《功能材料制备与成形》课件第四章 挤压成型－1

1、蜂窝陶瓷陶瓷螺钉等硬质合金螺杆硬质合金钻头第四章 挤 压 成 型第3周：11月19日 11月21日3Hrs 将具有塑性的粉末放入挤压机内，在外力的作用下，通过压模嘴挤压成一定形状的坯体的方法。第一节 挤压成型什么是挤压成型 ? 适宜成型管状和截面一致的产品。 挤出长度几乎不受限制 第一节 挤压成型挤压成型的特点外径/mm341012141718253040壁厚/mm0.20.30.40.50.61.02.02.53.5挤压陶瓷管时管径和壁厚的关系一、泥料的可塑性 考虑一个泥团的在受压条件下的应力应变曲线，见图41，它非常类似于固体材料的应力应变曲线。 第一节 挤压成型图41泥团的应力应变曲线s

2、p强度极限，ep 破裂变形量，sy 弹性极限 泥团可塑性： 通常用乘积“p p ”表示泥团的可塑性 。1）泥料的应力应变曲线spep2) 粘土的可塑性 在传统陶瓷中，粘土是一种重要的原料。它不仅可以直接用于生产以粘土为主要原料配方的制品（如建筑砖瓦、粘土质耐火材料、日用陶瓷、卫生洁具等），还是一种广泛使用的添加剂，用于其它陶瓷的生产中。 在陶瓷泥料制备中常常用到粘土。 粘土是一类水和铝硅酸盐的总称，其通式为 ： xAl2O3ySiO2zH2O 它是一种具有层状结构的强极性物质，除含有一定的结晶水外，尚含有一定的层间吸附水。 当粘土与水接触时，粘土分子的边沿、断裂处，通常都从水中吸收氧而形成不饱

3、和的硅氧键（SiO-），从而带有明显的负电，能把溶液中一部分带正电H+离子拉紧在它的周围，形成一层牢固的所谓吸附层，至于更远一点的H+离子，则耦合较为松散，称之为扩散层，如下图4-3所示: 粘土的性能吸附层图4-3 水化后的粘土颗粒 对于粘土与水形成的泥团，提高含水量可以提高p ，降低y图44 某粘土含水量与应力应变曲线的关系8642204060剪切变形，%剪切应力，X102Pa35%水40%水50%水3) 基于天然矿物原料的可塑性坯料的制备 天然陶瓷矿物（如粘土）原料粉末与适量的水混合之后，都可形成具有一定可塑性的泥料。 颗粒表面与水作用，形成包覆颗粒的液体膜，颗粒通过液体膜的毛细管力相互粘

4、结。 一般工艺流程 混合 将各种粉末原料、成型剂和水混合，通过搅拌分散均匀。 为了保证混合效率，开始混合物中水份较高，达6070vol。此时的混合物为泥浆。 减少含水量 可塑性泥料的实际需要的含水量一般只有2126 vol，故要脱去多余的水，使泥浆成为泥料。 脱去多余的水后的泥料，通常团成饼状，故习惯称为泥饼。 压滤： 泥浆脱水的工序通常为，即给泥浆施加外界压力，通过筛网挤出其中的水分。 筛网为滤布（帆布）和滤板（不锈钢多孔板）。 练泥 泥饼中的水份和固体颗粒分布还不够均匀，同时还含有很多气体，还需进一步加工。 通过捏练，使泥料成分更为均匀。 真空练泥，即捏练脱气。在真空条件下捏练，可以有效地

5、排除泥料中的气体物质。 普通练泥 真空炼泥图46 普通练泥机图47 粗练机图48 450双轴揉练机外观图49 真空练泥机 陈腐 将泥饼在阴暗、潮湿、温暖的密闭小室内储放一段时间。 目的：促成泥料成分分布均匀、结构致密、可塑性增强。 4）影响泥料可塑性的因素图410 不同粒径 高岭土制成的泥团的可塑性 颗粒尺寸粒度越小，比表面积大越大，完全包覆颗粒的液膜的面积大，最佳含水量越大，最佳含水量对应的可塑性越好。 含水量 泥团的屈服应力大小决定于颗粒间毛细管力大小。 当含水量低于最佳含量时，液膜不能完全包覆颗粒，此时最大变形量和屈服应力都小； 当含水量高于最佳含量时，液膜能完全包覆颗粒，但液膜层过厚，

6、毛细管力小。4) 特种陶瓷泥料的制备 随着陶瓷技术的发展和产品结构的调整,瘠性料占的比重越来越大。例如用于制备骨质瓷、滑石瓷等高档日用细瓷的瘠性料含量高达6080%，特种陶瓷原料配方中，如99瓷（氧化铝含量大于99%）原料配方中瘠性料的比例甚至达到100%。 它们与任何比例的水混合之后得到的泥料，其可塑性都不能满足可塑成型要求，因此需要进行塑化。4) 特种陶瓷泥料的制备 添加塑化剂 塑化剂的主要作用为：吸附甚至包覆极性颗粒，借助于本身的结构特性对瘠性颗粒进行粘附与水化。 塑化剂的种类与用量 为了不影响制品的最终成分，通常采用有机类塑化剂。 成型剂的种类与制备轧膜成型坯料所用成型剂相同。 泥料制

7、备的工艺流程同天然矿物原料的泥料基本相同。5） 金属泥料的制备 金属粉末通常具有良好的可塑性，通常不制成泥料，陶瓷必须采用泥料才能进行的成型。 但是，金属粉若要进行一些复杂、变形量很大的成型，其可塑性仍显不够，仍要添加大量塑化剂，以进一步提高其可塑性。 通常金属粉最常用的塑化剂是石蜡，还可用树脂、淀粉等。 为了改善金属粉末与塑化剂的结合状况，在石蜡中加入少量聚乙烯醇作为粘结剂及少量硬脂酸作为表面活性剂。 典型工艺举例：碳化钨钴硬质合金的挤压成型坯料制备 塑化剂：石蜡， 含量6.0-8.5wt%， 溶 剂：汽油 方 法： 第1步：将石蜡溶于气油中， 过300目筛后形成成型剂溶液； 第2步：在40

8、50条件下，将成型剂溶液与粉末充分拌和，然后使其密实化，即将拌和料通过模压的方式压实，以增大粉末与石蜡的接触面积和减少坯料中的气体含量。 第3步：过筛粒化（加压造粒）。 硬质合金螺杆硬质合金钻头 在压力驱动下，粉末或泥料通过一定的口模挤出，形成一定形状的坯体。图411挤压成型示意图1-挤压冲头；2-挤压模；3-坯料；4-挤压嘴；5-挤压嘴座；6-成型坯特点： 与其他成型方法相比，具有效率高、单位成本低的优点。应用领域： 主要用于热塑性塑料的成型; 陶瓷、金属粉末与成型剂组成热塑性的泥料（以热塑性的物质如石蜡作塑化剂），也可以进行挤出成型。图412塑料挤出成型漫画 图413塑料片、板材挤出生产线

9、1-产品堆放装置；2-产品输送装置；3-切断装置；4-牵引装置； 5-切边装置；6-压光机；7-片材机头；8-挤出机 图414 挤压过程的受力状态1由P引起的轴向压力； 2模壁对坯料的侧压力；3模壁与坯料间的摩擦力；4由型坯重量所引起的轴向拉力4.2.1 挤压成型原理1)挤压过程受力分析 轴向压力- 侧压力 摩擦力 轴向拉力 在模具上部的坯料受力分析 坯料向下移动的阻力主要来自模壁与坯料间的摩擦力，其大小为： f = P1 (4-1) 式中: f 摩擦力, 摩擦系数, P1 为模壁对坯料的侧压力。 侧压力与挤压力P关系为： p1 = P (4-2) 式中： 侧压系数。 因此有： f = P (

10、4-3) 坯料向下移动的条件是挤压压力大于摩擦力： P f = P 由于模壁与坯料间的摩擦力，靠近料筒壁处挤压压力损失较大，远离筒壁处挤压压力损失较小，导致料筒中心线上的泥料的流速比外围泥料的流速快。这一点与普通压制成型相同。 在料筒下部的坯料受力分析 由于挤压嘴出口无压力，当此处的坯料受到的内外压力差超过其屈服极限时，立即从出口挤出。此处的内外压力差是经坯料传至底面的压制力。 在挤压嘴的圆锥面上，可将挤压力P分解成与锥面法向方向的力P垂和与锥面母线平行的力P平。 P平用于克服坯料与挤压嘴的圆锥面间的摩擦力后有一些损失，变为P平，驱动坯料向挤压嘴中心流动（水平方向）的应力为： P水平 = P垂

11、cos (/2) - P平 sin (/2) （4-7） 图4-15 挤压嘴处受力分析 P垂 Psin (/2) (4-5) P平 Pcos (/2) (4-6) 在P水平的驱动下，坯料产生自四周向中间的水平运动，一旦这种运动产生，锥面又对坯料起阻碍作用，越靠近锥面的坯料所受阻力越大。图4-16 挤压嘴处流动阻力的分布 坯料在模具中的流动 由于坯料在挤压模中受力很不均匀，各处的流动分布很不相同（见图4-17）。按照流动特征，可以分为三个区域： V1区 坯料向挤压嘴内流动。 V2区 坯料向上翻动，然后流入v1区内。图4-17 挤压模内坯料的流动（箭头表示流动方向） V3区 由于冲头表面摩擦力的作

12、用，在挤压初期和中期不会产生流动，只是在挤压后期，当v1、v2区的坯料接近全部挤出时才流入v1区。图4-18定型孔内的超前现象 n-轴向剪切力；q-横向膨胀力 在挤压过程中，由于模壁摩擦力的影响，坯料沿挤压筒径向方向受力不等，越靠近模壁者阻力越大。所以挤出时，中心部位的坯料的流动速度比边缘处的要快，这种现象称为超前现象。在坯料进入挤压嘴的定型孔径时，由于运动速度提高，挤压嘴内的摩擦作用更为严重，故超前现象更为严重。超前现象 坯体中的残余应力挤出的制品中的“超前现象”会产生相应的残余应力。图419 圆柱形挤压坯中的轴向残余应力分布2)挤压模具设计 挤压模具主要有冲头、料筒、挤压嘴。 模具设计主要

13、是根据挤压制品的要求正确选择压缩比和设计挤压嘴。 压缩比压缩比是坯料通过挤压嘴前后横截面积的相对变化比值。对于圆柱形坯体的挤压成型: K=(D2-d2)/D2 (4-8) K压缩比 ， K 取值通常大于95； D料筒直径； d 挤压嘴定型带直径。 图420 坯料通过挤压嘴前后的尺寸变化压缩比：挤压嘴挤压嘴有两个区：即压缩区和定型带。 图421 挤压嘴的结构 若过大，挤压阻力过大，挤压嘴磨损也大； 若过小，造成压缩比小，挤出的坯体密度、强度都低。 一般取值范围在45 75 ，通常取60。 定型带是控制坯体断面尺寸主要手段，如对圆柱形坯体而言，定型带的直径就是坯体的控制尺寸。为了保证尺寸控制精度，

14、定型带要有适当的长度，如果过长，坯体中附加内应力大，可能导致坯体开裂；如果过短，挤出的坯体容易产生弹性膨胀，导致横向裂纹。 普遍认为 l 值宜取 （1.55)d。 定型带长度 l 不管是压缩区或定型带，都要求与坯料接触的表面有高的光洁度。 光洁度 ）挤压连续方程 为了实现连续挤压，在挤压过程中，有以下关系： V机S模 = V挤S嘴 (4-9) 式中：V机 冲头的推进速度 V挤 坯体挤出速度 S模 挤压模截面积 S嘴 挤压嘴截面积。 对于圆形截面积的挤压制品，则有： V机 = (r2/R2)V挤 (4-10) r 挤压嘴孔半径， R 挤压模内圆半径， 据此可以选择并控制压机的速度。4.2.3 挤

15、压成型工艺1)挤压机图422 真空挤压机示意图挤压系统，主要由由螺杆和机筒组成；传动系统，驱动螺杆，保证螺杆在工作过程中所需要的扭矩和转速；加热和冷却系统，用以满足成型过程对温度的控制要求。挤压机构成：表41挤出机的分类图423陶瓷挤出成型机的实例2) 挤压嘴 挤压成型坯的横截面可以是各种形状，相应的挤压嘴也应该有各种孔型。图424挤压成型坯的横截面形状举例图425蜂窝陶瓷挤压成型模具示意图蜂窝陶瓷蜂窝陶瓷陶瓷螺钉等3)挤压速度 单位时间挤出坯体的长度称为挤压速度。挤压速度与挤压压力有关。图426 挤压速度与挤压压力的关系8.08.59.09.510100200300400500600挤压压力

16、/X10MPa挤压速度/mm min-1为什么挤压压力增大，挤压速度迅速增大？ 当挤压压力较小时，挤压压力主要用于克服坯料本身的内摩擦力、坯料与挤压嘴之间的摩擦力及坯料的变形阻力；在挤压压力克服了上述阻力后，新增的挤压力几乎全部用于推动坯料的流动，故挤压速度随挤压压力增大而迅速增大。挤压速度过快会带来什么结果？ 1）如果挤压速度过快，料筒中心线附近坯料的流动比筒壁处的坯料的流动超出很多，坯料中会造成较大的剪切应力，坯体容易开裂； 2）料筒中心线附近坯料与筒壁处的坯料的流动速度差会使料层间产生强烈的摩擦，由此产生的热可以使那些以石蜡作增塑剂的坯料中的石蜡熔化，从而破坏颗粒之间的粘结，也会使坯体开

17、裂。4) 成型温度 热挤压 指对加热的坯料进行挤压。 主要针对金属粉制备的坯料。 一些塑性良好的金属坯料（如高温合金、高速钢粉）被加热到1200 后进行挤压成型。 加热的目的是为了降低坯料的屈服点以增加塑性。 在高温下粉料已经软化，且没有加工硬化现象，容易挤成一些形状复杂、密度很高的坯体。 加热温度决定于坯料采用的成型剂，以使成型剂发挥最佳的塑化效果。 冷挤压在室温条件下的挤压 常用于硬而脆的陶瓷坯料的成型。 陶瓷坯料含较多的高分子成型剂，其塑化效果一般与温度关系不大，故通常采用冷挤压。 多数挤压成型工艺界于热挤压和冷挤压之间，即对坯料稍加一点温度，只是比室温略高。 举例 金属坯料最常用石蜡成

18、型剂（增塑剂）。石蜡的塑性在一定温度下具有峰值（如55号石蜡在35 45 塑化效果好），石蜡的强度和粘结能力则是随温度升高而下降的。 图427 温度对石蜡强度的影响 石蜡成型剂坯料的成型时温度不能过高和过低，一般为35 45 。5) 粉末性能 为了避免出现颗粒定向排列的现象，挤压成型要求粉末颗粒细、最好呈球形。图428片状颗粒在挤压力作用下定向排列6) 应用举例硬质合金的挤压工艺 用石蜡为成型剂。不同牌号的混合料, 石蜡的加入量稍有差别，见表4-2。 合金牌号YG6,YG8,YG11,YG4CYG3X,YG6XYG3,YG15YG20,YG25,YT15石蜡量wt%787.58.5表4-2硬质合金挤压料中石蜡的成分 亦可用凡士林部分代替石蜡。为了提高粘结力，还可加入一定量的表面活性剂，如硬脂酸等。还可按挤压孔径大小增减腊量，见表4-3。 表4-3挤压孔径与腊量的关系挤压嘴孔径mm345-