第3章 特种陶瓷成型与烧结方法

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1、第 3章 特种陶瓷成型与烧结方法 3.1 成型工艺 成型技术和方法丰富、广泛，且具有不同的特点。 特种陶瓷成型方法的选择，是根据制品的性能要求、形状、大小、厚薄、产量和经济效益等方面进行的。,3.1.1 成形前的原料处理 目的： 调整和改善其物理化学性质，使之适宜后续工序和产品性能的需要。 成型前的原料处理： 1、原料煅烧 2、原料的混合 3、塑化 4、造粒 5、瘠性物料的悬浮 1. 原料的煅烧 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。 使原料颗粒致密化及结晶长大，减少在以后烧结中的收缩，提高产品合格率； 完成同质异晶的晶型转变，形成稳定的结晶相，如-

2、Al2O3煅烧成-Al2O3,原料的混合 对特种陶瓷来说，通常采用细粉来进行配料混合，不需要再进行磨细。就均匀混合要求来说，必须重视几点： （1）加料的次序 微量的添加物主要用于材料的改性或促进烧结 用量很少的原料就夹在两种用量较多的原料中间，可以防止其粘在球磨筒的筒壁上，或粘在研磨体上，造成坯料混合不均匀，以至于使制品性能受到影响。,（2） 加料的方法 在特种陶瓷中，有时少量的添加物并不是一种简单的化合物，而是一种多元化合物。 不经预先合成，依简单化合物逐次加入，会产生混合不均匀和称量误差，并会产生化学计量的偏离，而且物质的量越小，产生的误差就越大，这样会影响到制品的性能，达不到改性的目的。

3、 必须事先合成为某一种化合物，然后再加进去，这样既不会产生化学计量偏离，又能提高添加作用。,（） 湿法混合时的分层 由于原料的密度不同，特别是当含密度大的原料，料浆又较稀时，更容易产生分层现象。对于这种情况，应在烘干后仔细地进行混合，然后过筛，这样可以减少分层现象。 （）球磨筒（或混合用器）的使用 混合设备最好能够专用，或者至少同一类型的坯料应专用。避免引进杂质而影响到配方组成，从而影响到制品的性能。 混合设备要根据物料的要求和具体条件决定。,3. 塑化 在特种陶瓷生产中，坯料用的原料几乎都是化工原料，这些原料没有可塑性。通常成型之前先要进行塑化处理。 1）概念与种类 塑化：指利用塑化剂使原来

4、无塑性的坯料具有可塑性的过程。 可塑性：是指坯料在外力作用下发生无裂纹的形变，当外力去掉后不再恢复原状的性能。 塑化剂：是指使坯料具有可塑性能的物质。 种类： 一类是无机塑化剂，另一类是有机塑化剂。对于特种陶瓷，一般采用有机塑化剂。,塑化剂的组成 1、粘结剂，能粘结粉料。 2、增塑剂，溶于粘结剂中使其易于流动。 3、溶剂，能溶解粘结剂、增塑剂并能和物料构成可塑物质的液体。 塑化剂的选择要根据成型方法、物料性质、制品性能要求、塑化剂的价格以及塑化剂烧结时能否排除及排除温度范围等决定。 2）塑化机理 无机塑化剂在传统陶瓷中主要指粘土物质，其塑化机理主要是加水后形成带电的粘土 水系统，使其具有可塑性

5、和悬浮性。,2）塑化机理 有机塑化剂一般也是水溶性的，是亲水的，同时又是有极性的。 这种分子在水溶液中能生成水化膜，对坯料表面有活性作用，能被坯料的粒子表面所吸附，而且分子上的水化膜也一起被吸附在粒子表面上，因而在瘠性粒子的表面上，既有一层水化膜，又有一层粘性很强的有机高分子。 这种高分子是蜷曲线性分子，能把松散的瘠性粒子粘结在一起，又由于有水化膜的存在，使其具有流动性，从而使坯料具有可塑性。,图 PVA有机塑化剂的塑化结构。,3） 塑化剂对坯体性能的影响 （1）还原作用的影响： 塑化剂在焙烧时，由于氧化不完全，而产生CO气体。CO与坯体中某些成分发生作用，导致还原反应，使制品的性能变坏。 （

6、2）对电性能的影响： 由于塑化剂挥发时产生一定的气孔，也会影响到制品的绝缘性和电性能。 （3）对机械强度的影响： 塑化剂挥发是否完全、塑化剂用量的大小，会影响到产生气孔 （4）塑化剂用量的影响： 塑化剂的含量越少越好，但塑化剂过低，坯体达不到致密化，容易分层。 （5）塑化剂挥发速率的影响：选择塑化剂其挥发温度要求低于坯体的烧成温度，而且挥发温度范围要大一些，有利于控制，否则因塑化剂集中在一个很窄的温度范围内剧烈挥发而产生开裂等。,4 . 造粒 特种陶瓷的粉料，一般希望越细越好，有利于高温烧结，可降低烧成温度。 在成型时却不然，尤其对于干压成型来说，粉料的假颗粒度越细，流动性反而不好，不能充满模

7、子，易产生空洞，致密度不高。 造粒: 就是在很细的粉料中加入一定塑化剂，制成粒度较粗（20-80目）、具有一定假颗粒度级配、流动性好的粒子。 常用方法：普通造粒法，压块造粒发，喷雾造粒，冻结干燥法。,一般造粒法 原理：将坯料中加入适当的塑化剂，经混合过筛，得到一定大小的团粒。 加压造粒 原理：将坯料加入塑化剂，搅拌混合均匀后经预压成块，然后破碎过筛而成团粒。 喷雾干燥造粒法 原理：将混合有适量塑化剂的粉料制成料浆(一般用水)，再用喷雾器喷入造粒塔进行雾化、干燥。 冷冻干燥法 原理：将金属盐水溶液喷雾到低温有机液体中，液体立即冻结，使冻结物在低温减压条件厂升华，脱水后进行热分解，从而获得所需要的

8、成型粉料。,成型坯体的质量与团粒的质量关系密切，所谓的团粒的质量是指团粒的体积密度、堆积密度和形状。体积密度越大，成型后坯体的质量越好球状团粒流动性好切堆积密度大。 瘠性物料的悬浮 特种陶瓷的坯料一般为瘠性物料，不易于悬浮。为了达到悬浮和便于注浆成型，必须采取一定的措施。特种陶瓷所用瘠性物料大致可以分为两类：一类与酸不起作用，另一类与酸起作用。因此，根据不同情况采用不同方法。不溶于酸中的可以通过有机表面活性物质的吸附，使其悬浮。,用盐酸处理Al2O3后，在Al2O3粒子表面生成AlCl3， AlCl3立即水解.,Al2O3经酸处理后在水中生成 AlCl2+和AlCl2+离子，犹如Al2O3粒子

9、表面吸附了一AlCl2+和AlCl2+ ，使Al2O3成为一个带正电荷的胶粒，然后胶粒吸附 OH- 而形成一带正电荷的胶粒。,3.1.2 主要成形方法 一、成形方法与结合剂的选择 特种陶瓷成型方法有很多种，生产中应根据制品的形状选择成形方法，而不同的成形方法需选用的结合剂。 特种陶瓷成形方法、结合剂种类和用量,结合剂可分为润滑剂、增塑剂、分散剂、表面活性剂等，为满足成形需要，通常采用多种有机材料的组合。选择结合剂，要考虑以下因素： 结合剂能被粉料润湿是必要条件（考虑粉料的临界表面张力或表面自由能与结合剂的表面张力） 好的结合剂易于被粉料充分润湿，且内聚力大 当结合剂被粉料润湿时，在相互分子间发

10、生引力作用，结合剂与粉料间发生结合（一次结合），同时，在结合剂分子内，由于取向、诱导、分散效果而产生内聚力（二次结合）。按各种有机材料内聚力大小顺序，用基表示可排列如下： -CONH- -CONH2 -COOH -OH -NO2 -COOC2H5 -COOCH5 -CHO =CO -CH3 = CH2 -CH2,结合剂的分子量大小要适中。要想充分润湿，希望分子量小，但内聚力弱。随着分子量增大，结合能力增强。但当分子量过大时，内聚力过大而不易被润湿，且易使坯体产生变形。 加入适当增塑剂，帮助分子内的链段运动，在其容易润湿的同时，使结合剂更加柔软，便于成形。 防止从结合剂、原材料和配制工序混人杂质

11、，使产品产生有害的缺陷。,二、 特种陶瓷主要成型方法 压力成型方法，可塑成型方法，料浆成型方法， 注射成型 （一）压力成型方法 利用固体颗粒为原料在一定压力下进行成型，也叫模压成型或干压成型。 常采用干压成型和等静压成型。 粘结剂含量较低（一般为 78 ） 不经干燥可以直接焙烧，坯体收缩小，可以自动化生产。,1）干压成型 方法与适用条件： 将造粒后的粉料置于钢模中，在压力机上加压形成一定形状的坯体。适合压制高度为 0.360 mm、直径为 5500 mm形状简单的制品。,原理： 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

12、粒外围结合剂薄层上。,颗粒级配和造粒 坯料的颗粒级配和造粒恰当，堆集密度比较高。随着压力增大，坯料将改变外形，相互滑动，间隙被填充减少，逐步加大接触，相互贴紧。由于颗粒之间进一步靠近，使胶体分子与颗粒之间的作用力加强，因而坯体具有一定的机械强度。 坯料颗粒级配合适，结合剂使用正确，加压方式合理，干压法可以得到比较理想的坯体密度。,加压方式和压力分布,普通压制成型不能用于成型高而细的产品,加压速度和保压时间,加压过快，保压时间过短，气体不易排出； 加压慢，保压时间过长，生产效率低；,生产过程简单，致密度高，制品尺寸精确，表面质量高，设备机械化、自动化程度高，可以实现连续化生产。,优点：,对于制品

13、形状复杂的制品难于成型，模具磨损大；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,局限性：,2）等静压成型 原理：利用流体（水，油）作为传递介质来获得均匀静压力施加到材料上的一种方法。 即利用液体介质的不可压缩性和均匀传递压力性，从各个方向进行加压，获得制品的成型方法。 方法：粉末被包封在与流体隔绝的橡胶或塑料模内然后将它浸没于加压容器中的液体内。流体可以是甘油机油水（防锈剂）或者其他非压缩性液体，通过高压泵将压力通过流体的传递施加在橡胶模的各个方向。伴随着橡胶模变形使粉体被均匀加压成型。,优点： 1、素坯密度高，均匀缺陷少，烧成收缩比一般干压低。能压制具有凹形、空心、细长件以及

14、其他复杂形状的零件 2、摩擦损耗小，成型压力较低。 3、压力从各个方向传递，压坯密度分布均匀，压坯强度高 4、模具成本低廉。 缺点：压坯尺寸和形状不易精确控制，生产率较低，不易实现自动化；,湿式冷等静压成型工艺,设备：湿式冷等静压机；液体介质：水、油或甘油；弹性模具：弹性好、抗油性好的橡胶或塑料。 适用产品：主要适用于成型多品种、形状较复杂、产量小和大型的制品,放入容器之前要将柔性袋中的气体排出！,干式等静压 模具并不都是处于液体之中，而是半固定式的 坯料的添加和坯件的取出，都是在干燥状态下操作 干式等静压更适合于生产形状简单的长形、壁薄、管状制品，如果稍作改进，就能运用于连续自动化生产。,湿

15、法等静压成型示意图 干式等静压成型示意图,热等静压成型,设备：热等静压成型机； 气体介质：氦气、氩气； 金属箔,一般100300MPa气压，温度可达2000，实现成型和烧结。,（二）可塑成型方法 方法： 利用模具或刀具等运动所造成的压力、剪力、挤压等外力对只有可塑性的坯料进行加工，迫使坯料在外力作用下发生可塑变形而制成坯的成型方法。主要有可塑毛坯挤压和轧膜成型。 适合产品： 适合生产管、棒和薄片状的制品，所用的结合剂比注浆成型少,挤压成型,原理,污染小，操作易于自动化，可连续生产，效率高； 坯体收缩大，机嘴加工精度高。,棒和管材的挤压成型,优缺点,将真空练制的泥料，放入挤制机内，挤压机一头可以

16、对泥料施加压力，通过挤压机嘴成形。,原理,轧膜成型原理图,轧膜成型,将坯料拌以一定量的有机粘结剂和溶剂，通过粗轧和精轧成膜片后，经冲切工序制成所需的坯件。,轧膜成型的工艺流程,特点,适合生产1mm0.05mm的薄片制品；工艺简单、生产效率高、膜片厚度均匀；只在厚度和前进方向受压，宽度方向受力较小，坯料和粘结剂不可避免的会出现定向排列，制品干燥和烧结时横向收缩大，易出现变形和开裂 。坯体性能也会出现各向异性。,（三）注浆法成形,1）料浆的主要要求 良好的流动性，足够小的粘度，以便倾注。 当料浆中固液比发生某种程度的变化时，其粘度变化要小，以便在浇注空心件时，容易倾除模内剩余的料浆。 良好的悬浮性，足够的稳定性，以便料浆可以贮存一定的时间，同时在大批量浇注时，前后料浆性能一致 料浆中水分被石膏吸收的速度要适当，以便抑制空心坯件的壁厚和防止坯件开裂。 干燥后坯件易于与膜壁脱开，便于脱模。 脱模后的坯件必须有足够的强度和尽可能大的密度。,成型工艺,（三）注浆法成形,2）石膏模注浆成型,流动性