陶瓷及其加工技术讲稿(二)

第五节陶瓷的成型工艺,陶瓷的生产过程一、可塑成型二、浇注成型三、压制成型四、热压注成型五、其他成型方法,陶瓷的生产过程将配制好的符合要求的坯料用不同的成型方法，制造出具有一定形状的坯体，坯体经干燥、施釉、烧结等工序，最后得到陶瓷制品。,配料,坯料制备,成型,烧结,后续加工,（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。称料务必精确，因为配料中某些组分加入量的微小误差也会影响到陶瓷材料的结构和性能。,（2）坯料制备配料后应根据不同的成形方法，混合制备成不同形式的坯料。如用于注浆成形的水悬浮液；用于热压注成形的热塑性料浆；用于挤压、注射、轧膜和流延成形的含有机塑化剂的塑性料；用于干压或等静压成形的造粒粉料。混合一般采用球磨或搅拌等机械混合法。,（3）成型是将坯料制成具有一定形状和规格的坯体。成形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，因此采用的成形方法各种各样，应经综合分析后确定。,（4）烧结是对成形坯体进行低于熔点的高温加热，使其粉体间产生颗粒粘结，经过物质迁移导致致密化和高强度的过程。只有经过烧结，成形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。,（5）后续加工陶瓷经成形、烧结后，还可根据需要进行后续精密加工，使之符合表面粗糙度、形状、尺寸等精度要求，如磨削加工、研磨与抛光、超声波加工、激光加工甚至切削加工等。切削加工是采用金刚石刀具在超高精度机床上进行的，目前在陶瓷加工中仅有少量应用。,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。,一、可塑成型,其中，石膏模型和坯料旋转,旋压,滚压,二、浇注成型浇注成型：陶瓷原料粉体悬浮于水中制成料浆，然后注入模型内成型，坯体的形成主要有注浆成型（由模型吸水成坯）、凝胶注模成型（由凝胶原位固化）等方式。,1.注浆成型注浆成型是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。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，铸造生产中的压力铸造、真空铸造、离心铸造等工艺方法也被用于注浆成形，并形成了压力注浆、真空注浆与离心注浆等强化注浆方法。,（1）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。,空心注浆法示意图,（2）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。,（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：注浆成型适于制造大型厚胎、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。,2.凝胶注模成型首先将陶瓷细粉加入含分散剂、有机高分子化学单体（如丙烯酰胺与双甲基丙烯酰胺）的水溶液中，调制成低粘度、高固相（陶瓷原料粉的体积分数通常达50%以上）含量的浓悬浮料浆;再将聚合固化引发剂（如过硫酸铵）加入料浆混合均匀，在料浆固化前将其注入无吸水性的模型内;在所加引发剂的作用下，料浆中的有机单体交联聚合成三维网状结构，使浓悬浮料浆在模型内原位固化成形。,三、压制成型压制成型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。压制方法主要有干压成形、等静压成形和热压烧结成形等。,1干压成形将造粒制备的团粒(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。,干压成形的密度梯度a)单向加压b)双向加压,单向加压时，压力的不均匀分布更明显，而且坯体高度与直径之比愈大，压力分布愈不均匀。双向加压方式是上下压头（柱塞）从两个方向向模套内加压，压力分布的不均匀程度减轻，故压坯密度相对较均匀。,为保证坯体质量，干压成形时需根据坯体形状、大小、壁厚及粉料流动性、含水量等情况，控制好成形压力（一般为40100MPa）、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0.360mm、直径550mm）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：干压成形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。,2.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形的一种新型压制成形方法。等静压成型分成两类：冷等静压成形与热等静压成形,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。,3.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，使成形与烧结同时完成。,3.热压烧结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。,四、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。,热压注成形的腊坯在烧结之前，要先埋入疏松、惰性的吸附剂（一般采用煅烧Al2O3粉料）中加热（一般为9001100）进行排蜡处理，以获得具有一定强度的不含蜡的坯体。,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。,五、其他成型方法1.挤压成形挤压成型是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。,挤压成形模具组合图,优点：挤压成型适于挤制长尺寸细棒、壁薄管、薄片制品，其管棒直径约130mm，管壁与薄片厚度可小至0.2mm；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.注射成型注射成型是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130300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：注射成形适于形状复杂、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。,流延成型,3.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。,4.轧膜成型是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。,第六节陶瓷的表面处理与装饰,一、陶瓷制品的表面加工二、表面层改性处理三、表面金属化处理四、陶瓷的表面施釉处理,一、陶瓷制品的表面加工,目的：使其表面平滑、光亮、美观，或表面粗糙化和加工成某一需要的外观造型。方法：机械加工研磨抛光其他超精密加工：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,软质微粉机械化抛光法、漂浮抛光法、水合作用机械抛光法,二、表面改性处理急冷（淬火）陶瓷体高温保温烧结后，将坯体从高温急速降温的热处理工艺。保留高温组成，避免缓冷发生分凝、析晶和相变；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。促使坯体在冷却中晶体长大、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，使相平衡过程进行充分。,三、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极；形成金属引出端，如集成电路管壳的引出线；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。常用表面金属化方法：烧渗法、化学镀法、真空蒸发等金属膜形成法常用金属有Au（金）、Ag（银）、Pt（铂）、Mo（钼）、Mn（锰）、Ni（镍）、Cu（铜）、Al（铝）等,四、陶瓷的表面施釉处理,在陶瓷的表面烧结一层连续玻璃态物质的工艺方法。通常釉层很薄，零点几毫米。施釉后：表面清洁美观、不吸水、不易被沾污，并起到装饰和保护瓷件的作用。施釉方法：浸、喷、滚、浇、涂刷等。,釉及其分类,釉是指附着于陶瓷坯体表面的连续玻璃质层。它具有与玻璃相似的某些物理与化学性质，但二者并不完全相同。釉在溶化时必须很粘稠而不流动，才能保证在烧成时保持它原有的表面而不会流走，且能在直立的表面上不致下坠。某些艺术釉例外，如流动釉等，它们在烧成时反倒应该具有较大流动性。陶瓷施釉的目的在于改善坯体的表面性能，提高力学强度。,陶瓷的釉料应有下列性质：（1）釉料必须在坯体烧结温度下成熟；（2）釉料的组成要选择适当；（3）釉料