四章成型工藝

1、第四章 壓制成形工藝一、壓制成形及其特點(diǎn)將含有一定水分的顆粒狀粉料裝填在模型內(nèi)，通過施加一定的壓力而形成坯體的工藝操作稱其為壓制成形。由于在壓制成形中所采用的模型不同，施加壓力的方式不一樣，目前有干壓成形和等靜壓成形兩種方法。等靜壓成形是將含有一定水分的顆粒狀粉料裝填在彈性模型中，通過流體介質(zhì)(一般為液體)施加一定的壓力，該壓力將均勻地作用在彈性模型上，從而使模內(nèi)的粉體被壓制成坯體。粉料的含水量一般為1%3%，液體壓力約為32MPa。墻地磚由于器型簡單、規(guī)整，故一般采用干壓成形。干壓成形是將含有一定水分的顆粒狀粉料裝填在鋼質(zhì)模型中，用較高的壓力壓制成坯體。粉料含水量一般為6%8%,壓制力為20

2、5OMPa，粉體的壓縮率約為50%60%。干壓成形所要完成的工序動作通?？煞纸鉃槲沽?將顆粒狀粉料均勻地加入模型內(nèi))壓制成形頂出將成形坯體從模型內(nèi)頂出推坯（將坯體推出?？虻耐瑫r(shí)完成喂料）清潔模具。這些動作全部由機(jī)械完成的壓磚機(jī)稱為自動壓磚機(jī)。由于粉料干壓成形工藝不用石膏模，而使用可達(dá)幾十萬次的金屬鋼模，坯體水分低，可節(jié)省干燥時(shí)間，降低能耗和變形，能連續(xù)自動地生產(chǎn)規(guī)格齊全、尺寸精度高的產(chǎn)品，因而在陶瓷工業(yè)，特別是在建筑陶瓷行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。干壓成形具有以下一些特點(diǎn)：（1）采用鋼性模型壓制。干壓成形是將粉料密實(shí)均勻地填滿模型腔，在壓力P作用下,模腔的容積由大變小，粉料被壓制成具有一定形狀和尺寸

3、的坯體。坯體的形狀、尺寸由封閉的型腔空間決定，并且該封閉的型腔容積大小是可變的。所以干壓成形是鋼性模型壓制法。鋼性模型壓制必不可少的條件是：粉料必須均勻地填滿封閉的但沒有氣密性的型腔中。不封閉，壓力不能形成，有氣密性，粉料中的氣體排放不出去，坯體出現(xiàn)嚴(yán)重夾層。粉料所處的模腔容積是可變的。容積不變，粉料就無法壓實(shí)。（2）應(yīng)有足夠大的成形壓力。成形壓力主要用于克服粉料顆粒間相互靠攏移動（壓實(shí)）的阻力，粉料與模腔壁面的摩擦力和顆粒的變形力使粉料中的氣體排出，氣孔率減少，坯體密實(shí)。但這里要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，并不是成形壓力愈大愈好，而應(yīng)根據(jù)各種不同坯料的物性、水分等的不同，確定其成形壓力。成形壓力過大，會使

4、坯體產(chǎn)生裂紋等缺陷。（3）成形壓力在坯體內(nèi)的傳遞呈遞減方式，即坯體內(nèi)各層的壓力大小隨坯體與上模的距離增加而遞減。因?yàn)槭┘釉诜哿仙系膲毫κ峭ㄟ^上模型面向填充在模腔中疏松的粉料施加的，粉料中壓力的傳遞和幾乎不可壓縮的液體不同，它不是等強(qiáng)度傳遞。(4)升壓速度和保壓時(shí)間直接影響坯體質(zhì)量。二、干壓成形的工藝原理1.對粉料的要求適合于壓制成形的粉料一般應(yīng)具備下列幾個(gè)條件:（1）粉料的各成分分布均勻，體積密度高，氣孔率低，從而可降低壓制成形的壓縮比。(2)流動性要好，壓制成形時(shí)顆粒間的內(nèi)摩擦力要小，粉料能順利地填滿模型的各個(gè)角落。(3)具有一定的顆粒大小和合理的級配并含有最少量的細(xì)顆粒部分，因細(xì)顆粒部分中

5、包含較多的空氣，使壓制成形困難。（4）顆粒在壓力下易于破碎，這樣可壓制成較致密和平整的坯體。(5)水分要均勻，否則易使壓制成形困難。2.工藝條件(1)顆粒度及顆粒級配。壓制粉料的顆粒度包括坯料的顆粒細(xì)度和粉料的團(tuán)粒(又稱假性顆粒)大小。坯料的顆粒細(xì)度將直接影響坯體的致密度、收縮和強(qiáng)度。干壓粉料實(shí)際上由粉料的團(tuán)粒、水和空氣所組成，干壓粉料中團(tuán)粒約占體積25%40%，其余是少量的水和空氣。團(tuán)粒是由幾十個(gè)甚至更多的坯料顆粒、水和空氣所組成的集合體，故稱其為假性顆粒。顆粒級配是指各種不同大小顆粒所占的百分比。從生產(chǎn)實(shí)踐中可知，很細(xì)或很粗的粉料，在一定壓力下被壓制成形的能力較差。細(xì)粉加壓成形時(shí)，顆粒間分

6、布著大量的空氣會沿著與加壓方向垂直的平面逸出，產(chǎn)生層裂。而含有不同顆粒級配的粉料壓制成形后坯體的致密度和強(qiáng)度均較高。這可由粉料的堆積特性來說明。(2)粉料的堆積特性。粉料的堆積特性主要表現(xiàn)在粉料的孔隙率和流動性。對于陶瓷粉料的壓制成形，當(dāng)然希望孔隙率小和流動性好。孔隙率：由于粉料的形狀不規(guī)則，表面粗糙使堆積起來的粉料顆粒間存在大量空隙。粉料顆粒的堆積密度與堆積形式有關(guān)。應(yīng)該說明的是，壓制粉料的粒度是由許多小顆粒組成的粒團(tuán)，比真實(shí)的固體顆粒大得多。如半干壓法生產(chǎn)泥漿細(xì)度用萬孔篩余1%2%，即固體顆粒大部分小于60m。實(shí)際壓磚時(shí)粉料假顆粒度為通過1.62.4mm篩網(wǎng)。因而要先經(jīng)過"造粒&

7、quot;。拱橋效應(yīng)：粉料自由堆積的孔隙率往往比理論計(jì)算大得多。這是因?yàn)閷?shí)際粉料不是球形，加上表面粗糙，結(jié)果顆粒互相交錯(cuò)咬合，形成拱橋形空間，增大孔隙率。這種現(xiàn)象稱為拱橋效應(yīng)。粉料的流動性：粉料雖然由固體小顆粒所組成，但由于其分散度較高，具有一定的流動性。當(dāng)堆積到一定高度后，粉料會向四周流動，實(shí)際上粉料的流動性與其粒度分布、顆粒的形狀大小、表面狀態(tài)等因素有關(guān)。在生產(chǎn)中粉料的流動性決定著它在模型中的充填速度和充填程度。流動性差的粉料難以要求在短時(shí)間內(nèi)填滿模具，影響壓磚機(jī)的產(chǎn)量和坯體質(zhì)量，所以往往向粉料中加入潤滑劑以提高其流動性。(3)粉料的含水量和均勻性。粉料含水量的多少會直接影響坯體的質(zhì)量。在

8、相同的成形壓力下，粉料含水量低時(shí)，在壓制過程中顆粒相互移動時(shí)的摩擦阻力大，因此不易使得壓制的坯體密實(shí)；當(dāng)含水量高時(shí)，由于水的潤滑作用，坯體易于密實(shí)。當(dāng)成形壓力達(dá)到一定值時(shí)，對含水量合適的坯料可以得到較致密的坯體。含水量過高時(shí)，在同樣成形壓力下，成形的坯體的致密度會下降。由此可見，粉料含水量的多少直接影響坯體的致密度。此外粉料的含水量多少還影響到它的壓制成形，當(dāng)粉料含水量過多時(shí)，成形過程易產(chǎn)生粘?，F(xiàn)象，甚至使成形無法進(jìn)行。對不同的成形壓力，使用粉料的含水率也有所區(qū)別，墻地磚的粉料含水率一般為5%8%。粉料水分不均勻，局部過干或過濕時(shí)，也會使磚坯的開裂和變形。因此，干壓成形用的粉料含水率和均勻性應(yīng)

9、嚴(yán)加控制。3.干壓成形的原理干壓成形是基于較大的壓力，將粉狀坯料在模型中壓制而成的。成形時(shí)，隨著壓力增加，松散的粉料迅速形成磚坯。加壓開始顆?；浦匦屡帕?，將空氣排出，坯體的密度急劇增加；壓力繼續(xù)增加時(shí)，顆粒接觸點(diǎn)發(fā)生局部變形和斷裂，磚坯密度比前一階段增加緩慢；當(dāng)壓力超過某一數(shù)值(粉料的極限變形應(yīng)力)后，再次引起顆?；坪椭嘏牛u坯密度又迅速加大。壓制塑性粉料時(shí)，上述過程難以明顯區(qū)分，脆性材料都有密度緩慢增加的階段。若粉料在模型中單方面受到均勻壓力P，粉料加入模中時(shí)的孔隙率為V0，受極限變形應(yīng)力后的孔隙為VT(即理論上能達(dá)到的孔隙率)，粉料顆粒之間的內(nèi)摩擦(粘度)為,則在t時(shí)間內(nèi)，磚坯的孔隙率

10、V可用下式表示:V-VT=(V0-VT)e-kpt式中k為與模型形狀、粉料性質(zhì)有關(guān)的比例系數(shù)，指數(shù)項(xiàng)中的"-"號表示孔隙率降低。由上式可見坯體孔隙率與其他參數(shù)的關(guān)系如下：(1)粉料裝模時(shí)自由堆積的孔隙率V0越小，則坯體形成后的孔隙率V也越小。因此，應(yīng)控制粉料的粒度和級配，或采用振動裝料以減少V0，從而可以得到較致密的坯體。(2)增加壓力P可使坯體孔隙率V減小，而且它們呈指數(shù)關(guān)系。實(shí)際生產(chǎn)中受到設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，以及坯體質(zhì)量的要求P值不能過大。(3)延長加壓時(shí)間t，也可降低坯體孔隙率，但會降低生產(chǎn)率。(4)減少顆粒間內(nèi)摩擦力也可使坯體孔隙率降低。實(shí)際上粉粒經(jīng)過造粒（可通過噴霧干

11、燥）得到球形顆粒，加入成形潤滑劑，或采取一面加壓一面升溫(熱壓)等方法均可達(dá)到這種效果。(5)坯體形狀、尺寸及粉料性質(zhì)都會影響坯體的密度大小和均勻性。壓制過程中，粉料與模壁產(chǎn)生摩擦作用，導(dǎo)致壓力損失。坯體的高度H與直徑D比(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(jié)構(gòu)不合理（出現(xiàn)銳角、尺寸急劇變化），某些部位粉末不易填滿，會降低坯體密度和密度分布不均勻。粉料在模具中受壓逐漸變成具有一定致密度的坯體，這種坯體具有一定的強(qiáng)度。坯體強(qiáng)度與成形壓力的關(guān)系大致分為如下三個(gè)階段。第一階段，壓力較低時(shí)，由于粉料顆粒位移，填充孔隙，坯體孔隙減小，強(qiáng)度主

12、要來自顆粒之間的機(jī)械咬合作用，此時(shí)顆粒之間的接觸面積還小，所以強(qiáng)度并不大。第二階段，成形壓力增加，不僅顆粒位移和填充孔隙繼續(xù)進(jìn)行，而且能使顆粒發(fā)生變形和成形壓力破裂，顆粒間接觸面積大大增加，出現(xiàn)分子間的相互作用，因而強(qiáng)度里直線上升。第三個(gè)階段，壓力繼續(xù)增大，坯體孔隙和密度變化不明顯，強(qiáng)度變化也較平坦。在墻地磚生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格保證磚坯的強(qiáng)度，這對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少成品損失有重要意義。加壓時(shí)，壓力是通過坯料顆粒的接觸來傳遞的。當(dāng)壓力由一個(gè)方向往下加壓時(shí)，由于顆粒在傳遞壓力的過程中一部分能量要消耗在克服顆粒間的摩擦力和顆粒與模壁之間摩擦力上，使壓力在往下傳遞時(shí)逐漸減小。因此粉料中各點(diǎn)的壓力分布是不均勻

13、的，造成了壓實(shí)后坯體的密度分布也不均勻，這是采用干法壓制成型的固有缺點(diǎn)。一般上層較致密，越往下致密度越差；在水平方向是靠近模壁的四周(尤其是模角)的密度不如中心密實(shí)。4、干壓成形工藝控制干壓成形時(shí)，影響干壓成形坯體質(zhì)量的因素很多，一般控制下列幾個(gè)工藝參數(shù)。（1）成形壓力。成形壓力包括總壓力和壓強(qiáng)?？倝毫θQ于坯體所要求的壓強(qiáng)的大小和坯體只寸的大小，它是選擇壓磚機(jī)噸位大小的一個(gè)主要指標(biāo)。壓強(qiáng)是指垂直于受壓方向磚坯單位面積上所受到的壓力，合適的成形壓強(qiáng)取決于坯體的形狀、高度、粉料的含水量及其流動性、要求坯體的致密度等。一般來說，坯體要求致密，形狀復(fù)雜，則要求壓強(qiáng)大。一般情況下，增加壓強(qiáng)可以提高坯體

14、的致密度，但壓力達(dá)到一定值后，再增加壓力，坯體致密度的增加已經(jīng)不明顯了，因此成形壓力不是越大越好。此外，在壓實(shí)的坯體中總有一部分殘存空氣，過大的成形壓力將把這部分殘存空氣壓縮，當(dāng)壓制完畢后卸除壓力時(shí)，被壓縮的空氣將膨脹，使坯體產(chǎn)生層裂。由此可見，過高的成形壓力不僅無益于坯體的強(qiáng)度和致密度的提高，反而會引起無謂的能量消耗，使坯體產(chǎn)生過壓層裂的缺陷。具體的成形壓強(qiáng)確定應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的規(guī)格和技術(shù)要求而定。一般情況，墻地磚的成形壓強(qiáng)為255OMPa，彩釉磚的成形壓強(qiáng)為2535MPa，瓷質(zhì)磚的成形壓強(qiáng)為3545MPa。對于一種具體的坯體，應(yīng)通過試驗(yàn)來確定。(2)加壓方式。單面加壓時(shí)，坯體中壓力的分布是不均勻

15、的，不但有低壓區(qū)，還有死角。為了使坯體的致密度均勻一致，宜采用雙面加壓，可消失底部低壓區(qū)的死角，但坯體中部密度較低。若兩面先后加壓，二次加壓之間有間歇，有利于空氣排出，使整個(gè)坯體壓力與致密度都較均勻。如果在粉料四周都施加壓力(也就是等靜壓成形)，則坯體密度最均勻。(3)加壓速度開始加壓時(shí)，壓力應(yīng)小些，以利于粉料中的空氣排出，然后短時(shí)間內(nèi)釋放此壓力,使受壓氣體逸出。初壓時(shí)坯體疏松，空氣易排出，可以稍快加壓。當(dāng)用高壓使顆粒緊密靠攏后，必須緩慢加壓，以免殘余空氣無法排出，致使釋放壓力后空氣膨脹，因彈產(chǎn)生層裂。當(dāng)坯體較厚或者粉料到顆粒較細(xì)、流動性較差時(shí)，則宜減慢加壓速度、延長持壓時(shí)間。為了提高壓力的均

16、勻性，通常采用多次加壓。如摩擦壓磚機(jī)壓制墻、地磚時(shí)，通常加壓34次，開始稍加壓力，然后壓力加大，這樣不至于封閉空氣排出的通路。最后一次提起上模時(shí)要輕緩些，防止殘留的空氣急速膨脹產(chǎn)生裂紋。這就是工人師傅總結(jié)出的"一輕、二重、慢提起"的操作方法。對于液壓壓磚機(jī)這個(gè)原則也同樣適用。當(dāng)坯體密度要求非常嚴(yán)格時(shí)，可在某一固定壓力下多次加壓，或多次換向加壓。加壓時(shí)同時(shí)振動粉料(振動成型)效果更好。(4)壓縮系數(shù)K。壓縮系數(shù)K，又稱壓縮比，是一個(gè)重要的藝參數(shù)，它由粉料的性質(zhì)、水分和壓制力決定。三、壓制成形坯體常見缺陷及克服方法壓制成形過程中，常因操作不當(dāng)以及粉料、模具、壓磚機(jī)等因素的影響而

17、使坯體產(chǎn)生各種各樣的缺陷，有的缺陷直至燒成后才表現(xiàn)出來。這里就壓制成形過程中易產(chǎn)生的一些坯體缺陷進(jìn)行分析，探討各種缺陷形成原因及其克服方法，最大限度地降低成品缺陷，提高產(chǎn)品合格率。1、 夾層夾層是指壓制出的坯體內(nèi)部有分層現(xiàn)象，其產(chǎn)生原因分析如下。(1) 粉料含水率的影響。在壓力不變的情況下，粉料含水率低，加壓成形時(shí)，顆粒間摩擦力大，要使坯體達(dá)到很密實(shí)不太容易；同時(shí)粉料空心顆粒的比率增加，造成顆粒中空氣量的增加，空心顆粒排出氣體需沖破外殼，這樣又增加了氣體排出的阻力，在這種情況下，排氣不良容易造成坯體夾層。當(dāng)含水率逐漸增大時(shí)，由于水的潤滑作用，壓制成形時(shí)坯體容易密實(shí)；但當(dāng)含水率超過一定值時(shí)，坯體

18、密度反而降低，并出現(xiàn)大量夾層，這是因?yàn)閴捍u機(jī)第一次壓制時(shí)，粉料間隙大大減小，透氣性降低，此時(shí)坯體內(nèi)存有大量殘余氣體，當(dāng)進(jìn)行第二次壓制時(shí)，坯體內(nèi)氣體被擠壓至某一部位，即產(chǎn)生夾層。因此在采用較高壓力壓制坯體時(shí)，可稍微降低粉料的含水率，以保證在取得一定的坯體強(qiáng)度同時(shí),又避免出現(xiàn)夾層。粉料含水率的確定可參考坯體壓制能力指數(shù)。所謂壓制能力指數(shù)，是指干坯破壞應(yīng)力與濕坯破壞應(yīng)力的比值?？捎孟率接?jì)算:PS=S/N式中：PS壓制能力指數(shù)；S干坯破壞應(yīng)力；N濕坯破壞應(yīng)力當(dāng)壓制能力指數(shù)在24時(shí)，坯體不易發(fā)生夾層；當(dāng)壓制能力指數(shù)低于1.5時(shí)，很難壓制或根本無法壓制。（2）粉料水分不均。當(dāng)粉料陳腐時(shí)間不夠，造成局部過干

19、或過濕，會造成壓制成形困難，使坯體出現(xiàn)夾層?？朔霓k法可延長粉料的陳腐時(shí)間。（3）粉料中微細(xì)粉的比例過大粉料中微細(xì)粉的比例愈大，愈容易發(fā)生夾層，這是由于小顆粒偏多，粉料透氣性差，在壓制成形過程中因排氣困難而阻礙了氣體的逸出，使顆粒間氣體不易排凈，從而造成坯體夾層。壓制成形的粉料大多采用噴霧干燥造粒，其粒徑范圍在40600m之間，且60%70%的粒徑集中在200400m之間。在陶瓷墻地磚生產(chǎn)中，其粉料粒徑最佳組成范圍見表1。表1 壓制成形粉料粒經(jīng)最佳組成范圍粒徑um>600（30目）>250（60目）>180（80目）>125（125目）>75（200目）<7

20、5墻磚 %5035153.5微量地磚 %2-35525105微量（4）各模腔粉料裝填量不均。由于多個(gè)下模芯不在同一水平面上，或由于布料器布料不均，從而導(dǎo)致加壓不均,坯體排氣狀況差異大，造成坯體分層。(5)上(下)模芯與模具內(nèi)襯板的間隙不合理，多余氣體要求有足夠的時(shí)間和通道逃逸。若上(下模芯與模具內(nèi)襯板的間隙過小，使氣體逃逸困難而滯留在坯體中，造成坯體分層。一般其間隙控制在1/1005/100mm之間。(6)上模芯不在同一水平面上。由于上模芯的高度不同，導(dǎo)致各坯體間的加壓不均勻，坯體排氣狀況不同，造成個(gè)別坯體夾層。(7)操作不當(dāng)。上模芯下降速度過快，導(dǎo)致第一次加壓過快，壓力過大，使氣體無法從模腔

21、內(nèi)的粉料中排出，極易造成坯體分層。實(shí)際操作中應(yīng)采取"先輕后重"的壓制方法即可克服。此外，上模芯提升不到位或提升速度太快，使第一次與第二次沖壓的時(shí)間間隔縮短，模腔內(nèi)粉料中的氣體未完全逸出，也易造成坯體夾層。采取的辦法是適當(dāng)增加排氣時(shí)間及排氣行程，降低第一次加壓的壓力。2、坯體厚度偏差坯體厚度偏差是指坯體各部位厚度偏差超出標(biāo)準(zhǔn)要求，一般應(yīng)控制在坯體厚度的4%以內(nèi)。其產(chǎn)生的原因如下:（1）模具上（下）模芯不平。(2)模具下模芯表面結(jié)皮過厚。(3)布料器的行程不夠或過大。 (4)布料速度調(diào)整不當(dāng)或布料前進(jìn)與下模芯下落不能同步。當(dāng)布料器前進(jìn)速度較慢，或下模芯的第一次下落先于布料的行程

22、時(shí)，則在模腔后部造成較多的粉料堆積成為坯體的厚端；當(dāng)布料速度較快或下模芯的第一次下降滯后于布料器的行程時(shí)，則在模腔的前部造成較多的粉料堆積，模腔后部粉料較少從而形成坯體的薄端。(5)布料器刮料板不平或粘有粉料，使布出的粉料面一端厚一端薄，或凹凸不平?？朔霓k法是調(diào)整模具和料車的運(yùn)動參數(shù)。3、大小頭所謂大小頭，即出窯磚坯尺寸偏差值超過標(biāo)準(zhǔn)要求。一般說來，偏差值應(yīng)控制在規(guī)格尺寸的0.4%以內(nèi)。大小頭缺陷在玻化磚生產(chǎn)中是最容易出現(xiàn)但又難解決的一個(gè)問題。其形成的主要原因是粉料壓制后坯體致密度分布不均，在燒成后收縮不一致。一般情況下，大小頭總是和厚度偏差密切聯(lián)系的，而且形成的原因在許多方面是共同的。影響

23、坯體致密度分布不均有以下因素：(1)布料不均勻。影響布料不均勻有以下原因:布料器布料運(yùn)動參數(shù)設(shè)置不合理。布料器的運(yùn)動與?？蛎鏇]有保持平行，布料過程中模腔部分區(qū)域布料過多。下模芯或磁吸座變形，模腔內(nèi)填料量不一致。布料器行程不合理，以致模腔前緣布料量偏多或偏少。壓磚機(jī)頂模裝置的頂桿前后高度不一致，模芯第一次下降時(shí)模芯面傾斜。布料器布料格柵設(shè)計(jì)不合理。（2）模腔中粉料壓制過程受力不均。解決的辦法是嚴(yán)格控制模具和布料器的安裝精度。以下的技術(shù)要求可供參考。?？蚺c底座表面的平行度必須小于0.lOmm。在第一次模芯下降狀態(tài)下，各腔模芯相對?？蚋叨葢?yīng)小于0.15mm，同一模腔內(nèi)模芯高度差應(yīng)小于0.1Omm。在第二次模芯下降狀態(tài)下，各腔模芯相對?？蚋叨炔钚∮?.05mm。上模芯所在平面與下模芯所在平面應(yīng)平行，平行度誤差不可大于0.1Omm。布料器與壓磚機(jī)立柱垂直，即與?？蛎嫫叫?。布料器運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保證比?？蚋?.30.5mm平行運(yùn)行。布料器布料行程要求第一級格柵超出模腔前緣1015mm。4、麻面麻面是指壓制出的坯體表面粗糙不平，有凹陷小坑，產(chǎn)生的原因有：(l)模具模芯不凈及擦模不及時(shí)，造成坯體的麻面，嚴(yán)重時(shí)，坯體表面可透出背紋凹凸形狀，因此要勤擦模芯