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陶瓷产品成型10大工艺汇总

日期: 2019-01-29
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陶瓷成型是为了得到内部均匀和密度高的陶瓷坯体,是陶瓷制备工艺中重要的一环,成型技术在很大程度上决定了坯体的均匀性和制备复杂形状部件的能力,并直接影响到材料的可靠性和最终陶瓷部件的成本。

陶瓷成型方法很多,可以归纳为下图。

陶瓷产品成型10大工艺汇总 

图 陶瓷成型方法

各种成型技术的比较

 

成型方法

成型用料

制品形状

均匀性

效率

成本

干压成型

造粒粉料

扁平形状

偏差

冷等静压

造粒粉料

圆管圆柱形球状体

中等

中等

注浆成型

浆料

复杂形状,大尺寸

较好

较低

流延成型

浆料

<1mm厚截面

中等

凝胶成型

浆料

复杂形状,厚截面,大尺寸

较好

较低

直接凝固注模

浆料

复杂形状厚截面

较低

挤出成型

塑性料

圆柱圆筒形,长尺寸制品

中等

中等

热压铸

黏塑性料

复杂形状,小尺寸

较好

较低

注射成型

黏塑性料

复杂形状,小尺寸

中等

 

上述各种成型方法,成型原理和过程不同,因此特点也不同,各自均有优缺点。且陶瓷的成型技术对于制品的性能具有重要影响。陶瓷成型方法的选择,应当根据制品的性能要求、形状、尺寸、产量和经济效益等综合确定。那么,今天我们就来简要介绍一下这些陶瓷的成型方法。

一、干压成型

干压成型又称模压成型,是最常用的成型方法之一,也是手机陶瓷背板主流的成型工艺之一,小米MIX系列的陶瓷后盖都是干压成型的。干压成型是将经过造粒、流动性好,颗粒级配合适的粉料,装入金属模腔内,通过压头施加压力,压头在模腔内位移,传递压力,使模腔内粉体颗粒重排变形而被压实,形成具有一定强度和形状的陶瓷素坯。

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图 单向和双向加压时压坯密度沿高度的分布,(a)单向加压,(b)双向加压

影响干压成型的主要因素:

(1)粉体性质:粒度、粒度分布、流动性、含水率等;

(2)粘结剂和润滑剂的选择;

(3)模具设计;

(4)压制过程中压制力、加压方式、加压速度与保压时间.

综上,如果坯料颗粒级配合适,结合剂使用正确,加压方式合理,干压法也可以得到比较理想的坯体密度。

干压成型的优点:

(1)工艺简单,操作方便,周期短,效率高,便于实行自动化生产。

(2)坯体密度大,尺寸精确,收缩小,机械强度高,电性能好。

干压成型的缺点:

(1)对大型坯体生产有困难,模具磨损大、加工复杂、成本高。

(2)加压只能上下加压,压力分布不均匀,致密度不均匀,收缩不均匀,会产生开裂、分层等现象。但随着现代化成型方法的发展,达一缺点逐渐为等静压成型所克服。

应用:特别适宜于各种截面厚度较小的陶瓷制品制备,如陶瓷密封环、阀门用陶瓷阀芯、陶瓷衬板、陶瓷内衬等。

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图 小米MIX2全陶瓷尊享版,图片来自官网

二、流延成型

流延成型(tepe-casting)又称为刮刀成型。它的基本原理是将具有合适黏度和良好分散性的陶瓷浆料从流延机浆料槽刀口处流至基带上,通过基带与刮刀的相对运动使浆料铺展,在表面张力的作用下形成具有光滑上表面的坯膜,坯膜的厚度主要由刮刀与基带之间间隙来调控。坯膜随基带进入烘干室,溶剂蒸发有机黏结剂在陶瓷颗粒间形成网络结构,形成具有一定强度和柔韧性的坯片,干燥的坯片与基带剥离后卷轴待用。然后可安所需形状切割,冲片或打孔,最后经过烧结得到成品。

流延成型工艺可以分为非水基流延成型、水基流延成型、凝胶流延成型等。

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流延成型制备陶瓷基片工艺包括浆料制备、流延成型、干燥、脱脂、烧结等工序,其中最关键的是浆料的制备和流延工艺的控制。

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图 流延成型法制备陶瓷基片的工艺流程图

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图 模坯加工过程

优点:流延成型可制备出几个微米至1000μm平整光滑的陶瓷薄片材料,且设备简单,工艺稳定,可连续操作,便于自动化,生产效率高,产品性能一致,因此是当今制备单层或多层薄片材料最重要和最有效的工艺。

缺点:粘结剂含量高,因而收缩率可达20%~21%。

应用:独石电容器瓷片、厚膜和薄膜电路用Al2O3基片、压电陶瓷膜片、结构陶瓷薄片、电容器、热敏电阻、铁氧体和压电陶瓷坯体,混合集成电路基片等。

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图 小米6 陶瓷盖板,图片来自网络

三、注射成型

陶瓷注射成型(ceramic injection molding,CIM),是将聚合物注射成型方法与陶瓷制备工艺相结合而发展起来的一种制备陶瓷零部件的新工艺。

陶瓷注射成型的制造过程主要包括四个环节:

(1)注射喂料的制备:将合适的有机载体与陶瓷粉末在一定温度下混炼、干燥、造粒,得到注射用喂料;

(2)注射成型:混炼后的注射混合料于注射成型机内被加热转变为粘稠性熔体,在一定的温度和压力下高速注入金属模具内,冷却固化为所需形状的坯体,然后脱模;

(3)脱脂:通过加热或其它物理化学方法,将注射成型坯体内的有机物排除;

(4)烧结:将脱脂后的陶瓷素坯在高温下致密化烧结,获得所需外观形状、尺寸精度和显微结构的致密陶瓷部件。

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图 注射成型流程图

注射成型的优点:

(1) 可近净成型直接各种几何形状复杂及有特殊要求的小型陶瓷零部件,使烧结后的陶瓷产品无需进行机加工或少加工,从而减少昂贵的陶瓷加工成本。

(2) 机械化和自动化程度高,成形周期短,仅为浇注、热压成形时间的几十分之一至几百分之一,坯件的强度高,可自动化生产,生产过程中的管理和控制也很方便,适宜大批量生产。

(3) 由于粘结剂有较好的流动性,注射成形坯件的致密度相当均匀。

(4) 由于粉末和粘结剂的混合很均匀,粉末之间的间隙很小,烧结过程中的收缩特性基本一致, 所以制备各部位密度均匀,几何尺寸精度及表面光洁度高。

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图 CIM与其他成型工艺的比较

应用:这种技术对尺寸精度高、形状复杂的陶瓷制品的大批量生产最有优势。目前,陶瓷注射成型已广泛用于各种陶瓷粉料和各种工程陶瓷制品的成型。通过该工艺制备的各种精密陶瓷零部件,已用于航空、汽车、机械、能源、光通讯、生命医学等领域。

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图 注射成型氧化锆胚体

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图 注射成型陶瓷手表部件,来源于丁鼎陶瓷

四、等静压成型

通常所说的等静压成型就是指冷等静压成型(cold isostatic pressing,CIP),是利用流体(水, 油)作为传递介质来获得均匀静压力施加到材料上的一种方法。即利用液体介质的不可压缩性来均匀传递压力性,从各个方向进行加压,获得制品的成型方法。按其成型过程不同,可分为两种形式:湿袋式和干袋式。目前大量使用的主要是湿袋法。

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图 冷等静压成型分类


1

湿袋式等静压

湿袋式等静压技术是将造粒陶瓷粉或预先成型的坯体放入可变形的橡胶包套内,然后通过液体施加各向均匀的压力,当压制过程结束,再将装有坯体的橡胶包套从容器内取出,这是一种间断式成型方法。

这种技术成本相对成本较低,可成型中等复杂程度的部件,且压力可达500MPa,适用于小规模生产,但在一定时间内成型制品的数量较少,压坯尺寸和形状不以精准控,生产效率不高,不能连续进行大规模生产。

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图 湿袋式等静压制原理图


2

干袋式等静压

干袋式等静压是将陶瓷粉末批量地填入柔性预成型模具内,然后施以等静压,由于模具被固定在设备上,当压制完成后,成型制品被顶出,如示意图。

干袋式等静压成型周期短,模具使用寿命长,特别便于进行大规模连续化工业生产。使用的模具材料有聚氨酯合成橡胶或硅橡胶,相较于湿袋式等静压成型,干袋式等静压压力较低,一般在200MPa内。大家最熟悉的陶瓷火花塞目前就是用干袋式等静压成型,压制时间通常只有1~2S。

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图 干袋式等静压制原理图

等静压成型的优点:

(1)压力从各个方向传递,压坯密度分布均匀,压坯强度高;

(2)素坯密度高,均匀缺陷少,烧成收缩比一般干压低;

(3)能压制具有凹形、细长件以及其他复杂形状的零件;

(4)摩擦损耗小,成型压力较低;

(5)模具成本低廉。

等静压成型的缺点: 压坯尺寸和形状不易精确控制,生产率较低,不易实现自动化;

应用:

(1)大型薄壁、高精度、高性能的氧化铝陶瓷天线罩及大型壁厚、形状复杂、带伞棱的97%氧化铝陶瓷高频端子绝缘瓷套采用湿式等静压技术。

(2)95%氧化铝陶瓷真空开关灭弧室“管壳”系列产品、氧化铝和氧化锆陶瓷柱塞,以及石油钻探用大尺寸氧化锆陶瓷缸套等采用等静压技术。

(3)高压钠灯用透明氧化铝陶瓷管、氧化铝火花塞普遍使用干袋式等静压技术。

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图 湿袋式冷等静压成型的陶瓷球阀

五、注浆成型

注浆成型是一种非常简便且灵活性很强的成型技术,它的基本原理是将具有较高故相含量和良好流动性的料浆注入多孔模具(通常用石膏磨具),因为模具多孔性所具有的的毛细管吸力,模具内壁从浆料中吸取水分从而沿模壁形成固化的坯体,待坯体形成一定的强度即可脱模。

基本工艺流程为:粉末→浆料→注浆→脱模→干燥→型坯

浆料成型的主要工艺方法:空心注浆、实心注浆、压力注浆、真空辅助注浆、离心注浆。

优点:

(1)采用廉价的石膏模具,设备简单、成本低,适合于复杂形状的陶瓷零部件及大尺寸陶瓷制品的制造;

(2)成型工艺控制方便、产品致密度高。

应用:传统陶瓷工业、现代精密陶瓷、结构陶瓷产品等

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图 注浆成型的陶瓷花瓶,图片来自百度文库,上传者 高德志9

六、挤压成型

挤压成型也称挤出成型或挤制成型,该工艺是将陶瓷粉与可提供塑性的黏土或有机黏结剂与水一起混合和反复混炼,并通过真空除气和陈腐等工艺环节使待挤出的坯料获得良好的塑性和均匀性,然后在挤出螺旋或柱塞的作用下,通过挤压机嘴处的模具挤出得到所需形状的产品。

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图 棒和管材的挤压成型

挤压法成型对泥料的要求:

(1)粉料细度和形状:细度要求较细,外形圆润,以长时间小磨球球磨的粉料为好。

(2)溶剂、增塑剂、粘结剂等:用量要适当,同时必须使泥料高度均匀,否则挤压的坯体质量不好。

挤压成型法的优点:

(1)污染小,操作易于自动化,可连续生产,效率高。

(2)适合管状、 棒状产品的生产。但挤嘴结构复杂,加工精度要求高。

缺点:由于溶剂和结合剂较多,因此坯体在干燥烧成时收缩较大,性能受到影响。容易出现翘曲变形、分层结构、撕裂、开裂、固液分离、气孔及夹杂物等缺陷。

应用:挤压成型适用于制造截面一致的陶瓷产品,特别是对长宽比高的管状或棒状产品,可用于各种氧化物陶瓷、碳化物及氮化物等非氧化物陶瓷制品的成型。

目前广泛应用于制备陶瓷炉管、电磁绝缘子、催化剂载体或支撑体、热交换器管、汽车尾气过滤用蜂窝陶瓷载体,陶瓷棍棒等各种陶瓷产品,同时也可用于片状电容器、磁性材料基板、电子基片的成型。

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图 挤压成型陶瓷管,图片来自百度文库,上传者wangjingouc

七、热压铸成型

热压铸成型是利用石蜡受热熔化和遇冷凝固的特点,将无可塑性的瘠性陶瓷粉料与热石蜡液均匀混合形成可流动的浆料,在一定压力下注入金属模具中成型,冷却待蜡浆凝固后脱模取出成型好的坯体。坯体经适当修整,埋入吸附剂中加热进行脱蜡处理,最后经烧结成最终制品。

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图 热压铸成型的工艺流程

热压铸成型与一般注浆成型法的差别:

它并不使用溶剂,而是利用粘结剂—石蜡的高温流变特性,进行压力下的铸造成形,然后经过高温脱蜡和烧结制成陶瓷。

优点:

(1)可成型形状复杂的陶瓷制品,尺寸精度高, 几乎不需要后续加工,是制作异形陶瓷制品的主要成型工艺;

(2)设备价廉、模具磨损小,生产成本相对较低;

(3)操作方便,劳动强度不大,生产效率高;

(4)对原料适用性强,如氧化物、非氧化物、复合原料及各种矿物原料均可适用。

缺点:浆料含蜡量高、成型压力低,容易导致产品密度偏低,排蜡时间长。

(1)气孔率高、内部缺陷相对较多、密度低,制品力学性能和性能稳定性相对较差;

(2)需要脱蜡环节,增加了能源消耗和生产时间。因受脱蜡限制,难以制备厚壁制品;

(3)不适合制备大尺寸陶瓷制品;

(4)难以制造高纯度陶瓷制品,限制了该工艺在高端技术领域的应用。

应用:各种复杂形状的工程陶瓷零部件。

八、凝胶注模成型

凝胶注模成型是近年来发明的一种新的陶瓷成型技术。这一方法首先是将陶瓷粉料分散于含有有机单体的溶液中,制备成高固相体积分数的悬浮体(>50%),然后注入一定形状的模具中,在一定的催化、温度条件下,有机单体聚合,体系凝胶,从而导致悬浮体原位凝固,最后经过干燥可得较高强度的坯体。

在从液态转变为固态的过程中,坯体没有收缩或收缩很小,介质的量没有改变。它可以以净尺寸制造复杂形状的陶瓷部件,具有良好的坯体均匀性和高强度,其操作工艺简单、坯体中有机物杂质含量少,而且陶瓷烧结体性能优良。

凝胶注模成型分为两类:一种是水溶性凝胶注模成型,另一种是非水溶性凝胶注模成型。前者适用于大多数陶瓷成型场合,后者主要适用于那些与水发生反应的系统的成型。

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图 凝胶注模成形工艺过程

优点:

1) 适用陶瓷粉末能力强,对粉体无特殊要求;

2) 可实现近净尺寸成型,可制备出大尺寸和复杂形状及壁厚的部件,模具可选用多种材料;

3) 成型周期短,湿坯和干坯强度高,明显优于传统成型工艺所制的坯体,可进行机械加工;

4) 坯体有机物含量低;

5) 坯体和烧结体性能均匀性好;

6) 工艺过程易控制;

7) 工艺过程和操作较为简便,设备简易,成本低廉。

缺点:

1)成型与干燥过程中可能产生气泡和裂纹等缺陷;

2)有机单体的毒性问题.

应用:

粗颗粒体系陶瓷、高级耐火材料、陶瓷复合材料、结构陶瓷、功能与生物陶瓷、多孔材料及粉末冶金等

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图 华为Ascend P7陶瓷版后盖,图片来自天极网

九、直接凝固注模成型

直接凝固注模成型是是将胶体化学和陶瓷工艺融为一体的一种新型的陶瓷净尺寸胶态成型方法,该技术主要是采用采用生物酶催化陶瓷浆料中相应的反应底物,发生化学反应,从而改变浆料PH值或压缩双电层,使浆料中固体颗粒间的排斥力消除,产生范德华吸引力,可是浇注到非孔模具内的高固相含量、低黏度的陶瓷浆料产生原味凝固,凝固后的陶瓷湿坯有足够的强度进行脱模。

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图 直接凝固注模成型的工艺流程

优点:

(1)成型过程中不需要或只需要少量有机添加剂(少于1%),无毒性,所以坯体不需脱脂就可直接烧结;

(2)坯体结构均匀,相对密度高(一般达55%~65%),可成型精度高、形状复杂的陶瓷部件;

(3)模具材料选择范围广,模具成本低.

缺点:

(1)成型所以陶瓷粉末范围有局限性

(2)陶瓷坯体强度比较低,不能进行素坯加工

应用:可应用于制备氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、多相复合陶瓷等

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图 直接凝固注模成型的氧化铝陶瓷器件

十、固体无模成型

陶瓷无模成型(solid freeform fabrication,SFF)的基本原理及过程是:直接利用计算机CAD设计结果,将复杂的三维立体构件经计算机软件切片分割处理,形成计算机可执行象素单元文件;然后通过计算机输出的外部设备,将要成型的陶瓷粉体快速形成实际的像素单元,一个一个单元叠加的结果即可直接成型出所需要的三维立体构件。

目前SFF技术已经发展成为以下6种:

(1)激光选区烧结法;

(2)层片叠加成型法;

(3)熔化覆盖成型法;

(4)立体印刷成型法;

(5)三维打印成型法;

(6)喷墨打印成型法.

与传统成型方法相比,固体快速无模成型技术具有以下优点:

(1)成型过程中无需任何模具或模型参与,使过程更加集成化,制造周期缩短,效率得以提高;

(2)成型体几何形状及尺寸可通过计算机软件处理系统随时改变,无需等待模具的设计制造,缩短新产品开发时间;

(3)由于外部成型打印像素单元尺寸可小至微米级,因此可制备用于生命科学和小卫星的微型电子陶瓷器件;

(4)与现代智能技术的结合,进一步提高陶瓷制备工业水平,使此领域与其他工业制造领域的进步相匹配.

缺点:

(1)设备价格高,设备的分层及软件封闭性强,还不存在通用的系统软件;

(2)成型材料的密度和成型性能还不太理想,部件质量和精度常常不能满足需要;

(3)材料技术有专利保护,一般成型材料都比较贵.

应用:机械制造、高分子材料、陶瓷等

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