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陶瓷產品成型工藝
  • 作者:    來源:宜興市前錦特陶科技有限公司    時間:2019-4-23    點擊:100

陶瓷產品成型工藝

      陶瓷成型是為了得到內部均勻和密度高的陶瓷坯體,是陶瓷制備工藝中重要的一環,成型技術在很大程度上決定了坯體的均勻性和制備復雜形狀部件的能力,并直接影響到材料的可靠性和最終陶瓷部件的成本。

 

各種成型技術的比較

成型方法

成型用料

制品形狀

均勻性

效率

成本

干壓成型

造粒粉料

扁平形狀

偏差

冷等靜壓

造粒粉料

圓管圓柱形球狀體

中等

中等

注漿成型

漿料

復雜形狀,大尺寸

較好

較低

流延成型

漿料

<1mm厚截面

中等

凝膠成型

漿料

復雜形狀,厚截面,大尺寸

較好

較低

直接凝固注模

漿料

復雜形狀厚截面

較低

擠出成型

塑性料

圓柱圓筒形,長尺寸制品

中等

中等

熱壓鑄

黏塑性料

復雜形狀,小尺寸

較好

較低

注射成型

黏塑性料

復雜形狀,小尺寸

中等

 

上述各種成型方法,成型原理和過程不同,因此特點也不同,各自均有優缺點。且陶瓷的成型技術對于制品的性能具有重要影響。陶瓷成型方法的選擇,應當根據制品的性能要求、形狀、尺寸、產量和經濟效益等綜合確定。那么,今天我們就來簡要介紹一下這些陶瓷的成型方法。

 

一、干壓成型

干壓成型又稱模壓成型,是最常用的成型方法之一,也是手機陶瓷背板主流的成型工藝之一,小米MIX系列的陶瓷后蓋都是干壓成型的。干壓成型是將經過造粒、流動性好,顆粒級配合適的粉料,裝入金屬模腔內,通過壓頭施加壓力,壓頭在模腔內位移,傳遞壓力,使模腔內粉體顆粒重排變形而被壓實,形成具有一定強度和形狀的陶瓷素坯。

影響干壓成型的主要因素:

1)粉體性質:粒度、粒度分布、流動性、含水率等;

2)粘結劑和潤滑劑的選擇;

3)模具設計;

4)壓制過程中壓制力、加壓方式、加壓速度與保壓時間.

綜上,如果坯料顆粒級配合適,結合劑使用正確,加壓方式合理,干壓法也可以得到比較理想的坯體密度。

干壓成型的優點:

1)工藝簡單,操作方便,周期短,效率高,便于實行自動化生產。

2)坯體密度大,尺寸精確,收縮小,機械強度高,電性能好。

干壓成型的缺點:

1)對大型坯體生產有困難,模具磨損大、加工復雜、成本高。

2)加壓只能上下加壓,壓力分布不均勻,致密度不均勻,收縮不均勻,會產生開裂、分層等現象。但隨著現代化成型方法的發展,達一缺點逐漸為等靜壓成型所克服。

應用:特別適宜于各種截面厚度較小的陶瓷制品制備,如陶瓷密封環、閥門用陶瓷閥芯、陶瓷襯板、陶瓷內襯等。

 

二、流延成型

流延成型(tepe-casting)又稱為刮刀成型。它的基本原理是將具有合適黏度和良好分散性的陶瓷漿料從流延機漿料槽刀口處流至基帶上,通過基帶與刮刀的相對運動使漿料鋪展,在表面張力的作用下形成具有光滑上表面的坯膜,坯膜的厚度主要由刮刀與基帶之間間隙來調控。坯膜隨基帶進入烘干室,溶劑蒸發有機黏結劑在陶瓷顆粒間形成網絡結構,形成具有一定強度和柔韌性的坯片,干燥的坯片與基帶剝離后卷軸待用。然后可安所需形狀切割,沖片或打孔,最后經過燒結得到成品。

流延成型工藝可以分為非水基流延成型、水基流延成型、凝膠流延成型等。

流延成型制備陶瓷基片工藝包括漿料制備、流延成型、干燥、脫脂、燒結等工序,其中最關鍵的是漿料的制備和流延工藝的控制。

優點:流延成型可制備出幾個微米至1000μm平整光滑的陶瓷薄片材料,且設備簡單,工藝穩定,可連續操作,便于自動化,生產效率高,產品性能一致,因此是當今制備單層或多層薄片材料最重要和最有效的工藝。

缺點:粘結劑含量高,因而收縮率可達20%~21%。

應用:獨石電容器瓷片、厚膜和薄膜電路用Al2O3基片、壓電陶瓷膜片、結構陶瓷薄片、電容器、熱敏電阻、鐵氧體和壓電陶瓷坯體,混合集成電路基片等。

 

三、注射成型

陶瓷注射成型(ceramic injectionmolding,CIM),是將聚合物注射成型方法與陶瓷制備工藝相結合而發展起來的一種制備陶瓷零部件的新工藝。

陶瓷注射成型的制造過程主要包括四個環節:

1)注射喂料的制備:將合適的有機載體與陶瓷粉末在一定溫度下混煉、干燥、造粒,得到注射用喂料;

2)注射成型:混煉后的注射混合料于注射成型機內被加熱轉變為粘稠性熔體,在一定的溫度和壓力下高速注入金屬模具內,冷卻固化為所需形狀的坯體,然后脫模;

3)脫脂:通過加熱或其它物理化學方法,將注射成型坯體內的有機物排除;

4)燒結:將脫脂后的陶瓷素坯在高溫下致密化燒結,獲得所需外觀形狀、尺寸精度和顯微結構的致密陶瓷部件。

注射成型的優點:

(1) 可近凈成型直接各種幾何形狀復雜及有特殊要求的小型陶瓷零部件,使燒結后的陶瓷產品無需進行機加工或少加工,從而減少昂貴的陶瓷加工成本。

(2) 機械化和自動化程度高,成形周期短,僅為澆注、熱壓成形時間的幾十分之一至幾百分之一,坯件的強度高,可自動化生產,生產過程中的管理和控制也很方便,適宜大批量生產。

(3) 由于粘結劑有較好的流動性,注射成形坯件的致密度相當均勻。

(4) 由于粉末和粘結劑的混合很均勻,粉末之間的間隙很小,燒結過程中的收縮特性基本一致,所以制備各部位密度均勻,幾何尺寸精度及表面光潔度高。

應用:這種技術對尺寸精度高、形狀復雜的陶瓷制品的大批量生產最有優勢。目前,陶瓷注射成型已廣泛用于各種陶瓷粉料和各種工程陶瓷制品的成型。通過該工藝制備的各種精密陶瓷零部件,已用于航空、汽車、機械、能源、光通訊、生命醫學等領域。

 

四、等靜壓成型

通常所說的等靜壓成型就是指冷等靜壓成型(coldisostatic pressing,CIP),是利用流體(水,油)作為傳遞介質來獲得均勻靜壓力施加到材料上的一種方法。即利用液體介質的不可壓縮性來均勻傳遞壓力性,從各個方向進行加壓,獲得制品的成型方法。按其成型過程不同,可分為兩種形式:濕袋式和干袋式。目前大量使用的主要是濕袋法。

1

濕袋式等靜壓

濕袋式等靜壓技術是將造粒陶瓷粉或預先成型的坯體放入可變形的橡膠包套內,然后通過液體施加各向均勻的壓力,當壓制過程結束,再將裝有坯體的橡膠包套從容器內取出,這是一種間斷式成型方法。

這種技術成本相對成本較低,可成型中等復雜程度的部件,且壓力可達500MPa,適用于小規模生產,但在一定時間內成型制品的數量較少,壓坯尺寸和形狀不以精準控,生產效率不高,不能連續進行大規模生產。

2

干袋式等靜壓

干袋式等靜壓是將陶瓷粉末批量地填入柔性預成型模具內,然后施以等靜壓,由于模具被固定在設備上,當壓制完成后,成型制品被頂出,如示意圖。

干袋式等靜壓成型周期短,模具使用壽命長,特別便于進行大規模連續化工業生產。使用的模具材料有聚氨酯合成橡膠或硅橡膠,相較于濕袋式等靜壓成型,干袋式等靜壓壓力較低,一般在200MPa內。大家最熟悉的陶瓷火花塞目前就是用干袋式等靜壓成型,壓制時間通常只有1~2S。

等靜壓成型的優點:

1)壓力從各個方向傳遞,壓坯密度分布均勻,壓坯強度高;

2)素坯密度高,均勻缺陷少,燒成收縮比一般干壓低;

3)能壓制具有凹形、細長件以及其他復雜形狀的零件;

4)摩擦損耗小,成型壓力較低;

5)模具成本低廉。

等靜壓成型的缺點:壓坯尺寸和形狀不易精確控制,生產率較低,不易實現自動化;

應用:

1)大型薄壁、高精度、高性能的氧化鋁陶瓷天線罩及大型壁厚、形狀復雜、帶傘棱的97%氧化鋁陶瓷高頻端子絕緣瓷套采用濕式等靜壓技術。

295%氧化鋁陶瓷真空開關滅弧室管殼系列產品、氧化鋁和氧化鋯陶瓷柱塞,以及石油鉆探用大尺寸氧化鋯陶瓷缸套等采用等靜壓技術。

3)高壓鈉燈用透明氧化鋁陶瓷管、氧化鋁火花塞普遍使用干袋式等靜壓技術。

 

五、注漿成型

注漿成型是一種非常簡便且靈活性很強的成型技術,它的基本原理是將具有較高故相含量和良好流動性的料漿注入多孔模具(通常用石膏磨具),因為模具多孔性所具有的的毛細管吸力,模具內壁從漿料中吸取水分從而沿模壁形成固化的坯體,待坯體形成一定的強度即可脫模。

基本工藝流程為:粉末漿料注漿脫模干燥型坯

漿料成型的主要工藝方法:空心注漿、實心注漿、壓力注漿、真空輔助注漿、離心注漿。

優點:

1)采用廉價的石膏模具,設備簡單、成本低,適合于復雜形狀的陶瓷零部件及大尺寸陶瓷制品的制造;

2)成型工藝控制方便、產品致密度高。

應用:傳統陶瓷工業、現代精密陶瓷、結構陶瓷產品等

 

六、擠壓成型

擠壓成型也稱擠出成型或擠制成型,該工藝是將陶瓷粉與可提供塑性的黏土或有機黏結劑與水一起混合和反復混煉,并通過真空除氣和陳腐等工藝環節使待擠出的坯料獲得良好的塑性和均勻性,然后在擠出螺旋或柱塞的作用下,通過擠壓機嘴處的模具擠出得到所需形狀的產品。

擠壓法成型對泥料的要求:

1)粉料細度和形狀:細度要求較細,外形圓潤,以長時間小磨球球磨的粉料為好。

2)溶劑、增塑劑、粘結劑等:用量要適當,同時必須使泥料高度均勻,否則擠壓的坯體質量不好。

擠壓成型法的優點:

1)污染小,操作易于自動化,可連續生產,效率高。

2)適合管狀、棒狀產品的生產。但擠嘴結構復雜,加工精度要求高。

缺點:由于溶劑和結合劑較多,因此坯體在干燥燒成時收縮較大,性能受到影響。容易出現翹曲變形、分層結構、撕裂、開裂、固液分離、氣孔及夾雜物等缺陷。

應用:擠壓成型適用于制造截面一致的陶瓷產品,特別是對長寬比高的管狀或棒狀產品,可用于各種氧化物陶瓷、碳化物及氮化物等非氧化物陶瓷制品的成型。目前廣泛應用于制備陶瓷爐管、電磁絕緣子、催化劑載體或支撐體、熱交換器管、汽車尾氣過濾用蜂窩陶瓷載體,陶瓷棍棒等各種陶瓷產品,同時也可用于片狀電容器、磁性材料基板、電子基片的成型。

 

七、熱壓鑄成型

熱壓鑄成型是利用石蠟受熱熔化和遇冷凝固的特點,將無可塑性的瘠性陶瓷粉料與熱石蠟液均勻混合形成可流動的漿料,在一定壓力下注入金屬模具中成型,冷卻待蠟漿凝固后脫模取出成型好的坯體。坯體經適當修整,埋入吸附劑中加熱進行脫蠟處理,最后經燒結成最終制品。

熱壓鑄成型與一般注漿成型法的差別:

它并不使用溶劑,而是利用粘結劑石蠟的高溫流變特性,進行壓力下的鑄造成形,然后經過高溫脫蠟和燒結制成陶瓷。

優點:

1)可成型形狀復雜的陶瓷制品,尺寸精度高,幾乎不需要后續加工,是制作異形陶瓷制品的主要成型工藝;

2)設備價廉、模具磨損小,生產成本相對較低;

3)操作方便,勞動強度不大,生產效率高;

4)對原料適用性強,如氧化物、非氧化物、復合原料及各種礦物原料均可適用。

缺點:漿料含蠟量高、成型壓力低,容易導致產品密度偏低,排蠟時間長。

1)氣孔率高、內部缺陷相對較多、密度低,制品力學性能和性能穩定性相對較差;

2)需要脫蠟環節,增加了能源消耗和生產時間。因受脫蠟限制,難以制備厚壁制品;

3)不適合制備大尺寸陶瓷制品;

4)難以制造高純度陶瓷制品,限制了該工藝在高端技術領域的應用。

應用:各種復雜形狀的工程陶瓷零部件。

 

八、凝膠注模成型

凝膠注模成型是近年來發明的一種新的陶瓷成型技術。這一方法首先是將陶瓷粉料分散于含有有機單體的溶液中,制備成高固相體積分數的懸浮體(>50%),然后注入一定形狀的模具中,在一定的催化、溫度條件下,有機單體聚合,體系凝膠,從而導致懸浮體原位凝固,最后經過干燥可得較高強度的坯體。

在從液態轉變為固態的過程中,坯體沒有收縮或收縮很小,介質的量沒有改變。它可以以凈尺寸制造復雜形狀的陶瓷部件,具有良好的坯體均勻性和高強度,其操作工藝簡單、坯體中有機物雜質含量少,而且陶瓷燒結體性能優良。

凝膠注模成型分為兩類:一種是水溶性凝膠注模成型,另一種是非水溶性凝膠注模成型。前者適用于大多數陶瓷成型場合,后者主要適用于那些與水發生反應的系統的成型。

優點:

1) 適用陶瓷粉末能力強,對粉體無特殊要求;

2) 可實現近凈尺寸成型,可制備出大尺寸和復雜形狀及壁厚的部件,模具可選用多種材料;

3) 成型周期短,濕坯和干坯強度高,明顯優于傳統成型工藝所制的坯體,可進行機械加工;

4) 坯體有機物含量低;

5) 坯體和燒結體性能均勻性好;

6) 工藝過程易控制;

7) 工藝過程和操作較為簡便,設備簡易,成本低廉。

缺點:

1)成型與干燥過程中可能產生氣泡和裂紋等缺陷;

2)有機單體的毒性問題.

應用:

粗顆粒體系陶瓷、高級耐火材料、陶瓷復合材料、結構陶瓷、功能與生物陶瓷、多孔材料及粉末冶金等

 

九、直接凝固注模成型

直接凝固注模成型是是將膠體化學和陶瓷工藝融為一體的一種新型的陶瓷凈尺寸膠態成型方法,該技術主要是采用采用生物酶催化陶瓷漿料中相應的反應底物,發生化學反應,從而改變漿料PH值或壓縮雙電層,使漿料中固體顆粒間的排斥力消除,產生范德華吸引力,可是澆注到非孔模具內的高固相含量、低黏度的陶瓷漿料產生原味凝固,凝固后的陶瓷濕坯有足夠的強度進行脫模。

優點:

1)成型過程中不需要或只需要少量有機添加劑(少于1%),無毒性,所以坯體不需脫脂就可直接燒結;

2)坯體結構均勻,相對密度高(一般達55%~65%),可成型精度高、形狀復雜的陶瓷部件;

3)模具材料選擇范圍廣,模具成本低.

缺點:

1)成型所以陶瓷粉末范圍有局限性

2)陶瓷坯體強度比較低,不能進行素坯加工

應用:可應用于制備氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、多相復合陶瓷等

 

十、固體無模成型

陶瓷無模成型(solid freeformfabrication,SFF)的基本原理及過程是:直接利用計算機CAD設計結果,將復雜的三維立體構件經計算機軟件切片分割處理,形成計算機可執行象素單元文件;然后通過計算機輸出的外部設備,將要成型的陶瓷粉體快速形成實際的像素單元,一個一個單元疊加的結果即可直接成型出所需要的三維立體構件。

目前SFF技術已經發展成為以下6種:

1)激光選區燒結法;

2)層片疊加成型法;

3)熔化覆蓋成型法;

4)立體印刷成型法;

5)三維打印成型法;

6)噴墨打印成型法.

與傳統成型方法相比,固體快速無模成型技術具有以下優點:

1)成型過程中無需任何模具或模型參與,使過程更加集成化,制造周期縮短,效率得以提高;

2)成型體幾何形狀及尺寸可通過計算機軟件處理系統隨時改變,無需等待模具的設計制造,縮短新產品開發時間;

3)由于外部成型打印像素單元尺寸可小至微米級,因此可制備用于生命科學和小衛星的微型電子陶瓷器件;

4)與現代智能技術的結合,進一步提高陶瓷制備工業水平,使此領域與其他工業制造領域的進步相匹配.

缺點:

1)設備價格高,設備的分層及軟件封閉性強,還不存在通用的系統軟件;

2)成型材料的密度和成型性能還不太理想,部件質量和精度常常不能滿足需要;

3)材料技術有專利保護,一般成型材料都比較貴.

應用:機械制造、高分子材料、陶瓷等


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