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1、第4章 陶瓷坯體的成型41 概述陶瓷的成型技術對於製品的性能具有重要影響。新型陶瓷成型方法的選擇，應當根據製品的性能要求、形狀、尺寸、產量和經濟效益等綜合確定。411成型方法分類日用陶瓷製品的種類繁多，用途各異，製品的形狀、尺寸、材質、燒成溫度不一，對各種製品的性能和品質要求也不盡相同，因此採用的成型方法也多種多樣，造成了成型工藝的複雜化。p12094.1.2 成型方法的選擇以圖紙或樣品為依據，確定工藝路線，選擇合適的成型方法。選擇成型方法時，要從以下幾方面來考慮。(1)產品的形狀、大小、厚薄等。一般形狀複雜、大件、薄壁產品，可採用注漿成型法。而具有簡單回轉體形狀的器皿則可採用旋壓或滾壓成型法
2、。2坯料的工藝性能。可塑性較好的坯料適用於可塑成型法，可塑性較差的坯料可適用於注漿或乾壓成型法。3產品的產量和品質要求。產量大的產品可採用可塑成型法，產量小的產品可採用注漿成型法。4成型設備要簡單，勞動力要小，勞動條件要好。5技術指標要高，經濟效益要好。總之、在選擇成型方法時，希望在保證產品產量，品質的前提下，選用設備最簡單、生產週期最短、本钱最低的方法。注漿成型421 注漿成型的特點及影響因素在傳統陶瓷工業中，注漿成型己有200餘年歷史。本世紀30年代開始應用於碳化物、氮化物等新型陶瓷製品的成型。此法適於生產一些形狀複雜且不規則、外觀尺寸要求不嚴格、壁薄及大型厚胎的製品。注漿成型所用的料漿必
3、須具備如下性能:1料漿的流動性好;2料漿的穩定性要好，即不易沉澱和 分層3料漿的觸變性要小;4料漿的含水量盡可能少，滲透性要好;5料漿的脫膜性要好;6料漿中應盡可能不含氣泡。注漿成型法有空心注漿和實心注漿兩種。為了提高注漿速度和坯體的品質，又出現了壓力注漿、離心注漿和真空脫氣注漿等方法。注漿成型工藝簡單，但勞動力大，生產週期長，不易實現自動化;且坯料燒後的密度小、機械強度差、收縮變形大，對機械強度幾何尺寸、電氣性能要求高的新型陶瓷產品。一般不用此法。影響泥漿流動性的因素在實際生產中，注漿成型的泥漿應具有一定的流動性和穩定性才能滿足成型的要求。(1)固相的含量、顆粒大小和形狀的影響 在一定濃度的
4、泥漿中，固相顆粒越細，顆粒間的平均距離越小，吸引力增大。 位移時所需克服的阻力增大，流動性減小。 此外，由於水有偶極性和膠體粒子帶有電荷，每個顆粒周圍都形成水化膜，固相顆粒所呈現的體積比真實體積大得多，因而阻礙泥漿的流動。泥漿流動時，固相顆粒既有平移又有旋轉運動。當顆粒形狀不同時，對流動所產生的阻力必然不同。對於體積相同的固相顆粒來說，等軸顆粒產生的阻力最小;顆粒形狀不規則，流動阻力大。泥漿流動性差。(2)泥漿溫度的影響 將泥漿加熱時，分散介質 (水)的黏度下降，泥漿黏度也因而降低。提高泥漿溫度，除增大流動性外。還可加速泥漿脫水，增加坯體強度。所以生產中有采用熱膜熱漿進行澆注的方法。假设泥漿溫
5、度為35和40。C、模型溫度為35oC左右，則吸漿時間可縮短一半，脫膜時間也相應縮短。 (3)黏土及泥漿處理方法的影響 生產施工發現，黏土原料經過乾燥後配成的泥漿其流動性有所改變。如圖所示，當黏土乾燥溫度升高時，一定量泥漿流出時間縮短，即其流動性增加。在某一溫度下乾燥黏土時，泥漿流動性可達最大值。而進一步升高乾燥溫度，泥漿的流動性卻又降低。這和黏土乾燥脫水後，外表吸附離子的吸附性質發生變化 (這種現象稱為固著現象)有關。 (4)泥漿的pH值的影響 一些瘠性泥漿由於不含黏土，而且採用的原料密度較大，容易聚沉下降，因而控制這類泥漿的穩定性和流動性更顯得重要。提高瘠性泥漿流動性的方法通常有兩種，控制
6、泥漿的pH值;参加有機膠體或外表活性物質作為稀釋劑。瘠性泥漿中的原料多為兩性物質。這類物質在酸性和鹼性介質中都能膠溶，但離解的過程不同，形成的膠團構造也不同。泥漿的pH值改變時，會改變膠粒外表作用力和影響位。因而使泥漿在一定範圍內黏度顯著下降。4.2.1.2 注漿過程的物理化學變化採用石膏模注漿成型時，既發生物理脫水過程，也出現化學凝聚過程，而前者是主要的，後者只占次要地位。注漿時的物理脫水過程 泥漿注入模型後，在毛細管的作用下，泥漿中的水分沿著毛細管排出。可以認為毛細管力是泥漿脫水過程的推動力。這種推動力取決於毛細管的半徑和水的外表張力。毛細管愈細，水的外表張力愈大，則脫水的動力就愈大。當模
7、型內外表形成一層坯體後。水分要繼續排出必先通過坯體的毛細孔，然後再達到模型的毛細孔中。這時注漿過程的阻力來自石膏模和坯體兩方面。注漿開始時，模型的阻力起主要作用。隨著吸漿過程的不斷進行，坯體厚度繼續增加，坯體所產生的阻力越顯得重要，最後起主導作用。坯體所產生阻力的大小，決定於泥漿本身的性質和坯體的結構。含塑性原料多的泥漿脫水的阻力大， 形成的坯體密度大，阻力也大。石膏模產生的阻力取決於毛細管的大小和分佈。這又和製造模型時水與熟石膏粉的比例有關。(2)注漿時的化學凝聚過程 泥漿與石膏模接觸時，在其接觸外表上溶有一定數量的CaSO4 ，它和泥漿中的Na-黏土及水玻璃發生離子交換反應:Na-黏土+C
8、aSO4+Na2SiO3Ca-黏土+CaSiO3+Na2S04 (4.1)這一反應使得靠近石膏模外表的一層Na-黏土變成Ca-黏土。泥漿由懸浮狀態轉為聚沉。石膏起著絮凝劑的作用，促進泥漿絮凝硬化，縮短成坯時間。通過上述反應生成溶解度很小的CaSiO3。促使反應不斷向右進行;生成的Na2S04，是水溶性的，被吸進模型的毛細管中。42.1.3 增大吸漿速度的方法(1)減少模型的阻力 模型的阻力主要通過改變模型製造工藝來加以控制，為了減少模型的阻力，一般可增加水與熟石膏的比值，適當延長石膏漿的攪拌時間。真空處理石膏漿等。(2)減少坯料的阻力 坯料的阻力取決於其結構，而後者又由泥漿的組成、濃度、添加劑
9、的種類等因素所決定。泥漿中塑性原料含量多，則吸漿速度小，泥漿含瘠性原料多，則吸漿速度大。因此，在不影響泥漿工藝性質和產品品質的前提下，適當減少塑性原料。增多瘠性原料，對加速吸漿過程是有好處的。泥漿顆粒愈細，其比外表積愈大，愈易形成緻密的坯體，疏水性差，吸漿速度因而降低，特別是大件產品的泥漿顆粒應增粗。泥漿中参加稀釋劑，可以改善其流動性，但由於促使坯體緻密化，則減慢吸漿速度。泥漿中假设参加少量絮凝劑，形成的坯體結構疏鬆，可加快吸漿過程。實驗證明参加少量Ca2+、Mg2+的硫酸鹽或氯化物都可增大吸漿速度。(3)提高吸漿過程的推動力 泥漿與模型之間的壓力差是吸漿過程的推動力。在一般的注漿方法中，壓力
10、差來源於毛細管力。假设採用外力以提高壓力差，必然有效地推動吸漿過程加速進行。生產中採用提高壓力差的成型在下節注漿成型中介紹。4.2.2 陶瓷坯體的注漿成型4.2.2.1 根本注漿方法(1)空心注漿 單面注漿，這種方法用的石膏模沒有型芯。泥漿注滿模型經過一定時間後，模型內壁粘附著具有一定厚度的坯體。將多餘泥漿倒出，坯體形狀在模型內固定下來(圖4.2)。它適於澆注小型薄壁的產品，如坩鍋、花瓶、管件等。這種方法所用的泥漿密度較小。否則空漿後坯體內外表有泥縷和不光滑。坯體的厚度決定於吸漿的時間、模型的濕度與溫度，也和泥漿的性質有關。u12082實心注漿 (雙面注漿)泥漿注入外模與模芯之間(圖43)。坯
11、體的內部形狀由型芯決定。它適於澆注兩面的形狀和花紋不同、大型、壁厚的產品。實心注漿常用較濃的泥漿，以縮短吸漿時間。在形成坯體的過程中，模型從兩個方向吸取泥漿中的水分。靠近模壁處坯體較緻密。坯體中心局部較疏鬆，因此對泥漿性能和注漿操作的要求較嚴。表中列出了一些工廠中澆注日用瓷產品泥漿的性能指標。在實際生產中，往往根據產品結構要求將空心注漿和實心注漿同時採用，即產品的某些部件用空心法成型。例如澆注盥洗池便是這樣。4222 注漿用石膏模的主要缺陷(1)開裂 由於石膏模過分乾燥或太濕，模型各局部乾濕程度不同，漿料中原料顆粒過粗，電解質含量少，漿料陳放時間不夠，坯体在模內存放時間過長等原因引起。也可能因
12、乾燥過快，坯體放得不平等原因而造成開裂。(2)氣孔與針眼 產生的原因有模型過乾、過熱或過舊;漿料存放過久;澆注時加漿過急，漿料密度大，黏性強;模型內浮灰末去掉;模型設計不妥，妨礙氣泡排出等。(3)變形 模型太濕、脫膜過早、漿料水分太多、原料顆粒過細等都可能引起變形。(4)塌落 原因是漿中原料過細，水分多、溫度高、電解質多、模型過濕、 (5)粘模 產生的原因是模型過濕、過冷、過舊、漿料水分過多等。4.3 乾壓成型乾法壓制的根本原理4.4.3.1 粉料的根本性質 (1)粒度和粒度的分佈 粒度是指粉料的顆粒大小，通常以顆粒的半徑或直徑表示，實際上並非所有的粉料顆粒都是球狀。非球形顆粒的大小可以用等效
13、半徑來表示。也就是把不規則的顆粒換算成為和它同體積的球體，以相當的球體半徑作為其粒度的量度。 例如棒狀粒子長度為a,寬度為b、高度為c則其體積為V=abc。假设與它相同的球體半徑為r 則 V=abc=4/3r3 (4.2)即該顆粒的等效半徑為粒度分佈指各種大小顆粒所占的百分比。從生產實驗中可知，很細或很粗的粉料，在一定壓力下被壓緊成型的能力較差。表現在相同壓力下坯體的密度和強度相差很大。此外，細粉加壓成型時，顆粒中分佈著的大量空氣會沿著與加壓方向垂直的平面逸出，產生層裂。(2) 粉料的堆積性質由於粉料的形狀不規則，外表粗糙，使堆積起來的粉料顆粒間存在大量孔隙。粉料顆粒的堆積密度和堆積形式有關。
14、如以等徑球狀粉料為例，排列方式和孔隙率的關系列於表中。假设採用不同大小的球體堆積，則可能小球填塞在等徑球體的孔隙中。因此採用一定粒度分佈的粉料可以減少其孔隙率，提高自由堆積的密度。例如，只有一種粒度的粉料堆積時的孔隙率為40。假设用兩種粒度 (平均粒徑比為10:1)配合，則其堆積密度增大。單一顆粒(即純粗顆粒或細顆粒)的總體積約為，即孔隙率約為40。假设將粗、細顆粒混合，粗顆粒約占70，細顆粒約占30的混合粉料，其總體積約為，孔隙率最低約為25。假设採用三級顆粒配合，則可得到更大的堆積密度。當粗顆粒為50，中顆粒為10， 細顆粒為40，粉料的孔隙率僅為23。 粉料的拱橋效應 (或稱為橋接)粉料
15、自由堆積的孔隙率往往比理論計算值大得多。這因為實際粉料不是球形，加上外表粗糙，結果顆粒互相交錯咬合，形成拱橋形空間。增大孔隙率。這種現象稱為拱橋效應 (見圖44)。粉料的流動性粉体雖然由固體顆粒所組成，但由於其分散度較高，具有一定的流動性。當堆積到一定高度後，粉料會向四周流動。始終保持為圓錐形，其自然安息角 (偏角)，保持不變。當粉料堆的斜度超過其固有的角時，粉料向四周流瀉，直到傾斜角降至角為止。因此可用此角反映粉料的流動性。一般粉料的自然安息角為20o40o。如粉料呈球形。外表光滑，易於向四周流動，角就小。粉料的流動性取決於它的內摩擦力。設顆粒本身重為G(圖4.5)。它可以分解為沿自然斜坡發
16、生的推動力:F=Gsin和垂直於斜的正壓力:N=Gcos F=N/cosSin=Ntan當粉料維持自然安息角時，顆粒不再流動，此時產生與F力大小相等，方向相反的摩擦力，才能維持平衡。r1209p1221u12114.3.2 壓製過程坯體的變化4.3.2.1.密度的變化在壓制成型過程中，隨著壓力增加，鬆散的粉料迅速形成坯體。坯體的相對密度有規律地發生變化，假设以成型壓力為橫坐標，以坯體的相對密度為縱坐標，作圖，可定性地得到如圖所示的關係曲線。加壓的第一階段，坯體密度急劇增加;第二階段，當壓力繼續增加時。坯體密度增加緩饅，後期幾乎無變化。第三階段，當壓力超過某一數值 (極限變形壓力)後，坯體的密度
17、又隨壓力增高而加大。塑性材料的粉料壓制時，第二階段不明顯，第一、三階段直接銜接。只有脆性粉料第二階段才明顯表現出來。 對於壓製成型，坯體的成型密度主要有以下影響因素。1粉料裝模時自由堆積的孔隙率越小，則坯體成型後的孔隙率也越小。因此，應控制粉料的粒度和級配，或採用振動裝料時減少起始孔隙率，從而可以得到較緻密的坯體。 。2增加壓力可使坯體孔隙率減少，而且它們呈指數關係。實際生產中受設備結構的限制以及坯體質量的要求，壓力值不能過大。 3延長加壓時間也可以降低坯體氣孔率，但會降低生產率。 (4減少顆粒間內摩擦力也可使坯體孔隙率降低。實際上，粉粒經過造粒 (或通過噴霧乾燥)得到球形顆粒，参加成型潤滑劑
18、或採取一面加壓一面升溫 (熱壓)等方法均可達到這種效果。 5坯體形狀、尺寸及粉料性質對坯体密度的關係反應在數值影響上。在壓制過程中，粉料與模璧產生摩擦作用，導致壓力損失。坯體的高度H與直徑D的比值 (H/D)愈大，壓力損失也愈大，坯體密度更加不均勻。模具不夠光滑、材料硬度不夠，都會增加壓力損失。模具結構不合理，出現銳角。尺寸急劇變化，某些部位粉末不易填滿。會降低坯體密度，使密度分佈不均勻。 4.3.2.2 強度變化坯體強度，隨成型壓力的變化大致分為三個階段。第一階段壓力較低，雖然由於粉料顆粒，位移填充孔隙，坯體孔隙減小，但顆粒間接觸面積仍小，所以強度並不大。第二階段是成型壓力增加。不僅顆粒位移
19、和填充孔隙繼續進行，而且能使顆粒發生彈-塑性變形。顆粒間接觸面積大大增加。出現原子間力的相互作用，因此強度呈直線提高。壓力繼續增大至第三階段，坯體密度和孔隙變化不明顯。強度變化也較平坦。 坯體中壓力的分佈 壓制成型遇到的一個問題是坯體中壓力分佈不均勻，即不同的部位受到的壓力不等，因而導致坯體各局部的密度出現差別。這種現象產生的原因是顆粒移動重新排列時，顆粒之間產生內摩擦力，顆粒與模壁之間產生外摩擦力。這兩種摩擦力妨礙著壓力的傳遞。坯體中離加壓面的距離愈大，則受到的壓力愈小。摩擦力對坯體中壓力及密度分佈的影響隨高徑比(H/D)而變化。H/D值愈大，則不均勻分佈現象愈嚴重。因此高而細的產品不適於採
20、用壓制法成型。加壓方式對坯體質量的影響成型壓力的影響在壓制過程中，加於粉料上的壓力主要消耗在以下兩個方面: 1克服粉料的阻力Pl，稱為靜壓力。它包括顆粒相對位移時所需克服的內摩擦力及使粉料破粹變形所需的力。2克服粉料顆粒對模壁摩擦所消耗的力，稱為消耗壓力。 所以壓制過程中的總壓力為P=P1+P2 ，這就是一般所說的成型壓力。它一方面與粉料的組成和性質有關，另一方面與壁模和粉料的摩擦力和摩擦面積有關，即與坯體大小和形狀有關。如果坯體橫截面不變，而高度增加，形狀複雜，則壓力損耗增大。假设高度不變，而橫截面尺寸增加，則壓力損耗減。對於某種坯料來說，為了獲得緻密度一定的坯體所需要施加的單位面積上的壓力
21、是一個定值，而壓制不同尺寸坯體所需的總壓力等於單位壓力乘以受壓面積。一般工業陶瓷的單位成型壓力為401OOMPa。含黏土的坯料塑性較好，可用較低的壓力:106OMPa。產品性能要求嚴格的瘠性坯料需用較大的壓力。4332 加壓方式的影響單面加壓時，坯體中壓力分佈是不均勻的圖4.7(a)。不但有低壓區，還有死角，為了使坯體的緻密度完全一致，宜採用雙面加壓。雙面同時加壓時，可使底部的低壓區和死角消失，但坯體中部的密度較低 【圖b】假设雙面先後加壓，兩次加壓之間有間歇，利於空氣排出，使整個坯體壓力與密度都均勻【圖4.7(c】。如果在粉料四周都施加壓力 (也就是等靜壓成型)，則坯體密度最均勻 【圖47(d)】。 r1210
