3為CaTiO3中有46%的Ti被Zr取代了。,明確化學分子式的意義后，就可以通過化學分子式計算各原料的質(zhì)量分數(shù)，以及各原料

2、的質(zhì)量分數(shù)組成。這種方法也叫化學式計量方法。 已知： 物質(zhì)的質(zhì)量 = 該物質(zhì)的摩爾數(shù) 該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量,以原料純度100%計算，但實際原料不可能有這么高的純度，精確計算時應予以修正。 m（實際的質(zhì)量）= m(理論質(zhì)量) / P（純度） 原料中如有水分則需烘干，否則要扣除水分。 例1：配方為(Ba0.85Ca0.15)TiO3，采用BaCO3， CaCO3 ，TiO2原料進行配料，計算出各原料的質(zhì)量百分比。見表2-1（P44）,2、根據(jù)坯料預定的化學組成進行配料計算。 例2：已知坯料的化學組成如下 用原料氧化鋁、滑石、碳酸鈣、蘇州高嶺土配制，求出其質(zhì)量百分組成。 解 設：氧化鋁、碳酸鈣的純度為1

3、00%；滑石為純滑石（3MgO 4SiO2 H2O ），其理論組成為MgO 31.7%，SiO2 63.5%， H2O 4.8%；蘇州高嶺土為純高嶺土（Al2O32SiO2 2H2O ），其理論組成為Al2O3 39.5%，SiO2 46.5%，H2O 14%。,CaO只能由CaCO3引入，因此引入質(zhì)量為1（以100為基準）的CaO，需CaCO3的質(zhì)量為：M CaCO3=1/0.5603=1.78 MgO只能由滑石引入：M滑石=1.3/0.317=4.10 SiO2由高嶺土和滑石同時引入： M高嶺土=（4.7-由滑石引入的SiO2質(zhì)量）/0.465 =（4.7-4.100.635）/0.465

4、=4.51 工業(yè)純Al2O3 的引入質(zhì)量為： M Al2O3 =93-由高嶺土引入的質(zhì)量=93-4.510.395=91.22 引入原料的總質(zhì)量為： m=1.78+4.10+4.51+91.22=101.61 配方用原料的質(zhì)量百分數(shù)為： CaCO3 =1.78/ m100%=1.75% 滑石=4.1/ m 100%=4.03% 高嶺土=4.51/m100%=4.44% 工業(yè)純氧化鋁=91.22/m100%=89.77%,二、原料煅燒 煅燒的主要目的： 去除原料中易揮發(fā)的雜質(zhì)、化學結(jié)合和物理吸附的水分、氣體、有機物等，從而提高原料的純度。 使原料顆粒致密化及結(jié)晶長大，可以減少在以后燒結(jié)中的收縮，

5、提高產(chǎn)品的合格率。 完成同質(zhì)異晶的晶型轉(zhuǎn)變，形成穩(wěn)定的結(jié)晶相，如-Al2O3煅燒成-Al2O3,三、原料的混合 配料是否均勻混合，是技術(shù)的關(guān)鍵。 1）加料的次序：先加用量多原料+微量原料+另一種用量較多原料，這樣，可防止用量少的原料粘在球磨筒壁上或研磨體上。 2）加料的方法：a.某些少量的多元化合物的添加劑，宜先合成為某一種化合物，然后再加進去為好。這樣，可減少偏差。b.用混法混料時，比重大的在稀液中易分層，故宜用干法為好。 3）球磨筒的使用：球磨筒（或混合用器）最好能夠?qū)Ｓ?，或者至少同一類型的坯料專用。否則，容易引進雜質(zhì)影響到配方組成，從而影響到制品的性能。,四、粉料的塑化 1）為什么？傳統(tǒng)

6、陶瓷中有可塑性粘土，本身有良好的成型性能。但特陶中，幾乎不含粘土，都是化工原料，這些原料沒有可塑性。因此，成型之前先要塑化。 2）可塑性：是指坯料在外力作用下發(fā)生無裂紋的形變，當外力去掉后再恢復原狀的性能。 3）塑化：是指利用塑化劑使原來無塑性的坯料具有可塑性的過程。 4）塑化劑通常為有機塑化劑和無機塑化劑，對于特陶，一般采用有機塑化劑。塑化劑通常由三種物質(zhì)組成： a.粘結(jié)劑：能粘結(jié)粉料，如聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、羧甲基纖維素等。 b.增塑劑：溶于粘結(jié)劑中使其易于流動，通常為甘油等。 c.溶劑：能溶解粘結(jié)劑、增塑劑并能和坯料組成膠狀物質(zhì)，通常有水、無水乙醇、丙酮、苯等。,5)塑化機理 無機塑化

7、劑：主要指粘土物質(zhì)加水后能形成帶電的粘土-水系統(tǒng)，從而使其具有可塑性和懸浮性。 有機塑化劑：一般也是水溶性的，親水的，有極性，在水中能生成水化膜，可被坯料粘結(jié)吸附；而且在瘠性粒子的表面上，既有一層水化膜，又有一層粘性強的有機高分子（呈蜷曲狀），能把松散的粒子粘結(jié)在一起。水化膜使其具有流動性，從而使坯料具有可塑性。,五、粉料的造粒 1）為什么？對于特陶的粉料，一般希望越細越好，但對于成型，尤其是干壓成型，粉料的假顆粒度越細，流動性反而不好，不能充滿模子，成形后氣孔較多，致密度不高。所以成型前要進行造粒。 2）造粒：在很細的粉料中加入一定的塑化劑（如水），制成粒度較粗，具有一定顆粒級配、流動性好的

8、粒子（約20目80目）。,3）造粒的方法 A.一般造粒法：將坯料加入適當?shù)乃芑瘎┖?，?jīng)混合過篩，得到一定大小的團粒。 B.加壓造粒法：將坯料加入塑化劑后，經(jīng)預壓成塊，然后破碎過篩而成團粒。 C.噴霧造粒法：把坯料與塑化劑混合好（一般用水）形成料漿，再用噴霧器噴入造粒塔進行霧化、干燥，出來的粒子即為較好的團粒。 D.凍結(jié)干燥法：將金屬鹽水溶液噴霧到低溫有機液體中，液體立即凍結(jié)，然后使凍結(jié)物在低溫減壓條件下升華，脫水后進行熱分解，可獲得所需的成型粉料。 以上四種造粒方法以噴霧造粒的質(zhì)量好。,第二節(jié) 特陶的成型 一、注漿成型 適應于制造大型的、形狀復雜的、薄壁的產(chǎn)品。 對漿料性能的要求： 1）流動性

9、要好。即粘度小，以利于料漿能充滿模型的各個角落。 2）穩(wěn)定性要好。即料漿能長期保持穩(wěn)定，不易沉淀和分層。 3）觸變性要小。即料漿經(jīng)過一段時間后，粘度變化不大，脫模后的坯體受微外力的影響仍能保持坯體的形狀。 4）含水量要盡可能小。即在保證流動性的情況下，含水量盡可能小，可以減少成型時間和干燥收縮，減少坯體的變形和開裂。 5）滲透性要好。即料漿中的水分容易通過形成的坯層，能不斷被模壁吸收，使泥層不斷加厚。 6）脫模性要好。 7）漿料應盡可能不含氣泡。,二、熱壓鑄成型 它是利用石蠟的熱流性特點，與坯料配合，使用金屬模具在壓力下進行成型的，冷凝后坯體能保持其形狀，在特種陶瓷成型中普遍采用。 1、蠟漿料

10、的制備 為什么？目的是為了將準備好的坯料加入到以石蠟為主的粘結(jié)劑中制成蠟板以備成型用。 制備過程：將石蠟（按配比）稱取一定量（一般為12.5%13.5%）后加熱熔化成蠟液，同時將稱好的粉料在烘箱內(nèi)烘干，使含水量不大于0.2%（why?這是因為粉料內(nèi)含水量大于1%時，水分會阻礙粉料與石蠟完全浸潤，粘度增大，難以成型。另外在加熱時，水分會形成小氣泡分散在漿料之中，使燒結(jié)后的制品形成封閉氣孔，性能變壞。）。,制備蠟漿時，在粉料中加入少量的表面活性劑（一般為0.40.8%，如蜂蠟等），可以減少石蠟的含量，改善成型性能等。 料漿的性能指標如下： 1）穩(wěn)定性 是指料漿在長時間加熱而不攪拌的條件下，仍然保持

11、其均勻不分層的性能。通常用穩(wěn)定性指標來表示： u=V0/Vt 式中 u -穩(wěn)定性指標； V0-被測試的料漿體積（cm3） Vt -加熱后分離出的蠟液體積（cm3）_ 測試條件是：100ml的料漿，在70下保溫24小時，分離出的蠟液應不大于0.2ml。此時u500。,2）可鑄性 是指漿料鑄滿模腔并保持要求形狀的能力。它是衡量料漿粘度與凝固速度的綜合指標。一般地說，若粉料細度合適、粉料干燥、粘合劑（石蠟和表面活性劑）加入量合適，則料漿的可鑄性好。 3）收縮率 是指蠟漿由融化的液體狀態(tài)冷卻凝固成固態(tài)時，會有體積收縮。料漿在模腔中凝固時的體積收縮稱為冷收縮，一般約為1%。,2、熱壓鑄的工作原理 將配制

12、成的料漿蠟板放置在熱壓鑄機筒內(nèi)，加熱至一定溫度熔化，在壓縮空氣的驅(qū)動下，將筒內(nèi)的料漿通過吸鑄口壓入模腔，保持一定時間后去掉壓力，料漿在模腔中冷卻成型，然后脫模，取出坯體。,3、高溫排蠟 為什么？因為如果燒成前不先經(jīng)過排蠟處理，則燒成時石蠟在高溫下熔化流失、揮發(fā)、燃燒，坯體將失去粘結(jié)而解體，不能保持其形狀。 排蠟的過程：排蠟是將坯體埋入保護粉料（如煅燒過的工業(yè)Al2O3，此保護粉料又稱吸附劑）中，在升溫過程中，石蠟會熔化、擴散，但有吸附劑支持著坯體。當溫度繼續(xù)升高，石蠟揮發(fā)、燃燒完全，而坯體中粉料之間也有一定的燒結(jié)出現(xiàn)。此時，坯體與吸附劑之間既不發(fā)生反應，又不發(fā)生粘結(jié)，而且坯體具有一定的強度。

13、排蠟溫度通常為9001100 。若溫度太低，粉料之間無一定的燒結(jié)出現(xiàn)，不具有一定的機械強度，坯體松散，無法進行后續(xù)的工序；若溫度偏高，直至完全燒結(jié)，則會出現(xiàn)嚴重的粘結(jié)，難以清理坯體的表面。排蠟后的坯體要清理表面的吸附劑，然后再進行燒結(jié)。,三、可塑法成型 可塑法成型（plastic molding）利用泥料具有可塑性的特點，經(jīng)一定工藝處理料漿制成一定形狀的制品。適合生產(chǎn)管、棒和薄片狀的制品。 1、擠壓成型 擠壓成型（extrusion，見P57）一般是將真空練制的泥料，放入擠制機內(nèi)，這種擠制機一頭可以對泥料施加壓力，另一頭裝有機嘴即成型模具，通過更換機嘴，能擠出各種形狀的坯體。也有將擠制嘴直接安

14、裝在真空練泥機上，成為真空練泥擠壓機，擠出的制品性能更好。 擠壓機適合擠制棒狀、管狀的制品。 擠壓法的優(yōu)點：污染小，操作易于自動化，可連續(xù)生產(chǎn)，效率高，適合管狀、棒狀產(chǎn)品的生產(chǎn)。 2、軋膜成型（roll forming） 適宜生產(chǎn)1mm以下的薄片狀制品。 圖2-16 P58,四、干壓成型 1、概念：將粉料加少量結(jié)合劑，經(jīng)造粒后置于鋼模中，在壓力機上加壓形成一定形狀的坯體。,2、干壓成型的工藝原理：干壓成型的實質(zhì)是在外力作用下，顆粒在模具內(nèi)相互靠近，并借內(nèi)摩擦力牢固地把各顆粒聯(lián)系起來，保持一定形狀。這種內(nèi)摩擦力作用在相互靠近的顆粒外圍結(jié)合劑薄層上。,3、加壓方式和壓力分布 1）單面加壓 單面加壓

15、時，壓力只通過模具塞由上加壓，這時由于粉料之間以及粉料與模壁之間的摩擦阻力，產(chǎn)生壓力梯度，越往下壓力越小，壓力分布不均。（P53）,2）雙面加壓 雙面加壓與單面加壓相比，在于上下同時受壓，此時各種摩擦阻力的情況并不改變，但是其壓力梯度的有效傳遞距離短了，由于摩擦力而帶來的能力損失也減少了。在這種情況下，坯體的密度相對均勻多了。雙面加壓，坯體的中心部位密度較低。（P53） 不論單面加壓還是雙面加壓，如果模具施以潤滑劑，壓力梯度會有所降低。,4、加壓速度與保壓時間 如果加壓速度過快，保壓時間過短，氣體不易排出。同樣當壓力還未傳遞到應有的深度時，外力就已卸掉，顯然難以得到較為理想的坯體質(zhì)量。如果加壓

16、速度過慢，保壓時間過長，使得生產(chǎn)效率降低，也是沒有必要的。 因此，根據(jù)坯體的大小、厚薄和形狀來調(diào)整加壓速度和保壓時間。一般對于大型、壁厚、高度大、形狀較為復雜的產(chǎn)品，開始加壓宜慢，中間可快，后期宜慢，并有一定的保壓時間。 對于小型薄片坯體，加壓速度可以適當快些，以提高其生產(chǎn)效率。,5、干壓成型的優(yōu)缺點： 優(yōu)點：1）具有工藝簡單，操作方便，周期短，效率高，便于實行自動化生產(chǎn)；2）其成型的坯體密度大，尺寸精確，收縮小，機械強度高等。 缺點：1）對大型坯體生產(chǎn)有困難，模具磨損大、加工復雜、成本高；2）加壓只能上下加壓，壓力分布不均，致密度不均，收縮不均，會產(chǎn)生開裂、分層等現(xiàn)象。,五、等靜壓成型 1、

17、概念 等靜壓成型(isostatic pressing）又叫靜水壓成型，它是利用液體介質(zhì)不可壓縮性和均勻傳遞壓力性的一種成型方法。即處于高壓容器中的試樣受到的壓力如同處于同一深度的靜水中所受到的壓力情況，所以叫做靜水壓或等靜壓。 2、成型方法的特點 1）可以成型以一般方法不能生產(chǎn)的形狀復雜、大件及細而長的制品，而且成型質(zhì)量高。 2）可以不增加操作難度而比較方便地提高成型壓力，而且壓力作用效果比其他干壓法好。 3）由于坯體各向受壓力均勻，其密度高而且均勻，燒成收縮小，因而不易變形。 4）模具制作方便、壽命長、成本較低。 5）可以少用或不用粘接劑。,3、等靜壓成型方法 等靜壓成型方法有冷等靜壓和熱壓等靜壓兩種類型。冷等靜壓又分為濕式等靜壓和干式等靜壓。（參見P54） 1）濕式等靜壓特點：模具處于高壓液體中，各方受壓。此法主要適用于成型多品種、形狀較復雜、產(chǎn)量小和大型的制品。 2）干式等靜壓特點：模具并不都是處于液體之中，坯料的添加和坯件的取出，都是在干燥狀態(tài)