特种陶瓷课件2章特种陶瓷成型工艺

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第2章特种陶瓷成型工艺第一节配料计算与制备一、配料计算常用的配料计算方法有两种：一种是按化学计量式进行计算，一种是根据坯料预期的化学组成进行计算。1、按化学计量式计算Ca(Ti0.54Zr0.46)O3，(Ba0.85Sr0.15)TiO3上述化学分子式的特点：与ABO3相似，A位置上和B位置上各元素右下角系数的和等于1。例如，(Ca0.85Ba0.15)TiO3可以看成是CaTiO3中有15%摩尔的Ca被Ba取代了。同样，Ca(Ti0.54Zr0.46)O3为CaTiO3中有46%的Ti被Zr取代了。 明确化学分子式的意义后，就可以通过化学分子式计算各原料的质量分数，以及各原料的质量分数组成。这种方法也叫化学式计量方法。已知：物质的质量=该物质的摩尔数×该物质的摩尔质量 ①以原料纯度100%计算，但实际原料不可能有这么高的纯度，精确计算时应予以修正。m’（实际的质量）=m(理论质量)/P（纯度）②原料中如有水分则需烘干，否则要扣除水分。例1：配方为(Ba0.85Ca0.15)TiO3，采用BaCO3，CaCO3，TiO2原料进行配料，计算出各原料的质量百分比。[见表2-1（P44）] 2、根据坯料预定的化学组成进行配料计算。例2：已知坯料的化学组成如下用原料氧化铝、滑石、碳酸钙、苏州高岭土配制，求出其质量百分组成。[解]设：氧化铝、碳酸钙的纯度为100%；滑石为纯滑石（3MgO•4SiO2•H2O），其理论组成为MgO31.7%，SiO263.5%，H2O4.8%；苏州高岭土为纯高岭土（Al2O3•2SiO2•2H2O），其理论组成为Al2O339.5%，SiO246.5%，H2O14%。化学组成Al2O3MgOCaOSiO2wt%931.31.04.7 ①CaO只能由CaCO3引入，因此引入质量为1（以100为基准）的CaO，需CaCO3的质量为：MCaCO3=1/0.5603=1.78②MgO只能由滑石引入：M滑石=1.3/0.317=4.10③SiO2由高岭土和滑石同时引入：M高岭土=（4.7-由滑石引入的SiO2质量）/0.465=（4.7-4.10×0.635）/0.465=4.51④工业纯Al2O3的引入质量为：MAl2O3=93-由高岭土引入的质量=93-4.51×0.395=91.22⑤引入原料的总质量为：m=1.78+4.10+4.51+91.22=101.61⑥配方用原料的质量百分数为：CaCO3=1.78/m×100%=1.75%滑石=4.1/m×100%=4.03%高岭土=4.51/m×100%=4.44%工业纯氧化铝=91.22/m×100%=89.77% 二、原料煅烧煅烧的主要目的：①去除原料中易挥发的杂质、化学结合和物理吸附的水分、气体、有机物等，从而提高原料的纯度。②使原料颗粒致密化及结晶长大，可以减少在以后烧结中的收缩，提高产品的合格率。③完成同质异晶的晶型转变，形成稳定的结晶相，如γ-Al2O3煅烧成α-Al2O3 三、原料的混合配料是否均匀混合，是技术的关键。1）加料的次序：先加用量多原料+微量原料+另一种用量较多原料，这样，可防止用量少的原料粘在球磨筒壁上或研磨体上。2）加料的方法：a.某些少量的多元化合物的添加剂，宜先合成为某一种化合物，然后再加进去为好。这样，可减少偏差。b.用混法混料时，比重大的在稀液中易分层，故宜用干法为好。3）球磨筒的使用：球磨筒（或混合用器）最好能够专用，或者至少同一类型的坯料专用。否则，容易引进杂质影响到配方组成，从而影响到制品的性能。 四、粉料的塑化1）为什么？传统陶瓷中有可塑性粘土，本身有良好的成型性能。但特陶中，几乎不含粘土，都是化工原料，这些原料没有可塑性。因此，成型之前先要塑化。2）可塑性：是指坯料在外力作用下发生无裂纹的形变，当外力去掉后再恢复原状的性能。3）塑化：是指利用塑化剂使原来无塑性的坯料具有可塑性的过程。4）塑化剂通常为有机塑化剂和无机塑化剂，对于特陶，一般采用有机塑化剂。塑化剂通常由三种物质组成：a.粘结剂：能粘结粉料，如聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、羧甲基纤维素等。b.增塑剂：溶于粘结剂中使其易于流动，通常为甘油等。c.溶剂：能溶解粘结剂、增塑剂并能和坯料组成胶状物质，通常有水、无水乙醇、丙酮、苯等。 5)塑化机理无机塑化剂：主要指粘土物质加水后能形成带电的粘土-水系统，从而使其具有可塑性和悬浮性。有机塑化剂：一般也是水溶性的，亲水的，有极性，在水中能生成水化膜，可被坯料粘结吸附；而且在瘠性粒子的表面上，既有一层水化膜，又有一层粘性强的有机高分子（呈蜷曲状），能把松散的粒子粘结在一起。水化膜使其具有流动性，从而使坯料具有可塑性。 五、粉料的造粒1）为什么？对于特陶的粉料，一般希望越细越好，但对于成型，尤其是干压成型，粉料的假颗粒度越细，流动性反而不好，不能充满模子，成形后气孔较多，致密度不高。所以成型前要进行造粒。2）造粒：在很细的粉料中加入一定的塑化剂（如水），制成粒度较粗，具有一定颗粒级配、流动性好的粒子（约20目~80目）。 3）造粒的方法A.一般造粒法：将坯料加入适当的塑化剂后，经混合过筛，得到一定大小的团粒。B.加压造粒法：将坯料加入塑化剂后，经预压成块，然后破碎过筛而成团粒。C.喷雾造粒法：把坯料与塑化剂混合好（一般用水）形成料浆，再用喷雾器喷入造粒塔进行雾化、干燥，出来的粒子即为较好的团粒。D.冻结干燥法：将金属盐水溶液喷雾到低温有机液体中，液体立即冻结，然后使冻结物在低温减压条件下升华，脱水后进行热分解，可获得所需的成型粉料。以上四种造粒方法以喷雾造粒的质量好。 第二节特陶的成型一、注浆成型适应于制造大型的、形状复杂的、薄壁的产品。对浆料性能的要求：1）流动性要好。即粘度小，以利于料浆能充满模型的各个角落。2）稳定性要好。即料浆能长期保持稳定，不易沉淀和分层。3）触变性要小。即料浆经过一段时间后，粘度变化不大，脱模后的坯体受微外力的影响仍能保持坯体的形状。4）含水量要尽可能小。即在保证流动性的情况下，含水量尽可能小，可以减少成型时间和干燥收缩，减少坯体的变形和开裂。5）渗透性要好。即料浆中的水分容易通过形成的坯层，能不断被模壁吸收，使泥层不断加厚。6）脱模性要好。7）浆料应尽可能不含气泡。 二、热压铸成型它是利用石蜡的热流性特点，与坯料配合，使用金属模具在压力下进行成型的，冷凝后坯体能保持其形状，在特种陶瓷成型中普遍采用。1、蜡浆料的制备为什么？目的是为了将准备好的坯料加入到以石蜡为主的粘结剂中制成蜡板以备成型用。制备过程：将石蜡（按配比）称取一定量（一般为12.5%~13.5%）后加热熔化成蜡液，同时将称好的粉料在烘箱内烘干，使含水量不大于0.2%（why?这是因为粉料内含水量大于1%时，水分会阻碍粉料与石蜡完全浸润，粘度增大，难以成型。另外在加热时，水分会形成小气泡分散在浆料之中，使烧结后的制品形成封闭气孔，性能变坏。）。 制备蜡浆时，在粉料中加入少量的表面活性剂（一般为0.4~0.8%，如蜂蜡等），可以减少石蜡的含量，改善成型性能等。料浆的性能指标如下：1）稳定性是指料浆在长时间加热而不搅拌的条件下，仍然保持其均匀不分层的性能。通常用稳定性指标来表示：u=V0/Vt式中u-------稳定性指标；V0-------被测试的料浆体积（cm3）Vt-------加热后分离出的蜡液体积（cm3）_测试条件是：100ml的料浆，在70℃下保温24小时，分离出的蜡液应不大于0.2ml。此时u>500。 2）可铸性是指浆料铸满模腔并保持要求形状的能力。它是衡量料浆粘度与凝固速度的综合指标。一般地说，若粉料细度合适、粉料干燥、粘合剂（石蜡和表面活性剂）加入量合适，则料浆的可铸性好。3）收缩率是指蜡浆由融化的液体状态冷却凝固成固态时，会有体积收缩。料浆在模腔中凝固时的体积收缩称为冷收缩，一般约为1%。 2、热压铸的工作原理将配制成的料浆蜡板放置在热压铸机筒内，加热至一定温度熔化，在压缩空气的驱动下，将筒内的料浆通过吸铸口压入模腔，保持一定时间后去掉压力，料浆在模腔中冷却成型，然后脱模，取出坯体。 3、高温排蜡为什么？因为如果烧成前不先经过排蜡处理，则烧成时石蜡在高温下熔化流失、挥发、燃烧，坯体将失去粘结而解体，不能保持其形状。排蜡的过程：排蜡是将坯体埋入保护粉料（如煅烧过的工业Al2O3，此保护粉料又称吸附剂）中，在升温过程中，石蜡会熔化、扩散，但有吸附剂支持着坯体。当温度继续升高，石蜡挥发、燃烧完全，而坯体中粉料之间也有一定的烧结出现。此时，坯体与吸附剂之间既不发生反应，又不发生粘结，而且坯体具有一定的强度。排蜡温度通常为900~1100℃。若温度太低，粉料之间无一定的烧结出现，不具有一定的机械强度，坯体松散，无法进行后续的工序；若温度偏高，直至完全烧结，则会出现严重的粘结，难以清理坯体的表面。排蜡后的坯体要清理表面的吸附剂，然后再进行烧结。 三、可塑法成型可塑法成型（plasticmolding）利用泥料具有可塑性的特点，经一定工艺处理料浆制成一定形状的制品。适合生产管、棒和薄片状的制品。1、挤压成型挤压成型（extrusion，见P57）一般是将真空练制的泥料，放入挤制机内，这种挤制机一头可以对泥料施加压力，另一头装有机嘴即成型模具，通过更换机嘴，能挤出各种形状的坯体。也有将挤制嘴直接安装在真空练泥机上，成为真空练泥挤压机，挤出的制品性能更好。挤压机适合挤制棒状、管状的制品。挤压法的优点：污染小，操作易于自动化，可连续生产，效率高，适合管状、棒状产品的生产。2、轧膜成型（rollforming）适宜生产1mm以下的薄片状制品。图2-16P58 四、干压成型1、概念：将粉料加少量结合剂，经造粒后置于钢模中，在压力机上加压形成一定形状的坯体。2、干压成型的工艺原理：干压成型的实质是在外力作用下，颗粒在模具内相互靠近，并借内摩擦力牢固地把各颗粒联系起来，保持一定形状。这种内摩擦力作用在相互靠近的颗粒外围结合剂薄层上。 3、加压方式和压力分布1）单面加压单面加压时，压力只通过模具塞由上加压，这时由于粉料之间以及粉料与模壁之间的摩擦阻力，产生压力梯度，越往下压力越小，压力分布不均。（P53）2）双面加压双面加压与单面加压相比，在于上下同时受压，此时各种摩擦阻力的情况并不改变，但是其压力梯度的有效传递距离短了，由于摩擦力而带来的能力损失也减少了。在这种情况下，坯体的密度相对均匀多了。双面加压，坯体的中心部位密度较低。（P53）不论单面加压还是双面加压，如果模具施以润滑剂，压力梯度会有所降低。 4、加压速度与保压时间如果加压速度过快，保压时间过短，气体不易排出。同样当压力还未传递到应有的深度时，外力就已卸掉，显然难以得到较为理想的坯体质量。如果加压速度过慢，保压时间过长，使得生产效率降低，也是没有必要的。因此，根据坯体的大小、厚薄和形状来调整加压速度和保压时间。一般对于大型、壁厚、高度大、形状较为复杂的产品，开始加压宜慢，中间可快，后期宜慢，并有一定的保压时间。对于小型薄片坯体，加压速度可以适当快些，以提高其生产效率。 5、干压成型的优缺点：优点：1）具有工艺简单，操作方便，周期短，效率高，便于实行自动化生产；2）其成型的坯体密度大，尺寸精确，收缩小，机械强度高等。缺点：1）对大型坯体生产有困难，模具磨损大、加工复杂、成本高；2）加压只能上下加压，压力分布不均，致密度不均，收缩不均，会产生开裂、分层等现象。 五、等静压成型1、概念等静压成型(isostaticpressing）又叫静水压成型，它是利用液体介质不可压缩性和均匀传递压力性的一种成型方法。即处于高压容器中的试样受到的压力如同处于同一深度的静水中所受到的压力情况，所以叫做静水压或等静压。2、成型方法的特点1）可以成型以一般方法不能生产的形状复杂、大件及细而长的制品，而且成型质量高。2）可以不增加操作难度而比较方便地提高成型压力，而且压力作用效果比其他干压法好。3）由于坯体各向受压力均匀，其密度高而且均匀，烧成收缩小，因而不易变形。4）模具制作方便、寿命长、成本较低。5）可以少用或不用粘接剂。 3、等静压成型方法等静压成型方法有冷等静压和热压等静压两种类型。冷等静压又分为湿式等静压和干式等静压。（参见P54）1）湿式等静压特点：模具处于高压液体中，各方受压。此法主要适用于成型多品种、形状较复杂、产量小和大型的制品。2）干式等静压特点：模具并不都是处于液体之中，坯料的添加和坯件的取出，都是在干燥状态下操作。此法适合于生产简单的长形、壁薄、管状制品。 六、带式成型法带式成型法可分为流延法（或叫刮片法）和薄片挤压法两种。前者成型用的坯料为料浆状，后者为泥团状。一般采用流延法。流延法（又叫带式浇铸法，刮刀法）成型其工艺过程：将准备好的粉料内加粘结剂、增塑剂、分散剂、溶剂，然后进行混合，使其均匀。把料浆放入流延机的薄膜载体（传送带）上，用刮刀控制厚度，经烘干后，得到膜坯，再按所需要的形状切割或开孔。流延法适合制备小于0.2mm以下，表面光洁度好、超薄型的制品。利用此成型法粘结剂含量高，因而收缩率较大，高达20~21%，因此生产中应予以注意。