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陶瓷粉体成型方法之“可塑成型”
2019年05月05日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:325
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陶瓷成型方法主要有压制成型,可塑成型及浆料成型三大类。上一篇小编为大家介绍了陶瓷粉体的压制成型,本篇小编将与大家继续聊一聊可塑成型。可塑成型(plastic forming)是利用模具运动产生的压力、剪切力及挤压等外力对具有可塑性的坯料进行加工,迫使坯料在外力的作用发生塑性变形进而制成坯体的成型方法。在实际工业生产中,可塑成型工艺适合生产管、棒和薄片状的制品,所用的结合剂较少,但是其所用坯料的含水量较高,干燥热耗比较大(需要蒸发大量水分),因此,气泡、变形开裂等缺陷较多。不过,可塑成型法的坯料制备简单、所用模具强度要求不高、加工时候的作用力不大、原理与操作容易掌握,因此仍有广泛的应用。

下文将对先进陶瓷可塑成型法中广泛应用的挤压成型轧膜成型两种成型方法及应用做一个简单的介绍梳理。

1 挤出成型示意图,图为氧化铝中加入造孔剂,挤出多孔氧化铝的示意图

(图片来源:Preparation and properties of porous alumina ceramics with uni-directionally oriented pores by extrusion method using a plastic substance as a pore former)

一、挤压成型法

挤压成型(也可叫挤出成型,“压”可以体现粉体的三向压应力状态;“出”可以体现粉体从挤压嘴被挤出的运动形式,叫法不同而已)是将真空炼制的泥料放入挤制机内,在外力的作用下通过挤压嘴(也叫压模嘴)挤成一定形状的坯体。在挤压成型方法中,挤压嘴就是成型模具,通过更换挤压嘴可以挤出不同形状的坯体,也有将挤压嘴直接安装在真空练泥机,称为真空练泥挤压机。

 

 

2 湘潭炜达机电有限公司生产的TCJ310蜂窝陶瓷挤出机,可以看出挤出的成型件是柱状的,设备也常为卧式。此外,下图最早挤出的端部有不平整的现象,这是因为挤出成型刚开始的时候,出口处的粉体材料迅速离开模具,未受到模具均匀的挤压,只有在材料充分流动后,材料才进入稳态流动阶段,这时候挤出的成品更为平整,最早挤出的部分可以进行切除。(图片来源:炜达机电)

从粉体的受力特点来看,大部分颗粒处于较强的三向压应力状态下,因而能够充分发挥陶瓷粉体的塑性。但是由于陶瓷粉体与挤压嘴接触部分摩擦力的存在,使得坯料中部的粉体流速大于坯料表面,这样会存在一个速度梯度,导致变形的不均匀性。可是材料本身是一个整体,变形的不均匀最终导致附加拉应力的产生。这个附加拉应力会使得挤出成型的坯料易于发生分层和开裂的现象。

实际生产中,挤出成型适合于成型管状和截面一致的制件,挤出的制件长度方向上几乎不受限制,并且可以通过更换挤压嘴来控制挤出的形状。由于挤出成型依靠粉体的塑性流动,因此希望粉体的颗粒度要细,形状最好为球形。片状颗粒在挤压力的作用下会发生定向排列使得成型坯体呈现各向异性,对制件的性能是不利的

二、轧膜成型法

轧膜成型(dough rolling)是将准备好的陶瓷粉末拌以定量的有机粘结剂和溶剂,通过粗轧和精轧成膜后,再进行冲片成型。工艺过程主要包括粗轧和精轧两部分。

 

粗扎:将预烧过的粉体(注:预烧环节是为了使粉末颗粒在加热时产生气体的分解和体积变化过程提前完成,在后续的脱胶和烧结过程中不再发生,同时使颗粒的比表面积尽可能减小来减少塑化成型剂的用量)磨细过筛,并拌以一定量的有机黏结剂、增塑剂和溶剂,置于两辊之间进行混炼,使粉料、黏结剂或溶剂等成分充分混合均匀。再将其进行热风干燥,使溶剂逐步挥发,形成一层厚膜。

精轧:精轧是逐步调小两轧辊之间缝隙间距并进行多次折叠,90°转向反复轧炼以达到良好的均匀度、致密度、粗糙度和厚度。轧好的坯片要放在一定的环境中储存,防止其干燥脆化,以便进行下一步的冲切工艺。

3 轧膜成型示意图

从受力特点来看,轧膜成型的时候,坯料主要是在厚度方向和沿轧膜方向受到压力,而在沿轧辊的宽度方向受到的变形压力很小,这必然会使粉末颗粒的排列呈现一定的方向性,成型的带坯在宽度方向的致密度偏低,这将导致坯体经过干燥、烧成工序之后在宽度方向收缩较大,当收缩严重时甚至沿纵向发生开裂现象。因此,在实际生产中,在每次精轧前,会将坯片转向90°来弥补在厚度方向受到轧压不足的缺点,减小各方向密度差异。但是最后以此精轧所留下的宽度方向轧压不足的结果仍然存在。

轧膜成型适合于厚度1mm以下的薄片状产品,但对厚度在0.08mm以下的、表面光滑的超薄片,还是必须使用流延成型法。

三、应用

1、挤出成型应用

蜂窝陶瓷是在现代工业各领域中应用非常广泛的一类材料。利用蜂窝陶瓷的大表面积、优良抗菌性能、耐腐蚀、耐磨损特点,可作为熔融金属的过滤、油类的分离过滤、水的净化以及焦炉煤气、甲烷等气体的分离;利用蜂窝陶瓷结构紧凑的传热面、较好的流通性以及不易积灰堵塞的特点,可用作蓄热体材料;此外,还可作为催化剂载体、保温隔热材料等。

4 蜂窝陶瓷适合采用挤压成型法

蜂窝陶瓷的生产常采用挤压成型法来实现,其配套的设备生产也非常成熟。图5为日本宫崎铁工生产的两种挤出成型设备。

5 日本宫崎铁工生产的挤出成型机

山西晋城市富基新材料股份有限公司控股的蓝天科技有限公司,是一家以生产蜂窝陶瓷载体为主要产品的公司组建于2014年,于2016年9月生产线初步落成,其蜂窝陶瓷载体的生产过程为:筛料-配料-混料-捏合-过网练泥-陈腐-活化练泥-真空成段-成形-微波干燥-切割-窖炉烧结-出炉检验。其在实际生产中遇到了产品开裂率高、热震性能和吸水率不合格等问题,公司初期烧结后产品开裂率达到70%。经过分析发现,这是由于挤出的蜂窝陶瓷强度较低,在烧结环节由于毛坯表面与内部的温度差过大,造成了内外收缩不一致的情况。其后通过一系列窖炉烧结制度的变化,减小了蜂窝陶瓷内外温度差,将制品的开裂率降到了35%。从如上案例中我们也能发现,挤出成型虽然设备要求不高,成本较低,但是挤出来的物料存在强度低、可能产生开裂的问题,在后续的烧结过程中,材料不均匀收缩往往会诱发进一步的分层或开裂现象。

事实上,国内外汽车用蜂窝陶瓷载体的工艺流程大体相同,区别在于生产设备的先进,国外在生产过程中,采用的卧式成形机的挤压力大,所用的泥料水分在18%左右,成形时可以轻松挤出,而国内一些卧式设备并不能挤出这样的泥料。但是,若增加水分含量,设备能够胜任,但又会遇到成形件强度不够的问题。这也可以说是一个亟待解决的问题吧。

2、轧膜成型应用

在可塑成型中,挤出成型适合于生产管状、柱状及多孔柱状体,轧膜成型适合生产集成电路基片、电容器及电阻等各种片式功能陶瓷元器件。

2017年2月,广东东方锆业科技有限公司公开了一项名为“一种轧膜成型制造氧化锆陶瓷制品的方法”。该专利致力于解决轧膜成型制造氧化锆制品过程中存在的黏结剂无法将氧化锆有效包裹以及轧膜成型的各向异性问题。其具体方法是利用聚乙烯醇加热搅拌,完全溶解后加入甘油,冷却后得到黏结剂,在练泥过程中,添加了分散剂。这样做的好处是黏结剂能够很好将氧化锆粉体包裹,使轧膜机运行时,减少轧膜的磨损,并减少了摩擦轧辊而产生的杂质进入生坯片中,提高了产品合格率;此外,在粗轧时,各次轧膜调换轧膜方向,且对膜带进行冷等静压处理,克服了传统轧膜工艺中膜带各向异性导致的生坯片在烧结时各方向收缩不一致的问题。(变更轧膜方向的方法克服各向异性的方法其实早有应用,增加一道冷等静压工序,实质是用三向静水压力的方法消除成型件的各向异性,并使成型件更为致密,提高强度)

总体而言,轧膜成型方法能够胜任厚度为1mm以下的薄片状产品,但是厚度在0.08mm以下时,很难得到合格的产品,这时候应该采用流延成型法。不过轧膜成型相比流延成型,仍有独特优势。

研究人员分别通过轧膜和流延成型方法制备了尺寸为38.1 mm×38.1 mm×0.15 mm,介电常数为25000左右的单层微波电容用陶瓷介质基片,并对其差异进行研究。流延工艺制得的样品表面晶粒总体大小均匀一致,并没有出现特别小的晶粒,但流延后的表面不致密,存在一定数量的孔洞和缝隙。与此形成对比的是轧膜工艺制得的样品表面,虽然晶粒大小不均,参差不齐,但是表面晶粒排布的平整致密,一些大晶粒堆积后出现的孔洞缝隙都由部分小晶粒来填充,所以表面看上去基本没有出现孔洞的情况,比流延工艺制得的样品表面要致密平整。因此,轧膜相比流延,由于坯料处于轧辊的压力下,因而获得的产品更为致密平整

6 两种成型方法制得的单层微波电容用陶瓷介质基片SEM图

(图片来源:成型工艺对高介薄型单层陶瓷电容器电阻性能影响)

小结

本文介绍了陶瓷粉体可塑成型法中,应用最为广泛的挤压成型法和轧膜成型法。由于陶瓷粉体本身的塑性差,因此在最终成型之前,将瘠性粉末颗粒与塑化成型剂混合制备具有良好塑性的原材料成为可塑成型法的关键工序。可塑成型法工艺简单,对设备要求不高,但缺点是坯料含水量较高,干燥热耗比较大,制件强度低,可能出现开裂、表面凹坑、气泡等问题。挤出成型适合生产诸如蜂窝陶瓷类型的柱状、棒状产品,而轧膜在薄片状产品的生产中具有独特优势,相对于流延成型,由于轧辊力的作用,因而获得的产品更为致密平整。

参考文献

1、Preparation and properties of porous alumina ceramics with uni-directionally oriented pores by extrusion method using a plastic substance as a pore former, Toshihiro Isobe, Yoshikazu Kameshima, Akira Nakajima, Kiyoshi Okade.

2、先进陶瓷成型及加工技术,化学工业出版社,朱海,杨慧敏,朱柏林。

3、成型工艺对高介薄型单层陶瓷电容器电阻性能影响,电子科技大学,黎俊宇,钟朝位,张旭。

4、一种轧膜成型制造氧化锆陶瓷制品的方法,广东东方锆业科技有限公司。

By:火宣


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