2022年第六章粉体成型工艺.doc
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1、第六章 粉体成型工艺无机非金属材料消费工艺总体上讲能够分为三个阶段:即制粉、成型和焙烧。只是依照材料品种的不同能够有不同的陈列顺序。陶瓷和耐火材料消费工艺通常为:制粉成型烧成。陶瓷成型在工艺上具有特别重要的地位。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功能。为了得到所期望的构造和功能,一种理想的粉末原料和均匀的混合是前提条件。能够说,粉末制备己对最终产品起作用,只有理想的粉体和正确的成型才能保证产质量量。粉体成型是通过外力,把粉末或其聚拢体制造成具有一定尺寸、形状和强度的坯体或制品。通常又与最正确均匀化,致密化等联络在一起。粉体成型方法众多,产品的形状、尺寸以及用处和技术
2、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消费工艺过程中的重要环节。耐火材料成型方法特别多,包括特别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。关于一般耐火制品,大多采纳半干法成型。至于采纳什么成型方法,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;注浆法主要用来消费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
3、上述方法外,还有振动成型,5001500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,压力连续地或屡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构成具有一定形状、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别的压制成型。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,以及颗粒的再破裂等等耗费能量(功)。成型坯体的致密度和耗费能量主要受泥料性质和机械的压力时间过程的妨碍。 压制成型通常可分为干法、半干法和湿法压制。目前尚无统
4、一的分类标准。在粉体(团聚体)方法技术中一般采纳以下标准:1、干法压制:泥料含05%的水(包括光滑界质和其它液态参加物);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,关于不同性质的泥料,划分干法和湿法压制的含水量应是不同的。视泥料品种不同,对应于某一压力,能到达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,粘度降低下压制而到达更好的致密化;高温压制,即对SiC,Si3N4等特种材料,
5、难以烧结,通过高平和压力同时作用在粉体上,增加固体的烧结反响,而到达更致密化或具有更合理的显微构造。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纳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本钱高,只有大量消费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。形状太复杂使模具构造复杂,本钱高;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)为了到达最正确的压制功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,枯燥工艺能够简化或去掉,枯
6、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,易于操纵成品尺寸。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,弹性形变和破裂,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消费实践中可知,特别细或特别粗的粉料,在一定压力下被挤压成型的才能较差 。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裂设备有关,通常片状颗粒对压制成型不利
7、,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,外表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方式和粒度分布有关。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,故在其它条件一样的情况下,可望获得质量更高的坯体。因而,只有符合严密堆积的颗粒组成,才有得到致密坯体的可能。消费实际中,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,假如只是粗颗粒和细颗粒堆积体的容积置换,则混
8、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,因而实际容积沿CAF曲线变化。图6-1两种粒度混合物填充容积 图6-2理想的严密填充实际消费中往往采纳粗颗粒,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。尽管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消费所证明,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5565%;中颗粒1030%;细粉1530%。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45倍以上方能有明显效果。在耐
9、火材料制品消费中,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。粉料按最严密堆积理论进展堆积,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,除考虑最严密堆积原理外,还须依照原料性质,颗粒形状,制品的成型压力,烧成条件和使用要求全面考虑。依照耐火制品的性质要求,粒度组成能够进展适当的调整。例如为使制品烧后的气孔率低,强度高,在粒度配合中能够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,从中能够看出颗粒调整的重要性。 图6-3三种粒度混合物填充容积 图6-4物料堆积的气孔率 粒径:粗4.4毫米 中0.07毫米 细0.009毫米 虚线计算结果;实
10、线实验结果图6-5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妨碍,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,低压或高压下的最严密填充分别为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。这是由于实际粉料不是球形,加上外表粗糙,结果颗粒互相交织咬合,构成拱桥形空间,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
11、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,假设颗粒间附着力较小,则P缺乏以维持B的重量G,便不会构成拱桥,颗粒B落入空隙中。因而粗大而光滑的颗粒堆积在一起时,孔隙率不会特别大。细颗粒的重量小,比外表大,颗粒间的附着力大,容易构成拱桥,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 图6-7粉体堆积的拱桥效应 组成的变化 4 、粉料的流淌性粉料具有一定的流淌性,以粉料本身的休止角来表示其特性。实际粉料的流淌性与其颗粒分布,颗粒的形状、大小、外表状态等要素有关。在成型中,粉料的流淌性决定着
12、它在模型中的填充速度和填充程度,流淌性差的粉料难以短时间内填满模具,妨碍压机的产量和坯体的质量,因而往往向粉料中参加光滑剂以提高其流淌性。5、粉料本身的物理化学功能干法(半干法)压制中要求粉料具有足够的结合性。因而 粉料中应含有结合成份,也能够用添加具有结合才能的无机或有机的结合剂来完成。粉料外表的活性、团聚功能等在超细粉料中也对成型有严重妨碍。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妨碍。实际上妨碍坯体压制功能的要素更为广泛,如坯料的水份含量及其均匀性;少量的外表活性物质;脊性料的塑化剂、光滑剂;特别是混练工艺;团聚构造;再粉碎程度等等也有特别大的妨碍。总之,只有坯料质量良好,才
13、能保证压制消费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,坯料颗粒严密结合成具有一定尺寸,形状和强度的坯体。当固体颗粒被参加到模中,并施加压力时,由于以下机理睬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,颗粒发生重新陈列而填充气孔产生严密堆积。在此阶段能量主要耗费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,此阶段中内聚构造可能被破坏。(2)在较高压力下,引起颗粒的破裂,并通过碎粒的填充而致密,此阶段起决定
14、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,松散的粉料迅速构成坯体。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;第二阶段中压力接着增加时,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
15、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能够定量的加以讨论(图6-10)。假设粉料在模型中单方面遭到均匀的压力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(即理论上能到达的孔隙率)之差,也确实是可能被压缩率。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:。它正比于可能被压缩的孔隙率(v-v极),后者愈大,愈易压紧,孔隙率变化速率也越大;此外,这一变化速率与
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