陶瓷和耐火材料的生产工艺从总体上来看主要可分为三个阶段：制粉→成型→烧成。今天我们来探讨其中的粉末成型工艺，陶瓷制品的原料是松散的粉体材料，粉体成型的过程是通过外力将松散粉末原料或者其聚集体制成具有一定尺寸、和强度的坯体或制品。在先进陶瓷的成型工艺中，陶瓷粉末原料均需经过一定的加工处理，才能制成适合于特定成型方法的坯料。按照坯料的流动、流变特性，可将陶瓷成型方法分为压制成型法、可塑成型法、浆料成型法三大类。

压制成型法又称为模压成型（stamping process），是将粉料（含水量必须控制在4％-7％，甚至可达1％-4％）加入少量粘结剂进行造粒，然后将造粒后的粉料置于模具中（干压成型一般为钢模，冷等静压为橡皮膜）中，在压力机械上加压形成一定形状的坯体。

压制成型法的特点是粘结剂含量较低，不经过干燥就可以直接焙烧，坯体的收缩率小，该方法大大提高了坯体的致密程度，进而提高了制件的强度，而且压制成型的机械化水平较高。压制成型法中应用较为广泛的是干法压制和等静压成型两种，现分别对其原理、流程及特点进行介绍，并对比两种成型方法的优缺点。

一、干法压制

干法压制是基于较大的压力将粉状坯料在模型中压成的，其实质是在外力作用下颗粒在模具内相互靠近，并借助内摩擦力牢固地把各颗粒联系起来并保持一定形状的工艺。

图1 干法压制的示意图，左图为单向压制，最终得到的压制密度有梯度差；右图为双向压制，压制密度差小于单向压制

工艺流程包括喂料、加压成型、脱模、出坯、清理模具。

1、喂料：将粉料颗粒装填入模框内，为了保证坯体的规格和质量，喂料应该均匀并定量。

2、加压成型：利用模具之间的相对运动给疏松的粉料施加压力，使粉料压紧成致密的坯体。该工序是压制成型中的关键工艺，需要控制施加压力的大小、压制时间及压制方式等因素，任何条件的改变都有可能导致坯体质量发生变化。

3、脱模：将成型好的坯体从模具型腔内脱出。

4、出坯：将顶出的成型好的坯体移动至放坯台面上或输送带上。

5、清理模具：必要时还需要在模腔内壁喷油来润滑。

二、等静压成型

等静压成型方法又叫静水压成型，是利用液体介质不可压缩性和均匀传递压力性的一种成型方法。也就是说，处于高压容器中的试样受到的压力如同处于同一深度的静水中受到的压力情况，所以叫做静水压或静压，根据这种原理而得到的成型工艺则称为静水压成型或等静压成型。通常，陶瓷材料的等静压可分为湿袋法等静压和干袋法等静压。

图2 等静压成型方法

湿袋法等静压是将粉料先放入成型模具（即包套）内，经密封后再置于高压缸中进行压制。在压制过程中，包套完全浸入液体，与压力传递介质直接接触。湿袋法等静压适用性强，尤其适合用于实验研究和小批量生产，并可同时在一个高压缸内压制两种以上不同形状的制件及生产大型和形状复杂的制件，生产流程短且成本低廉。湿袋法等静压的模具及坯料的放置方式如图2所示。

干袋法等静压成型，是将粉料装入成型橡皮模后，一起放进加压橡皮模内，或将粉料从上面通过进料斗，送至加压橡皮模中，成型橡皮模是与液体介质不相接触的，因此称为干袋法。这种方法可以实现连续操作，把上盖打开，从料斗中装料，然后盖好上盖，加压成型。出坯时，把上盖打开，通过底部的顶棒把坯件从上面顶出来。干袋法自动程度高，操作周期短，适用于大批量生产，但因加压橡皮模不易经常更换，成型的产品尺寸和形状受到限制。

与干压成型法相比，等静压成型法最大的特点就是粉体材料是处于三向压应力状态下，因而成型件的性能和质量提升明显。

等静压成型的优势具体而言如下面几点所示：

1. 干压成型只有一到两个受压面，而等静压成型则是多轴施压，即多方向加压多面受压，这样有利于把粉料压实到相当的密度。同时，粉料颗粒的直线位移小，消耗在粉料颗粒运动时的摩擦功相对较小，提高了压制效率。

2. 与施压强度大致相同的其它压制成型相比，等静压成型可以得到较高的生坯密度，而且在各个方向上都均匀密实，不因为形状厚薄不同而有较大的变化。

3. 由于等静压成型的压强方向性差异不大，粉料颗粒间和颗粒与模型间的摩擦作用显著减少，所以在生坯中产生应力的现象是很少出现的。

4. 等静压成型的生坯强度高，生坯内部结构均匀，不存在颗粒取向排列。

5. 等静压成型采用粉料含水量很低（一般在1％-3％），也不必或很少使用粘合剂和润滑剂。这对于减少干燥收缩和烧成收缩是有利的。

三、应用情况举例

模压成型方法在工业生产中有广泛的应用，下文将对其典型的两个案例做简单介绍。

1、干压成型应用于手机陶瓷背板成型

智能手机“千机一面”使得手机同质化竞争日趋严重。在存量博弈阶段，销售压力为手机厂商带来了外观创新的动力。除了正面的屏幕面版之外，手机背板作为整台手机面积最大的部分，其材料、工艺与设计自然称为各方角逐的重要战场。手机陶瓷背板的领域，相比于传统的手机后盖，实属一个大大的材质创新。手机背板作为机身非主要功能部件，成本控制自然是严格的，在满足应用要求的情况下需要采用低成本方案，因此在手机背板成型中，所采用的压制成型方法，一般为干压成型，这是由于干压成型适合于低成本、大批量生产背板这一类形状简单的零件。

图4 小米MIX 2S翡翠艺术版由小米携手敦煌研究院联合研发，在最薄处仅0.45毫米的精密陶瓷后盖上，注入了传统色彩艺术的灵魂

上图展示的小米MIX 2S，其陶瓷后盖最低达到0.45毫米。其翡翠色显得精美高贵，是通过在纳米氧化锆陶瓷原料中注入陶瓷色料，不断试色、调整色料比例制作而成，每一次尝试均通过模压成型、高温烧结以及CNC加工，因而经历了漫长的试色周期。

图3 陶瓷手机盖板的成型工艺流程

（图片来源：精细陶瓷在智能手机上的应用及其制备工艺）

如上是陶瓷手机背板的工艺过程，完整、简明的展示了从初始的粉体材料，经过注射成型、流延成型或模压成型方法成型后，再经烧结、数控加工、研磨抛光、激光雕刻等工艺，得到精致的手机盖板。

2、等静压成型法用于高端轴承球

但在高端陶瓷轴承球的生产中，由于要求力学性能好、精密度高、各向异性小，因此一般采用等静压成型法（当然也有干压成型+冷等静压复合的工艺方法，后面有介绍）。

陶瓷轴承球的研制与生产，一直是国内外研究的热点问题。可用于制备轴承的陶瓷材料有很多，例如氮化硅，氧化锆，氧化铝等，其中采用氮化硅制成的陶瓷球，尤为引人注目。其重量只有同体积钢球的42％，但弹性模量是轴承钢的1.5倍，因而大大降低了启动惯性和滚动摩擦力矩；且其运转精度对温度不敏感，线膨胀系数只有钢球的29％；此外其还具有使用寿命长，绝缘性好等其它优点。

图5 五种主要的轴承球材料性能对比

（图片来源：陶瓷轴承球的应用和生产加工）

2012年6月，日本株式会社东芝向欧洲专利局提交了名为“氮化硅耐磨部件及其制造方法”的发明专利。该专利采用金属氮化法生产的氮化硅粉末，利用等静压方法，在压力大于等于120MP下，600-800℃的非氧化氛围内成型。随后在常压或高压下，在惰性气体氛围1600-1800℃烧结0.5-10h，实现致密化。所得制品氧含量低于4.5wt％，孔隙率小于1％，最大孔径小于0.4um。常压下三点弯曲强度800-1000MPa，破碎强度150-200MPa。

2014年7月，上海步进精密陶瓷提出一项名为“超低气孔率氮化硅陶瓷轴承球及其制造方法”的发明专利。专利采用原材料为75％-85％的氮化硅粉体、10％-15％的氧化铝粉体、助烧剂5％-10％。通过混合、球磨、干燥、预压制、冷等静压、排胶、烧结、研磨的工艺步骤，制得具有超低气孔率的氮化硅陶瓷轴承球。

图6 采用预压+冷等静压结合的工艺，以获得超低气孔率的陶瓷轴承球

（图片来源：Si₃N₄陶瓷球制备技术）

2017年9月，中国建材集团所属中材高新材料股份有限公司自主研发转化、具有完全知识产权的“年产100吨高性能氮化硅陶瓷生产线”在山东淄博开工奠基。该产线生产的高性能氮化硅陶瓷，将主要用于氮化硅陶瓷轴承球、电动汽车氮化硅基片等产品。

据了解，中材高新近些年经过不断研发攻关，在国内首次实现等静压技术制备高端氮化硅材料的工业化生产，其通过热等静压技术生产的陶瓷轴承球达到国际I级水平，顺利通过以瑞典SKF、日本AKS为代表的国外知名企业的认证。

图7 中材高新生产的氮化硅陶瓷球

小结

压制成型方法又称为模压成型，其中，干压成型和等静压成型应用最为广泛。等静压成型与干压成型相比，最大的特点是陶瓷粉体处于较强的三向压应力状态小，因而获得坯体更为致密，各向异性小，力学性能好。在陶瓷手机背板和高端陶瓷轴承球的生产中，两种压制成型方法均各有用武之地。

参考文献

1、先进陶瓷成型及加工技术，机械工业大学，朱海，杨慧敏，朱柏林。

2、精细陶瓷在智能手机上的应用及其制备工艺，汕头大学，蓝海凤，黄永俊，李少杰，张伟，王双喜。

3、陶瓷轴承球的应用和生产加工，中材高新氮化物有限公司，徐学敏。

4、Si₃N₄陶瓷球制备技术，唐明国，杨忠波，杨勇飞。

By：火宣