材料成型工艺基础(第四版)课件 第7章

第7章工业陶瓷及其成型7.1工业陶瓷简介7.2工业陶瓷的生产过程

7.1工业陶瓷简介

7.1.1陶瓷材料的性能

陶瓷材料的性能主要取决于以下两个因素:第一是物质结构,主要是化学键和晶体结构,它们决定了陶瓷材料本身的性能,如电性能、热性能、磁性能和耐腐蚀性能等;第二是组织结构,包括相分布、晶粒大小和形状、气孔大小和分布、杂质、缺陷等,它们对陶瓷材料的性能影响极大。

1.陶瓷材料的力学性能

陶瓷材料的弹性模量和硬度是各类材料中最高的,比金属高若干倍,比有机高聚物高2~4个数量级,这是因为陶瓷材料具有强大的化学键。陶瓷材料的塑性变形能力很低,在室温下几乎没有塑性,这是因为陶瓷晶体中的滑移系很少,共价键有明显的方向性和饱和性,离子键的同号离子接近时斥力很大,当产生滑移时,极易造成键的断裂,再加上有大量气孔的存在,所以陶瓷材料呈现出很明显的脆性特征,韧性极低。因为陶瓷内有气孔、杂质和各种缺陷的存在,所以陶瓷材料的抗拉强度和抗弯强度均很低,而抗压强度非常高,这是由于在受压时裂纹不易扩展所致。

2.陶瓷材料的物理性能

1)陶瓷材料的热性能

陶瓷材料的熔点高,大多在2000℃以上,具有比金属材料高得多的抗氧化性和耐热性,并且高温强度好,抗蠕变能力强。此外,它的膨胀系数低,导热性差,是优良的高温绝热材料。但大多数陶瓷材料的热稳定性差,这是它的主要弱点之一。

2)陶瓷材料的电性能

陶瓷材料的导电性变化范围很广。由于离子晶体无自由电子,因此大多数陶瓷都是良好的绝缘体。但不少陶瓷既是离子导体,又有一定的电子导电性,因而也是重要的半导体材料。此外,近年来出现的超导材料,大多数也是陶瓷材料。

3.陶瓷材料的化学性能

陶瓷的组织结构很稳定,这是由于陶瓷以强大的离子键和共价键结合,并且在离子晶体中金属原子被包围在非金属原子的间隙中,从而形成稳定的化学结构。因此陶瓷材料具

有良好的抗氧化性和不可燃烧性,即使在1000℃的高温下也不会被氧化。此外,陶瓷对酸、碱、盐等介质均具有较强的耐蚀性,与许多金属熔体也不发生作用,因而是极好的耐蚀材料和坩埚材料。

7.1.2常用的工业陶瓷

陶瓷的种类繁多,大致可以分为传统陶瓷(也叫普通陶瓷)和特种陶瓷(也叫近代工业陶瓷)两大类。虽然它们都是经过高温烧结而合成的无机非金属材料,但其在所用粉体、成型方法和烧结制度及加工要求等方面却有着很大的区别。两者的主要区别见表7-1。

各种陶瓷的性能特点及应用见表7-2。

7.2工业陶瓷的生产过程

工业陶瓷的品种繁多,生产工艺过程也各不相同,但一般都要经历以下几个步骤:坯料制备、成型、坯体干燥、烧结以及后续加工,如图7-1所示。

图7-1陶瓷的生产工艺过程

7.2.1坯料制备

1.配料

制作陶瓷制品,首先要按瓷料的组成,将所需各种原料进行称量配料,它是陶瓷工艺中最基本的一环。

2.混合制备坯料

配料后应根据不同的成型方法,混合制备成不同形式的坯料,如用于注浆成型的水悬浮液,用于热压注成型的热塑性料浆,用于挤压、注射、轧膜和流延成型的含有机塑化剂的塑性料,用于干压或等静压成型的造粒粉料等。

7.2.2成型

成型是将坯料制成具有一定形状和规格的坯体。成型技术与方法对陶瓷制品的性能具有重要意义,由于陶瓷制品品种繁多,性能要求、形状规格、大小厚薄不一,产量不同,所

用坯料性能各异,因此可以采用多种不同的成型方法。陶瓷的成型方法大致分为湿塑成型、注浆成型、模压成型、注射成型、热压铸成型、等静压成型以及塑性成型、带式成型等

其他方法。

1.湿塑成型

湿塑成型是在外力作用下,使可塑坯料发生塑性变形而制成坯体的方法,包括刀压、滚压、挤压和手捏等。这是最传统的陶瓷成型工艺,在日用瓷和工艺瓷中应用最多。

2.注浆成型

注浆成型是将陶瓷悬浮料浆注入石膏模或多孔质模型内,借助模型的吸水能力将料浆中的水吸出,从而在模型内形成坯体。

3.模压成型

模压成型也叫干压成型,是将造粒工序制备的团粒(水的质量分数小于6%)松散装入模具内,在压机柱塞施加的外压力作用下,团粒产生移动、变形、粉碎而逐渐靠拢,所含气体同时被挤压排出,形成较致密的具有一定形状、尺寸的压坯,然后卸模脱出坯体的过程。

4.注射成型

注射成型是将陶瓷粉和有机黏结剂混合后,加热混炼并制成粒状粉料,经注射成型机,在130~300℃温度下注射到金属模腔内,冷却后黏结剂固化成型,脱模取出坯体。

5.热压铸成型

热压铸成型利用蜡类材料热熔冷固的特点,将用配料混合后的陶瓷细粉与熔化的蜡料黏结剂加热搅拌成具有流动性与热塑性的蜡浆,在热压注机中用压缩空气将热熔蜡浆注满金属模空腔,蜡浆在模腔内冷凝形成坯体,再进行脱模取件。

6.等静压成型

等静压成型是利用液体或气体介质均匀传递压力的性能,把陶瓷粒状粉料置于有弹性的软模中,使其受到液体或气体介质传递的均衡压力而被压实成型的一种新型压制成型方法。

等静压成型的特点是坯体密度高且均匀,烧结收缩小,不易变形,制品强度高、质量好,适于形状复杂、较大且细长制品的制造;但等静压成型设备成本高。

等静压成型可分为湿式等静压成型与干式等静压成型两种。

1)湿式等静压成型

如图7-2(a)所示,将配好的粒状粉料装入塑料或橡胶做成的弹性模具内,密封后置于高压容器内,注入液体到压力传递介质(压力通常在100MPa以上),此时模具与高压液体直接接触,压力传递至弹性模具对坯料加压成型,然后释放压力取出模具,并从模具中取出成型好的坯体。湿式等静压容器内可同时放入几个模具,压制不同形状的坯体,该法生产效率不高,主要适用于成型多品种、形状较复杂、产量小的大型制品。

图7-2等静压成型示意图

2)干式等静压成型

如图7-2(b)所示,在高压容器内封紧一个加压橡皮袋,加料后的模具送入橡皮袋中加压,压成后又从橡皮袋中退出脱模;也可将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态下进行,模具也不与高压液体直接接触。而且,干式等静压成型模具的两头(垂直方向)并不加压,适于压制长型、薄壁、管状制品。

7.其他成型方法

1)塑性成型

塑性成型包括挤制成型与轧膜成型。这类成型方法的共同特点是要求泥料必须具有充分的可塑性,故其中所含有机黏结剂和水分比干压成型时多。

挤制成型是指将炼好并通过真空除气的泥料置于挤制筒内,在压力的作用下,通过挤嘴挤出各种形状的坯体,如棒状、管状等。

2)带式成型方法

对于0.08mm以下的坯体,如独石电容片等,用轧膜法难以成型,带式成型法就应运而生了。此类成型方法包括刮刀工艺、纸带浇注工艺和滚筒工艺。其中,以刮刀法(流延法)应用最为广泛,用于制造50μm以下的膜材,见图7-3。

图7-3流延成型

7.2.3坯体干燥

生坯内的水分有三种:一是化学结合水,是坯料组分物质结构的一部分;二是吸附水,是坯料颗粒所构成的毛细管中吸附的水分,吸附水膜厚度相当于几个到十几个水分子,并受坯料组成和环境的影响;三是游离水,处于坯料颗粒之间,基本符合水的一般物理性质。

生坯干燥时,游离水很容易排出。

生坯的干燥形式有外部供热式和内热式。

7.2.4烧结

烧结是对成型坯体进行低于熔点的高温加热,使其内的粉体间产生颗粒黏结,经过物质迁移导致致密化和高强度的过程。只有经过烧结,成型坯体才能成为坚硬的具有某种显

微结构的陶瓷制品(多晶烧结体),烧结对陶瓷制品的显微组织结构及性能有着直接的影响。

烧结的方法很多,如常压烧结法、压力烧结法(热压烧结法、热等静压烧结法)、反应烧结法、液相烧结法、电弧等离子烧结法、自蔓延烧结法和微波烧结法等,以下对部分方法进行简要介绍。

1.常压烧结法

普通烧结有时也称常压烧结,是指在通常的大气压下进行烧结的方法。传统陶瓷大多都是在隧道窑中进行烧结的,而特种陶瓷大都在电窑中烧成。普通烧结因无需加压,故成

本较低。

2.压力烧结法

压力烧结法可以分为普通热压烧结法、热等静压烧结法和超高压烧结法。

1)热压烧结法

热压烧结是将干燥粉料充填入石墨或氧化铝模型内,再从单轴方向边加压边加热,使成型与烧结同时完成,如图7-4所示。图7-4热压(成型)烧结示意图

2)热等静压烧结法

热等静压(HIP)烧结方法是借助于气体压力而施加等静压的方法。除SiC、Si3N4使用该法外,Al2O3、超硬合金等也使用该法,它是很有希望的新烧结技术之一。热等静压烧结法可克服普通热压烧结的缺点,适合形状复杂制品的生产。目前一些高科技制品,如陶瓷轴承、反射镜及军工需用的核燃料、枪管等,也可采用此种烧结工艺。

3)超高压烧结法

超高压烧结法与合成金刚石的方法相同,在烧结金刚石和立方氮化硼时常采用这种方法;在其他难烧结物质的制备中也可采用此法。

3.反应烧结法

反应烧结法是通过气相或液相与基体材料相互反应而对材料进行烧结的方法。最典型的代表性产品是反应烧结碳化硅和反应烧结氮化硅制品。此种烧结方法的优点是工艺简

单,制品可稍微加工或不加工,也可制备形状复杂制品;缺点是制品中最终有残余未反应产物,结构不易控制,太厚制品不易完全反应烧结。

4.液相烧结法

许多氧化物陶瓷采用低熔点助剂促进材料烧结。助剂的加入一般不会影响材料的性能或反而为某种功能产生良好的影响。作为高温结构使用的添加剂,要注意晶界玻璃是造成

高温力学性能下降的主要因素。这可通过选择有很高的熔点或黏度的液相,或者选择合适的液相组成,然后作高温热处理,使某些晶相在晶界上析出,以提高材料的抗蠕变能力。

5.电弧等离子烧结法

电弧等离子烧结加热方法与热压不同,它在施加应力的同时,还在制品上施加一个脉冲电源,材料被韧化的同时也致密化。7.2.5后续加工

1.表面施釉

陶瓷的施釉是指通过高温方法在瓷件表面烧附一层玻璃状物质,使其表面具有光亮、美观、致密、绝缘、不吸水、不透水及化学稳定性好等优良性能的一种工艺方法。

2.加工