工業(yè)陶瓷及其成型

第七章工業(yè)陶瓷及其成型

工業(yè)上應(yīng)用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃、水泥等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的新型陶瓷。陶瓷材料是除金屬和高聚物以外的無機(jī)非金屬材料通稱。

陶瓷是陶器和瓷器的總稱。中國人早在約公元前8000－2000年（新石器時代）就發(fā)明了陶器。陶瓷材料的成份主要是氧化硅、氧化鋁、氧化鉀、氧化鈉、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵、氧化鈦等。常見的陶瓷原料有粘土、石英、鉀鈉長石等。陶瓷原料一般硬度較高，但可塑性較差。除了在食器、裝飾的使用上，在科學(xué)、技術(shù)的發(fā)展中亦扮演重要角色。陶瓷原料是地球原有的大量資源粘土、石英、長石經(jīng)過加工而成。而粘土的性質(zhì)具韌性，常溫遇水可塑，微干可雕，半干可壓、全干可磨；燒至900度可成陶器能裝水；燒至1230度則瓷化，可完全不吸水且耐高溫耐腐蝕。其用法之彈性，在今日文化科技中尚有各種創(chuàng)意的應(yīng)用。1.按用途的不同分類1）日用陶瓷：如茶具、缸，壇、盆、罐、盤、碟、碗等。2）藝術(shù)（工藝）陶瓷：如花瓶、雕塑品、器皿、陳設(shè)品等。3）工業(yè)陶瓷：指應(yīng)用于各種工業(yè)的陶瓷制品。又分以下方面：①建筑一衛(wèi)生陶瓷：如磚瓦，排水管、面磚，外墻磚，衛(wèi)生潔具等；②化工（化學(xué)）陶瓷：用于各種化學(xué)工業(yè)的耐酸容器、管道，塔、泵、閥以及搪砌反應(yīng)鍋的耐酸磚、灰等；③電瓷：用于電力工業(yè)高低壓輸電線路上的絕緣子。電機(jī)用套管，支柱絕緣子、低壓電器和照明用絕緣子，以及電訊用絕緣子，無線電用絕緣子等；④特種陶瓷：用于各種現(xiàn)代工業(yè)和尖端科學(xué)技術(shù)的特種陶瓷制品，有高鋁氧質(zhì)瓷、鎂石質(zhì)瓷、鈦鎂石質(zhì)瓷、鋯英石質(zhì)瓷、鋰質(zhì)瓷、以及磁性瓷、金屬陶瓷等。

第一節(jié)工業(yè)陶瓷一、陶瓷材料的特點(diǎn)

1、陶瓷材料的相組成特點(diǎn)陶瓷材料通常由三種不同的相組成，即晶相(1)、玻璃相(2)和氣相(3)[氣孔]。2、陶瓷材料的結(jié)合鍵特點(diǎn)陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其結(jié)合鍵以離子鍵(如Al2O3)、共價鍵(如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。致使陶瓷材料的彈性模量和硬度是各類材料中最高的，且具有很明顯的脆性特征，韌性極低。共價鍵離子鍵3、陶瓷材料的性能特點(diǎn)

陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性，耐高溫、耐氧化、耐腐蝕等特性，熱穩(wěn)定性差。陶瓷材料還具有密度小、彈性模量大、耐磨損、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。功能陶瓷還具有電、光、磁等特殊性能。韌性陶瓷硬度壓痕脆性陶瓷硬度壓痕周圍的裂紋4、陶瓷材料的工藝特點(diǎn)陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過粉體成型和高溫?zé)Y(jié)來成形的，因此陶瓷是燒結(jié)體。燒結(jié)體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在的問題是其存在一定的氣孔率。Al2O3粉末的燒結(jié)組織ZrO2陶瓷中的氣孔二、陶瓷材料的分類1、按化學(xué)成分分類

可將陶瓷材料分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。導(dǎo)電玻璃玻璃幕墻2、按使用的原材料分類可將陶瓷材料分為普通陶瓷和特種陶瓷。普通陶瓷以天然的巖石、礦石、黏土等材料作原料。特種陶瓷采用人工合成的材料作原料。3、按性能和用途分類

可將陶瓷材料分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩類。陶瓷零件7.1.2常用工業(yè)陶瓷

一、普通陶瓷

普通陶瓷是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、長石(K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)為原料，經(jīng)成型、燒結(jié)而成的陶瓷。其組織中主晶相為莫來石(3Al2O3·2SiO2)，占25~30%，玻璃相占35~60%，氣相占1~3%。普通陶瓷加工成型性好，成本低，產(chǎn)量大。除日用陶瓷、瓷器外，大量用于電器、化工、建筑、紡織等工業(yè)部門。景德鎮(zhèn)瓷器絕緣子二、新型結(jié)構(gòu)陶瓷⑴

氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成分,含有少量SiO2的陶瓷，又稱高鋁陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、氣動陶瓷配件單相Al2O3陶瓷組織根據(jù)Al2O3含量不同分為75瓷(含75%Al2O3，又稱剛玉-莫來石瓷)、95瓷和99瓷，后兩者又稱剛玉瓷。氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到1950℃,。具有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極高(僅次于金剛石).

95瓷紡織件99瓷紡織件氧化鋁耐高溫噴嘴氧化鋁陶瓷轉(zhuǎn)心球閥氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷坩堝氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝、熱偶套管，淬火鋼的切削刀具、金屬拔絲模，內(nèi)燃機(jī)的火花塞，火箭、導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩及軸承等。

⑵氮化硅（Si3N4）陶瓷氮化硅是由Si3N4四面體組成的共價鍵固體。①氮化硅的制備與燒結(jié)工藝工業(yè)硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4二氧化硅還原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO燒結(jié)工藝優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)反應(yīng)燒結(jié)燒結(jié)時幾乎沒有收縮，能得到復(fù)雜的形狀密度低，強(qiáng)度低，耐蝕性差熱壓燒結(jié)用較少的助劑就能致密化，強(qiáng)度、耐蝕性最好只能制造簡單形狀，燒結(jié)助劑使高溫強(qiáng)度降低③性能特點(diǎn)及應(yīng)用氮化硅的強(qiáng)度、比強(qiáng)度、比模量高；硬度僅次于金剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為0.1~0.2；熱膨脹系數(shù)??；抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化學(xué)穩(wěn)定性高。熱壓燒結(jié)氮化硅用于形狀簡單、精度要求不高的零件，如切削刀具、高溫軸承等。Si3N4軸承反應(yīng)燒結(jié)氮化硅用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的零件，如機(jī)械密封環(huán)等。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片氣閥等零件⑶碳化硅（SiC）陶瓷碳化硅是通過鍵能很高的共價鍵結(jié)合的晶體。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加熱至高溫還原而成：SiO2+3C→SiC+2CO。碳化硅的燒結(jié)工藝也有熱壓和反應(yīng)燒結(jié)兩種。由于碳化硅表面有一層薄氧化膜，因此很難燒結(jié)，需添加燒結(jié)助劑促進(jìn)燒結(jié)，常加的助劑有硼、碳、鋁等。常壓燒結(jié)碳化硅碳化硅的最大特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，僅次于氧化鈹陶瓷。SiC密封件碳化硅陶瓷用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、爐管、燃?xì)廨啓C(jī)葉片及軸承，泵的密封圈、拉絲成型模具等。

SiC陶瓷件SiC陶瓷件SiC軸承⑷氧化鋯陶瓷氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變：立方相?四方相?單斜相。四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆?，引起很大的體積變化，易使制品開裂。ZrO2氧化鋯單相陶瓷在氧化鋯中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這種結(jié)構(gòu)的氧化鋯稱為完全穩(wěn)定氧化鋯(FSZ)，其力學(xué)性能低，抗熱沖擊性差。ZrO2陶瓷耐火件減少加入的氧化物數(shù)量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于這種材料只使一部分氧化鋯穩(wěn)定，所以稱部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)。

氧化鋯中四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變可通過應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)受到外力作用時，這種相變將吸收能量而使裂紋尖端的應(yīng)力場松弛，增加裂紋擴(kuò)展阻力，從而大幅度提高陶瓷材料的韌性。部分穩(wěn)定氧化鋯組織部分穩(wěn)定氧化鋯的導(dǎo)熱率低，絕熱性好；熱膨脹系數(shù)大，接近于發(fā)動機(jī)中使用的金屬，抗彎強(qiáng)度與斷裂韌性高，除在常溫下使用外，已成為絕熱柴油機(jī)的主要侯選材料，如發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)襯、推桿、活塞帽、閥座、凸輪、軸承等。部分穩(wěn)定氧化鋯制品氧化鋯制品氧化鋯油泵氧化柱塞氧化鋯拉線輪氧化鋯球閥部分穩(wěn)定氧化鋯噴涂層增韌氧化鋯導(dǎo)輪芯軸7.2工業(yè)陶瓷的生產(chǎn)過程工業(yè)陶瓷的生產(chǎn)過程主要包括坯體成形前的坯料準(zhǔn)備、坯體成形、燒結(jié)、燒結(jié)及坯體的后續(xù)加工等內(nèi)容。

1.坯體成形前的準(zhǔn)備首先是利用物理、化學(xué)等方法對粉料進(jìn)行處理獲得所需要規(guī)格的粉體；然后按照瓷料的成分，將各種原料進(jìn)行稱量配料，配料后根據(jù)不同的成形方法，混合制備成不同形式的坯料。2.坯體成形成形是將坯料制成具有一定形狀和規(guī)格的坯體?？刹捎玫姆椒ㄓ校簼袼艹尚?、注漿成型、模壓成型、注射成型、熱壓鑄成型、等靜壓成型、塑性成型、帶式成型等。3.燒結(jié)燒結(jié)是對成形坯體進(jìn)行低于熔點(diǎn)的高溫加熱，使其內(nèi)部的粉體產(chǎn)生粘結(jié)，經(jīng)過物質(zhì)遷移導(dǎo)致致密化和高強(qiáng)度的過程。4.后續(xù)加工陶瓷經(jīng)成形、燒結(jié)后，還可根據(jù)需要進(jìn)行后續(xù)精密加工，使之符合表面粗糙度、形狀、尺寸等精度要求，如磨削加工、研磨與拋光、超聲波加工、激光加工，甚至切削加工等。成型方法濕塑成型：是在外力作用下，使可塑坯料發(fā)生塑性變形而制成坯體的方法，包括刀壓、滾壓、擠壓、手捏等，是最傳統(tǒng)的陶瓷成型工藝。注漿成型（亦稱澆注成型）

是基于多孔石膏模具能夠吸收水分的物理特性，將陶瓷粉料配成具有流動性的泥漿，然后注入多孔模具內(nèi)（主要為石膏模），水分在被模具（石膏）吸入后便形成了具有一定厚度的均勻泥層，脫水干燥過程中同時形成具有一定強(qiáng)度的坯體，此種方式被稱為注漿成型。其完成過程可分為三個階段：1.泥漿注入模具后，在石膏模毛細(xì)管力的作用下吸收泥漿中的水，靠近模壁的泥漿中的水分首先被吸收，泥漿中的顆粒開始靠近，形成最初的薄泥層。2.水分進(jìn)一步被吸收，其擴(kuò)散動力為水分的壓力差和濃度差，薄泥層逐漸變厚，泥層內(nèi)部水分向外部擴(kuò)散，當(dāng)泥層厚度達(dá)到注件厚度時，就形成雛坯。3.石膏模繼續(xù)吸收水分，雛坯開始收縮，表面的水分開始蒸發(fā)，待雛坯干燥形成具有一定強(qiáng)度的生坯后，脫模即完成注漿成型。1）懸浮料漿的制備。

料漿是陶瓷原料粉體和水組成的懸浮液。料漿應(yīng)具有良好的流動性，足夠小的粘度，盡可能少的含水量，弱的觸變性(靜止時粘度變化小),良好的穩(wěn)定性(懸浮性)及良好的滲透(水)性等性能。2）注漿方法。

實(shí)心注漿如后圖a所示。料漿注入模型后，料漿中的水分同時被模型的兩個工作面吸收，注件在兩模之間形成，沒有多余料漿排出。

空心注漿如后圖a所示。料漿注入模型后，由模型單面吸漿，當(dāng)注件達(dá)到要求的厚度時，排出多余料漿而形成空心注件。

a)實(shí)心注漿b)空心注漿c)離心注漿圖注漿成形強(qiáng)化注漿在注漿過程中，人為地對料漿施加外力，以加速注漿過程進(jìn)行，提高注漿速度，使坯體致密度與強(qiáng)度得到提高。強(qiáng)化注漿法有真空注漿、離心注漿和壓力注漿等，如圖c所示的離心注漿。優(yōu)點(diǎn)：(1)適用性強(qiáng)，不需復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，只要簡單的石膏模就可成型；(2)能制出任意復(fù)雜外形和大型薄壁注件；(3)成型技術(shù)容易掌握，生產(chǎn)成本低。(4)坯體結(jié)構(gòu)均勻。缺點(diǎn)：(1)勞動強(qiáng)度大，操作工序多，生產(chǎn)效率低；(2)生產(chǎn)周期長，石膏模占用場地面積大；(3)注件含水量高，密度小，收縮大，燒成時容易變形。(4)模具損耗大。(5)不適合連續(xù)化、自動化、機(jī)械化生產(chǎn)。改進(jìn)的注漿成型方法：壓力注漿。對于大型的制品來說，因?yàn)橹破份^大，注漿時間就必然很長，又因?yàn)樽⒓诤瘢?dāng)石膏模吸水能力不夠時，就不易干涸，多余泥漿倒出后，有時注件內(nèi)壁還很潮濕，注件容易損壞。為了加速水分?jǐn)U散，加快吸漿速度，提高注件的致密度，縮短注漿時間，并避免大型或異型注件發(fā)生缺料現(xiàn)象，必須在壓力下將泥漿注入石膏模。一般加壓方法是將注漿斗提高，加大注漿壓力，或用壓縮空氣將泥漿壓入模型。真空注漿。泥漿中一般都含有少量空氣，這些空氣會影響注件的致密度和制品的性能(如機(jī)械強(qiáng)度，電性能等)。對質(zhì)量要求高的制品來說，泥漿要用真空處理來排除所含的空氣，有時也可將石膏模置于真空室內(nèi)澆注，這些方法都叫做真空注漿，可加速坯體形成，提高坯體致密度和強(qiáng)度。

模壓成型（干壓成型）：也叫干壓成型，是將松散坯料裝入模具內(nèi)，在壓力作用下形成致密的具有一定形狀的壓坯，然后卸模脫出坯體的過程。為了減少壓制時的摩擦，改善壓坯的密度和均勻性，減少模具的磨損和脫模，粉料中一般加入1%以下的具有極性官能團(tuán)的有機(jī)物做潤滑劑（油酸，石蠟或者硬脂酸鹽）。陶瓷坯體的壓制壓力一般為40----100兆帕。模壓成型只能成型形狀簡單和尺寸較小的陶瓷制品。（受模具和壓力的限制）1.造粒造粒即制備壓制成形所用的坯料，它是在陶瓷原料細(xì)粉中加入一定量的塑化劑制成粒度較粗、含一定水分、具有良好流動性的團(tuán)粒。2.壓制方法壓制方法主要有干壓成形、等靜壓成形和熱壓燒結(jié)成形等。1）干壓成形。將團(tuán)粒松散裝人模具內(nèi)，在壓機(jī)柱塞施加的外壓力作用下，形成較致密的具有一定形狀、尺寸的壓坯，然后卸模脫出坯體。干壓成形有單向加壓與雙向加壓兩種方式，由于成形壓力是通過松散粉粒的接觸來傳遞的，在此過程中產(chǎn)生的壓力損失會造成坯體內(nèi)壓力分布的不均勻，從而造成壓坯內(nèi)密度分布不均勻，如圖所示。a)單向加壓b)雙向加壓圖2）等靜壓成形。利用液體或氣體介質(zhì)均勻傳遞