《陶瓷及其加工技术》PPT课件.ppt

第四章陶瓷及其加工技术 陶瓷 火与土凝结的艺术 一 陶瓷的定义二 陶瓷的分类三 陶瓷的性质四 陶瓷制品五 陶瓷的制造六 陶瓷的表面装饰技术 主要内容 一 陶瓷的定义 陶瓷 这一名词源自古代希腊的 烧物 它意味着陶器是经焙烧而赋予其强度的材料 一般将那些以粘土 石英和长石为主要原料 再加入其他天然矿物原料 经过拣选 粉碎 混炼 成型 锻烧等工序制作的产品 统称为传统陶瓷 随着科学技术的发展 许多新型陶瓷的成分远超出硅酸盐的范畴 目前扩展到 凡是经高温热处理工艺合成的无机非金属固体材料 均通称为陶瓷 二 陶瓷的分类 按照材料的性能和用途 普通陶瓷 传统陶瓷 日用 建筑 绝缘 化工等最为常见的陶瓷材料和制品特种陶瓷 现代陶瓷 压电陶瓷 磁性陶瓷 电容器陶瓷 高温陶瓷等 工程上最重要的是高温陶瓷 包括氧化物陶瓷 硼化物陶瓷 氮化物陶瓷和碳化物陶瓷 普通陶瓷 特种陶瓷 按制品的特征和坯体结构致密度不同 可分为 陶器 瓷器 炻器 传统陶瓷与现代陶瓷的对比 新型陶瓷优点 高强度 耐高温 耐腐蚀或各种敏感特性 原料易于制备 产品附加值高 应用广 陶与瓷 钠长石质瓷 精陶 三 陶瓷的性质 用途不同 其性能的突出要求不一样 例如 日用陶瓷强调白度与强度 电瓷要求提高绝缘性 机电工程结构材料用陶瓷 强调综合性能 功能陶瓷在电 磁 光 声 热 力等方面应有特殊功能 化工陶瓷应有高耐腐蚀性 耐腐蚀 机械强度 抗冲击强度和耐温度骤变 1 光学性能优良 白度对白光的反射能力 透光度允许可见光透过的程度 光泽度对可见光的反射能力 决定于瓷器表面的光洁度 2 力学性质 1 高硬度 耐磨性好 用作刀具材料 2 高脆性 抗冲击强度低 使应用受到局限 3 抗拉强度低 抗压强度较高 新型工业陶瓷有所改善 3 独特的物理化学性能 耐高温 是电和热的不良导体 能承受外界温度急剧变化而不损坏 耐酸能力良好 能耐有机酸和无机酸及盐的侵蚀 但是抵抗碱的侵能力较弱 4 气孔率与吸水率 四 陶瓷制品 1 日用陶瓷日常生活中使用的陶瓷器皿 可分为精陶 细瓷 炻器 精陶 施釉的白坯或呈象牙色具有多孔性的浅色坯的陶器 细瓷 瓷器中质量比较高 器型端正 胎质细腻 釉面光润 并具有半透明性的一类瓷器 炻器 介于陶器与瓷器之间的制品 一般具有良好的光泽度 透明度 热稳定性和机械强度 2 普通工业用瓷工业陶瓷按用途可分 建筑陶瓷 包括卫生瓷 墙面砖 地砖 马赛克 陶管 琉璃等 要求强度和热稳定性好 电瓷 主要指电器绝缘用瓷 要求绝缘性好 机械性能高 稳定性好 化工陶瓷 用于化工制药 食品等工业及实验室中的管道设备 耐蚀容器及实验器皿等 要求耐腐蚀能力强 电子陶瓷 在电子工业中能够利用其电 磁性质作元件和器件使用的陶瓷制品 3 特种陶瓷在工业上主要是高温陶瓷 应用广 且很重要 高温陶瓷主要包括扩 1 氧化物陶瓷 2 硼化物陶瓷 3 氮化物陶瓷 4 碳化物陶瓷 4 陶瓷在设计中的应用 餐具 卫生陶瓷 氧化物陶瓷 陶瓷的生产过程 主要工序原料配制坯体成型窑炉烧结 坯体成型方法可塑法成型注浆法成型压制成型 五 陶瓷的制造 配料 坯料制备 成型 烧结 后续加工 成型基础 一 坯料的成型性能 坯料对坯体成型工艺的适应性称坯料的成型性能 二 调整坯料成型性能的添加剂 1 解凝胶 又称解胶剂 稀释剂 主要用于注浆成型 目的 改善泥浆的流动性 2 结合剂用于可塑成型 目的 提高可塑泥团的塑性 增强生坯的强度 3 润滑剂用于压制成型 目的 提高粉料的湿润性 减少粉料颗粒之间及粉料与模具之间的摩擦 以增大压制坯体的密度 成型基础 可塑成型 这是一种最古老也最广泛使用的成型方法将配料加水或塑化剂制成塑性泥料 后用手工或机加工方法成型 在外力作用下 使坯料产生塑性变形 从而制成生坯 按其操作方法不同 可塑成型可分为雕塑 印坯 拉坯 旋压和滚压等种类 目前使用最广泛的是旋压和滚压两种 陶瓷成型方法 1 可塑成型 旋压 滚压 可塑成型 陶瓷成型方法 其中 石膏模型和坯料旋转 陶瓷成型方法 2 注浆成型将陶瓷悬浮料浆注入多孔质模型内 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 其工艺过程包括悬浮料浆制备 模型制备 料浆浇注 脱模取件 干燥等阶段 注浆成型 注浆方法有实心注浆和空心注浆两种基本方法 另外 为了强化注浆过程 产生了一些新的注浆工艺 如压力注浆 真空注浆 离心注浆 成组注浆 热浆注浆等强化注浆方法 陶瓷成型方法 注浆成型 1 实心注浆料浆注入模型后 料浆中的水分同时被模型的两个工作面吸收 注件在两模之间形成 没有多余料浆排出 陶瓷成型方法 注浆成型 2 空心注浆料浆注入模型后 由模型单面吸浆 当注件达到要求的厚度时 排出多余料浆而形成空心注件 坯体外形由模型工作面决定 坯体的厚度则取决于料浆在模型中的停留时间 陶瓷成型方法 3 强化注浆在注浆过程中 人为地对料浆施加外力 以加速注浆过程进行 提高吸浆速度 使坯体致密度与强度得到提高 强化注浆法有真空注浆 离心注浆和压力注浆等 适用范围 适于制造大型厚胎 薄壁 形状复杂不规则的制品 优点 成型工艺简单 缺点 劳动强度大 不易实现自动化 且坯体烧结后的密度较小 强度较差 收缩 变形较大 所得制品的外观尺寸精度较低 因此性能要求较高的陶瓷一般不采用此法生产 注浆成型 新型陶瓷成型方法 3 压制成型压制成型是新出现的一种成型方法 是将经过造粒的粒状陶瓷粉料 装入模具内直接受压力而成型的方法 压制成型 压制方法主要有干压成型 等静压成型和热压烧结成型等 1 干压成型将造粒制备的团粒 水的质量分数 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 新型陶瓷成型方法 压制成型 干压成形的密度梯度a 单向加压b 双向加压 根据坯体形状 大小 壁厚及粉料流动性 含水量等情况 控制好成型压力 一般为40 100MPa 加压速度与保压时间等工艺参数 优点 操作方便 生产周期短 效率高 易于实现自动化生产 适宜大批量生产形状简单 圆截面形 薄片状等 尺寸较小 高度为0 3 60mm 直径5 50mm 的制品 由于坯体含水或其它有机物较少 因此坯体致密度较高 尺寸较精确 烧结收缩小 瓷件力学强度高 缺点 坯体具有明显的各向异性 也不适于尺寸大 形状复杂制品的生产 所需的设备 模具费用较高 新型陶瓷成型方法 压制成型 新型陶瓷成型方法 2 等静压成型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 特点 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 但等静压成形设备成本高 分类 冷等静压成型与热等静压成型两种 压制成型 新型陶瓷成型方法 1 冷等静压成型在室温下 采用高压液体传递压力成型 根据使用模具不同又分为湿式等静压成型和干式等静压成型 冷等静压成形a 湿式b 干式 模具两头并不施压 适宜成型长型 薄壁 管状制品 效率不高 成型多品种 形状复杂 产量小和大型制品 压制成型 2 热等静压成型型在高温下 采用惰性气体代替液体作压力传递介质的等静压成型 是在冷等静压成型与热压烧结的工艺基础上发展起来的 又称热等静压烧结 它用金属箔代替橡胶膜 用惰性气体向密封容器内的粉末同时施加各向均匀的高压高温 使成型与烧结同时完成 特点 与热压烧结相比 该法烧结制品致密均匀 但所用设备复杂 生产效率低 成本高 新型陶瓷成型方法 压制成型 新型陶瓷成型方法 3 热压烧结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 由于加热加压同时进行 陶瓷粉料处于热塑性状态 有利于粉末颗粒的接触 流动等过程的进行 因而可减小成形压力 降低烧结温度 缩短烧结时间 容易得到晶粒细小 致密度高 性能良好的制品 制品形状简单 且生产效率低 压制成型 新型陶瓷成型方法 4 热压注成型利用蜡类材料热熔冷固的特点 将配料混合后的陶瓷细粉与熔化的蜡料粘合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 再行脱模取件 蜡浆的制备是热压注成型工艺中最重要的一环 其制备过程下 热压注成型 陶瓷细粉 石蜡 表面活性物质 预热 融化 搅拌 除气 进热压注机 浇成蜡饼存放 原料 拌蜡前的陶瓷细粉应充分干燥并加热至60 80 石蜡作为增塑剂 具有良好的热流动性 润滑性和冷凝性 其加入量通常为陶瓷粉料用量的12 16 加入表面活性物质 如油酸 硬脂酸 蜂腊等 的目的是使陶瓷细粉与石蜡更好结合 减少石蜡用量 改善蜡浆成形性能与提高腊坯强度 工艺 蜡浆温度一般为65 75 模具温度为15 25 注浆压力为0 3 0 5MPa 压力持续时间通常为0 1 0 2s 腊坯在烧结之前 要先埋入疏松 惰性的吸附剂 煅烧Al2O3粉料 中加热 900 1100 进行排蜡处理 以获得具有一定强度的不含蜡的坯体 新型陶瓷成型方法 热压注成型 优点 批量生产外形复杂 表面质量好 尺寸精度高的中小型制品 设备较简单 操作方便 模具磨损小 生产效率高 缺点 但坯体密度较低 烧结收缩较大 易变形 不宜制造壁薄 大而长的制品 且工序较繁 耗能大 生产周期长 新型陶瓷成型方法 热压注成型 5 其它成型方法 1 挤压成型将经真空炼制的可塑泥料置于挤制机 挤坯机 内 通过挤制机模具的机嘴与机芯 便可由其形成的挤出口挤压出各种形状 尺寸的坯体 新型陶瓷成型方法 挤压成形模具组合图 优点 适于挤制长尺寸细棒 壁薄管 薄片制品 可连续批量生产 生产效率高 坯体表面光滑 规整度好 缺点 模具制作成本高 且由于溶剂和粘结剂较多 导致烧结收缩大 制品性能受影响 2 注射成型将陶瓷粉和有机粘结剂混合后 加热混练并制成粒状粉料 经注射成型机 在130 300 温度下注射到金属模腔内 冷却后粘结剂固化成型 脱模取出坯体 优点 适于形状复杂 壁薄 0 6mm 带侧孔制品 如汽轮机陶瓷叶片等 的大批量生产 坯体密度均匀 烧结体精度高 且工艺简单 成本低 缺点 生产周期长 金属模具设计困难 费用昂贵 新型陶瓷成型方法 3 流延 轧膜成型流延 轧膜成形方法用于陶瓷薄膜坯的成型 1 流延成型将陶瓷粉料与粘合剂 增塑剂 分散剂 溶剂等进行混磨 形成稳定 流动性良好的陶瓷料浆 流延成形是目前制造厚度小于0 2mm超薄型制品的主要方法 如薄膜电子电路配线基片 叠层电容器瓷片 集成电路组件叠层薄片 压敏电阻 磁记忆片等 新型陶瓷成型方法 2 轧膜成型将陶瓷粉料与一定量的有机粘结剂和溶剂混合拌匀后 轧膜成型 用于制造批量较大的厚度在1mm以下的薄片状制品 如薄膜 厚膜电路基片 圆片电容器等 新型陶瓷成型方法 六 陶瓷的表面装饰技术 1 陶瓷制品的表面加工2 表面层改性处理3 表面金属化处理4 表面施釉处理 1 陶瓷制品的表面加工 目的 美化制品外观 调整其色彩光洁度 改变其表面性质如亮度 硬度 绝缘 导电 方法 机械加工车 铣 刨 研磨 抛光等加工 分为一般加工 精密加工和超精加工 除此还有电火花 离子束加工 其他超精加工 弹性发射加工 金刚石刀具精密车床切削法 软质微粉机械化抛光法 漂浮抛光法 水合作用机械抛光法 电火花加工 离子束加工等 2 表面改性处理 急冷 淬火 坯体高温保温烧结后 急速降温的热处理工艺 保留高温组织满足某些性能要求 产生表面压应力 提高制品的抗张强度 缓冷 退火 坯体高温烧结后 在炉中缓慢冷却或在某温度下长时间保温 在冷却中晶体长大 分凝和相变 以满足某些性能要求 消除坯体表面和内部应力 3 表面金属化处理 作用 形成金属导电层 如制作瓷介电容器电