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陶瓷粉體成型工藝之“壓制成型”
2019年04月30日 發布 分類訛︰粉體加工技術 點擊量疵牆濕︰29
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陶瓷和耐火材料的生產工藝從總體上來看主要可分為三個階段鳳︰制粉→成型→燒成胺挾改。今天我們來探討其中的粉末成型工藝墾勸既,陶瓷制品的原料是松散的粉體材料窟模,粉體成型的過程是通過外力將松散粉末原料或者其聚集體制成具有一定尺寸悼辜佩、和強度的坯體或制品藩祁。在先進陶瓷的成型工藝中漆辮,陶瓷粉末原料均需經過一定的加工處理鈴比棲,才能制成適合于特定成型方法的坯料梅烘。按照坯料的流動熔、流變特性烯武斧,可將陶瓷成型方法分為壓制成型法腑縴隨、可塑成型法藐老、漿料成型法三大類械僳共。

 

壓制成型法又稱為模壓成型(stamping process)放咎,是將粉料(含水量必須控制在4%-7%陷,甚至可達1%-4%)加入少量粘結劑進行造粒濰熊戳,然後將造漣ュ後的粉料置于模具中干壓成型一般為鋼模樸,冷等靜壓為橡皮膜)中番筏,在壓力機械上加壓形成一定形狀的坯體勺棘。

壓制成型法的特點是粘結劑含量較低淬,不經過干燥就可以直接焙燒旅,坯體的收縮率心旆薄,該方法大大提高了坯體的致密程度徒,進而提高了制件的強度氓喉江,而且壓制成型的機械化水平較高據肌。壓制成型法中應用較為廣泛的是干法壓制和等靜壓成型兩種食容,現分別對其原理團鞘叮、流程及特點進行介紹唉就,並對比兩種成型方法的優缺點瑞棟書。

一排你上、干法壓制

干法壓制是基于較大的壓力將粉狀坯料在模型中壓成的嚷盾鴻,其實質是在外力作用下顆粒在模具內相互靠近桑,並借助內摩擦力牢固地把各顆粒聯系起來並保持一定形狀的工藝姬悼吹。

 

1 干法壓制的示意圖琺玲竿,左圖為單向壓制購,最終得到的壓制密度有梯度差;右圖為雙向壓制尺戶培,壓制密度差小于單向壓制

工藝流程包括喂料鉗、加壓成型淑飛、脫模粱狗、出坯緩樸腐、清理模具凜剮。

1采爛膽、喂料入︰將粉料顆粒裝填入模框內頑,為了保證坯體的規格和質量胯,喂料應該均勻並定量酪。

2斯孔、加壓成型韭︰利用模具之間的相對運動給疏松的粉料施加壓力孺歡瓤,使粉料壓緊成致密的坯體梳湯。該工序是壓制成型中的關鍵工藝慨雌拔,需要控制施加壓力的大小安、壓制時間及壓制方式等因素膩,任何條件的改變都有可能導致坯體質量發生變化陀規。

3捍、脫模嗓許︰將成型好的坯體從模具型腔內脫出騰龔。

4侮、出坯鹿貫浮︰將頂出的成型好的坯體移動至放坯台面上或輸送帶上掀哀。

5樸慶湍、清理模具討剿︰必要時還需要在模腔內壁噴油來潤滑口鵲煎。

二壤麻低、等靜壓成型

等靜壓成型方法又叫靜水壓成型燈便,是利用液體介質不可壓縮性和均勻傳遞壓力性的一種成型方法答剃。也就是說蔫酥炯,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受到的壓力情況墩,所以叫做靜水壓或靜壓渴魂壩,根據這種原理而得到的成型工藝則稱為靜水壓成型或等靜壓成型細墩。通常沉講伐,陶瓷材料的等靜壓可分為濕袋法等靜壓和干袋法等靜壓躊匪。

 

2 等靜壓成型方法

濕袋法等靜壓是將粉料先放入成型模具(即包套)內揣姜,經密封後再置于高壓缸中進行壓制材城蓬。在壓制過程中募苔黑,包套完全浸入液體吝,與壓力傳遞介質直接接觸鄰湃。濕袋法等靜壓適用性強捐蘿,尤其適合用于實驗研究和小批量生產敖長,並可同時在一個高壓缸內壓制兩種以上不同形狀的制件及生產大型和形狀復雜的制件家,生產流程短且成本低廉吵沸成。濕袋法等靜壓的模具及坯料的放置方式如圖2所示耪菩。

 

干袋法等靜壓成型鋼,是將粉料裝入成型橡畝Π。後炒烏,一起放進加壓橡模內堿袒刮,或將粉料從上面通過進料斗慨港圖,送至加壓橡皮模中蹈融,成型橡皮模是與液體介質不相接觸的猾寺,因此稱為干袋法胸吵。這種方法可以實現連續操作鼓鑼磊,把上蓋打開紡贛,從料斗中裝料狼棉判,然後蓋好上蓋崗,加壓成型貉搶。出坯時腺菜,把上蓋打開碌叉濫,通過底部的頂棒把坯件從上面頂出來眯擾。干袋法自動程度高莆遁,操作周期短遣艇,適用于大批量生產刺,但因加壓橡皮模不易經常更換取島黴,成型的產品尺寸和形狀受到限制騁。

與干壓成型法相比培含,等靜壓成型法最大的特點就是粉體材料是處于三向壓應力狀態下縴燒,因而成型件的性能和質量提升明顯構矮泵。

等靜壓成型的優勢具體而言如下面幾點所示眉薪︰

1. 干壓成型只有一到兩個受壓面拉,而等靜壓成型則是多軸施壓寵時酗,即多方向加壓多面受壓搜,這樣有利于把粉料壓實到相當的密度慶母。同時晌稈晤,粉料顆粒的直線位移屑 ,消耗在粉料顆粒運動時的摩擦功相對較腥疚洗 ,提高了壓制效率堆。

2. 與施壓強度大致相同的其它壓制成型相比判濫,等靜壓成型可以得到較高的生坯密度犢掃插,而且在各個方向上都均勻密實仿纜,不因為形狀厚薄不同而有較大的變化譚仁。

3. 由于等靜壓成型的壓強方向性差異不大結烙履,粉料顆粒間和顆粒與模型間的摩擦作用顯著減少巴,所以在生坯中產生應力的現象是很少出現的疇。

4. 等靜壓成型的生坯強度高揉,生坯內部結構均勻紹韋腐,不存在顆粒取向排列誨瘓械。

5. 等靜壓成型采用粉料含水量很低(一般在1%-3%)景戒畝,也不必或很少使用粘合劑和潤滑劑窪吉。這對于減少干燥收縮和燒成收縮是有利的炒頸難。

三房蠟舅、應用情況舉例

模壓成型方法在工業生產中有廣泛的應用戌微燈,下文將對其典型的兩個案例做簡單介紹善楔。

1固伯、干壓成型應用于手機陶瓷背板成型

智能手機“千機一面”使得手機同質化競爭日趨嚴重習。在存量博弈階段澗是晦,銷售壓力為手機廠商帶來了外觀創新的動力體韭碧。除了正面的屏幕面版之外嘛賄礎,手機背板作為整台手機面積最大的部分殲砂宛,其材料搞處汗、工藝與設計自然稱為各方角逐的重要戰場甸。手機陶瓷背板的領域洪誣,相比于傳統的手機後蓋咀,實屬一個大大的材質創新瞄。手機背板作為機身非主要功能部件田,成本控制自然是嚴格的褲盆懦,在滿足應用要求的情況下需要采用低成本方案裸濫,因此在手機背板成型中敞突,所采用的壓制成型方法盾草,一般為干壓成型庭木,這是由于干壓成型適合于低成本棺、大批量生產背板這一類形狀簡單的零件霧椒。

4 小米MIX 2S翡翠藝術版由小米攜手敦煌研究院聯合研發墊冀逛,在最薄處僅0.45毫米的精密陶瓷後蓋上亮欄驚,注入了傳統色彩藝術的靈魂

上圖展示的小米MIX 2S腦胯就,其陶瓷後蓋最低達到0.45毫米甘斃。其翡翠色顯得精美高貴夕雙,是通過在納米氧化鋯陶瓷原料中注入陶瓷色料臉口鉚,不斷試色畏、調整色料比例制作而成啃,每一次嘗試均通過模壓成型介冬慧、高溫燒結以及CNC加工白奉縴,因而經歷了漫長的試色周期參。

3 陶瓷手機蓋板的成型工藝流程

(圖片來源邢︰精細陶瓷在智能手機上的應用及其制備工藝)

如上是陶瓷手機背板的工藝過程坎爸,完整堵、簡明的展示了從初始的粉體材料臥嫉獵,經過注射成型炯、流延成型或模壓成型方法成型後肖納,再經燒結鋪矮輸、數控加工紀、研磨拋光痞、激光雕刻等工藝講,得到精致的手機蓋板假。

 

2飾銻鬼、等靜壓成型法用于高端軸承球

但在高端陶瓷軸承球的生產中鴕,由于要求力學性能好舶捻凰、精密度高擔、各向異性泄咽綹 ,因此一般采用等靜壓成型法(當然也有干壓成型+冷等靜壓復合的工藝方法鎂鞭,後面有介紹)緬鼓蠢。

陶瓷軸承球的研制與生產巍蕾想,一直是國內外研究的熱點問題咯罐。可用于制備軸承的陶瓷材料有很多濃苯駝,例如氮化 急毖巾,氧化鋯規廬,氧化鋁等堡臂,其中采用氮化 制成的陶瓷球擔錄,尤為引人注目焚對該。其重量只有同體積鋼球的42%特,但彈性模量是軸承鋼的1.5倍齊荷篡,因而大大降低了啟動慣性和滾動摩擦力矩;且其運轉精度對溫度不敏感介,線膨脹系數只有鋼球的29%;此外還具有使用壽命長哆,絕緣性好等其它優點笆酵嘛。

 

5 五種主要的軸承球材料性能對比

(圖片來源輩︰陶瓷軸承球的應用和生產加工)

2012年6月申侵翠,日本株式會社東芝向歐洲專利局提交了名為“氮化 耐磨部件及其制造方法”的發明專利焙劑。該專利采用金屬氮化法生產的氮化 粉末閉並,利用等靜壓方法強淌兢,在壓力大于等于120MP下舒撻,600-800℃的非氧化氛圍內成型瑰鴻。隨後在常壓或高壓下菇廠,在惰性氣體氛圍1600-1800℃燒結0.5-10h笆,實現致密化掣茸。所得制品氧含量低于4.5wt%間,孔隙率小于1%芯塊沙,最大孔徑小于0.4um臼屁屁。常壓下三點彎曲強度800-1000MPa川,破碎強度150-200MPa貉便究。

2014年7月故弘,上海步進精密陶瓷提出一項名為“超低氣孔率氮化 陶瓷軸承球及其制造方法”的發明專利杜。專利采用原材料為75%-85%的氮化 粉體度姜、10%-15%的氧化鋁粉體仍、助燒劑5%-10%襖擒。通過混合闖魄叮、球磨姆慮席、干燥峽皇、預壓制航暇揀、冷等靜壓吵盤毋、排膠捕、燒結舶隴、研磨的工藝步驟稱謊,制得具有超低氣孔率的氮化 陶瓷軸承球雇上軟。

 

6 采用預壓+冷等靜壓結合的工藝粟眉,以獲得超低氣孔率的陶瓷軸承球

(圖片來源頭︰Si3N4陶瓷球制備技術

2017年9月碧吹尺,中國建材集團所屬中材高新材料股份有限公司自主研發轉化臘賢迷、具有完全知識產權的“年產100噸高性能氮化 陶瓷生產線”在山東淄博開工奠基琳。該產線生產的高性能氮化 陶瓷椽,將主要用于氮化 陶瓷軸承球槐、電動汽車氮化 基片等產品貉采陋。

據了解瞥錳彼,中材高新近些年經過不斷研發攻關胳吾膝,在國內首次實現等靜壓技術制備高端氮化 材料的工業化生產躥柿,其通過熱等靜壓技術生產的陶瓷軸承球達到國際I級水平酬慚氦,順利通過以瑞典SKF毯、日本AKS為代表的國外知名企業的認證禿。

7 中材高新生產的氮化 陶瓷球

小結

壓制成型方法又稱為模壓成型蕪炯,其中懇需萎,干壓成型和等靜壓成型應用最為廣泛漏哇。等靜壓成型與干壓成型相比拱沮寒,最大的特點是陶瓷粉體處于較強的三向壓應力狀態腥芙 病,因而獲得坯體更為致密歪曙,各向異性芯鍘,力學性能好烙豐苫。在陶瓷手機背板和高端陶瓷軸承球的生產中彈定寇,兩種壓制成型方法均各有用武之地喉揭劑。

參考文獻

1羅、先進陶瓷成型及加工技術叛態達,機械工業大學愧怪鉛,朱海軌陋,楊慧敏亨貌耗,朱柏林惋。

2翔刃、精細陶瓷在智能手機上的應用及其制備工藝泥感剩,汕頭大學線律,藍海鳳賠精,黃永靠迦睢,李少杰撥瞎曬,張偉缽目,王雙喜系揣。

3昏、陶瓷軸承球的應用和生產加工內鐐評,中材高新氮化物有限公司科墮,徐學敏鉤談。

4覓、Si3N4陶瓷球制備技術哩,唐明國羅骯,楊忠波頸釋,楊勇飛漠。

 

By冗愧︰火宣


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