粉体成型工艺模板.doc
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1、第六章 粉体成型工艺无机非金属材料生产工艺总体上讲能够分为三个阶段:即制粉、成型和焙烧。只是依据材料品种不一样能够有不一样排列次序。陶瓷和耐火材料生产工艺通常为:制粉成型烧成。陶瓷成型在工艺上含有特殊关键地位。因陶瓷坯体是一个粉末集合体,它只有在烧成以后才能得到所期望性能。为了得到所期望结构和性能,一个理想粉末原料和均匀混合是前提条件。能够说,粉末制备己对最终产品起作用,只有理想粉体和正确成型才能确保产品质量。粉体成型是经过外力,把粉末或其聚集体制作成含有一定尺寸、形状和强度坯体或制品。通常又和最好均匀化,致密化等联络在一起。粉体成型方法众多,产品形状、尺寸和用途和技术经济指标决定了成型方法选
2、择。耐火粉料借助于外力和模型,成为含有一定尺寸、形状和强度坯体或制品过程叫成型。压制和成型是耐火材料生产工艺过程中关键步骤。耐火材料成型方法很多,包含特殊耐火材料在内有数十种之多。按坯体含水量多少,成型方法可分为以下三种:半干法坯料水份5%左右;可塑法坯料水份15%左右;注浆法坯料水份40%左右。对于通常耐火制品,大多采取半干法成型。至于采取什么成型方法,关键取决于坯料性质、制品形状、尺寸和工艺要求。可塑法有时用来制造大异形制品;注浆法关键用来生产中空薄壁高级耐火制品及特种耐火制品,如氧化物,熔融莫来石、石英陶瓷制品、含锆莫来石制品、纯镁质制品等。除上述方法外,还有振动成型,5001500热压
3、成型,等静压成型等等。第一节 压制成型 压制成型是陶瓷中关键成型方法之一,是通常耐火制品最关键成型方法。这时,压力连续地或数次地经过压头传输到在模型中粉末体上。在高压下粉末体致密化而形成含有一定形状、尺寸和强度坯体。而在等静压成型中,液体压力经过柔性模传输到粉体上。等静压成型只是一个特殊压制成型。压制成型中,经过泥料(粉末团聚体)内摩擦,和模壁摩擦及质点和桥接弹性变形,塑性变形,和颗粒再破碎等等消耗能量(功)。成型坯体致密度和消耗能量关键受泥料性质和机械压力时间过程影响。 压制成型通常可分为干法、半干法和湿法压制。现在尚无统一分类标准。在粉体(团聚体)方法技术中通常采取下列标准:1、干法压制:
4、泥料含05%水(包含润滑界质和其它液态加入物);2、半干法压制:泥料含水58%;3、湿法压制:泥料含水818%。在英、美标准解释中,则只将压制区分为干法和湿法压制两类。也有些人认为,对于不一样性质泥料,划分干法和湿法压制含水量应是不一样。视泥料种类不一样,对应于某一压力,能达成坯体最大致密化所对应水份含量是不一样。 另外,压制成型中还包含加热压制,即粉体在加热下压制。通常分为:热压制,即焦油,沥青,石腊或合成结合剂,包含硅酸盐熔体相在加热,粘度降低下压制而达成愈加好致密化;高温压制,即对SiC,Si3N4等特种材料,难以烧结,经过高温和压力同时作用在粉体上,增加固体烧结反应,而达成更致密化或含
5、有更合理显微结构。捣打成型和压力振动成型也属于压制成型。 在耐火材料制品大多数采取干法或半干法压制成型,这是由干法或半干法压制特点决定。(1)干法或半干法压制模具成本高,只有大量生产同一品种时才是经济;(2)干法或半干法压制最适宜于成型几何尺寸不太大,长宽尺寸相差也不太大,形状不太复杂制品。形状太复杂使模具结构复杂,成本高;尺寸大时要求高压压机。受压方向尺寸大会引发坯体密度相差太大。(3)为了达成最好压制性能对泥料颗粒组成和颗粒形状有一定要求。(4)因为坯体含水量少,干燥工艺能够简化或去掉,干燥废品少,工艺简单。(5)坯体致密度大,强度大,烧成收缩(或膨胀)通常较小,易于控制成品尺寸。一、压制
6、粉料工艺性质 压制过程中,松散泥料在压力作用下发生颗粒重新排布,弹性形变和破碎,排出空气,颗粒结合成含有一定形状和尺寸坯体。泥料是固体粉料,水和空气三相系统。粉料是固体颗粒集合体,属于粗分散物系。压制粉料工艺性质关键是:1 、粒度和粒度分布及颗粒形状从生产实践中可知,很细或很粗粉料,在一定压力下被挤压成型能力较差 。另外,细粉加压成型时,分布在颗粒间大量空气会沿着和加压方向垂直平面逸出,产生层裂。粉料颗粒形状关键是由物料性质和破碎设备相关,通常片状颗粒对压制成型不利,有棱角等尺寸颗粒较为理想。含有不一样粒度粉料成型后密度和强度均高,这可由下述粉料堆积性质来说明。2 、粉料堆积特征因为粉料形状不
7、规则,表面粗糙使堆积起来粉体颗粒间存在着大量空隙。粉料颗粒堆积密度和堆积形式和粒度分布相关。显然,堆积密度越大,则在坯体密实过程中,需要填充空隙或需要排出空气就越少,故在其它条件相同情况下,可望取得质量更高坯体。所以,只有符合紧密堆积颗粒组成,才有得到致密坯体可能。生产实际中,粗颗粒和细粉混合后,其填充容积图6-1所表示,单一粗颗粒充填容积为C,单一细粉填充容积为F,固体部分真体积为DE,假如只是粗颗粒和细颗粒堆积体容积置换,则混合体总容积沿CRF改变。因为实际上存在细颗粒充填粗颗粒间隙,所以实际容积沿CAF曲线改变。图6-1两种粒度混合物填充容积 图6-2理想紧密填充实际生产中往往采取粗颗粒
8、,中颗粒和细粉三种颗粒粉料。这时理想堆积应该是:粗颗粒组成框架,中颗粒填充于粗颗粒组成空隙中,细粉再填充于中颗粒和粗颗粒组成空隙中,图6-2所表示。即使理想堆积是难以实现,但三组分粉料较为理想堆积己为试验和生产所证实,图6-3和6-4所表示。通常堆积密度最大粒度组成为:粗颗粒5565%;中颗粒1030%;细粉1530%。必需强调一点是,粗,中,细颗粒尺寸相差越大越好,通常相差45倍以上方能有显著效果。在耐火材料制品生产中,以在可能条件下增加临界颗粒尺寸来增加颗粒尺寸级差。粉料按最紧密堆积理论进行堆积,在工艺上关键是用来满足气孔率,热震稳定性透气性要求,但实际应用中,除考虑最紧密堆积原理外,还须
9、依据原料性质,颗粒形状,制品成型压力,烧成条件和使用要求全方面考虑。依据耐火制品性质要求,粒度组成能够进行合适调整。比如为使制品烧后气孔率低,强度高,在粒度配合中能够合适增加细粉量以提升烧结强度。图6-5示出制品性质和颗粒组成关系,从中能够看出颗粒调整关键性。 图6-3三种粒度混合物填充容积 图6-4物料堆积气孔率 粒径:粗4.4毫米 中0.07毫米 细0.009毫米 虚线计算结果;实线试验结果图6-5耐火材料制品和颗粒组成关系(a) 气孔率;(b)常温耐压强度;(c)烧成收缩(d)透气性;(e)抗热震性成型压力对颗粒组成影响,通常是在高压下适于粗颗粒多细粉少配合料。图6-6是取不连续颗粒时在
10、低压,高压下,将粗颗粒,细粉填充容积各以A1,A2及B1,B2表示,低压或高压下最紧密填充足别为m1,m2(粗颗粒和细粉粒径比假定是无限大)。3 、粉末拱桥效应(或称桥接)粉料自由堆积孔隙率往往要比理论计算值大得多。这是因为实际粉料不是球形,加上表面粗糙,结果颗粒相互交错咬合,形成拱桥形空间,增大气孔率。这种现象称为拱桥效应,图6-7所表示。当粉料颗粒B落在A上,粉料B自重为G,则在接角处产生反作用其协力为P,大小和G相等,但方向相反,若颗粒间附着力较小,则P不足以维持B重量G,便不会形成拱桥,颗粒B落入空隙中。所以粗大而光滑颗粒堆积在一起时,孔隙率不会很大。细颗粒重量小,比表面大,颗粒间附着
11、力大,轻易形成拱桥,如气流粉碎Al2O3粉料,颗粒多为不规则棱角形,自由堆积时孔隙比球磨后Al2O3颗粒要大些。图6-6成型压力造成颗粒 图6-7粉体堆积拱桥效应 组成改变 4 、粉料流动性粉料含有一定流动性,以粉料本身休止角来表示其特征。实际粉料流动性和其颗粒分布,颗粒形状、大小、表面状态等原因相关。在成型中,粉料流动性决定着它在模型中填充速度和填充程度,流动性差粉料难以短时间内填满模具,影响压机产量和坯体质量,所以往往向粉料中加入润滑剂以提升其流动性。5、粉料本身物理化学性能干法(半干法)压制中要求粉料含有足够结合性。所以 粉料中应含有结合成份,也能够用添加含有结合能力无机或有机结合剂来完
12、成。粉料表面活性、团聚性能等在超细粉料中也对成型有重大影响。以上只是简明叙述了压制粉料关键工艺性质及其对压制影响。实际上影响坯体压制性能原因更为广泛,如坯料水份含量及其均匀性;少许表面活性物质;脊性料塑化剂、润滑剂;尤其是混练工艺;团聚结构;再粉碎程度等等也有很大影响。总而言之,只有坯料质量良好,才能确保压制生产效率高和坯体质量良好。二、压制过程1、 压制机理压制过程中,松散物料没有足够水份,必需施以较大压力,借助于压力作用,坯料颗粒重新排布,发生塑性形变和脆性形变,空气排出,体积缩小,坯料颗粒紧密结合成含有一定尺寸,形状和强度坯体。当固体颗粒被加入到模中,并施加压力时,因为下列机理会引发体积
13、缩小而致密化,图6-8所表示。 图6-8 压制机理(1)在低压时,颗粒发生重新排列而填充气孔产生紧密堆积。在此阶段能量关键消耗在克服颗粒间摩擦力和颗粒和模具间摩擦力,在细粉末情况下,此阶段中内聚结构可能被破坏。(2)在较高压力下,引发颗粒破碎,并经过碎粒填充而致密,此阶段起决定作用是压制粉料颗粒性质。(3)在高压下,经过塑性形变填充空间,这时颗粒间点接触变成面接触,这种情况在金属粉末压制时及在湿法压制时是经典,在脆性陶瓷材料干压时,只有在尤其高压力下可能出现,或在高温压制时也会出现。高粘度塑化剂也起这种作用。2 、压制过程中坯体改变压制过程中,伴随压力增加,松散粉料快速形成坯体。坯体相对密度规
14、律地发生改变。图6-9所表示。加压第一阶段坯体密度急剧增加;第二阶段中压力继续增加时,坯体密度增加缓慢,后期几乎无改变;第三阶段中压力超出某一数值(极限变形应力)后坯体密度又随压力增加而加大。塑性材料粉料压制时,第二阶段不显著,第一,第三阶段衔接。只有脆性材料第二阶段才显著表现出来。压制过程坯体密度改变能够定量加以讨论(图6-10)。若粉料在模型中单方面受到均匀压力P,则在不一样时间下孔隙率改变为:时间 t=0 t=某值 t=t极(极限值) 高度 h0 h h极孔隙率 v0 v v极(v-v极)表示在受压时间t内坯体孔隙率和极限孔隙率(即理论上能达成孔隙率)之差,也就是可能被压缩率。图6-9坯
15、体密度和压力关系 图6-10 压制过程中坯体孔隙率改变在dt时间内,孔隙率差值改变为d(v-v极)。孔隙率改变速率为:。它正比于可能被压缩孔隙率(v-v极),后者愈大,愈易压紧,孔隙率改变速率也越大;另外,这一改变速率和压力P 成正比,和粉料内摩擦(粘度)h成反比,所以:改写成等式为: =式中k和模型形状,粉料性质相关百分比系数。等号右边“”号表示孔隙率降低。将上列方程移项: 进行不定积分得: 利用边界条件确定积分常数C。当t=0时,v=v0 所以 C=代回原式: (vv极)=从上式可作以下讨论:(1)粉料装模时自由堆积孔隙率v0越小,则坯体成型后孔隙率v也越小,所以,应控制粉料粒度和级配,或
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