材料成型工藝基礎(第四版)課件 第7章

第7章工業(yè)陶瓷及其成型7.1工業(yè)陶瓷簡介7.2工業(yè)陶瓷的生產(chǎn)過程

7.1工業(yè)陶瓷簡介

7.1.1陶瓷材料的性能

陶瓷材料的性能主要取決于以下兩個因素:第一是物質(zhì)結構,主要是化學鍵和晶體結構,它們決定了陶瓷材料本身的性能,如電性能、熱性能、磁性能和耐腐蝕性能等;第二是組織結構,包括相分布、晶粒大小和形狀、氣孔大小和分布、雜質(zhì)、缺陷等,它們對陶瓷材料的性能影響極大。

1.陶瓷材料的力學性能

陶瓷材料的彈性模量和硬度是各類材料中最高的,比金屬高若干倍,比有機高聚物高2~4個數(shù)量級,這是因為陶瓷材料具有強大的化學鍵。陶瓷材料的塑性變形能力很低,在室溫下幾乎沒有塑性,這是因為陶瓷晶體中的滑移系很少,共價鍵有明顯的方向性和飽和性,離子鍵的同號離子接近時斥力很大,當產(chǎn)生滑移時,極易造成鍵的斷裂,再加上有大量氣孔的存在,所以陶瓷材料呈現(xiàn)出很明顯的脆性特征,韌性極低。因為陶瓷內(nèi)有氣孔、雜質(zhì)和各種缺陷的存在,所以陶瓷材料的抗拉強度和抗彎強度均很低,而抗壓強度非常高,這是由于在受壓時裂紋不易擴展所致。

2.陶瓷材料的物理性能

1)陶瓷材料的熱性能

陶瓷材料的熔點高,大多在2000℃以上,具有比金屬材料高得多的抗氧化性和耐熱性,并且高溫強度好,抗蠕變能力強。此外,它的膨脹系數(shù)低,導熱性差,是優(yōu)良的高溫絕熱材料。但大多數(shù)陶瓷材料的熱穩(wěn)定性差,這是它的主要弱點之一。

2)陶瓷材料的電性能

陶瓷材料的導電性變化范圍很廣。由于離子晶體無自由電子,因此大多數(shù)陶瓷都是良好的絕緣體。但不少陶瓷既是離子導體,又有一定的電子導電性,因而也是重要的半導體材料。此外,近年來出現(xiàn)的超導材料,大多數(shù)也是陶瓷材料。

3.陶瓷材料的化學性能

陶瓷的組織結構很穩(wěn)定,這是由于陶瓷以強大的離子鍵和共價鍵結合,并且在離子晶體中金屬原子被包圍在非金屬原子的間隙中,從而形成穩(wěn)定的化學結構。因此陶瓷材料具

有良好的抗氧化性和不可燃燒性,即使在1000℃的高溫下也不會被氧化。此外,陶瓷對酸、堿、鹽等介質(zhì)均具有較強的耐蝕性,與許多金屬熔體也不發(fā)生作用,因而是極好的耐蝕材料和坩堝材料。

7.1.2常用的工業(yè)陶瓷

陶瓷的種類繁多,大致可以分為傳統(tǒng)陶瓷(也叫普通陶瓷)和特種陶瓷(也叫近代工業(yè)陶瓷)兩大類。雖然它們都是經(jīng)過高溫燒結而合成的無機非金屬材料,但其在所用粉體、成型方法和燒結制度及加工要求等方面卻有著很大的區(qū)別。兩者的主要區(qū)別見表7-1。

各種陶瓷的性能特點及應用見表7-2。

7.2工業(yè)陶瓷的生產(chǎn)過程

工業(yè)陶瓷的品種繁多,生產(chǎn)工藝過程也各不相同,但一般都要經(jīng)歷以下幾個步驟:坯料制備、成型、坯體干燥、燒結以及后續(xù)加工,如圖7-1所示。

圖7-1陶瓷的生產(chǎn)工藝過程

7.2.1坯料制備

1.配料

制作陶瓷制品,首先要按瓷料的組成,將所需各種原料進行稱量配料,它是陶瓷工藝中最基本的一環(huán)。

2.混合制備坯料

配料后應根據(jù)不同的成型方法,混合制備成不同形式的坯料,如用于注漿成型的水懸浮液,用于熱壓注成型的熱塑性料漿,用于擠壓、注射、軋膜和流延成型的含有機塑化劑的塑性料,用于干壓或等靜壓成型的造粒粉料等。

7.2.2成型

成型是將坯料制成具有一定形狀和規(guī)格的坯體。成型技術與方法對陶瓷制品的性能具有重要意義,由于陶瓷制品品種繁多,性能要求、形狀規(guī)格、大小厚薄不一,產(chǎn)量不同,所

用坯料性能各異,因此可以采用多種不同的成型方法。陶瓷的成型方法大致分為濕塑成型、注漿成型、模壓成型、注射成型、熱壓鑄成型、等靜壓成型以及塑性成型、帶式成型等

其他方法。

1.濕塑成型

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、擠壓和手捏等。這是最傳統(tǒng)的陶瓷成型工藝,在日用瓷和工藝瓷中應用最多。

2.注漿成型

注漿成型是將陶瓷懸浮料漿注入石膏模或多孔質(zhì)模型內(nèi),借助模型的吸水能力將料漿中的水吸出,從而在模型內(nèi)形成坯體。

3.模壓成型

模壓成型也叫干壓成型,是將造粒工序制備的團粒(水的質(zhì)量分數(shù)小于6%)松散裝入模具內(nèi),在壓機柱塞施加的外壓力作用下,團粒產(chǎn)生移動、變形、粉碎而逐漸靠攏,所含氣體同時被擠壓排出,形成較致密的具有一定形狀、尺寸的壓坯,然后卸模脫出坯體的過程。

4.注射成型

注射成型是將陶瓷粉和有機黏結劑混合后,加熱混煉并制成粒狀粉料,經(jīng)注射成型機,在130~300℃溫度下注射到金屬模腔內(nèi),冷卻后黏結劑固化成型,脫模取出坯體。

5.熱壓鑄成型

熱壓鑄成型利用蠟類材料熱熔冷固的特點,將用配料混合后的陶瓷細粉與熔化的蠟料黏結劑加熱攪拌成具有流動性與熱塑性的蠟漿,在熱壓注機中用壓縮空氣將熱熔蠟漿注滿金屬模空腔,蠟漿在模腔內(nèi)冷凝形成坯體,再進行脫模取件。

6.等靜壓成型

等靜壓成型是利用液體或氣體介質(zhì)均勻傳遞壓力的性能,把陶瓷粒狀粉料置于有彈性的軟模中,使其受到液體或氣體介質(zhì)傳遞的均衡壓力而被壓實成型的一種新型壓制成型方法。

等靜壓成型的特點是坯體密度高且均勻,燒結收縮小,不易變形,制品強度高、質(zhì)量好,適于形狀復雜、較大且細長制品的制造;但等靜壓成型設備成本高。

等靜壓成型可分為濕式等靜壓成型與干式等靜壓成型兩種。

1)濕式等靜壓成型

如圖7-2(a)所示,將配好的粒狀粉料裝入塑料或橡膠做成的彈性模具內(nèi),密封后置于高壓容器內(nèi),注入液體到壓力傳遞介質(zhì)(壓力通常在100MPa以上),此時模具與高壓液體直接接觸,壓力傳遞至彈性模具對坯料加壓成型,然后釋放壓力取出模具,并從模具中取出成型好的坯體。濕式等靜壓容器內(nèi)可同時放入幾個模具,壓制不同形狀的坯體,該法生產(chǎn)效率不高,主要適用于成型多品種、形狀較復雜、產(chǎn)量小的大型制品。

圖7-2等靜壓成型示意圖

2)干式等靜壓成型

如圖7-2(b)所示,在高壓容器內(nèi)封緊一個加壓橡皮袋,加料后的模具送入橡皮袋中加壓,壓成后又從橡皮袋中退出脫模;也可將模具直接固定在容器橡皮袋中。此法的坯料添加和坯件取出都在干態(tài)下進行,模具也不與高壓液體直接接觸。而且,干式等靜壓成型模具的兩頭(垂直方向)并不加壓,適于壓制長型、薄壁、管狀制品。

7.其他成型方法

1)塑性成型

塑性成型包括擠制成型與軋膜成型。這類成型方法的共同特點是要求泥料必須具有充分的可塑性,故其中所含有機黏結劑和水分比干壓成型時多。

擠制成型是指將煉好并通過真空除氣的泥料置于擠制筒內(nèi),在壓力的作用下,通過擠嘴擠出各種形狀的坯體,如棒狀、管狀等。

2)帶式成型方法

對于0.08mm以下的坯體,如獨石電容片等,用軋膜法難以成型,帶式成型法就應運而生了。此類成型方法包括刮刀工藝、紙帶澆注工藝和滾筒工藝。其中,以刮刀法(流延法)應用最為廣泛,用于制造50μm以下的膜材,見圖7-3。

圖7-3流延成型

7.2.3坯體干燥

生坯內(nèi)的水分有三種:一是化學結合水,是坯料組分物質(zhì)結構的一部分;二是吸附水,是坯料顆粒所構成的毛細管中吸附的水分,吸附水膜厚度相當于幾個到十幾個水分子,并受坯料組成和環(huán)境的影響;三是游離水,處于坯料顆粒之間,基本符合水的一般物理性質(zhì)。

生坯干燥時,游離水很容易排出。

生坯的干燥形式有外部供熱式和內(nèi)熱式。

7.2.4燒結

燒結是對成型坯體進行低于熔點的高溫加熱,使其內(nèi)的粉體間產(chǎn)生顆粒黏結,經(jīng)過物質(zhì)遷移導致致密化和高強度的過程。只有經(jīng)過燒結,成型坯體才能成為堅硬的具有某種顯

微結構的陶瓷制品(多晶燒結體),燒結對陶瓷制品的顯微組織結構及性能有著直接的影響。

燒結的方法很多,如常壓燒結法、壓力燒結法(熱壓燒結法、熱等靜壓燒結法)、反應燒結法、液相燒結法、電弧等離子燒結法、自蔓延燒結法和微波燒結法等,以下對部分方法進行簡要介紹。

1.常壓燒結法

普通燒結有時也稱常壓燒結,是指在通常的大氣壓下進行燒結的方法。傳統(tǒng)陶瓷大多都是在隧道窯中進行燒結的,而特種陶瓷大都在電窯中燒成。普通燒結因無需加壓,故成

本較低。

2.壓力燒結法

壓力燒結法可以分為普通熱壓燒結法、熱等靜壓燒結法和超高壓燒結法。

1)熱壓燒結法

熱壓燒結是將干燥粉料充填入石墨或氧化鋁模型內(nèi),再從單軸方向邊加壓邊加熱,使成型與燒結同時完成,如圖7-4所示。圖7-4熱壓(成型)燒結示意圖

2)熱等靜壓燒結法

熱等靜壓(HIP)燒結方法是借助于氣體壓力而施加等靜壓的方法。除SiC、Si3N4使用該法外,Al2O3、超硬合金等也使用該法,它是很有希望的新燒結技術之一。熱等靜壓燒結法可克服普通熱壓燒結的缺點,適合形狀復雜制品的生產(chǎn)。目前一些高科技制品,如陶瓷軸承、反射鏡及軍工需用的核燃料、槍管等,也可采用此種燒結工藝。

3)超高壓燒結法

超高壓燒結法與合成金剛石的方法相同,在燒結金剛石和立方氮化硼時常采用這種方法;在其他難燒結物質(zhì)的制備中也可采用此法。

3.反應燒結法

反應燒結法是通過氣相或液相與基體材料相互反應而對材料進行燒結的方法。最典型的代表性產(chǎn)品是反應燒結碳化硅和反應燒結氮化硅制品。此種燒結方法的優(yōu)點是工藝簡

單,制品可稍微加工或不加工,也可制備形狀復雜制品;缺點是制品中最終有殘余未反應產(chǎn)物,結構不易控制,太厚制品不易完全反應燒結。

4.液相燒結法

許多氧化物陶瓷采用低熔點助劑促進材料燒結。助劑的加入一般不會影響材料的性能或反而為某種功能產(chǎn)生良好的影響。作為高溫結構使用的添加劑,要注意晶界玻璃是造成

高溫力學性能下降的主要因素。這可通過選擇有很高的熔點或黏度的液相,或者選擇合適的液相組成,然后作高溫熱處理,使某些晶相在晶界上析出,以提高材料的抗蠕變能力。

5.電弧等離子燒結法

電弧等離子燒結加熱方法與熱壓不同,它在施加應力的同時,還在制品上施加一個脈沖電源,材料被韌化的同時也致密化。7.2.5后續(xù)加工

1.表面施釉

陶瓷的施釉是指通過高溫方法在瓷件表面燒附一層玻璃狀物質(zhì),使其表面具有光亮、美觀、致密、絕緣、不吸水、不透水及化學穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能的一種工藝方法。

2.加工