陶瓷粉末成型技术的工艺与控制

陶瓷粉末成型技术的工艺与控制2008-11-51:29:52人们总是希望陶瓷制品，尤其是特种陶瓷是均质的，能满足良好的机、电、热、化学或某种特殊性能要求，并能实现生产自动化、质量可控、性能一致性好的规模化生产。为此，首先要实现陶瓷坯体在粉末成型过程中是均质的或接近均质的。采用干粉压制、等静压成型是近世纪才发展起来的新型粉末成型工艺。为了最大限度实现陶瓷坯体均质化，不仅需要有先进的粉末成型设备，而且还有陶瓷粉体制备的质量，即每个单一粉末颗粒是均质的，而且是可控的。1.实现坯体均质化途径无论是干粉压制或等静压成型，由于粉末颗粒之间、粉体与模具壁之间，都存在内外摩擦而导致坯体密度分布不均匀，尤其是干粉压制，在压制方向上，压力随高度变化而呈指数衰减，形成一个密度梯度，确实很难达到坯体密度上下一致。其次，粉体本身颗粒为满足压制成型所需的粉末成型特性，需要添加一定量的添加剂，它们在每个单一颗粒中是否均匀，也是影响坯体均质的重要因素。1.1压制方式影响压坯密度的因素很复杂，除粉体本身特性外，主要有坯体形状和大小、压制件的侧正面积比、压制压力、模具粗糙度、润滑条件以及压制方式和粉末在模具中运动的摩擦系数等都起重要作用。实践证实等静压成型优于干粉压制，湿等静压优于干袋式等静压。现在国际流行的全自动干粉压机结构上采用强制双向拉下压制的曲柄连杆机构，图1给出典型压制过程中上下模头和凹模的运动轨迹，当上模头和凹模同时向下时实现反压，能最大限度地使坯体各部密度均匀。图1典型压制过程中上下模头和凹模的运动轨迹很多制品并非简单的等厚坯件，厚薄不一致，甚至有多个台阶，图2给出异形制品成型时模具各部件在压机中的运动轨迹。达到各部位厚度不一样按成型要求密度分层加料，以求成型后坯体各部位基本一致。关于压制成型技术，应视工件形状选择加料方式、上下模头压制次数、压制线的位置以及是否采用保护脱模，即使是1mm厚的制品，也应采用双面压制，也存在压制线位置，即上下压力的调整，且有利于烧成时坯体平整。有关陶瓷压片机设备使用可参阅有关设备说明书。1.2粉体制备无论干粉压制或等静压成型均要求粉料呈颗粒状，有较好的流动性；颗粒有一定的强度，以免在运输和加料过程中破碎；有一定的颗粒级配，加料时实现紧密堆积；具有一定的粘结特性和润滑特性，颗粒之间不应相互粘结等造粒特性。为了达到上述特性要求，无论采用哪种造粒方式，往陶瓷原料中添加各种辅助材料是必然的，这些材料既不能影响坯料组分，又要求它们能均匀分布在每一个粉末颗粒中，从微观上讲是均质的。辅助材料通常有以下几种：图2异形制品成型时候具备部件在机中的运动轨迹(1)聚乙烯醇：不要以为喷雾造粒就一定能得到均质的粉体，粘结剂选择与搭配是关键。我们希望粘结剂能均匀分给每个粒子，在颗粒内形成的微观结构是均质化的事实上，如果仅往坯料中加入单一的聚乙烯醇作为结合剂，造粒后颗粒表面坚硬，有凹坑，在压制过程中往往存在大量颗粒间隙，坯体难以密实，这种粉末从颗粒上讲就是非均质的。(2)水溶性聚合物：陶瓷用粘结剂一般采用水溶性聚合物，经验证明往高聚合度粘结剂材料中添加少量低分子粘结剂混合使用，有利于改善粉料颗粒形状和松装密度。实践证明聚乙烯醇是特性最好的粘合剂，但并不能获得最理想的颗粒形状和松装密度，添加少量水溶性低聚合物，如淀粉类及其衍生物，有较好的效果。(3)水溶性有机物质：在粘合剂中添加少量的水溶性有机物质，如天然树脂、微晶石蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸及其盐类，可以促使粘合剂在颗粒中均化，使制备的粉体均匀，同时能提高粉料的流动性，压制时有一定的润滑特性。(4)表面活性剂、分散剂、pH调整剂：根据陶瓷原材料不同，氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等颗粒极性不同的特点，除述添加剂外，还应添加一定量的表面活性剂、分散剂、pH调整剂。陶瓷辅助添加剂，无论足水溶性聚合物、还是水溶性有机物，种类繁多，不同陶瓷原材料和配方在满足技术特性的前提下，选择经济适用的原料。水溶性聚合物有淀粉类(淀粉、糊精、糖浆及其衍生物)，糖类(羧甲基淀粉钠CMS、羧乙基淀粉、淀粉磷酸钠等)，树胶类(阿拉伯树胶、印度树胶等)，可溶性蛋白质(酪蛋白、酪蛋白酸钠等)，纤维素衍生物类(甲基纤维素MC、羧甲基纤维素CMC等)，水溶性合成聚合物类(聚乙烯醇PVA、聚乙烯甲脂PVM以及聚丙烯酰胺、异丁烯马来酸酐共聚物等)：其中淀粉类和纤维素衍生物较好，聚乙烯醇和异丁烯马来酸酐共聚物最好。水溶性有机物有天然树脂、松香乳化剂、动植物油脂、液态烃、微晶石蜡、聚乙烯蜡、乳化蜡以及脂肪酸类的硬脂酸、硬脂酸乳化液及其盐类化合物和衍生物等。其中蜡类和脂肪酸类较为理想，最好是蜡和脂肪酸以乳化液的状态使用，以控制颗粒的微晶结构。1.3喷雾造粒工艺喷雾造粒工艺条件直接影响粉体质量，所以防止出现以下问题：①颗粒破碎；②颗粒相互粘结；③热风温度过高，颗粒中心形成空洞。希望能制备成实球状或准球状颗粒。2.工艺控制技术任何一种陶瓷材料的特性和技术水平，不仅体现在样品的测试数据上，而目一反映在规模化生产的产品的一致性水平上。陶瓷制品的精度同样是不能用检查剔选方式来组织生产，而应是通过质量管理，控制其分散性或用数理统计方式来控制质量。首先必须保证进厂原材料经过验收，选择满足产品要求的先进的粉末成型设备，这些都是无可置疑的。更重要的是粉体制备要有可控制性，建立合理的工艺控制方法是十分必要的。(1)控制浆料的固体含量、泥浆细度以及辅助添加剂加入程序和数量，是保证喷雾干燥操作稳定的先决条件。(2)干燥后的粉料，应测定其松堆密度、压实密度、流动时间、颗粒级配、水份含量以及烧成收缩和体积密度等工艺参数，并控制在一定范围里，才能保证成型坯件的一致性，这些都是粉体的工艺特性指标，都应予以控制的。(3)每种陶瓷粉料成型时所要求的含水量，都有自身的规律，如氧化铝陶瓷喷雾造粒的含水量控制在0.3%~0.5%较为适宜。但喷雾干燥控制微量水分是困难的，允许通过加湿机定量加入一定水分来调整粉料的含水量。(4)任何一种造粒方式均是动态过程，要保证所生产的粉料达到较好的一致性是困难的、不现实的。一般来讲，可以将一段时间(如一个工作班)生产的粉料作为一个批次，进行均化(混合)处理，并再陈腐23天，让其水分充分均衡，就可以保证产品质量相对稳定。(5)建立一个批量概念，实行从泥浆到造粒后的粉料全过程工艺控制，就一定能制造出高质量的陶瓷制品。3.讨论(1)特瓷企业，除功能陶瓷和生产批量较大的企业外，大多数企业没有形成规模化生产。大量的特陶制品一张图样就是一个品种，涉及到国民经济各行各业，有些品种虽有较大的量，但仍不足以建立专业生产厂。不能无论大厂小厂，均从粉料制备做起：不少企业生产规模小，实行生产全过程控制是无法做到的，甚至连原材料进厂都无法控制，但这恰恰是陶瓷生产的关键所在，它必然导致产品质量不稳定，更谈不上与国际接轨，进入国际市场。假如大多数小型企业把精力放在制品成型和烧结过程中提高过程质量，粉料由专业公司供应，粉料质量由专业公司保证，必将有利于提高产品质量，有利于产品出口。目前氧化铝陶瓷粉料中75~99瓷料的喷雾造粒料已有多家公司供应，希望这一范围能进一步扩大：做到同一瓷种即使有不同性能要求，粉体制造企业也应能满足，这才能做到真正专业化生产。对于大量特种陶瓷制品来说，它们对技术要求是有共性的，一般不存在配方保密，也不会阻碍专业化分工：只有实行了真正的专业分工协作，才能把产品质量搞上去，并且有利企业经济效益的提高。(2)当前电真空用氧化铝陶瓷管壳，已从热压铸工艺向等静压工艺过渡，这是可喜的，但均采用湿式等静压，虽能保证质量，但难于自动化，工效低，手工繁重，不利于规模化生产。从坯体结构讲，实现单头半自动于袋式等静压是完全有可能做到的。实现加料、压制过程自动化、手工脱模，并在等静压机旁设置一台磨削机仿形磨削成型。生产效率必将大幅提高。当然干式等静压压力远低于湿式等静压。但不会对瓷套性能产生影响。(3)特种陶瓷生产在我国已具相当规模，所以陶瓷辅助添加剂用量已十分可观，现在没有一个陶瓷专业辅料供应商。其实我国分散剂、水溶性粘合剂、水溶性有机物、表面活性剂等辅料的专业生产企业也不少，但分布在化工行业，他们对陶瓷专用添加剂少有开发，若能有一个陶瓷辅料专业供应商，类似像德国司马公司(ZSCHIMMER&SCHWARZGmbH&CO那样的化学公司，陶瓷企业就不需要进行每个品种的全过程生产，而把化工企业的相应产品转化成陶瓷专用产品，甚至有些品种只要进行分装，说明在陶瓷中用途即可，这样将大大提高特陶企业的生产效率，创造更高的经济效益。