等静压成形工艺的优化研究
2013-04-29薛志岗
薛志岗
摘 要：本文研究了等静压成形工艺过程中氧化铝造粒粉料成形后的坯体相对密度和强度随着各成形参数的变化而变化的规律，并进一步研究了其对烧结收缩的影响。实验表明：随着压力的增大，坯体密度逐渐提高，强度也相应增大；保压时间对坯体的相对密度影响不明显；在成形压力范围内，坯体相对密度对烧结之后的试样致密度影响不大。
关键词：等静压成形；相对密度；保压时间；烧结
1 概述
随着陶瓷工业和科学技术的发展，等静压成形工艺已成为陶瓷主要的成形工艺之一。采用等静压成形工艺具有粉料受压均匀、坯体结构致密、强度高、烧成收缩小、产品不易变形，并且产品的含水率低、无需干燥，可直接入窑等优点。
陶瓷的成形，直接影响到后续的坯体加工质量、烧成制度和烧结后产品本身的结构性能。随着科技的进步，对真空管壳尺寸的要求也越来越高，尤其是在真空管的成形过程中，由于其内径是一次成形。烧成收缩的微小变化将会导致真空管壳尺寸的浮动较大，从而使得尺寸超出公差。所以，一套稳定可控的成形工艺就显得尤为重要。本实验主要在成形压力的控制上进行了研究，并分析了成形压力和保压时间对烧成收缩的影响，为以后对收缩的控制提供依据，使产品在达到性能要求的同时，提高其尺寸的可控度，从而提高产品的合格率。同时，选择合理的成形压力以降低压机的损耗，提高工作效率。
2 实验内容
2.1 原料的准备
2.2 试样的制备
将粉料进行等静压成形，考虑到现有的生产状况，成形压力选择为50MPa、60MPa、70MPa、80MPa、90MPa、100MPa、110MPa、120MPa，保压时间分别选取20s、40s、60s、80s、100s。将成形的坯体经过车床加工制成形状为中空圆柱状试样，外径φ1为35mm左右，高度70mm左右，并在1710℃的推板窑中烧成。
2.3 成形收缩的测量
2.4 烧成收缩的测量
2.5 烧成试样密度的测量
3 结果与分析
3.1 成形压力对成形和烧成的影响
本文以保压时间为20s的一组数据进行分析。图2为成形压力与成形收缩的关系图，图3为成形压力与烧成收缩的关系图，图4为坯体密度与压力的关系，图5为压力与烧结试样密度曲线。
由图2可知，随着压力的增大，成形收缩逐渐增大；压力从50MPa增大到120MPa时，横向线收缩率从36.6%增大到38.2%；当压力达到120MPa后继续增大，其收缩变化逐渐趋于平缓。由图3可知，随着压力的增大，烧成收缩逐渐减小，压力从50MPa增大到120MPa，横向线收缩从16.3%减小到14.9%，收缩变化逐渐趋于平缓。在50MPa～70MPa之间，成形收缩和烧成收缩变化较大，说明收缩对压力的变化比较敏感；在70MPa～100MPa之间，其收缩比50MPa～70MPa之间的要平缓，此时，坯体的强度也较好；在100MPa～120MPa之间，收缩已趋于水平，随着压力的增大，收缩的变化越来越小，此阶段的坯体强度最好。由图4可知，从坯体密度的变化趋势也足以说明，当压力达到100MPa～120MPa之间时，坯体密度基本上不再增加[1]。
由图5可知，密度在3.75g/cm3～3.755g/cm3之间时，相对变化很小，且无规律。说明在烧成时，由于试样摆放位置的差异，导致烧结性能也有差异，从而使其密度有所差异。原因分析：由图4可知，随着压力的增大，坯体的密度变化较小，在50MPa～120MPa之间时，坯体密度变化仅为0.12g/cm3。在现有的烧成制度下，较高的烧成温度有足够的驱动力，使试样达到致密化，可忽略坯体密度的微小差异而带来的改变[2]。
3.2 保压时间对成形和烧结的影响
本文选取成形压力为100MPa的一组试样数据为研究对象，其保压时间与烧结收缩的关系如图6所示。
由图6可知，随着压力的增大，烧成收缩的变化小于2‰，且无规律性，可以认为是试验过程中的误差造成的。主要原因是，在实验过程中，所做的试样均为薄壁试样，因此，保压时间对其作用几乎可以忽略不计。
4 结论
（1） 随着成形压力的增大，坯体的相对密度逐渐增大，曲线呈现阶梯性平缓趋势，在100MPa～120MPa处，坯体密度基本不再变。
（2） 随着成形压力的增大，试样的烧成收缩逐渐变小，曲线呈现阶梯性平缓趋势，在100MPa～120MPa处，收缩基本不再变化。
（3） 在50MPa～120MPa之间，试样烧结后的密度不随压力的增大而增大，说明压力的改变对产品最终的性能影响可以忽略不计。因此，成形时对压力进行控制是可行的。
（4） 对于薄壁产品，保压时间应尽可能短，以减少压机的损耗和能源的浪费。
参考文献
[1] 刘景林.在生产结构陶瓷工艺中冷态等静压成形方法的特点[J].耐火与石灰，2007，32（3）：4.
[2] 施剑林.固相烧结-Ⅰ气孔显微结构模型及其热力学稳定性，致密化方程[J].硅酸盐学报，1997，25（5）：499.
