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摘要:本文对热压铸成形工艺的基本原理以及其容易产生的缺铸、凹坑、皱纹、气泡、变
形、开裂等常见缺陷进行了简要分析,并阐述了其产生原因和对应的解决措施。
关键词:热压铸;缺陷;措施
1前 言
热压铸成形是特种陶瓷生产中广泛应用的一种成形工艺,其操作简单、成形时间短、生产效率高,对生产设备和生产环境要求不高,原料适用性强,如一般氧化物、非氧化物、复合原料及各种矿物原料均可适用。产品尺寸精度高、外表光洁,基本不需要后续加工,是制作复杂、异形陶瓷制品的主要成形方法之一。
热压铸成形工艺的基本原理是:利用石蜡受热熔化、遇冷凝结的特点,将无可塑性的瘠性陶瓷粉料,与热石蜡熔液均匀混合,形成可流动的浆料,在一定压力下注入金属模具中,待浆料凝固后脱模,取出坯件;坯件经过适当修理,埋在吸附剂中,通过加热进行脱蜡处理,然后把脱蜡过的坯件烧结成成品。
由于热压铸成形工艺自身的特点,经热压铸成形的产品,缺铸、凹坑、皱纹、气泡、变形、隐裂等缺陷相对较多,如果成形过程控制不好,不仅给后续的脱蜡环节带来难度,还会导致产品密度低而影响力学性能以及其他相关性能的稳定性,这对于对体积密度、气密性、抗折强度等要求严格的密封陶瓷器件而言,显得至关重要。笔者根据陶瓷工艺学的基本理论,结合多年来在热压铸岗位实践中积累的经验,对热压铸工艺中容易出现的常见缺陷进行分析,同时提出了相应的控制和解决措施以供参考。
2热压铸工艺的常见缺陷分析
2.1 缺注
缺注是模具内没有注满浆料,脱模出来的产品不完整,异形、内部结构复杂的产品较容易产生这类缺陷。究其原因,主要有以下几方面:
(1) 浆料粘度大、流动性差
浆料粘度大、流动性差,浆料不能填满整个模具,因而产生缺注。遇到这种情况,必须调整好原料粘度,保证浆料的流动性。
首先,要注意原料的充分干燥,因为加入原料中的活性物质一般采用油酸,混合搅拌后使油酸附着在粉料颗粒表面,通过减少粉料颗粒间的摩擦,起到提高粉料流动性的作用;如果原料没有充分干燥,由于油酸与水互不润湿,活性物质与原料不能兼容,这样起不到粉料之间的润滑作用而造成流动性差。
其次,粉料颗粒度对浆料流动性影响较大:颗粒太小,不仅粉料的流动性不好,还会增加脱蜡难度;颗粒越大,比表面积越小,在同等条件下,比表面积越小则流动性越好;但颗粒过大导致烧成后产品致密度较低,相对烧成温度高,因此粉料的粒度应适当,一般原料的细度要求为万孔筛余小于0.5%。
要注意的是,活性物质和石蜡的加入量要适中,石蜡一般控制在12%～16%,活性物质控制在0.4%～1%。原料颗粒密度较大的可以少加,相反可以适当增加,但石蜡和活性物质过多会增加脱蜡的难度。此外,和蜡搅拌时应先快速后转入慢速搅拌,目的是使粉料和石蜡混合均匀,同时将浆料中的气泡充分排放。
(2) 成形温度控制不当
成形时要根据浆料的粘度调整好压注的温度和压力。压注温度一般控制在65～90℃,壁薄的产品可以适当提高温度,壁厚的适当降低。注浆口温度和模具温度太高或太低也会造成缺注,过高则坯体冷却后收缩过大造成缺注,或因温度高料浆不能在模具中及时凝结,特别是内部结构复杂以及比较厚的产品,会导致料浆反流,造成缺注;而温度过低也会因为料浆流动不好,不能填满模具而引起缺注。
(3) 注浆压力和注浆时间不够
注浆压力的大小决定着料浆在模具中的填充速度,也决定着料浆在模具中冷却收缩时的补偿能力。压力太小,且注浆时间又不够的情况下,由于浆料的填充速度慢,可能导致注入模具中的料浆不足,造成缺注;压力过大又会造成填充时浆料产生涡流,把空气带入,使坯件出现气孔。因此要选择合适的成形压力和加压的持续时间,使料浆在模具中冷凝收缩时及时得到料浆的补充。
(4) 模具设计不合理
模具排气不畅,压注时气体没有完全排出会造成料浆注不满而出现缺注,还会在坯件中产生气泡,因此要在模具中设计合理的排气槽。
2.2 凹坑
凹坑是坯件表面出现凹陷的现象,其产生的原因可从以下两方面分析。
(1) 料浆温度和模具温度。如两者温度过高,会使坯件冷却收缩过大,造成坯体表面出现凹坑。模具温度一般控制在10～25℃,具体要根据产品结构和壁厚来把握。
(2) 坯件凝结发生体积收缩时未能得到料浆的补充和压力的支撑,也会造成凹坑,所以出现凹坑缺陷时,要同时考虑注浆口和注浆压力的大小是否合理。
2.3 皱纹
皱纹分热纹、冷纹和水纹。热纹线条比较光洁,冷纹比较粗糙,水纹带有水珠痕迹。热纹是由于模具温度或者料浆温度偏高,料浆进入模具没有及时凝结,料浆反流而产生的皱纹,另外,压力大时进浆速度快,如保压时间不够时也容易出现热纹。
冷纹是由于料浆粘度大、流动性差,进浆不顺畅而产生的。模具内壁粗糙,浆料在模具内壁不能顺畅流动,不但会带来皱纹还会产生微气泡等缺陷;注浆压力偏小,料浆流速慢,受模壁冷却带来的阻力,也常会出现皱纹,特别是高度较大的产品。
水纹是对于采用冰块或水冷却的模具,使用时因水没有擦干,产品外表面出现的水波或水珠一样的纹。
2.4 气泡
气泡一般包裹在坯件里面,有些也会出现在外表面,但尺寸较小,象斜插进坯体表层。气泡的形状一般是口小内大、长圆形,是进浆时气泡受模具内壁摩擦所至。热压铸成形时,坯件产生气泡的原因主要有如下几方面:
(1) 料浆中的空气没有排除干净。排除料浆空气一般采用真空脱泡,但当真空脱泡后的料浆倒入压铸机时,会将空气带入,所以要注意倒浆的方法,倒浆速度不能太快。料浆加到压铸机后可以通过手工除气,把带入机内的空气充分排除,对于对力学性能要求严格的陶瓷密封件,还可以采用真空搅拌热压铸机的方法排出气泡。
(2) 料浆流动性好,压注压力偏大时,料浆填充速度过快也易产生涡流,从而把空气带进料浆内,使坯体中出现气泡。
(3) 模具设计不合理如排气槽过大会产生涡流,过小则空气排放不出,包裹在坯体中而产生气泡;进浆位置不合理也会产生涡流而生成气泡;模具损伤或模具粗糙时,进浆受到阻碍也会带进气泡,所以要根据产品的结构来设计排气槽:排气槽的深度一般为0.2～0.25mm,宽度可以根据产品规格而定;排气槽的布置也要合理,否则也容易产生涡流;模具出现缺陷要及时修理,以保证进浆顺畅。
气泡是热压铸成形的常见缺陷,也是陶瓷密封件、封接件的致命缺陷,由于气泡的产生原因是多方面的,要预防气泡的产生,首先要保证浆料的性能,如流动性好、气泡含量小等;其次,在成形操作过程中要控制好工艺参数,如根据产品结构调整注浆温度和压力;此外,还要设计合理的模具结构,如注浆口的位置、排气槽的尺寸等,另外,模具要定时维护保养,防止模具带伤使用。
2.5 变形
模具温度过高、脱模过早,或出模后操作不当均会使坯件产生变形。
2.6 开裂
坯体开裂有压注口开裂、合缝线开裂、内直角开裂、不规则开裂等类型。
(1) 模具冷却速度慢,坯体冷却过快,则模型会阻止坯体收缩而产生开裂。所以要把握适中的模具温度和脱模时间。
(2) 内孔为方形的瓷件,脱模过快会使方角收缩时产生应力而出现开裂,所以内有方角的坯件脱模不能过快。
(3) 模具注浆口没有斜度或斜度不够时,会导致注浆口边缘开裂;模具设计为自动削坯的,如削坯口不锋利,或削坯口太大也容易出现开裂,所以要合理设计模具并及时检修。
(4) 对于一端是密封的筒体坯件,脱模时会因为筒体内压力的改变而使密封的一端产生变形或开裂,这种模具最好在模芯中间设计通气孔,减少脱模时产生的冲击。另有,对于有台阶的产品,要注意与脱模垫脚相通,以防止应力造成开裂。
3结 论
热压铸成形适用于生产中小尺寸、结构复杂以及精度要求较高的结构陶瓷、电子陶瓷、绝缘陶瓷、纺织陶瓷、密封陶瓷、耐腐蚀陶瓷以及耐热震陶瓷制品等,其适应性广、单位生产成本相对较低,但要在生产中提高合格率,生产出高质量的产品,除严格工艺管理外,还有待在实践中不断摸索和总结,将各类产品缺陷控制在最低水平。
参考文献
[1] 李世普.特种陶瓷工艺学[M].武汉工业大学出版社,1989.
[2] 李家驹.陶瓷工艺学[M].中国轻工业出版社,1997.
[3] 江啸穆.陶瓷工艺学[M].中国轻工业出版社,1994.
[4] 李标荣.电子陶瓷工艺原理[M].华中理工大学出版社,1994.
形、开裂等常见缺陷进行了简要分析,并阐述了其产生原因和对应的解决措施。
关键词:热压铸;缺陷;措施
1前 言
热压铸成形是特种陶瓷生产中广泛应用的一种成形工艺,其操作简单、成形时间短、生产效率高,对生产设备和生产环境要求不高,原料适用性强,如一般氧化物、非氧化物、复合原料及各种矿物原料均可适用。产品尺寸精度高、外表光洁,基本不需要后续加工,是制作复杂、异形陶瓷制品的主要成形方法之一。
热压铸成形工艺的基本原理是:利用石蜡受热熔化、遇冷凝结的特点,将无可塑性的瘠性陶瓷粉料,与热石蜡熔液均匀混合,形成可流动的浆料,在一定压力下注入金属模具中,待浆料凝固后脱模,取出坯件;坯件经过适当修理,埋在吸附剂中,通过加热进行脱蜡处理,然后把脱蜡过的坯件烧结成成品。
由于热压铸成形工艺自身的特点,经热压铸成形的产品,缺铸、凹坑、皱纹、气泡、变形、隐裂等缺陷相对较多,如果成形过程控制不好,不仅给后续的脱蜡环节带来难度,还会导致产品密度低而影响力学性能以及其他相关性能的稳定性,这对于对体积密度、气密性、抗折强度等要求严格的密封陶瓷器件而言,显得至关重要。笔者根据陶瓷工艺学的基本理论,结合多年来在热压铸岗位实践中积累的经验,对热压铸工艺中容易出现的常见缺陷进行分析,同时提出了相应的控制和解决措施以供参考。
2热压铸工艺的常见缺陷分析
2.1 缺注
缺注是模具内没有注满浆料,脱模出来的产品不完整,异形、内部结构复杂的产品较容易产生这类缺陷。究其原因,主要有以下几方面:
(1) 浆料粘度大、流动性差
浆料粘度大、流动性差,浆料不能填满整个模具,因而产生缺注。遇到这种情况,必须调整好原料粘度,保证浆料的流动性。
首先,要注意原料的充分干燥,因为加入原料中的活性物质一般采用油酸,混合搅拌后使油酸附着在粉料颗粒表面,通过减少粉料颗粒间的摩擦,起到提高粉料流动性的作用;如果原料没有充分干燥,由于油酸与水互不润湿,活性物质与原料不能兼容,这样起不到粉料之间的润滑作用而造成流动性差。
其次,粉料颗粒度对浆料流动性影响较大:颗粒太小,不仅粉料的流动性不好,还会增加脱蜡难度;颗粒越大,比表面积越小,在同等条件下,比表面积越小则流动性越好;但颗粒过大导致烧成后产品致密度较低,相对烧成温度高,因此粉料的粒度应适当,一般原料的细度要求为万孔筛余小于0.5%。
要注意的是,活性物质和石蜡的加入量要适中,石蜡一般控制在12%～16%,活性物质控制在0.4%～1%。原料颗粒密度较大的可以少加,相反可以适当增加,但石蜡和活性物质过多会增加脱蜡的难度。此外,和蜡搅拌时应先快速后转入慢速搅拌,目的是使粉料和石蜡混合均匀,同时将浆料中的气泡充分排放。
(2) 成形温度控制不当
成形时要根据浆料的粘度调整好压注的温度和压力。压注温度一般控制在65～90℃,壁薄的产品可以适当提高温度,壁厚的适当降低。注浆口温度和模具温度太高或太低也会造成缺注,过高则坯体冷却后收缩过大造成缺注,或因温度高料浆不能在模具中及时凝结,特别是内部结构复杂以及比较厚的产品,会导致料浆反流,造成缺注;而温度过低也会因为料浆流动不好,不能填满模具而引起缺注。
(3) 注浆压力和注浆时间不够
注浆压力的大小决定着料浆在模具中的填充速度,也决定着料浆在模具中冷却收缩时的补偿能力。压力太小,且注浆时间又不够的情况下,由于浆料的填充速度慢,可能导致注入模具中的料浆不足,造成缺注;压力过大又会造成填充时浆料产生涡流,把空气带入,使坯件出现气孔。因此要选择合适的成形压力和加压的持续时间,使料浆在模具中冷凝收缩时及时得到料浆的补充。
(4) 模具设计不合理
模具排气不畅,压注时气体没有完全排出会造成料浆注不满而出现缺注,还会在坯件中产生气泡,因此要在模具中设计合理的排气槽。
2.2 凹坑
凹坑是坯件表面出现凹陷的现象,其产生的原因可从以下两方面分析。
(1) 料浆温度和模具温度。如两者温度过高,会使坯件冷却收缩过大,造成坯体表面出现凹坑。模具温度一般控制在10～25℃,具体要根据产品结构和壁厚来把握。
(2) 坯件凝结发生体积收缩时未能得到料浆的补充和压力的支撑,也会造成凹坑,所以出现凹坑缺陷时,要同时考虑注浆口和注浆压力的大小是否合理。
2.3 皱纹
皱纹分热纹、冷纹和水纹。热纹线条比较光洁,冷纹比较粗糙,水纹带有水珠痕迹。热纹是由于模具温度或者料浆温度偏高,料浆进入模具没有及时凝结,料浆反流而产生的皱纹,另外,压力大时进浆速度快,如保压时间不够时也容易出现热纹。
冷纹是由于料浆粘度大、流动性差,进浆不顺畅而产生的。模具内壁粗糙,浆料在模具内壁不能顺畅流动,不但会带来皱纹还会产生微气泡等缺陷;注浆压力偏小,料浆流速慢,受模壁冷却带来的阻力,也常会出现皱纹,特别是高度较大的产品。
水纹是对于采用冰块或水冷却的模具,使用时因水没有擦干,产品外表面出现的水波或水珠一样的纹。
2.4 气泡
气泡一般包裹在坯件里面,有些也会出现在外表面,但尺寸较小,象斜插进坯体表层。气泡的形状一般是口小内大、长圆形,是进浆时气泡受模具内壁摩擦所至。热压铸成形时,坯件产生气泡的原因主要有如下几方面:
(1) 料浆中的空气没有排除干净。排除料浆空气一般采用真空脱泡,但当真空脱泡后的料浆倒入压铸机时,会将空气带入,所以要注意倒浆的方法,倒浆速度不能太快。料浆加到压铸机后可以通过手工除气,把带入机内的空气充分排除,对于对力学性能要求严格的陶瓷密封件,还可以采用真空搅拌热压铸机的方法排出气泡。
(2) 料浆流动性好,压注压力偏大时,料浆填充速度过快也易产生涡流,从而把空气带进料浆内,使坯体中出现气泡。
(3) 模具设计不合理如排气槽过大会产生涡流,过小则空气排放不出,包裹在坯体中而产生气泡;进浆位置不合理也会产生涡流而生成气泡;模具损伤或模具粗糙时,进浆受到阻碍也会带进气泡,所以要根据产品的结构来设计排气槽:排气槽的深度一般为0.2～0.25mm,宽度可以根据产品规格而定;排气槽的布置也要合理,否则也容易产生涡流;模具出现缺陷要及时修理,以保证进浆顺畅。
气泡是热压铸成形的常见缺陷,也是陶瓷密封件、封接件的致命缺陷,由于气泡的产生原因是多方面的,要预防气泡的产生,首先要保证浆料的性能,如流动性好、气泡含量小等;其次,在成形操作过程中要控制好工艺参数,如根据产品结构调整注浆温度和压力;此外,还要设计合理的模具结构,如注浆口的位置、排气槽的尺寸等,另外,模具要定时维护保养,防止模具带伤使用。
2.5 变形
模具温度过高、脱模过早,或出模后操作不当均会使坯件产生变形。
2.6 开裂
坯体开裂有压注口开裂、合缝线开裂、内直角开裂、不规则开裂等类型。
(1) 模具冷却速度慢,坯体冷却过快,则模型会阻止坯体收缩而产生开裂。所以要把握适中的模具温度和脱模时间。
(2) 内孔为方形的瓷件,脱模过快会使方角收缩时产生应力而出现开裂,所以内有方角的坯件脱模不能过快。
(3) 模具注浆口没有斜度或斜度不够时,会导致注浆口边缘开裂;模具设计为自动削坯的,如削坯口不锋利,或削坯口太大也容易出现开裂,所以要合理设计模具并及时检修。
(4) 对于一端是密封的筒体坯件,脱模时会因为筒体内压力的改变而使密封的一端产生变形或开裂,这种模具最好在模芯中间设计通气孔,减少脱模时产生的冲击。另有,对于有台阶的产品,要注意与脱模垫脚相通,以防止应力造成开裂。
3结 论
热压铸成形适用于生产中小尺寸、结构复杂以及精度要求较高的结构陶瓷、电子陶瓷、绝缘陶瓷、纺织陶瓷、密封陶瓷、耐腐蚀陶瓷以及耐热震陶瓷制品等,其适应性广、单位生产成本相对较低,但要在生产中提高合格率,生产出高质量的产品,除严格工艺管理外,还有待在实践中不断摸索和总结,将各类产品缺陷控制在最低水平。
参考文献
[1] 李世普.特种陶瓷工艺学[M].武汉工业大学出版社,1989.
[2] 李家驹.陶瓷工艺学[M].中国轻工业出版社,1997.
[3] 江啸穆.陶瓷工艺学[M].中国轻工业出版社,1994.
[4] 李标荣.电子陶瓷工艺原理[M].华中理工大学出版社,1994.