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第六章粉体成型工艺

       

  第六章粉体成型工艺_能源/化工_工程科技_专业资料。第六章 粉体成型工艺 无机非金属材料生产工艺总体上讲可以分为三个阶段:即制粉、成型和焙 烧。只是根据材料品种的不同可以有不同的排列顺序。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

  第六章 粉体成型工艺 无机非金属材料生产工艺总体上讲可以分为三个阶段:即制粉、成型和焙 烧。只是根据材料品种的不同可以有不同的排列顺序。陶瓷和耐火材料生产工 艺通常为:制粉 成型 烧成。陶瓷成型在工艺上具有特殊重要的地位。因陶 瓷坯体是一种粉末的集合体,它只有在烧成之后才能得到所期望的性能。为了 得到所期望的结构和性能,一种理想的粉末原料和均匀的混合是前提条件。可 以说,粉末制备己对最终产品起作用,只有理想的粉体和正确的成型才能保证 产品质量。粉体成型是通过外力,把粉末或其聚集体制作成具有一定尺寸、形 状和强度的坯体或制品。通常又与最佳均匀化,致密化等联系在一起。粉体成 型方法众多,产品的形状、尺寸以及用途和技术经济指标决定了成型方法的选 择。耐火粉料借助于外力和模型,成为具有一定尺寸、形状和强度的坯体或制 品的过程叫成型。压制和成型是耐火材料生产工艺过程中的重要环节。耐火材 料成型方法很多,包括特殊耐火材料在内有数十种之多。按坯体含水量的多少, 成型方法可分为如下三种: 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。 对于一般耐火制品,大多采用半干法成型。至于采用什么成型方法,主要 取决于坯料性质、制品的形状、尺寸以及工艺要求。可塑法有时用来制造大的 异形制品;注浆法主要用来生产中空薄壁的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,500℃~1500℃的热压成型,等静压成型等等。 第一节 压制成型 压制成型是陶瓷中的重要成型方法之一,是通常耐火制品的最主要成型 方法。这时,压力连续地或多次地通过压头传递到在模型中的粉末体上。在高 压下粉末体致密化而形成具有一定形状、尺寸和强度的坯体。而在等静压成型 中,液体压力通过柔性模传递到粉体上。等静压成型只是一种特殊的压制成型。 压制成型中,通过泥料(粉末团聚体)内摩擦,与模壁的摩擦及质点和桥接的弹 性变形,塑性变形,以及颗粒的再破碎等等消耗能量(功)。成型坯体的致密度 和消耗能量主要受泥料性质和机械的压力—时间过程的影响。 压制成型通常可分为干法、半干法和湿法压制。目前尚无统一的分类标准。 在粉体(团聚体)方法技术中一般采用下列标准: 1、干法压制:泥料含 0~5%的水(包括润滑界质和其它液态加入物); 2、半干法压制:泥料含水 5~8%; 3、湿法压制:泥料含水 8~18%。 在英、美的标准解释中,则只将压制区分为干法和湿法压制两类。也有人 认为,对于不同性质的泥料,划分干法和湿法压制的含水量应是不同的。视泥 料种类不同,对应于某一压力,能达到坯体的最大致密化所对应的水份含量是 不同的。 另外,压制成型中还包括加热压制,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,包括硅酸盐熔体相在加热,粘度降 低下压制而达到更好的致密化;高温压制,即对 SiC,Si3N4 等特种材料,难以 烧结,通过高温和压力同时作用在粉体上,增加固体的烧结反应,而达到更致 密化或具有更合理的显微结构。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用干法或半干法压制成型,这是由干法或半干法 压制的特点决定的。(1)干法或半干法压制的模具成本高,只有大量生产同一 品种时才是经济的;(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,形状不太复杂的制品。形状太复杂使模具结构复杂,成 本高;尺寸大时要求高压的压机。受压方向尺寸大会引起坯体密度相差太大。 (3)为了达到最佳的压制性能对泥料的颗粒组成和颗粒形状有一定的要求。(4) 由于坯体含水量少,干燥工艺可以简化或去掉,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、压制粉料的工艺性质 压制过程中,松散的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,颗粒结合成具有一定形状和尺寸的坯体。泥料是固体粉料, 水和空气的三相系统。粉料是固体颗粒的集合体,属于粗分散物系。压制粉料 的工艺性质主要是: 1 、粒度和粒度分布及颗粒形状 从生产实践中可知,很细或很粗的粉料,在一定压力下被挤压成型的能力 较差 。另外,细粉加压成型时,分布在颗粒间的大量空气会沿着与加压方向 垂直的平面逸出,产生层裂。 粉料的颗粒形状主要是由物料的性质和破碎设备有关,通常片状颗粒对压 制成型不利,有棱角的等尺寸颗粒较为理想。 含有不同粒度的粉料成型后密度和强度均高,这可由下述粉料的堆积性质 来说明。 2 、粉料的堆积特征 由于粉料的形状不规则,表面粗糙使堆积起来的粉体颗粒间存在着大量的 空隙。粉料颗粒的堆积密度与堆积形式和粒度分布有关。显然,堆积密度越大, 则在坯体的密实过程中,需要填充的空隙或需要排出的空气就越少,故在其它 条件相同的情况下,可望获得质量更高的坯体。因此,只有符合紧密堆积的颗 粒组成,才有得到致密坯体的可能。 生产实际中,粗颗粒和细粉混合后,其填充容积如图 6-1 所示,单一粗颗 粒的充填容积为 C,单一细粉的填充容积为 F,固体部分的真体积为 DE,如果 只是粗颗粒和细颗粒堆积体的容积置换,则混合体的总容积沿 CRF 变化。由于 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 两种粒度混合物填充容积 图 6-2 理想的紧密填充 实际生产中往往采用粗颗粒,中颗粒和细粉三种颗粒的粉料。这时理想的 堆积应该是:粗颗粒构成框架,中颗粒填充于粗颗粒构成的空隙中,细粉再填 充于中颗粒与粗颗粒构成的空隙中,如图 6-2 所示。虽然理想的堆积是难以实 现的,但三组分粉料的较为理想的堆积己为实验和生产所证实,如图 6-3 和 6-4 所示。通常堆积密度最大的粒度组成为:粗颗粒 55~65%;中颗粒 10~30%; 细粉 15~30%。必须强调的一点是,粗,中,细颗粒的尺寸相差越大越好,一 般相差 4~5 倍以上方能有显著效果。在耐火材料制品生产中,以在可能的条件 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,在工艺上主要是用来满足气孔率,热震 稳定性的透气性的要求,但实际应用中,除考虑最紧密堆积原理外,还须根据 原料性质,颗粒形状,制品的成型压力,烧成条件和使用要求全面考虑。根据 耐火制品的性质要求,粒度组成可以进行适当的调整。例如为使制品烧后的气 孔率低,强度高,在粒度配合中可以适当增加细粉量以提高烧结强度。图 6-5 示出制品的性质和颗粒组成的关系,从中可以看出颗粒调整的重要性。 图 6-3 三种粒度混合物填充容积 粒径:粗 4.4 毫米 中 0.07 毫米 细 0.009 毫米 验结果 图 6-4 物料堆积的气孔率 虚线—计算结果;实线 耐火材料制品和颗粒组成的关系 (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的影响,通常是在高压下适于粗颗粒多细粉少的配合 料。图 6-6 是取不连续颗粒时在低压,高压下,将粗颗粒,细粉的填充容积各 以 A1,A2 及 B1,B2 表示,低压或高压下的最紧密填充分别为 m1,m2(粗颗粒 和细粉的粒径比假定是无限大的)。 3 、粉末的拱桥效应(或称桥接) 粉料自由堆积的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,如图 6-7 所示。当粉料颗粒 B 落在 A 上,粉料 B 的自重为 G,则在接角处产生反作用其合力为 P,大小与 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 的重量 G,便不会形成拱桥,颗粒 B 落入空隙中。所以粗大而光滑的颗粒堆积在一起时,孔隙率不会很大。细颗 粒的重量小,比表面大,颗粒间的附着力大,容易形成拱桥,如气流粉碎的 Al2O3 粉料,颗粒多为不规则的棱角形,自由堆积时的孔隙比球磨后的 Al2O3 颗 粒要大些。 图 6-6 成型压力造成的颗粒 组成的变化 图 6-7 粉体堆积的拱桥效应 4 、粉料的流动性 粉料具有一定的流动性,以粉料自身的休止角来表示其特性。实际粉料的 流动性与其颗粒分布,颗粒的形状、大小、表面状态等因素有关。在成型中, 粉料的流动性决定着它在模型中的填充速度和填充程度,流动性差的粉料难以 短时间内填满模具,影响压机的产量和坯体的质量,所以往往向粉料中加入润 滑剂以提高其流动性。 5、粉料自身的物理化学性能 干法(半干法)压制中要求粉料具有足够的结合性。因此 粉料中应含有结 合成份,也可以用添加具有结合能力的无机或有机的结合剂来完成。粉料表面 的活性、团聚性能等在超细粉料中也对成型有重大影响。 以上只是简要阐述了压制粉料的重要工艺性质及其对压制的影响。实际上 影响坯体压制性能的因素更为广泛,如坯料的水份含量及其均匀性;少量的表 面活性物质;脊性料的塑化剂、润滑剂;特别是混练工艺;团聚结构;再粉碎 程度等等也有很大的影响。总之,只有坯料质量良好,才能保证压制生产效率 高和坯体质量良好。 二、压制过程 1、 压制机理 压制过程中,松散的物料没有足够的水份,必须施以较大的压力,借助于 压力的作用,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具有一定尺寸,形状和强度的坯体。 当固体颗粒被加入到模中,并施加压力时,由于下列机理会引起体积的缩 小而致密化,如图 6-8 所示。 图 6-8 压制的机理 (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 量主要消耗在克服颗粒间的摩擦力和颗粒与模具间的摩擦力,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,引起颗粒的破碎,并通过碎粒的填充而致密,此阶段 起决定作用的是压制粉料颗粒的性质。 (3)在高压下,通过塑性形变填充空间,这时颗粒间的点接触变成面接触, 这种情况在金属粉末压制时及在湿法压制时是典型的,在脆性的陶瓷材料干压 时,只有在特别高的压力下可能出现,或在高温压制时也会出现。高粘度的塑 化剂也起这种作用。 2 、压制过程中坯体的变化 压制过程中,随着压力的增加,松散的粉料迅速形成坯体。坯体的相对密 度的规律地发生变化。如图 6-9 所示。加压的第一阶段坯体的密度急剧增加; 第二阶段中压力继续增加时,坯体密度增加缓慢,后期几乎无变化;第三阶段 中压力超过某一数值(极限变形应力)后坯体的密度又随压力的增加而加大。塑 性材料的粉料压制时,第二阶段不明显,第一,第三阶段衔接。只有脆性材料 第二阶段才明显表现出来。 压制过程坯体密度的变化可以定量的加以讨论(图 6-10)。若粉料在模型中 单方面受到均匀的压力 P,则在不同的时间下孔隙率的变化为: 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 内坯体孔隙率与极限孔隙率(即理论上能达到的 孔隙率)之差,也就是可能被压缩率。 图 6-9 坯体密度与压力的关系 图 6-10 压制过程中坯体孔隙率的变化 在 dt 时间内,孔隙率差值的变化为 d(v-v 极)。孔隙率变化的速率为: d v v极 。它正比于可能被压缩的孔隙率(v-v 极),后者愈大,愈易压紧,孔 dt 隙率变化速率也越大;此外,这一变化速率与压力 P 成正比,与粉料内摩擦(粘 度) 成反比,所以: d v v极 P v v极 dt 改写成等式为: d v v极 = k P v v极 dt 式中 k—与模型形状,粉料性质有关的比例系数。 等号右边的“-”号表示孔隙率降低。 将上列方程移项: d v v极 kP dt v v极 进行不定积分得: kPt ln v v极 C 利用边界条件确定积分常数 C。当 t=0 时,v=v0 所以 C= ln v0 v极 代回原式: kPt (v-v 极)= v0 v极 e 从上式可作如下讨论: (1)粉料装模时自由堆积的孔隙率 v0 越小,则坯体成型后的孔隙率 v 也越 小,因此,应控制粉料的粒度和级配,或采用振动加料减少 v0,从而可得到较 致密的坯体。 (2)增加压力 P 可使坯体孔隙率 v 减小,而且它们呈指数关系。实际生产 中受到设备结构的限制,以及坯体质量的要求 P 值不能过大。 (3)延长加压时间,也可以降低坯体气孔率,但会降低生产率。 (4)减少颗粒间内摩擦力 也可使坯体气孔率降低。实际上,粉料经过造 粒(可通过喷雾干燥)得到球形粒,加入成型润滑剂或采取一面加压一面升温 (热压)等方法均可达到这种效果。 (5)坯体形状,尺寸及粉料性质对坯体密度的关系反映在数值影响上。压 制过程中,粉料与模壁产生摩擦作用,导致压力损失。坏体的高度 H 与直径 D 比(H/D)愈大,压力损失也愈大,坯体密度更加不均匀。模具不够光滑,材料 硬度不够都会增加压力损失。模具结构不合理(出现锐角,尺寸急剧变化)某些 部位粉末不易填满,会降低坯体密度和密度分布不均匀。 另一种确定压力与气孔率的关系的方法认为,使坯体获得一定密度的压 力,由下列三部分组成:(1)克服粉料颗粒间内摩擦力的压力 P1;(2)克服粉料 颗粒与模具间的外摩擦力 P2;(3)由于粉料水份、颗粒组成及其在模内填充的 不均匀性,使压力的分布在某此部分呈现着不均匀性,为了克服这种压力分布 不均匀性,所需要的过剩压力 P3。所以,总压力应为: P 总=P1+P2+P3 P1、P2 和 P3 间的比例关系,取决于一系列的因素,其中主要是粉料的分 散度,颗粒组成,粉料水份,坯体的尺寸形状等等。用计算方法求出 P1、P2 和 P3 值是较困难的,通常用试验方法,近似地确定压制所需总压力 P 总。 坯体的气孔率是衡量坯体质量的标准,采用机械压制,在坯体不产生弹性 变形的压力范围(10~200MPa),坯体气孔率与压制压力间的关系,可用如下关 系式表示: =a-blgP 式中 真气孔率,%; a、b 常数; P 压制压力,Mpa。 在上式中,a 与 b 之间,存在着一定的关系,不同物料压制时的数据列于 表 6-1 和图 6-11。 图 6-11 各种耐火材料气孔率与压力对数值的关系 1—铬质;2—尖晶石质;3—粒度为 0~2 毫米的镁质;4—粒度为 0~2 毫米的镁质; 5—橄榄石质;6—蛇纹石质;7—锆质;8—硅质;9—含 20%结合粘土的粘土质 各种硬度物料的坯料及砖坯的性质 表 6-1 坯物 料料 序名 号称 莫氏 硬度 3~5 毫 米颗粒 气孔率, % 真气孔率,% 干湿 料料 干坯气孔率,% P=200ε1 P2=200ε2 相对致 密度 压缩坯料常数 a b a/b 1 滑石 ~1 - 75.4 80.2 29.4 2 粘土 1~2 - 70.0 72.0 32.0 10.2 18.8 65.3 41.2 122.4 40.3 95.5 27.6 3.04 3.46 3 菱镁石 4.5 1.5 52.4 75.8 33.2 25.2 24.0 71.9 16.8 4.20 4 电熔方镁石 5.5 1.0 53.4 71.0 33.6 27.9 17.0 61.1 11.95 5.1 5 石英岩 7 1.5 52.9 64.6 37.0 30.0 18.9 70.8 14.7 4.81 6 刚玉 9 1.0 54.4 72.9 50.8 43.4 14.5 81.2 15.75 5.53 注:1.所有坯 料的颗粒组成为:0.2~0.88 毫米 60%,0.88~0.060 毫米 40%,水份 4.0%; 2.试样为圆柱体,直径 38 毫米高为 50 毫米试验室小压机上压制。 研究结果可得到如下结论: (1)常数 a 及 b 取决于自然堆积粉料的气孔率信放料的硬度,气孔率增高, 则 a,b 亦增高; (2)物料的硬度增高,则坯体的气孔率及 a/b 的比值也随之高; (3)物料的相对致密度与 a/b 比值间为反比关系(如图 6-12),因此 a/b 比 值可用来表示粉料趋于致密化的能力。 图 4-12 相对致密度 1 2 100% 与 a/b 值的关系 1 从上述讨论可见,a,b 取决于粉料的性质、颗粒形状、颗粒组成、水份及 被压制物料的物理性质,特别是它们的硬度。 为了在给定压力下制得气孔率最低的坯体,可借助于实验,找出 a/b 比值 最低的粉料组成及其加工方法,来达到预期的目的。 若要找出每种具体条件下压制关系式中的常数,则可以在两种不同压力 (最好其比值为 1/5)下,对坯料进行压制,从实验确定出压力及真气孔率的数 值,解联立方程,即可求出常数 a 及 b 的数值 。 以上压制过程定量分析都是以液压机压制试验为基础提出的。当粉料受到 冲击压力时,如用摩擦压力机压制时, 情况有所不同,生产经验表明,冲击 更有利于粉体致密化,为使坯体达到同样的致密程度所需的静压力约为冲击压 力的 1.5~2 倍,即一台 3000 吨的液机与一台 1500~2000 吨的摩擦压力机的压 制效果相同。 3、压制时的压力分布 由于压制时压力用于克服颗粒之间的内摩擦力,颗粒与模壁之间的外摩擦 力以及被压坯体料的变形,所以与压头直接接触位置的物料,受到最大的压力, 达到最大的致密化,随着离开压头距离的增加,压力减少,近似的关系可用下 式表示: L k Pn P e R 式中,Pn 距受压面 处的压强; P 受压表面的压强; L 距受压面的距离; R 坯体截面的水力半径; k 系数, k 值与压制模壁与坯料之间的摩擦系数及坯料颗粒之间的摩擦系数有关, 为: k f tg 45 2 式中, f’—坯体与模壁的外摩擦系数; —坯料的自然休止角。 因为坯料的气孔率取决于压强的数值,所以沿坯体高度方向,压强的落差 就决定了坯体的均匀程度。坯体的均匀程度可用 Pn 及 P 的比值来估计。 Pn L k e R P 当 =1 时,坯体可获得最大的均匀性,这在实际操作过程中是不可能达到 的。实际坯体中的这种距受压面近的地方密度大,随着距离为断增大的现象, 习上称为“层密度”。图 6-13 示出不同高度和直径比(L/D)的圆柱体中的实际 压力分布。随着 L/D 增大,下部压强急剧下降。在压强与圆柱体接触处,形成 高的压力中心,这是高的摩擦力所引起的。 图 6-13 坯体的压力分布 (a)短模,L/D=0.45;(b)高模,L/D=1.75 三、加压制度对坯体质量的影响 1、 加压方式的影响 单面加压时,坯体中压力的分布是不均匀的。不但有低压区,还有死角。 为了使坯体密度均匀一致,宜采用双面加压。双面加压时,可消除底部的低压 区和死角,但坯体中部的密度较低(图 6-14-b)若两面先后加压,二次加压之 间有间歇,利于空气排出,使整个坯体压力与密度都较均匀(图 6-14-c)。如 果粉料四周都施加压力(也就是等静压成型),则坯体密度更加均匀(图 6-14-d)。 2、加压速度与保压时间的影响 实践表明,加压速度与保压时间,对坯体性能有很大的影响,即与压力的 传递和气体的排出有很大的关系。如果加压过快,保压时间过短,气体不易排 出。同样当压力末传递到应有的深度时,外力就己卸掉,显然难以达到较为理 想的坯体质量。当然,如果加压速度过慢,保压时间过长,使生产效率降低, 也是没有必要的,因此,应根据坯体的大小、厚薄和形状来调整加压速度和保 压时间。一般对于大型,高度大,形状较为复杂的产品,开始加压宜慢,中间 可快,后期宜慢,并有一定的保压时间。这样有利于气体的排除和压力的传递, 如果压力足够大时,保压时间可以短些。不然,加压速度不当,排不出气体, 会出现鼓泡,夹层和裂纹等。对于小型坯体,这方面要求不严格,加压速度可 以适当加快,以便提高生产效率。 图 1-14 加压方式和压力分布关系图 (横条线为等密度线) a—单面加压;b—双面同时加压;c—双面先后加压;d—四面加压 3、 水份的影响 压制成型时,粉料中的水份含量是至关重要的。颗粒表面的水膜起着润滑 和塑化的作用,水份含量高时还起着填充气孔的作用。对某一压力就相应有一 合适的水份含量,使气孔率最低。压力越大,该水份含量就越低。干法压制是 在低水份和高压力下的压制。在水份偏小时,增加水份的含量,则有利于提高 坯体密度和均匀性。但粉料中过多的水份也是有害的,因为在成型时水份会妨 碍颗粒的靠近,增加弹性变形并会助长裂纹和层裂。这是由于压制成型时 , 部分水膜从颗粒间的接触处被挤入气孔中,当卸去外压力后,水又重新进入颗 粒之间,将颗粒推开,使成型结束的坯体发生膨胀。因此,从坯体的致密性和 均匀性考虑,在压制成型时,适宜的水份量是极其重要的。 4 、添加剂的作用 在压制成型的粉料中, 尤其是全瘠性粉料中,往往加入一定种类和数量 的添加物,促使成型过程顺利进行,提高坯体的密度和强度,减少密度分布不 均的现象。添加剂有三个主要作用: (1)减少粉料颗粒间及粉料与模壁之摩擦,这种添加剂又称润滑剂; (2)增加粉料颗粒之间的粘结作用,这类添加剂又称粘合剂; (3)促进粉料颗粒吸附,湿润或变形,通常采用表面活性物质。 实际上一种添加剂往往起着几种作用,如石蜡既可粘结粉料颗粒,也可减 少粉料的摩擦力。添加剂和粉料混合后,它吸附颗料表面及模壁上,减少颗粒 表面的粗糙程度,并能使模具润滑,因而可减少颗粒的内,外摩擦,降低成型 时的压力损失,从而提高坯体高度,强度及分布的均匀性。若添加物是表面活 性物质,,则它不仅吸附在粉料颗粒表面上,而且会渗透到颗粒的微孔和微裂 纹中,产生巨大的劈裂应力,促使粉料在低压下便可滑动或碎裂 ,使坯体的 密度和强度得以提高。若加入粘性溶液,将瘠性颗粒粘结在一起,自然可提高 坯体强度。 选择压制成型的添加剂时,希望在产品烧成过程中尽可能烧掉,至少不会 影响产品的性能。添加剂与粉料最好不发生反应。添加剂的分散性要好,少量 使用便能得到良好的效果。 综上所述,影响坯体均匀程度的因素众多,主要可归纳为以下几点: (1)坯体的均匀程度随粉料内、外摩擦系数的降低而增高; (2)坯体的均匀程度随受压面的增大以及坯体厚度和周边长度的减少而提 高,双面压制或四周压制能提高坯体的均匀性; (3)向粉料中引入某些润滑剂,粘结剂和表面活性物质,有利于提高坯体 密度和均匀性; (4)在一定范围内,粉料颗粒较粗,水份较大有利于提高坯体的密度和均 匀性。 四 、干法(半干法)成型坯体缺陷 干法(半干法)成型是耐火材料制品的最主要成型方法,混合和成型操作不 良时,坯体会产生缺陷或成为废品,而且有的缺陷是在干燥或烧成以后才暴露 出来。坯体的某些缺陷是由成型方法或成型机械所造成的。 1、弹性后效和层裂 层裂是指在压制的坯体内部有层状裂纹的缺陷。这常常是成型的主要缺 陷,层裂除了受压制成型中的不均匀性影响之外,还与众多因素有关。一般将 层裂和弹性后效联系起来分析。 坯体被压制时,施加于坯体上的外力被方向相反,大小相等的内部弹性力 所平衡。模具与坯体之间也存在这种力的平衡。当外力取消时,坯体内部的弹 性能 被释放出来,坯体膨胀,粉料坯体释放弹性能的特点是,部分弹性能的 释放(或者说是弹性应变)滞后于压力下降的过程,即在压力取消之后坯体仍有 大的滞后膨胀作用。坯体的这种滞后膨胀作用称为弹性后效。弹性后效在压制 过程中往往是造成废品的直接原因。压力取消后,坯体的横膨胀被压模的侧壁 阻止,因而纵向呈现较大的膨胀,有的坯体纵向膨胀达 1~2%。由于弹性后效 引起的坯体的不均匀膨胀,以及坯体本身性质的不均匀性,往往导致坯体产生 层裂废品。 压制过程中坯体产生层裂,这是一个非常复杂的过程,其影响因素较多且 复杂,如坯体本身的影响(颗粒组成、水份、可塑性等等),操作条件(如压机 结构、加压操作情况等等)。 (1)气相的影响 坯体中的气体在压制过程中大部分被排出,一部分被压 缩,应当强调的是,压制时坯料体积的减少并不等于排出坯料中空气的体积, 因为压制时尚有颗粒的弹性,脆性变形和空气本身的压缩。坯料中的气体,能 够增加物料的弹性变形和弹性后效。 如果压制过程中坯料内的空气末从模内排出,则被压缩在坯体内的空气的 压力是很大的。计算结果表明,这样高的压力实际己超过了砖坯的断裂强度。 所以残留在坯体内的空气是造成坯体层裂的重要原因,在其它条件相同的条件 下,坯 体内的空气量越多,压制时造成层裂的可能性越大,所以,空气若不 能从坯体中排出,则不可能得到优质产品。 坯体内气相数量的多少,也与很多因素有关,如粉料成份,颗粒组成,混 合和压制操作等工艺条件,但是颗粒组成是先决条件,细粉过多的配料易于 产 生层裂 。 (2)水份的影响 在半干压制粉料中水 份太大会引起层裂。因为水份的压 缩性很小,具有弹性,在高的压制压力下,水从颗粒的间隙处被挤入气孔内, 当压力消除后,它又重新进入颗粒之间,使颗粒分离,引起坯体体积膨胀,产 生层裂。总之,在水份过大时,水份是引起层裂的主要原因,在水份小时,弹 性后效是引起层裂的主要原因。 (3)加压次数对层裂的影响 加荷卸荷次数增多,则残余变形逐渐减小, 所以在条件相同的情况下,间断卸荷比一次压制的密度高。 (4)压制时间及压力的影响 在条件相同的情况下,慢慢地增加压力,即 延长加压时间,也能得到类似压缩程度很大的结果。粉料在持续负载的作用下 塑性变形很大。塑性变形的绝对值取决于变形速度,在任一级最终荷重下,缓 慢加荷比快速加荷使坯体具有更大的塑性变形。实践证明,坯体在压力不大但 作用时间长的情况下加压,比大压力一次加压产生的塑性变形大。 (5)其它因素 如粉料颗料间的结合性太差,粉料不均匀,粉料中片状结 构颗粒太多并形成取向结构,模具太粗糙,摩擦力过大,模子安装不当等等也 是造成层裂的原因。 2 、其它缺陷 (1)粉料粘模或冲头 这是细粉料干法压制时常有的缺陷,这常常是细粉 团聚的较粗颗粒,如400 m 的颗粒的水份不均引起的。开始压制时,水份大 的团聚体易被压碎粘在壁上,以后压制中细粉进一步粘到水份较大的己粘结的 位置。 (2)坯体边角强度较低 这也是常见的缺陷,特别是粗颗粒太大,颗粒分 布不均匀,粉料结合性太差以及砖型复杂。装料为合适时更为严重。 (3)表面粗糙 这是压制以后,颗粒间结合不好的一种表现。常常是粉料 不均匀,配比不恰当或装料时偏析和粘模引起的。有时这种缺陷在烧成以后才 明显看到,在表面颗粒周围形成微小裂纹。 (4)坯体尺寸不合格 (5)坯体单重不合格 生产中对以上缺陷必须进行检查和控制。由于缺陷不仅与成型模具和操作 过程有关,而且很多与粉料的性质紧密相关。所以检查和控制通常把粉料性质, 如水份、粒度、堆密度、松散性等与坯体本身的检查结合起来。 五、压制成型机械 干法(或半干法)成型是将含有一定水份的粉状固体颗粒物料装填在刚性 模型内施加压力成型坯体的。完成压制成型工艺的机械是各种形式的压力机。 常用的成型机械有摩擦压砖机,液压压砖机,杠杆式压砖机,转盘式压砖机等, 而使用最广泛的是摩擦压砖机。 1 、摩擦压砖机 摩擦压砖机是用摩擦轮通过丝杆带动滑块作上下往复运动的压砖机。摩擦 压砖机的特点是结构简单,造价低,操作容易,维修方便,成型出的坯体质量 较高,其缺点是生产能力较低,滑块行程不固定,压力不稳定,而且不安全, 对操作工人要求较高。表 6-2 列出了常用的几种摩擦压砖机的主要技术性能。 常用摩擦压砖机的主要技术性能 表 6-2 编号 100t 160t 200t 300t 315t 400t 500t 630t 800t 1000t 公称压力 kN 1000 1600 2000 3000 3150 4000 5000 6300 8000 10000 最大压力 kN 2000 3200 4000 6000 6300 8000 10000 12600 16000 20000 滑块行程 mm 400 550 1000 930 600 750 770 750 800 900 行程次数 次/min 16 15 12.5 14 12 11 10 11 10 9 装模高度 mm 470 610 800 780 780 920 950 1150 1205 1260 工作台尺寸 mm 500×550 570×800 630×1000 700×800 750×800 850×950 900×1120 900×1120 950×1250 960×1250 电机功率 kW 11 15 22 22 22 37 45 55 75 90 2、杠杆压砖机 杠杆压砖机是通过曲轴连杆机构带动冲头上下移动来完成压砖过程的。这 种压砖机采用容积加料方式,由模具的容积控制加料量。加料箱在工作台上作 直线往复运动,在加料的同时,将顶出于工作台面上的坯体推出,然后由取砖 装置或用手工拿走。杠杆压砖机主要用于形状比较简单、尺寸较小的制品成型。 杠杆压砖机的优点是生产能力高,操作简单,维护费用低,因冲头行程是固定 的,故可制得尺寸较为稳定的产品。该机的缺点是加压制度难以调节,由于加 料不准,砖坯单重波动较大。目前对杠杆压砖机进行以下几个方面的改进,一 是提高压力,以适应尺寸较大制品的成型需要;二是采用基本上等压力的双面 加压,以改善砖坯密度的均匀性;三是防止加料偏析的各种措施,因为该机是 采用机械法加料,容易造成粉料的偏析。 3 、液压压砖机 通过液压缸内液体的压力来驱动冲头上下移动的压砖机称为液压压砖机。 根据所用液体不同,又可分为水压机和油压机两大类。 液压机的特点是成型压力比摩擦压砖机大,加压时静压有利于坯体中气体 的排出和密度的均匀,而且液压机比摩擦压砖机更易于实现自动化。但液压机 的构造复杂,制造技术要求较高,而且日常维护比较困难。液压压砖机一般用 于密度,强度等指标要求较高的制品的成型 ,如生产高档炉衬砖。 六、压制成型模具 模具是影响压制成型制品质量、产量及成本的很重要的一环,模具设计的 好坏将决定成型的质量。在实际生产中,虽然模具是由产品的外形来决定的, 但常常由于产品外形的不合理,决定了模具设计得不合理,致使影响成型质量, 因此有时宁可对产品的外形作一些修改,使模具设计得合理些。一个合理的模 具设计,应遵循如下几个原则:要便于粉料充满和移动,脱模要方便,结构简 单,设有透气孔,装卸方便,壁厚均匀,材料要节约等。在模具加工中应注意 尺寸准确,配合精密,工作面要光滑等要求。 模具所用材料可分为两大类:一类是普通材料,主要包括变质铸铁,A3 钢,低碳钢,45 号钢;另一类是高性能材料,如各种工具钢,超高碳钢,硬 质合金等。目前的新模具材料也很多,但没有广泛推广,仅个别厂家使用。常 用模具材料的概况见表 6-3。 模具损坏的主要原因之一是磨损。加压时,硬度较大的尖角状颗粒因点接 触粘着或相互嵌入而引起模板的严重磨损,致使模板表面过快出现“凹痕”和 “波形槽”, 随着这些“疲坑”和“波形槽”的不断扩大,模板的磨损越来 越严重。 为了适应模具高效率,高精度加工,延长模具工作寿命等要求,目前模具 技术的新发展主要在以下几个方面:模具的加工机械;模具新材料及热处理新 技术的开发;CAD/CAM(计算机辅助设计/计算机辅助制造)。 项目 主要用途 热处理方法 硬度要求 磨损方式 报废形式 修复方法 普通碳素钢 常用模具材料概况 表 6-3 变质铸铁 各种模型、大截面模芯 铸后 760~840℃退火 HRC45~50 颗粒磨损 磨损超差或出砖困难 机械加工 A3 及低碳钢 模型、上下垫板、上下 盖板、芯棒 渗碳淬火,C-N 或 C-N-B 共渗 HRC60 以上 颗粒、粘着磨损 磨损超差、崩边 焊补、退火后加工 45 号钢 模型、芯棒 渗碳或直接淬火 处理后 HRC60 以上 颗粒磨损 磨损超差或出砖困难 退火后加工 第二节 等静压成型 等静压成型是一种特殊的压制成型方法,它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。即处于高压容器中的试样所受到的压力如同 处于同一深度的静水中所受到的压力情况,而称之为等静压。等静压成型是近 几十年发展起来的新的成型方法。它从三十年代开始应用于实际生产中,五十 年代以后,由于对成型质量的要求愈来愈高,也由于高压设备和高压元件技术 的发展,等静压技术发展很快,在陶瓷、粉末冶金、塑料和其它工业中获得广 泛应用。等静压成型可用于压制一般成型法难于成型的形状复杂的大件及细长 形的制品,如长水 口,浸入式水口,风口砖,整体塞棒等。 近年来,在一般的等静压成型的基础上又开发出了热等静压和爆炸等压成 型技术。热等静压主要用于超硬材料和难烧结材料,一般是烧结与成型同时完 成。另外,热等静压还用于烧结制品的再致密化,接合,消除制品内部缺陷等。 热等静压可以改善制品的机械性能,减小性能波动,降低坯体烧结温度,而且 容易控制材料的显微结构。 爆炸等静压是将爆炸产生的高压冲击波作用于液体介质,同时加压于模 体,使混合料在各个方向同时均匀受压。爆炸等静压成型的特点是:装置简单, 不带附属的高压系统,爆炸产生的压力高,成型时间短,成型体的密度高,硬 度大。 一、等静压成型原理和特点 等静压成型与干法成型相似,也是利用压力将粉料在模型中压制成型。但 等静压成型的压力不象干法成型那样只局限于一二个受压面,而是在模型的各 个方向上都施于均匀的压力,很显然,这种成型方法要比干法成型优越,可以 消除干压成型中一些很难克服的弱点,提高制品的成型质量。 利用了液体或气体能均匀地向各个方向传递压力的特征,等静压成型就是 利用这个特性来实现均匀受压成型的。等静压成型的过程可叙述如下:将粉料 装入一只有弹性的模具内,密封,然后将模具连同粉料一起放在具有液体或气 体的高压容器中去。封闭后,用泵对气体或液体进行加压,通过气体或液体能 均匀传递压力的特点,弹性模就受到均匀的压力并传递给粉料,使粉料被压成 为与模型相似的压实物,但其尺寸要比模型小一些,受压完毕后,慢慢减压, 就可以在模具中取出坯体。等静压成型的过程如图 6-15。 从干压成型的原理可知,等静压成型与干压成型的最主要差别在于: (1)压力是由各个侧面同时进行的,因此粉料颗粒的受压运动也不是一个 方向,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减少了, 消耗在粉料颗粒运动时的摩擦功相应地减少了,提高了压制效率。 (2)由于粉料内部和外部介质中的压强是相等的,因此在粉料中可能包含 的空气无法排出,而被挤压在粉料颗粒之间,这就影响到压力和体积的关系, 限制了进一步增大压力来压实粉料,故在生产中,如要得到密度大的坯体,有 必要排除装模后粉料中的少量空气。 从等静压的特点可以看出,其优点表现在: (1)与施加压强大致相同的其它压制成型相比,等静压可以得到较高的生 坯密度。同时生坯密度在各个方向上都比较均匀,不会因尺寸大小及形状的不 同而有很大的变化。反之也说明对于同一坯料,要过到同样的生坯密度,等静 压方法所需的压强要低。 (2) 等静压不会在压制过程中使生坯内部都产生很大的应力。由于等静压 的压强方向差别不如其它压制成型那样大,同时,粉料颗粒间和颗粒与模型间 的摩擦作用显著地减少,故等静压成型时,生坯中产生应力的现象是很少出现 的。 (3)采用等静压成型的生坯强度较高,同时生坯的内部结构也是均匀的, 不会象挤压成型所造成的颗粒有规则的排列。 (4) 可以采用较干的粉料进行成型,也不必或很少使用粘结剂或润滑剂。 这对于减少干燥收缩和烧成收缩是有利的。 (5)对制品的尺寸和尺寸之间的比例没有很大的限制,并且对制品形状的 限制也较宽。 图 6-15 等静压成型过程 1—待成型粉料;2—将的弹性的软模用粉料装满;3—把模子关上并封严; 4—把模子放到施压容器的施压介质中;5—施压;6—减压之后得到毛坯 二、等静压的分类与操作过程 等静压成型根据使用的模具不同可以分为二类:一类为湿袋等静压法;另 一类为干袋等静压法。 湿袋等静压结构如图 6-16 所示。它所采用的有弹性的模子是一只与施压 容器无关的元件。弹性模具先装满粉料,密封后,放入高压容器中,模具与加 压的液体直接接触。施压容器中可以同时放入几个模具。其特点是模具处于高 压液体中,各方受压。这种方法用得比较普遍,主要适用于成型多品种,形状 较复杂,产量小和大型的制品。但操作较费时。 干袋等静压是在高压容器封紧一个加压橡皮袋,其结构如图 6-17 所示。 加料后的模具送入此橡皮袋中加压,成型后又从橡皮袋中退出脱模。也有的将 弹性模具直接固定在高压施压容器内,加料后封紧模具就可升压成型。干袋等 静压法的模具可不与液体接触,或减少了模具的移动,这样就可以减少或取消 在施压容器中取放模具的时间,加快了成型过程。但这种方法只是在粉料周围 受压,模具的顶部或底部无法受压,而且密封较难。它适用于成批生产,特别 是对于如管子,圆柱等形状的产品。 图 6-16 湿袋法 图 6-17 干袋法 另外,根据工作温度还可分为:常温液体等静压,中温液体等静压和高温 (气体介质)等静压。典型的湿袋等静压成型具体的操作过程为:粉料称量 固 定好模具形状 装料 排气 把模具封严 将模具放入被压容器内 把高压 容器盖紧 关紧高压容器各支管 施压 (保压) 降压 打开高压容器的支 管 打开高压容器的盖 取出模具 把压实坯体抽出。对于干袋等静压法,则 操作过程可以省略一些,有的操作可合为一个过程。 下面重点介绍几个主要的操作过程: 1、备料 制备等静压粉料的过程与干压法相似。对于无塑性的粉料颗粒要求细一些 (20 m 以下),粉料的含水量可为 1~4%。水份太多,不易排出空气,并易产生 分层。采用喷雾干燥的颗粒是较好的,它易于均匀填满模具内。 2、装料 把粉料装入模具中时,一般不易填满,尤其是形状复杂,有凸凹较多的模 型,所以一般采用振动加料,有时还一边振动一边抽真空,效果更好。粉料紧 后,把模具封严,封处涂上清漆,放入高压容器中。 3、加压 耐火材料一般加压可为 98~137MPa。如果提高压力能使粉料颗粒断裂或颗 粒位移,则会增加生坯的致密度和烧结性。但等静压设备费用随压力提高而增 加,超过产品的要求而去提高压力的等级是不经济的。 4、降压 装在模具内的粉料,在高压容器内受压时,残余空气的体积被压缩(1000 大气压下,空气体积会减小到原来体积的 0.2%),它只占据颗粒之间的空间。 成型后要避免突然降压,否则生坯内外气压不平稳会使坯体碎裂,所以要均匀 缓慢地降压。 三、等静压成型的产要设备 等静压成型的产要设备有高压容器,高压泵,控制元件和弹性模具等 。 高压容器是成型的工作室,最简单的外形为封底的圆筒状,上盖密封塞由 压紧螺母压紧,用橡皮圈密封。在较低的压力下可由优质高强度钢制造,可为 单层筒体结构。若使用压力较高时,筒体必须用多层筒体结构。筒体下面有高 压液体入口,上盖密封塞上留有一排气孔,用小螺钉封闭。 高压泵是供给高压液体用的,产生压力一般要求大于 98MPa 。压力在 98~980MPa 的高压泵一般为柱塞泵。若无高压泵时,也可用手动泵作为压力来 源,并用压力倍增器来再增大压力。 弹性模具:模具的材料要求能均匀伸长展开,不易撕裂,不能太硬,能耐 液体介质的侵蚀。一般常用的模具材料为橡胶,如天然橡胶,氯丁二橡胶,硅 橡胶等。由于橡胶制作复杂模具较困难,而且橡胶受高压后容易变形,成本高, 近年也多采用塑料模具。弹性模具还需要一些辅助工具配套,如模具的支撑, 抽真空装置,密封夹紧装置等。 确定模具尺寸时,还需要考虑到粉料的压缩比,压缩比是指粉料振动装模 后所占的体积与成型后生坯体积之比。根据压缩比可估计成形前模具的尺寸。 施压介质一般采用加防腐剂的水,甘油,刹车油,锭子油等。 等静压成型除在工艺上的优点外,在设备方面与干压法相比其优点还表现 在: (1)便于采用组合模具,来适合复杂产品的成型 ; (2)同样的生产能力,等静压设备的投资是较低的; (3)设备体积小,占地面积小,建造成本低; (4)模具成本较低,复制模具方便; (5)便于实现自动化。 第三节 注浆成型 选择适当的反絮凝剂和悬浮液,将粉状原料制成泥浆,浇注到吸水性的模 型(一般常用石膏模)中吸去水份,泥浆即干涸成模型状坯体,该法即为注浆成 型法。注浆成型适用于形状复杂、不规则的、薄的、体积较大且尺寸要求不严 的中空高级耐火制品和特种耐火制品,如热电偶套,高温炉管,坩埚,连铸用 熔融石英水口等。 注浆成型后的坯体结构均匀,但其含水量大,且不均匀,干燥与烧成收缩 也较大。由于注浆成型方法的适应性大,生产时只要有多孔性模型(一般为石 膏模)就可以生产,不需专用设备,也不拘于生产量的大小,投产容易上马快; 但生产时间长,手工操作多,占地面积大,模型用量大。 一、注浆成型工艺过程 注浆成型可以分为两个工艺阶段: 1、泥浆制备 把粉状原料,按其原料种类,采用酸性的或碱性的水溶液或酒精溶液调制 成一可浇注的悬浊液。有时添加有机保护剂,使得这种假胶体系统不离析。原 料粉末的细度和种类,液体的数量和化学性质以及添加物的数量必须相互配 合,使之能形成一种含固体材料尽量多的,流动性好的泥浆。由于影响泥浆流 变性能的物理、化学因素众多,很多问题只能通过实验来解决。 2、浇注成型 将泥浆浇注到一透气的、多毛细孔的、有坯体尺寸外型的模型中(多数是 石膏),类似于一过滤过程,固体材料在模型/泥浆界面上富集,形成生坯。 二、注浆成型对浆料性能的要求 注浆成型是基于能流动的泥浆和能吸水的模型来进行成形的,为了使成形 顺利进行并获得高质量的坯体,必须对注浆成型的泥浆的性能有所要求,其基 本要求如下: 1、流动性能要好。即粘度小,以得于料浆能充满模型的各个角落。 2、稳定性要好。即料浆能长期稳定,不易沉淀和分层。 3、触变性要好。即料浆注过一段时间后,粘度变化不大,脱模后的坯体 不会受轻微的外力的影响而变软,有利于保持坯体的形状。 4、含水量尽可能小。即在保证流动性的情况下,含水量尽可能小,可以 减少成型时间和干燥收缩,减少坯体的变形和开裂。 5、渗透性要好。即料浆中的水份容易透过形成的坯层,能不断被模型吸 收,使泥层不断增厚 6、脱模性要好。即形成的坯体容易从模型上脱离,且不与模型发生反应。 7、料浆应尽可能不含气泡。可以通过真空处理来达到此目的。 三、影响料浆流动性的因素 在实际生产中,注浆成型的泥浆应具有一定的流动性和稳定性才能满足成 型的要求。 1、固相的含量、颗粒大小和形状的影响 泥浆流动的来自三个方面:水分子本身的相互吸引力;固相颗粒与水分子 之间的吸引力;固相颗粒相对移动时的碰撞阻力。 若用经验公式表示可写为: = 0(1-c)+k1cn+k2cm 式中 —泥浆粘度 0—液体介质粘度 c—泥浆中固相浓度 m、k1、k2—常数 低浓度泥浆中固相颗粒少,即上式中第三项及第二项小,而第一项 0(1 -c)较大,就是说泥浆粘度由液体本身粘度所决定。在高浓度泥浆中固相颗 粒多,上式中第一项小,而第二、三项较大,即泥浆粘度主要决定于固相颗粒 移动时和碰撞阻力。固相颗粒增多必然会降低泥浆的流动性,由于增多泥浆中 的水份带来许多的不利(加大收缩、降低强度、减缓吸浆速度……),所以生 产中并不用这种方法来改善泥浆流动性。 一定浓度的泥浆中,固相颗粒越细,颗粒间的平均距离越小,吸引力增大, 位移时所需克服的阻力增大,流动性减小。此外,由于水有偶极性和胶体粒子 带有电荷,每个颗粒周围都形成水化膜,固相颗粒所呈现出的体积比真实体积 大得多,因而阻碍泥浆的流动。 泥浆流动时,固相颗粒既有平移又有旋转运动。当颗粒形状不同时,对流 动产生的阻力必然不同。对于体积相同的固相颗粒来说,等轴颗粒产生的阻力 最小。 下列反映颗粒形状与悬浮液粘度关系的经验公式,适用于惰性介质配制的 稀悬浮液。 式中 = 0(1-KV) —悬浮液粘度 0—液体介质粘度 V—悬浮液中固相体积百分数 K—形状系数 颗粒形状 球形 椭圆形长轴 /短轴=4 层片状长/ 厚=12.5 棒状况 20 ×6×3 形状系数 2.5 4.8 53 80 颗粒形状愈不规则,形状系数愈大则愈会提高悬浮液的阻力,降低其流 动性。 2、泥浆温度的影响 将泥浆加热时,分散介质(水)的粘度下降,泥浆粘度也因而下降。下面 列出工厂的实验结果。 泥浆温度与流动关系 泥浆温度℃ 11.5 17.0 27 38 42 55 流动性 秒 151 140 102 79 66 56 提高泥浆温度除增大流动性外,还可以加速泥浆脱水,增加坯体强度。所 以生产中有采用热模热浆进行浇注的方法。若泥浆温度为 35~40℃,模型温度 为 35℃左右,则吸浆时间可缩短一半,脱模时间也相应缩短。 3、泥浆的 PH 值的影响 瘠性泥浆容易沉聚下来,因而控制这类泥浆的流动性和稳定性更显得重 要。提高瘠性泥浆的流动性的方法通常有二种:控制泥浆的 PH 值;加入有机 胶体或表面活性物质作稀释剂。 瘠性泥浆中的原料多为两性物质。这类物质在酸性和碱性介质中都能胶 溶,但离解的过程不同,形成的胶团构造也不同。泥浆的 PH 值改变时,会改 变胶粒表面作用力和影响 电位,因而使泥浆在一定范围内粘度下降。 4、电解质的作用 泥浆中加入适当的电解质是改善其流动性的一个主要方法。电解质之所以 能产生稀释作用在于它能改变泥浆中的双电层的厚度和 电位。 用作稀释剂的电解质所必须具备的条件是: 1、具有水化能力大的一价阳离子,如 Na+; 2、能直接离解或水解而提供 OH-,使分散系统呈碱性; 生产中常用的稀释剂可分为三类。 1、无机电解质 如水玻璃、碳酸钠、磷酸钠、六偏磷酸钠等。 2、能生成保护胶体的有机酸盐类 如腐植酸钠、单宁酸钠、柠檬酸钠、 松香皂类。 3、聚合电解质 如聚丙烯酸盐、羟甲基纤维素、木质素磺酸盐、阿拉伯 树胶等。 四、注浆成型机理 注浆成型是基于石膏模子能迅速吸收水份的特征。其成型过程的机理在理 论上并不完全清楚。但一般认为这个过程基本上可分成几个阶段。 最初阶段是从模子吸水开始到形成薄泥层为止。在这个阶段中成形的动力 是模子的毛细管力,即模型由毛细管力的作用开始吸水,使靠近模壁的泥浆中 的水,溶于水的溶质质点及小于微米级的坯料颗粒被吸入模子内的毛细管中。 由于水份被吸走,使泥浆中的颗粒互相靠近,靠模型对颗粒、颗粒对颗粒的范 德华力吸附力而靠近模壁,形成最初的薄泥层。另外,也有研究者指,在最初 阶段,石膏模中的 Ca++离子与泥浆中的 Na+离子进行交换,从而也促使了泥浆 凝固成泥层。 在形成薄泥层后,泥层逐渐增厚,直至达到形成注件为第二阶段。在这个 阶段中,模子的毛细管力继续吸水,薄泥层继续脱水,同时,泥浆内的水份向 薄泥层扩散,通过泥层被吸入模子的毛细管中,其扩散动力为水份的浓度差和 压力差,泥层犹如一个滤网,随着泥层逐渐增厚,水份扩散的阻力也逐渐增大。 当泥层增厚到所要求的注件厚度时,把余浆倒出,形成了雏坯。 雏坯形成后到脱模为收缩脱模阶段。雏坯形成后,由于模子继续吸水和雏 坯的表面水开始蒸发,雏坯开始收缩,与模型脱离形成生坯,有了一定的强度 就可以脱模。 在生产中我们一般要求注浆成型的时间要尽量缩短。从注浆过程中可知, 成坯时间的长短是与泥层的形成速度有关。从实验中得出,泥层(坯体)形成 的厚度与成型时间的平方根成比例。泥层的形成速度则主要取决于泥浆中水在 泥层中的渗滤速度。影响渗滤速度的因素很多,从上述的注浆过程的机理来分 析,影响渗滤速度的因素为:泥层两边的压力差;泥层的孔隙率和孔隙的形状, 泥料颗粒的比表面,水的粘度,比重和泥层的厚度等。其中泥层两边的压力差 主要取决于模型的毛细管力(即吸水能力)和泥浆的压力。泥层的孔隙率,孔 隙形状,泥料颗粒的比表面等则取决于泥浆的组成,颗粒大小,级配和稀释剂。 因此,要改变注浆的成型时间,即泥层的形成速度可从下列几方面来调节: 1、泥浆的性质 对于泥浆来说,泥浆中细颗粒的含量多,解胶完全则不 利于泥层的快速形成。因此,可以通过调整泥浆的可塑性原料的用量,调整电 解质的用量,采用一些絮凝剂,强化剂等,可以调节注浆的成型时间。 2、可以通过控制模子的吸水能力来调节注浆成型的时间。实践指出,坯 体的形成速度与模子的吸水能力(一般以模子的扩散系数来表示)之间的关系 不是呈直线关系,而有一个极度大值,从图可以看出,当模子的吸水能力过小, 当然坯体的形成速度会慢些。而模子的吸水能力过大,也会使坯体的形成速度 降低。其原因是过大的吸水能力,使最初形成的薄泥层比较致密,从而降低了 水份的渗滤速度,使坯体形成速度减慢。只有模子具有适当的吸水能力时,才 能有最大的坯体形成速度。由于在实际使用中的模子的扩散系数通常都比有最 大的坯体形成速度时的扩散系数为大,即在图中曲线中的下降部分 。因此, 为了缩短坯体的成型时间,可以采取适当减小模子的扩散系数来实现。至于模 子的扩散系数的减小或增大,是由模子的制造工艺来决定的。 3、可以采用增大泥层两边的压力差来达到缩短成型时间。在生产中正是 采用了增大泥浆压力或减少泥层一边的压力等方法来缩短成型时间,这就是生 产中采用压力注浆,真空注浆和离心注浆等方法的原因。 4、亦可采用减小水的粘度或比重的方法来提高水的渗滤速度而缩短成型 的时间,生产中常用提高泥浆温度的方法来缩短注浆成型的时间。 上述的几个强化注浆成型的方法,往往不是仅使注浆成型时间缩短,而且 也能改善生坯一些性质,如致密度的提高,收缩降低等。 图 6-18 坯体重量与石膏模型的扩散系数 Dg 的关系 五、注浆成型的方法 1、基本注浆方法 最基本的注浆方法有两种,即空心注浆和实心注浆。 (1)空心注浆法 这种方法是将泥浆注入模型中,侍泥浆在模型中停留一段时间而形成所需 的注件后,倒出多余的泥浆。随后带模干燥,侍注件干燥收缩脱离模子后,就 可取出。它适合浇注小型薄壁的产品,如图 6-19 所示。用这种方法注出的坯 件,由于泥浆与模型的接触只有一个面(亦称单面注浆),因此,注件的外型 取决于模型的工作面的开头,而内表面与内表面基本相似。坯体的厚度只取决 于在操作时泥浆在模型是停留的时间。坯体的厚度较均匀。若需加厚底部尺寸 时,可采用二次注浆,即先在底部注浆,侍稍干后全部注浆,这样可加厚底部 尺寸。 图 6-19 空心注浆成型 图 6-20 实心注浆成型 空心注浆用的泥浆,其比重一般在 1.65~1.80 之间,同时应具有较好的流 动性和稳定性。 (2)实心注浆 是将泥浆注入两石膏模面之间(模型与模芯)的空穴中,泥浆被模型与模 芯的工作面两面吸水,由于泥浆中的水份不断被吸收而形成坯泥,注入的泥浆 量就会不断减少,因此,注浆时必须陆续补充泥浆,直到空穴中的泥浆全部变 成坯时为止。显然,坯全厚度由模型与模芯之间的空穴尺寸来决定的,因此, 它没有多余的料浆被倒出。如图 6-20 所示,这种方法适合于厚胎大件制品的 浇注。 实心注浆所用的泥浆的稠度较大,比重一般在 1.8 以上。浓稠的泥浆因有 触变现象,在浇注前应进行强烈的机械搅拌,使其呈现流动性,浇注后静置一 段时间即可固结,所以,使用的石膏模并不需要很大的吸水性。实心浇注操作 时,为了得到致密的坯体,当泥浆注入模型后,必须振荡几下,使气泡逸出, 直至泥浆注满为止。另外,必须预留放出空气的通路。 2、加速注浆的方法 为了缩短吸浆时间,提高浇注坯体的质量,常采用下列几种注浆方法: (1)压力注浆 一般增大泥浆压力的方法是提高浆桶的高度,利用泥浆本身的重力从模型 底部进浆,也可用压缩空气将泥浆注入模型内。采用压力注浆时,得到以下效 果: 压力注浆可以缩短吸浆时间; 压力注浆可以减少坯体的干燥收缩; 压力注浆可降低坯体脱模后留存的水份。 (2)离心注浆 在模型旋转运动的情况下,将泥浆注入模型中。由于 离心力的作用泥浆 紧靠模壁脱水后形成坯体。浆料中的气泡较轻,在模型旋转时,多集中在中部, 最后破裂消失。如图 6-21 所示。这种方法得到的坯体厚度较均匀,变形较少。 模型的转数应根据产品的大小而定。大件产品的转数要低些,以免不稳定。若 转数较小,则会出现泥纹。一般转数在 100 转/分以下。离心注浆时,泥浆中 固体颗粒的尺寸相差不能太大,否则粗颗粒会集中在坯体内部,细颗粒易于集 中在模型表面,造成组织不均,收缩不匀。 3、真空注浆 一种方式是在石膏模外面抽真空,增大模型内外压力差;另一种是在真空 室中全部处一负压下注浆,都可以加速坯体形成。如图 6-22 所示。真空注浆 还可以减少气孔和针眼,提高坯体强度。但操作时要缓慢抽真空和缓慢进气, 模型要加固。 图 6-21 离心浇注示意图 图 6-22 真空处理泥浆的装置 六、热压注浆法 热压注浆法是注浆法的一种,但与前面的注浆法不同。热压注浆法一般以 有机结合剂作为分散介质,以硅酸盐矿物粉末为分散相,在一定温度(70~85 ℃)下,配制成料浆,然后在金属模型中成型制品,这种方法适用于生产形状 复杂,具有特殊要求的小件制品,还适用于生产可塑性小的材料。 1、料浆的制备 此工序的目的是为了将准备好的粉料加入到以石蜡为主的结合剂中制成 蜡板以备成型用。将石蜡(按配比)称取一定量(一般为 12.5~13.5%)后加 热熔化成蜡液,同时将称好的粉料在烘箱内烘干,使含水量不大于 0.2%。这 是因为粉料中含水时大于 1%时,水会阻碍粉料与石蜡完全浸润,粘度增大 , 难以成型。另外在加热时,水份会形成小气泡分散在料浆之中,使烧结后的制 品形成封闭气孔,性能变坏。 制备蜡浆时,在粉料中加入少量表面活性剂(一般为 0.4~0.8%),如蜂蜡 等,可以减少石蜡的含量,改善成型性能等。 具体混料方式有两种:一种是将蜡浆加热使之熔化,然后将粉料倒入,一 边加热,一边搅拌;一种是将粉料加热后倒入石蜡溶液,一边加一边搅拌。制 备蜡浆可以在回转炉中进行,如图 6-23 和图 6-24 所示。然后将料浆倒入容器 中,凝固后制成蜡板,以备成型之用。 图 2-23 快速和蜡机 2、热压注浆的工作原理 图 2-24 慢速和蜡机 目前,生产上使用的热压铸机,一般有两种类型,一种是手动式,一种是 自动式,但其原理基本相同。 其工作原理是将配制成的料浆蜡板放置在热压铸机筒内,加热至一定温度 熔化,在压缩空气的驱动下,将筒内的料浆通过吸铸口压入模腔,根据产品的 形状和大小保持一定时间后,去掉压力,料浆在模腔中冷却成型,然后脱模, 取出坯体,有的还可进行加工处理,或车削或打孔。 3、高温排蜡 热压铸形成的坯体在烧成之前,先要经过排蜡处理。否则由于石蜡在高温 熔化流失,挥发,燃烧,坯体将失去粘结而解体,不能保持其形态。 排蜡是将坯体埋入疏松,惰性的保护物料中,这种保护物料又称为吸附剂, 它在高温下稳定,又不易与坯体粘结,一般采用工业 Al2O3 粉料。在升温过程 中,石蜡虽然会熔化,扩散,但有吸附剂支持着坯体。当温度继续升高,石蜡 挥发,燃烧完全,而坯体中粉料之间也有一定的强度。通常排蜡温度为 900~1100℃左右, 视坯体性质而定。若温度太低,粉料之间无一定的烧结出现,不具有一定 的机械强度,坯体松散,无法进行后续的工序,若温度偏高,直至完全烧结, 则会出现严重的粘结,难于清理坯体的表面。 排蜡后的坯体要清理表面的吸附剂 ,然后再进行烧结。 4、热压浇注成型的优缺点 热压铸成型设备简单,操作方便,劳动强度不大,生产效率较高,模具磨 损小,寿命长,但是工序比较复杂,耗能大(需要多次烧成),工期长,对于 壁薄的大而长的制品,由于不易充落模腔而不太适宜。 第四节 可塑法成型 可塑法成型是利用泥料加水后具有可塑性,在外力作用下能产生塑性变形 而制成一定形状和大小的坯体。可塑法成型多用来制备大型制品,根据成型操 作的不同,可用手工成型,半机械(如夹板锤)或机压成型。可塑法所用泥料 的水份,一般在 16%以上。 一、可塑泥料的流变性特征 可塑泥料是由固相,液相,气相组成的塑性-粘性系统。当它受应力作用 而发生变形时,即有弹性性质,又出现塑性变形阶段 (图 6-25)。当应力很 小时,含水时一定的泥料受到应力 的作用产生形变 ,二者呈直线关系(泥 料的弹性模量 E 不变),而且是可逆的。这种弹性变形主要是由于泥料中含有 小量空气和有机塑化剂,它们具有弹性,而且同时由于粘土粒子表面形成水化 膜所致。若应力增大超过极限应力 y,则出现不可逆的假塑性变形。 由弹性变形过渡到假塑性变形的极限应力 y 称为流动极限(或称流限, 屈服值)。此值随泥料中水份增加而降低。达到流限后,应力增加引起更大的 变形速率,这时弹性模量减小。若除去泥料中受到的应力,则会部分回复到原 来的状态(用 y 表示),剩下的不可逆形变部分 n 叫假塑性变形,这是由于 泥料中矿物颗粒产生相对位移所致。若应力超过强度极限 p,则泥料会开裂 破坏。破坏时的变形值 p 和应力 p 的大小取决于所加应力的速度和应力扩散 的速度。在快速加压和应力容易消除的情况下,则 p 和 p 值会较低 图 6-25 粘土泥团的流变曲线 某种粘土的流变性 成型时希望泥料能长期维持塑性状态。这涉及到加压方式与变形的关系。 当压力是一定并很快加到泥料上时,比较容易出现弹性变形,而不可逆的假塑 性变形值较小。所以要使泥料形成所要求的形状,成型的压力应该陆续,多次 加到泥料上。此外,泥料受力作用而变形后,若维持其变形量不变,应力却会 逐渐消失。也就是说,贮存在已经变形的泥料中的能量会转化为热能而逐渐消 失。这种应力降低到一定数值时所需的时间叫做松驰期。如果成型时泥料受压 的时间比其松驰期短得多,则在应力作用期间内,泥料来不及变形又回复为原 状,成为弹性体。若延长加压时间,并且远远超过其松驰期,则泥料呈塑性变 形,长期保持变形后的形状。 可塑坯料的流变性质中,有两个参数对成型过程有实际意义。一个是泥料 开始假塑性变形时须加的应力,即其屈服值;另一个是出现裂纹前的最大变形 量。成型性能好的泥料应该有一个足够高的屈服值,以防偶然的外力产生变形; 而且应该有足够大的变形量,使得成型过程中不致出现裂纹。但这两个参数并 不是孤立的。从图 6-26 可见,改变粘土泥料的含水量可改善一个流变特征, 但同时却会降低另一个特征。一般可近似地用屈服值和最大变形量的乘积评价 泥料的成型性能。对于某种泥料来说,在合适的水份下,这个乘积可达到最大 值,也就具有最好的成型能力。 不同的可塑成型方法对泥料流变性的上述两个参数的要求是不同的。在挤 压成型时,要求泥料的屈服值大些,使坯体形状稳定。对泥料开裂前的最大变 形量来说,手工成型的泥料可以小些,因为工人可根据泥料的特性来适应它。 机械成型时则要求变形量要大些,以降低废品率。 二、影响泥料可塑性的因素 1、粘土矿物结构的影响 含粘土的泥料其可塑性与粘土矿物种类有很大的关系。如高岭土和膨润土 的塑性相差很大。高岭土的层状结构中,每层的边缘处为 O2-与 OH-,层与层之 间有氢键的作用力,水不易进入二层之间,毛细管力也小,所以高岭土的塑性 较低。而蒙脱石晶层最边缘处为 O2-,层与层之间是通过范德华力来联接。这 种键力较弱,吸附力强,水分子进入晶层之间,形成水膜,产生大的毛细管力, 因而膨润土的可塑性强。 2、吸附阳离子的影响 粘土胶团间的吸引力影响着粘土泥料的可塑性。而吸引力的大小决定于阳 离子交换的能力及交换阳离子的大小与电荷。阳离子交换能力强的原料一方面 可使粒子表面带有水膜,同时由于粒子表面带有电荷,不致聚集。此外,比表 面增加会促使原料的阳离子交换能力增强,这也是细粒原料可塑性好的原因。 从电荷的大小来考虑,三价阳离子的价数高,它和带负电荷的胶粒吸引力相当 大,大部分进入胶团的吸附层中,整个胶粒的净电荷低,因而使斥力减小,引 力增大,使粘土可塑性增大。对可塑性影响二价阳离子较小,一价阳离子最小。 3、固相颗粒大小和形状的影响 泥料的可塑性和粘土颗粒大小的关系 可归纳如下:颗粒愈粗,呈现最大 塑性所需要的水份愈少,最大可塑性也愈低;颗粒愈细,比表面愈大,每个颗 粒表面形成水膜所需的水份也就愈多。此外,由细颗粒堆积而形成的毛细管半 径越小,产生的毛细管力越大,可塑性越高。 不同形状颗粒的比表面是不同的,因而对可塑性的影响也有差异。根据计 算,板状,短柱状颗粒的比表面较球状和立方体颗粒的比表面大得多。前二种 颗粒易于形成面与面的接触,形成的毛细节管的半径小,而毛细管力较大,而 且它们的对称性低,移动时阻力大,促使泥料的可塑性增大 。 4、分散介质的影响 泥料中最常用的分散介质是水。泥料中水份适当时才能呈现最大的可塑 性。一般地说,包围各个粒子的水膜厚度为 0.2 微米时,泥料会呈现最大的可 塑性。 液体介质的粘度,表面张力对泥料的可塑性有显著的影响。图 6-27 说明 表面张力大的介质必定增大泥料的塑性。同样,高粘度的液体介质(如羟甲基 纤维素,聚乙烯醇和糊精的水溶液,桐油等)也会提高泥料的塑性。这是由于 这些有机物质粘附在泥料颗粒的表面,形成粘性薄膜,相互间的作用力增大, 再加上高分子化合物为长链状,阻碍泥料颗相对移动。 图 6-27 液体介质的表面张力 对坯体可塑性的影响 图 6-28 挤坯机机头尺寸 三、挤压成型 采用挤压成型时,可塑泥料被挤压机的螺旋或活塞挤压向前,经过机嘴出 来达到要求的形状。各种管状产品,柱状或断面形状规则的产品都可用挤压法 成型。坯体的外形由挤压机机头的内部形状决定,坯体的长度根据需要进行切 割。挤压成型法操作易于实现自动化,可连续生产,效率高,但机嘴结构复杂, 加工精度要求高;由于泥料结合剂和溶剂较多,因此坯体在干燥和烧成时收缩 较大,性能受到影响。 1、挤压的压力 挤制的压力过小时,要求泥料水份较多才以顺利挤出。这样得到的坯体强 度低,收缩大。若压力过大,则摩擦阻力过大,加重设备负荷。挤制压力主要 取决于机头喇叭口的锥度。(见图 6-28)如果锥度 过小,则挤出泥段或坯 体不紧密,强度低。如果锥角过大,则阻力大,为了克服阻力使泥料前进需要 更大推力,设备的负荷加重,甚至泥料向相反方向退回。根据实践经验,挤制 的坯体的直径越大,锥角也就越大。影响挤制压力的另一个因素是挤嘴出口直 径 d 和机筒直径 D 之比。比值越小则对泥料挤制的压力越大。一般比值在 1/ 1.6~1/2 范围内。为了使挤出的泥段或坯体表面光滑,质量均匀,机嘴出口处 有一段定型带,其长度 L 根据机嘴出口直径 d 而定,一般 L=2~2.5d。若此带 过短,则挤出的泥段会产生弹性变形,导致出现横向裂纹,且挤出的泥段容易 摆动;若此带过长,则内应力增加,容易出现纵向裂纹。 2、挤出速率 当挤制压力固定时,挤制速率主要取决于主轴转数和加料快慢。出料太快 时,由于弹性后效,坯体容易变形。 3、泥料的要求 挤制泥料中的粉料的细度要细,颗粒的外形圆润;溶剂,增塑剂,粘结剂 等的用量要适当,同时必须使泥料高度均匀,否则挤出的坯料质量不好。 第五节 振动成型 振动成型是利用振动器的振动作用,使泥料成型的方法,它适合于形状复 杂和较大型的制品的成型。 一、振动成型原理 泥料在很高的频率的振动作用下,泥料颗粒间相互撞击,静摩擦变为动摩 擦,泥料逐渐具有一定的流动性,同时,泥料在自重和外力的作用下逐渐致密, 形成坯体。输入振动的能量使泥料具有一定的流动性,能使泥料颗粒密集地填 充于模型的每个角落,并将空气了排出去。因此,振动成型即使在很小的压力 下也能得到较高密度的制品。在很多制品的成型中,振动成型能够有效地代替 大型的高压设备。 二、振动的有效作用范围 在垂直定向振动台上成型制品时,一般模型固定在振动台上,如图 6-29 所示,根据波动能量的衰减规律: d =- dx 解微分方程后得: =-ce- x 式中 —单位时间内传到某处的能量; —能量损耗系数,或振动衰减系数 设距振动台面 h1 和 h2 高处的能量分别为 W1 和 W2 W1=-c eh1 W2=-c eh21 W2 = e h2 h1 W1 图 6-29 振动台成型示意图 设距振动台面 h1 和 h2 高处的能量分别为 W1 和 W2 W1=-c eh1 W2=-c eh21 W2 = e h2 h1 W1 又设 h1 和 h2 高处的振幅分别为 A1 和 A2,根据振动能量的传递规律 W1= 1 2 FA 2 1 2 式中 F—介质阻尼系数 W2= 1 2 FA 2 2 2 W2 = A 2 2 W1 A 2 1 A2 = e 2 h2 h1 A1 设振动台的振动有效高度为 h,则 h=h2,A1 为振动台面满截时模型底部的 平均振幅,则 h=0。 故 A2= A1e 2 h 或 A1= A2 e 2 h 由上式可知,如 A1 为一定,则制品在振动台上所能振实的厚度 h 也为一定, 至此,则 h 以外的部分均不能振实,故必须辅以其他措施。 三、影响振动成型有因素 采用振动成型时,工艺因素和振动过程参数对制品性能影响很大。泥料要 求有良好的塑性和一定的流动性,颗粒级配应严格加以控制,要根据泥料的性 质合理选择振动成型装备的参数,很多情况下要通过实验确定工艺参数。根据 实验研究和生产实践结果得出: 1、泥料中要有足够的细粉量,一般应有 30~35%的细粉,细粉太少时制品 的密度不高。应尽量采用三组分或四组分配料。 2、水份或液体含量应保证泥料振动下可以密实为准。在耐火浇注料中常 采用加入减水剂,塑化剂或超微粉使泥料在相当小的水份下能充分密实化。 3、结合剂的数量和种类对泥料的成型性能有重大的影响,尤其是对于瘠 性物料,必须仔细选取。 4 一般情况下提高振动台的振动频率和振幅,增加振动时间有利于密实化。 在加压下振动有明显提高坯体密度。