工业陶瓷及其加工技术

2006 7 23 西安电子科技大学工业设计系 第七章工业陶瓷及其加工技术 工业陶瓷简介常用陶瓷材料及其性质工业陶瓷材料加工工艺陶瓷制品表面装饰技术思考题 2006 7 23 西安电子科技大学工业设计系 工业陶瓷简介 通常把金属 工程塑料和工业陶瓷作为工业产品造型的三大材料 陶瓷 这一名词源于古代希腊的 烧物 它意味着陶器是经焙烧而赋予其强度的材料 即被定义为 经高温热处理工艺所合成的非金属无机材料 目前陶瓷概念已广义化 其定义为 陶瓷是用天然和人工合成的粉状化合物 经过成型和高温烧结成的 由金属和非金属元素的无机化合物构成的多相固体材料 包括陶器和瓷器 也包括玻璃 搪瓷 石膏 水泥 石灰 砖瓦 耐火材料等人造无机非金属材料 回到主页 2006 7 23 7 2工业陶瓷材料的加工工艺 1 原料配置 陶瓷最基本原料是石英 长石 黏土三大类和其它一些化工原料 2 坯料成型 将制备好的坯料 用各种工艺方法制成需要的形状和尺寸的坯件 生坯 的过程 陶瓷制品种类繁多 制品的形状 大小 烧成温度不一 所以所用成型方法多种多样 从工艺角度而论 可根据坯料的性能和含水量的不同 将工业陶瓷成型方法分为三类 可塑法成型 注浆法成型 干压法成型 成型工艺应满足下述要求 1 坯料符合制品要求的形状和尺寸 考虑收缩 2 坯件应有相当的机械强度 以便后续工作 3 坯件应结构均匀 具有一定的致密度 4 成型过程应便于组织生产 3 坯体干燥 目的提高坯件强度 以免在搬运和再加工过程中受损和变形 同时可提高坯件吸附釉彩的能力 干燥方法有自然空气干燥 热空气干燥 辐射线干燥 微波干燥等 4 窑炉烧结 它是坯件瓷化的工艺过程 也是陶瓷制品工艺最重要的一道工序 经成型 干燥和施釉后的半成品 必须经高温焙烧 才能获得满足使用要求的最终产品 陶瓷制品烧结后即硬化定型 具有很高的硬度 一般不易加工 对某些尺寸精度要求较高的制件 烧结后可进行研磨 电加工 激光等加工 回到主页 2006 7 23 西安电子科技大学工业设计系 7 1常用陶瓷材料及其性质 陶瓷材料特点陶瓷材料的分类陶瓷材料的性质常用的工业陶瓷及制品 回到主页 2006 7 23 西安电子科技大学工业设计系 工业陶瓷材料的成型技术 可塑法 是一种古老也是使用最广泛的成型方法 它是将坯料中加入一定量的水分和塑化剂 使坯料具有良好塑性的料团 然后利用其可塑性通过手工和机械成型 主要包括 1 挤制法成型 适用于加工各种端面形状规则的瓷棒或轴 圆形 方形 六角形等 和各种管状产品 如高温炉管 热电偶电容器瓷套等 2 车坯成型使用挤压出的圆柱形泥段作为坯料 在车床上加工成型 常用于加工形状较为复杂的圆形制品 3 旋坯法和滚压法是目前使用广泛的两种成型方法 它们可制造内外形状较复杂的回转面制件 4 热压注成型与熔模铸造中蜡模制造工艺相似 制得的产品尺寸较准确 光洁度高 结构紧凑 注浆法 是陶瓷成型中的基本方法 它是将原料配制成浆料注入石膏模具中成型 常用于制造形状复杂 精度要求不高的日用陶瓷和建筑陶瓷 石膏模具为多孔且吸水强 能吸收陶瓷浆料的水分 继而使得陶瓷干燥成型 它分为空心注浆和实心注浆两种 压制法 将含有一定水分和添加剂的粉料在金属模具中用较高的压力压制成型 其方法效率高 易于自动化 制品烧成收缩率小 不易变形 适合形状简单的坯件 如园片 方片等 对模具的质量要求高 上页 西安电子科技大学工业设计系 7 3陶瓷制品表面的装饰技术 陶瓷的表面加工陶瓷的表面层改质处理陶瓷的表面金属化处理陶瓷的表面施釉处理 回到主页 西安电子科技大学工业设计系 陶瓷材料的特点 工业陶瓷区别于其它工业造型材料 主要特点 1 陶瓷结构中 离子键和共价键是主要的结合键 键的性质与材料结构和性质有密切关系 2 陶瓷的生产工艺是先成型后烧结成制品 工艺流程一般都很复杂 对已烧成的陶瓷进行再加工一般较困难 3 工业陶瓷具有一系列优良的物理 化学性能和独特的质感 西安电子科技大学工业设计系 陶瓷材料的分类 1 普通陶瓷包括日用陶瓷 建筑陶瓷 电器绝缘陶瓷 化工陶瓷 多孔陶瓷等 2 特种陶瓷 1 按性能分 具有能量转化的功能陶瓷 高强度 高温 耐磨 耐酸 压电 半导体 磁性 生物 导电 超导 作为工业造型材料和高温结构材料的结构陶瓷 熔点高 强度高 化学稳定性好 在产品设计中应用较为广泛的是结构陶瓷 2 按化学组成分 氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 复合瓷 金属陶瓷 纤维增强陶瓷等 西安电子科技大学工业设计系 陶瓷材料的性质 力学性质1 刚度 由弹性模量衡量 其刚度是各类造型材料中最高的 2 强度 是抵抗外加负荷的能力 是材料重要的力学性能 其抗拉强度低 抗弯和抗压强度较高 3 韧性 韧性极低 是典型的脆性材料 陶瓷的表面和内部由于各种原因 如表面划伤 化学侵蚀 热胀冷缩不均等 很容易产生裂纹 4 硬度 材料表面的局部抗压强度 陶瓷在各类材料中硬度最高 其硬度随温度升高而降低 但在高温下依然很高 热性质其他性质 西安电子科技大学工业设计系 常用的工业陶瓷及其制品 日用陶瓷建筑陶瓷电工瓷化工陶瓷 电子陶瓷高温陶瓷其他陶瓷 西安电子科技大学工业设计系 陶瓷的热性能 热膨胀 是指温度升高时物质原子震动幅度增大 原子间距增大所导致的体积涨大现象 陶瓷的热膨胀小 高温抗蠕变能力强 导热性 是指在一定温度梯度作用下热量在固体中的传导速率 陶瓷的热传导主要依靠于原子的热震动 没有自由电子的传热作用 同时由于陶瓷中的气孔对传热不利 所以陶瓷为较好的绝热材料 热稳定性 是指抗热振性 即在不同温度范围波动时的寿命 一般用急冷到水中不破裂所能承受的最高温度来表达 例如 日用陶瓷的热稳定性为220度 它与材料的线膨胀系数和导热性等有关 线膨胀系数大和导热性低的材料的热稳定性不高 韧性低的材料的热稳定性也不高 陶瓷的热稳定性很低 这是陶瓷的另一个主要缺点 陶瓷的其它性质 导电性 陶瓷的导电性变化范围很广 大多数陶瓷为绝缘体 但不少陶瓷即是离子导体 又是一定的电子导体 许多氧化物如ZnO NiO等实际上是半导体 所以陶瓷也是重要的半导体材料 目前已出现具有各种电性能的陶瓷 如压电陶瓷 磁性陶瓷 透明铁电陶瓷等 光学性质 白度是指材料对白色光的反射能力 绝大部分陶瓷在外观色彩上均采用纯正的白色 透光度是指允许可见光透过的程度 陶瓷通常是透明和半透明的 这一性质在产品设计中应用较广 尤其在光学领域有着重要的发展和应用 光泽度是指表面对可见光的反射能力 一些陶瓷表面常用釉进行装饰 如日用陶瓷 尤其是高档的茶具等 化学稳定性 一般陶瓷材料耐酸 碱 盐侵蚀性能良好 与许多金属的熔体不发生反应 具有很好的耐火性和不可燃性 气孔率及吸水率 气孔率是衡量陶瓷质量和工艺制度是否合理的重要指标 吸水率反应陶瓷是否烧结和烧结后的致密程度 西安电子科技大学工业设计系 日用陶瓷 图片 西安电子科技大学工业设计系 日用陶瓷图例 卫生陶瓷 下页 陶瓷砖 地砖 装饰砖 微晶玻璃陶瓷复合板材 西安电子科技大学工业设计系 建筑陶瓷 指用于建筑及其装饰的陶瓷制品 如铺设地面 内外墙 输水管道 卫生间设备以及艺术装饰用的琉璃 带色陶器 等 卫生陶瓷 用于卫生设施的带釉陶瓷制品 一般制品体积较大 形状复杂 品种多 一般采用注浆法成型 釉面转 用于内墙装饰的薄片精陶建筑材料 这类砖坚固耐用 色彩鲜艳 易于清洗 具有防火 抗水 耐磨及耐腐蚀性等特点 铺地砖及锦砖 指地面装饰地板状陶瓷建筑材料 砖面可制成单色或花纹图案 锦砖又称马赛克 是饰有各种图样的片状小瓷砖 主要用于铺地 内墙装饰 也可用于外墙装饰 陶管 指内外表面都上釉的不透水 耐酸碱的陶质管 有直管 异形管 地漏管等式样 图片 电工瓷 电工瓷是一类绝缘性和力学性能优良的陶瓷材料 电工瓷的介电强度高 抗拉强度和抗弯强度较好 化学稳定性好 耐候性好 不易老化 防污染性好 在长期机械负荷下不会产生永久变形等优良特性 近年来适应于高温 高频或高介的电力设备应用的要求 一些特种电子陶瓷制品已经研制投入批量生产 如氧化镁瓷 氧化锌瓷 氧化铍瓷 氮化物瓷 莫来石 堇青石瓷等 并受到重视 电工瓷广泛用于电力工业和电子工业作为隔电的机械支承件和联接用的各种绝缘器件 如各种瓷绝缘子 各种电器绝缘支柱 套管 瓷套等 电工瓷制品的造型设计非常重要 直接影响制造工艺及制品的性能 设计的内容是制品的结构 电性能 机械性能的计算 为了简化工艺和便于制造 一般将瓷体设计成具有回转体和直形内孔结构 电子陶瓷 灯具陶瓷 电器陶瓷 西安电子科技大学工业设计系 化工陶瓷 化工陶瓷指用于化工设备上的陶瓷制品 它具有优异的耐酸碱性 耐腐蚀性 不污染介质等特点 可在 15 100度范围内使用 其缺点蚀性脆 冲击强度和机械强度低 不能承受过大的机械震动 耐热骤冷变化差 化工陶瓷一般用于化工 化肥 制药 食品 造纸 冶炼及化纤等工业中 如耐酸陶瓷容器 阀门 泵 塔 鼓风机 印板机等 化工陶瓷制品表面常施一层薄釉 使制品表面光滑 不透水和气 耐腐蚀 当前 一些增强 增韧陶瓷 莫来石质陶瓷 刚玉质陶瓷 氮化硅陶瓷等制品已在化工设备中得到了应用和推广 西安电子科技大学工业设计系 电子陶瓷 电子陶瓷是指在电子工业中能够利用电 磁性质作元件和器件使用的陶瓷介质材料 它具有电 磁 光 热 力等性能 在能源 家用电器 汽车等方面得到广泛应用 这种材料要求绝缘电阻高 介电常数大 介质损耗小 有一定的介电强度 常用的电子陶器有 电容器陶瓷 压电陶瓷 半导体陶瓷 导电陶瓷 超导陶瓷 磁性陶瓷 装置瓷等 图片 高温陶瓷 高温陶瓷是指熔融温度在1728度以上的一类陶瓷制品 它主要是由一些金属氧化物和难熔化合物作为原料制成 应用最多的有AI2O3 ZrO2 MgO CaO BeO等 纯氧化物是很好的高温耐火材料 AI2O3 刚玉 广泛用于制造高速切削工具 量规等 刚玉为重要的坩埚材料 ZrO2用作耐火坩埚 炉子和反应堆绝热材料 金属表面的保护涂层等 MgO CaO可用于制造坩埚 MgO还可用作炉衬和高温装置等 难熔化合物如碳化硅陶瓷主要用作加热元件 石墨的表面保护层 以及作砂轮 磨料等 氮化硼陶瓷 白石墨 具有石墨类型六方结构 可用作为介电体和耐火润滑剂 西安电子科技大学工业设计系 其它陶瓷 透明陶瓷 与玻璃一样透明 但其硬度 强度都比玻璃高得多 化学稳定性好 具有很好的抗表面损坏能力 这种透明陶瓷可作超音速飞机风挡 高级轿车的防弹窗 坦克的观察窗 炸弹瞄准工具 它还能透过无线电波 因此可作雷达天线罩 导弹的 防风镜 另外可用作高压钠灯的放电管 碱金属蒸汽灯等 金属陶瓷 是由金属和陶瓷组成的非均质复合材料 可用作工具材料 高温结构和耐蚀材料 这种陶瓷可以获得高强度 高韧性 高的高温强度和耐蚀性材料 在金属陶瓷中 陶瓷是氧化物 碳化物 硼化物和氮化物 金属相主要是钛 铬 镍 鈷和他们的合金 目前已经取得较大实际应用的金属陶瓷基体 主要是氧化物和碳化物 陶瓷的表面加工 目的是使表面平滑 光亮 美观 表面粗糙化和加工成某一需要的外观造型 陶瓷的机械加工主要有研磨和抛光 有的陶瓷 如六方氮化硼陶瓷 可以进行车 铣 刨等加工 1 陶瓷的冷加工 分为一般加工 丝级 精密加工 微米级 和超精密加工 亚毫米至毫微米级 除机械加工外 还可进行非机械加工 如电火花加工 离子束加工 2 超精密加工 尺寸精度和表面光洁度和表面装饰的要求很高 弹性发射加工法 将10 0 21 0微米的超细Ai2O3粉高速喷射到加工表面上 使原子和离子间的结合受到弹性破坏 加工单位可在0 1微米以下 理论计算可在原子级和分子级 金刚石刀具精密车床切削法 使用单晶金刚石刀具 在超精度机床上微细进刀切削 精度可达0 1 0 05微米 软质微粉机械化学抛光法 其使用的磨料硬度比被加工的陶瓷小 加工时陶瓷制品表面与磨料发生固相反应 漂浮抛光法 制品漂浮在锯齿形抛光盘上面液体上 制品旋转并被加工 水合作用机械抛光法 在水和水蒸气存在下 制品与Ai2O3磨轮表面生成亲水形性固体化合物 这种物质在磨轮旋转时将制品表面加工 西安电子科技大学工业设计系 陶瓷的表面层改质处理 急冷处理 陶瓷体经高温保温烧结后 将坯体从高温急速降温的热处理工艺 目的是 保留高温组成 避免缓冷过程发生分凝 析晶和相变 满足制品某些性能要求 使表面产生压应力 提高制品的抗张强度 缓冷处理 陶瓷体经高温保温烧结后 在炉中慢慢冷却 或在高温下长时间保温 目的是 促使坯料在冷却过程中晶体长大 分凝和相变 使制品的某些性能满足要求 消除坯体表面和内部应力 使相平衡进行充分 陶瓷的表面金属化处理 目的 形成金属导电层 如制作瓷介电容器电极 形成金属引出端 用于陶瓷焊接与密封 如装置瓷的焊接和密封 形成陶瓷制品的表面金属装饰 陶瓷表面金属化处理的方法 烧渗法 化学镀法和真空蒸发等金属膜形成法 常用的金属有Au Ag Pt Mo Mn Ni Cu Ai等 陶瓷制品在金属化处理前需进行清洁处理 有的需要粗糙处理 西安电子科技大学工业设计系 陶瓷的表面施釉处理 目的 是在陶瓷表面烧结一层连续玻璃态物质 通常釉层很薄 大约为零点几毫米 但对瓷件的表面性能 电性能 机械性能及化学稳定性等有很大影响 施釉后瓷件表面清洁美观 不吸水 不易被玷污 并起到装饰作用 施釉前的坯料应进行表面清洁处理 釉料的热膨胀系数 弹性 抗张强度等应与瓷体相适