四章成型工艺.docx
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四章成型工艺
第四章压制成形工艺
一、压制成形及其特点
将含有一定水分的颗粒状粉料装填在模型内，通过施加一定的压力而形成坯体的工艺操作称其为压制成形。
由于在压制成形中所采用的模型不同，施加压力的方式不一样，目前有干压成形和等静压成形两种方法。
等静压成形是将含有一定水分的颗粒状粉料装填在弹性模型中，通过流体介质（一般为液体）施加一定的压力，该压力将均匀地作用在弹性模型上，从而使模内的粉体被压制成坯体。
粉料的含水量一般为1%～3%，液体压力约为32MPa。
墙地砖由于器型简单、规整，故一般采用干压成形。
干压成形是将含有一定水分的颗粒状粉料装填在钢质模型中，用较高的压力压制成坯体。
粉料含水量一般为6%～8%,压制力为20～5OMPa，粉体的压缩率约为50%～60%。
干压成形所要完成的工序动作通常可分解为喂料（将颗粒状粉料均匀地加入模型内）→压制成形→顶出〈将成形坯体从模型内顶出〉→推坯（将坯体推出模框的同时完成喂料）→清洁模具。
这些动作全部由机械完成的压砖机称为自动压砖机。
由于粉料干压成形工艺不用石膏模，而使用可达几十万次的金属钢模，坯体水分低，可节省干燥时间，降低能耗和变形，能连续自动地生产规格齐全、尺寸精度高的产品，因而在陶瓷工业，特别是在建筑陶瓷行业得到了广泛的应用。
干压成形具有以下一些特点：
（1）采用钢性模型压制。
干压成形是将粉料密实均匀地填满模型腔，在压力P作用下,模腔的容积由大变小，粉料被压制成具有一定形状和尺寸的坯体。
坯体的形状、尺寸由封闭的型腔空间决定，并且该封闭的型腔容积大小是可变的。
所以干压成形是钢性模型压制法。
钢性模型压制必不可少的条件是：
①粉料必须均匀地填满封闭的但没有气密性的型腔中。
不封闭，压力不能形成，有气密性，粉料中的气体排放不出去，坯体出现严重夹层。
②粉料所处的模腔容积是可变的。
容积不变，粉料就无法压实。
（2）应有足够大的成形压力。
成形压力主要用于克服粉料颗粒间相互靠拢移动（压实）的阻力，粉料与模腔壁面的摩擦力和颗粒的变形力使粉料中的气体排出，气孔率减少，坯体密实。
但这里要强调的一点是，并不是成形压力愈大愈好，而应根据各种不同坯料的物性、水分等的不同，确定其成形压力。
成形压力过大，会使坯体产生裂纹等缺陷。
（3）成形压力在坯体内的传递呈递减方式，即坯体内各层的压力大小随坯体与上模的距离增加而递减。
因为施加在粉料上的压力是通过上模型面向填充在模腔中疏松的粉料施加的，粉料中压力的传递和几乎不可压缩的液体不同，它不是等强度传递。
（4）升压速度和保压时间直接影响坯体质量。
二、干压成形的工艺原理
1.对粉料的要求
适合于压制成形的粉料一般应具备下列几个条件:
（1）粉料的各成分分布均匀，体积密度高，气孔率低，从而可降低压制成形的压缩比。
（2）流动性要好，压制成形时颗粒间的内摩擦力要小，粉料能顺利地填满模型的各个角落。
（3）具有一定的颗粒大小和合理的级配并含有最少量的细颗粒部分，因细颗粒部分中包含较多的空气，使压制成形困难。
（4）颗粒在压力下易于破碎，这样可压制成较致密和平整的坯体。
（5）水分要均匀，否则易使压制成形困难。
2.工艺条件
（1）颗粒度及颗粒级配。
压制粉料的颗粒度包括坯料的颗粒细度和粉料的团粒（又称假性颗粒）大小。
坯料的颗粒细度将直接影响坯体的致密度、收缩和强度。
干压粉料实际上由粉料的团粒、水和空气所组成，干压粉料中团粒约占体积25%～40%，其余是少量的水和空气。
团粒是由几十个甚至更多的坯料颗粒、水和空气所组成的集合体，故称其为假性颗粒。
颗粒级配是指各种不同大小颗粒所占的百分比。
从生产实践中可知，很细或很粗的粉料，在一定压力下被压制成形的能力较差。
细粉加压成形时，颗粒间分布着大量的空气会沿着与加压方向垂直的平面逸出，产生层裂。
而含有不同颗粒级配的粉料压制成形后坯体的致密度和强度均较高。
这可由粉料的堆积特性来说明。
（2）粉料的堆积特性。
粉料的堆积特性主要表现在粉料的孔隙率和流动性。
对于陶瓷粉料的压制成形，当然希望孔隙率小和流动性好。
孔隙率：
由于粉料的形状不规则，表面粗糙使堆积起来的粉料颗粒间存在大量空隙。
粉料颗粒的堆积密度与堆积形式有关。
应该说明的是，压制粉料的粒度是由许多小颗粒组成的粒团，比真实的固体颗粒大得多。
如半干压法生产泥浆细度用万孔筛余1%～2%，即固体颗粒大部分小于60μm。
实际压砖时粉料假颗粒度为通过1.6～2.4mm筛网。
因而要先经过"造粒"。
拱桥效应：
粉料自由堆积的孔隙率往往比理论计算大得多。
这是因为实际粉料不是球形，加上表面粗糙，结果颗粒互相交错咬合，形成拱桥形空间，增大孔隙率。
这种现象称为拱桥效应。
粉料的流动性：
粉料虽然由固体小颗粒所组成，但由于其分散度较高，具有一定的流动性。
当堆积到一定高度后，粉料会向四周流动，实际上粉料的流动性与其粒度分布、颗粒的形状大小、表面状态等因素有关。
在生产中粉料的流动性决定着它在模型中的充填速度和充填程度。
流动性差的粉料难以要求在短时间内填满模具，影响压砖机的产量和坯体质量，所以往往向粉料中加入润滑剂以提高其流动性。
（3）粉料的含水量和均匀性。
粉料含水量的多少会直接影响坯体的质量。
在相同的成形压力下，粉料含水量低时，在压制过程中颗粒相互移动时的摩擦阻力大，因此不易使得压制的坯体密实；当含水量高时，由于水的润滑作用，坯体易于密实。
当成形压力达到一定值时，对含水量合适的坯料可以得到较致密的坯体。
含水量过高时，在同样成形压力下，成形的坯体的致密度会下降。
由此可见，粉料含水量的多少直接影响坯体的致密度。
此外粉料的含水量多少还影响到它的压制成形，当粉料含水量过多时，成形过程易产生粘模现象，甚至使成形无法进行。
对不同的成形压力，使用粉料的含水率也有所区别，墙地砖的粉料含水率一般为5%～8%。
粉料水分不均匀，局部过干或过湿时，也会使砖坯的开裂和变形。
因此，干压成形用的粉料含水率和均匀性应严加控制。
3.干压成形的原理
干压成形是基于较大的压力，将粉状坯料在模型中压制而成的。
成形时，随着压力增加，松散的粉料迅速形成砖坯。
加压开始颗粒滑移重新排列，将空气排出，坯体的密度急剧增加；压力继续增加时，颗粒接触点发生局部变形和断裂，砖坯密度比前一阶段增加缓慢；当压力超过某一数值（粉料的极限变形应力）后，再次引起颗粒滑移和重排，砖坯密度又迅速加大。
压制塑性粉料时，上述过程难以明显区分，脆性材料都有密度缓慢增加的阶段。
若粉料在模型中单方面受到均匀压力P，粉料加入模中时的孔隙率为V0，受极限变形应力后的孔隙为VT（即理论上能达到的孔隙率），粉料颗粒之间的内摩擦（粘度）为μ,则在t时间内，砖坯的孔隙率V可用下式表示:
V-VT=（V0-VT）e-kptμ
式中k为与模型形状、粉料性质有关的比例系数，指数项中的"-"号表示孔隙率降低。
由上式可见坯体孔隙率与其他参数的关系如下：
（1）粉料装模时自由堆积的孔隙率V0越小，则坯体形成后的孔隙率V也越小。
因此，应控制粉料的粒度和级配，或采用振动装料以减少V0，从而可以得到较致密的坯体。
（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t，也可降低坯体孔隙率，但会降低生产率。
（4）减少颗粒间内摩擦力μ也可使坯体孔隙率降低。
实际上粉粒经过造粒（可通过喷雾干燥）得到球形颗粒，加入成形润滑剂，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、尺寸及粉料性质都会影响坯体的密度大小和均匀性。
压制过程中，粉料与模壁产生摩擦作用，导致压力损失。
坯体的高度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。
粉料在模具中受压逐渐变成具有一定致密度的坯体，这种坯体具有一定的强度。
坯体强度与成形压力的关系大致分为如下三个阶段。
第一阶段，压力较低时，由于粉料颗粒位移，填充孔隙，坯体孔隙减小，强度主要来自颗粒之间的机械咬合作用，此时颗粒之间的接触面积还小，所以强度并不大。
第二阶段，成形压力增加，不仅颗粒位移和填充孔隙继续进行，而且能使颗粒发生变形和成形压力破裂，颗粒间接触面积大大增加，出现分子间的相互作用，因而强度里直线上升。
第三个阶段，压力继续增大，坯体孔隙和密度变化不明显，强度变化也较平坦。
在墙地砖生产中应严格保证砖坯的强度，这对于提高产品质量、减少成品损失有重要意义。
加压时，压力是通过坯料颗粒的接触来传递的。
当压力由一个方向往下加压时，由于颗粒在传递压力的过程中一部分能量要消耗在克服颗粒间的摩擦力和颗粒与模壁之间摩擦力上，使压力在往下传递时逐渐减小。
因此粉料中各点的压力分布是不均匀的，造成了压实后坯体的密度分布也不均匀，这是采用干法压制成型的固有缺点。
一般上层较致密，越往下致密度越差；在水平方向是靠近模壁的四周（尤其是模角）的密度不如中心密实。
4、干压成形工艺控制
干压成形时，影响干压成形坯体质量的因素很多，一般控制下列几个工艺参数。
（1）成形压力。
成形压力包括总压力和压强。
总压力取决于坯体所要求的压强的大小和坯体只寸的大小，它是选择压砖机吨位大小的一个主要指标。
压强是指垂直于受压方向砖坯单位面积上所受到的压力，合适的成形压强取决于坯体的形状、高度、粉料的含水量及其流动性、要求坯体的致密度等。
一般来说，坯体要求致密，形状复杂，则要求压强大。
一般情况下，增加压强可以提高坯体的致密度，但压力达到一定值后，再增加压力，坯体致密度的增加已经不明显了，因此成形压力不是越大越好。
此外，在压实的坯体中总有一部分残存空气，过大的成形压力将把这部分残存空气压缩，当压制完毕后卸除压力时，被压缩的空气将膨胀，使坯体产生层裂。
由此可见，过高的成形压力不仅无益于坯体的强度和致密度的提高，反而会引起无谓的能量消耗，使坯体产生过压层裂的缺陷。
具体的成形压强确定应根据产品的规格和技术要求而定。
一般情况，墙地砖的成形压强为25～5OMPa，彩釉砖的成形压强为25～35MPa，瓷质砖的成形压强为35～45MPa。
对于一种具体的坯体，应通过试验来确定。
（2）加压方式。
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。
为了使坯体的致密度均匀一致，宜采用双面加压，可消失底部低压区的死角，但坯体中部密度较低。
若两面先后加压，二次加压之间有间歇，有利于空气排出，使整个坯体压力与致密度都较均匀。
如果在粉料四周都施加压力（也就是等静压成形），则坯体密度最均匀。
（3）加压速度
开始加压时，压力应小些，以利于粉料中的空气排出，然后短时间内释放此压力,使受压气体逸出。
初压时坯体疏松，空气易排出，可以稍快加压。
当用高压使颗粒紧密靠拢后，必须缓慢加压，以免残余空气无法排出，致使释放压力后空气膨胀，因弹产生层裂。
当坯体较厚或者粉料到颗粒较细、流动性较差时，则宜减慢加压速度、延长持压时间。
为了提高压力的均匀性，通常采用多次加压。
如摩擦压砖机压制墙、地砖时，通常加压3～4次，开始稍加压力，然后压力加大，这样不至于封闭空气排出的通路。
最后一次提起上模时要轻缓些，防止残留的空气急速膨胀产生裂纹。
这就是工人师傅总结出的"一轻、二重、慢提起"的操作方法。
对于液压压砖机这个原则也同样适用。
当坯体密度要求非常严格时，可在某一固定压力下多次加压，或多次换向加压。
加压时同时振动粉料（振动成型）效果更好。
（4）压缩系数K。
压缩系数K，又称压缩比，是一个重要的艺参数，它由粉料的性质、水分和压制力决定。
三、压制成形坯体常见缺陷及克服方法
压制成形过程中，常因操作不当以及粉料、模具、压砖机等因素的影响而使坯体产生各种各样的缺陷，有的缺陷直至烧成后才表现出来。
这里就压制成形过程中易产生的一些坯体缺陷进行分析，探讨各种缺陷形成原因及其克服方法，最大限度地降低成品缺陷，提高产品合格率。
1、夹层
夹层是指压制出的坯体内部有分层现象，其产生原因分析如下。
（1）粉料含水率的影响。
在压力不变的情况下，粉料含水率低，加压成形时，颗粒间摩擦力大，要使坯体达到很密实不太容易；同时粉料空心颗粒的比率增加，造成颗粒中空气量的增加，空心颗粒排出气体需冲破外壳，这样又增加了气体排出的阻力，在这种情况下，排气不良容易造成坯体夹层。
当含水率逐渐增大时，由于水的润滑作用，压制成形时坯体容易密实；但当含水率超过一定值时，坯体密度反而降低，并出现大量夹层，这是因为压砖机第一次压制时，粉料间隙大大减小，透气性降低，此时坯体内存有大量残余气体，当进行第二次压制时，坯体内气体被挤压至某一部位，即产生夹层。
因此在采用较高压力压制坯体时，可稍微降低粉料的含水率，以保证在取得一定的坯体强度同时,又避免出现夹层。
粉料含水率的确定可参考坯体压制能力指数。
所谓压制能力指数，是指干坯破坏应力与湿坯破坏应力的比值。
可用下式计算:
PS=S/N
式中：
PS——压制能力指数；S——干坯破坏应力；N——湿坯破坏应力
当压制能力指数在2～4时，坯体不易发生夹层；当压制能力指数低于1.5时，很难压制或根本无法压制。
（2）粉料水分不均。
当粉料陈腐时间不够，造成局部过干或过湿，会造成压制成形困难，使坯体出现夹层。
克服的办法可延长粉料的陈腐时间。
（3）粉料中微细粉的比例过大
粉料中微细粉的比例愈大，愈容易发生夹层，这是由于小颗粒偏多，粉料透气性差，在压制成形过程中因排气困难而阻碍了气体的逸出，使颗粒间气体不易排净，从而造成坯体夹层。
压制成形的粉料大多采用喷雾干燥造粒，其粒径范围在40～600μm之间，且60%～70%的粒径集中在200～400μm之间。
在陶瓷墙地砖生产中，其粉料粒径最佳组成范围见表1。
表1压制成形粉料粒经最佳组成范围
粒径um
>600
（30目）
>250
（60目）
>180
（80目）
>125
（125目）
>75
（200目）
<75
墙砖%
1.4-1.5
50
35
15
3.5
微量
地砖%
2-3
55
25
10
5
微量
（4）各模腔粉料装填量不均。
由于多个下模芯不在同一水平面上，或由于布料器布料不均，从而导致加压不均,坯体排气状况差异大，造成坯体分层。
（5）上（下）模芯与模具内衬板的间隙不合理，多余气体要求有足够的时间和通道逃逸。
若上（下〉模芯与模具内衬板的间隙过小，使气体逃逸困难而滞留在坯体中，造成坯体分层。
一般其间隙控制在1/100～5/100mm之间。
（6）上模芯不在同一水平面上。
由于上模芯的高度不同，导致各坯体间的加压不均匀，坯体排气状况不同，造成个别坯体夹层。
（7）操作不当。
上模芯下降速度过快，导致第一次加压过快，压力过大，使气体无法从模腔内的粉料中排出，极易造成坯体分层。
实际操作中应采取"先轻后重"的压制方法即可克服。
此外，上模芯提升不到位或提升速度太快，使第一次与第二次冲压的时间间隔缩短，模腔内粉料中的气体未完全逸出，也易造成坯体夹层。
采取的办法是适当增加排气时间及排气行程，降低第一次加压的压力。
2、坯体厚度偏差
坯体厚度偏差是指坯体各部位厚度偏差超出标准要求，一般应控制在坯体厚度的4%以内。
其产生的原因如下:
（1）模具上（下）模芯不平。
（2）模具下模芯表面结皮过厚。
（3）布料器的行程不够或过大。
（4）布料速度调整不当或布料前进与下模芯下落不能同步。
当布料器前进速度较慢，或下模芯的第一次下落先于布料的行程时，则在模腔后部造成较多的粉料堆积成为坯体的厚端；当布料速度较快或下模芯的第一次下降滞后于布料器的行程时，则在模腔的前部造成较多的粉料堆积，模腔后部粉料较少从而形成坯体的薄端。
（5）布料器刮料板不平或粘有粉料，使布出的粉料面一端厚一端薄，或凹凸不平。
克服的办法是调整模具和料车的运动参数。
3、大小头
所谓大小头，即出窑砖坯尺寸偏差值超过标准要求。
一般说来，偏差值应控制在规格尺寸的0.4%以内。
大小头缺陷在玻化砖生产中是最容易出现但又难解决的一个问题。
其形成的主要原因是粉料压制后坯体致密度分布不均，在烧成后收缩不一致。
一般情况下，大小头总是和厚度偏差密切联系的，而且形成的原因在许多方面是共同的。
影响坯体致密度分布不均有以下因素：
（1）布料不均匀。
影响布料不均匀有以下原因:
①布料器布料运动参数设置不合理。
②布料器的运动与模框面没有保持平行，布料过程中模腔部分区域布料过多。
③下模芯或磁吸座变形，模腔内填料量不一致。
④布料器行程不合理，以致模腔前缘布料量偏多或偏少。
⑤压砖机顶模装置的顶杆前后高度不一致，模芯第一次下降时模芯面倾斜。
⑥布料器布料格栅设计不合理。
（2）模腔中粉料压制过程受力不均。
解决的办法是严格控制模具和布料器的安装精度。
以下的技术要求可供参考。
①模框与底座表面的平行度必须小于0.lOmm。
②在第一次模芯下降状态下，各腔模芯相对模框高度应小于0.15mm，同一模腔内模芯高度差应小于0.1Omm。
③在第二次模芯下降状态下，各腔模芯相对模框高度差小于0.05mm。
④上模芯所在平面与下模芯所在平面应平行，平行度误差不可大于0.1Omm。
⑤布料器与压砖机立柱垂直，即与模框面平行。
⑥布料器运行时，应保证比模框高0.3～0.5mm平行运行。
⑦布料器布料行程要求第一级格栅超出模腔前缘10～15mm。
4、麻面
麻面是指压制出的坯体表面粗糙不平，有凹陷小坑，产生的原因有：
（l）模具模芯不净及擦模不及时，造成坯体的麻面，严重时，坯体表面可透出背纹凹凸形状，因此要勤擦模芯。
（2）模具表面磨损严重时，则潮湿的粉料容易粘附在模具表面，从而造成坯体表面粗糙，形成麻面，此时必须更换模具。
（3）粉料含水率过高，容易粘模，导致麻面。
通常可接受的含水率最高为9%。
（4）粉料粒度的影响。
从粘模角度讲，大颗粒粉料较易粘模，这是由于喷雾干燥制粉过程中，泥浆里的可溶性盐类随水分的蒸发而停留在颗粒表面，形成盐膜。
压制成形时，这种膜与模具表面接触发生粘连。
颗粒愈粗，其表面积愈小，这层膜也愈厚，相应也就愈易粘模。
反之，粉料愈细，愈不易粘模，极细的粉料（70～75μm）己证明可防止粘模情况的发生。
粉料粒度的大小要适当，若过分追求细粉，会导致其他缺陷如层裂、强度底、开裂的发生。
（5）模具加热温度过底，也会造成粘模现象发生，使坯体形成麻面。
由上述分析可知，造成坯体麻面的主要因素是粘模，因此尽可能避免粘模是解决坯体麻面的关键。
目前模芯上均衬有一层橡塑材料，目的就是减少粘模。
5、裂纹
坯体产生裂纹的种类较多，下面我们分别说明。
（1）崩裂。
是指坯体的侧面有极细小的不规则裂纹。
其产生的原因是模具内衬板出模斜度不合适，使坯体在脱模时侧面受力，解决的办法是调整内衬板出模斜度。
（2）纵裂。
是指坯体背面中间位置有纵向裂纹。
产生原因是模具下模芯推坯速度太快,坯体难以承受来自下模芯强大的冲击力。
作用于坯体之上的反弹力集中在坯体中间部位扩张，引起纵向裂纹。
此外,下棋芯调整不平，坯体在脱模时受力不均，也易造成此种缺陷，解决的办法是调整顶模动作，使其动作平稳。
（3）边缘破裂。
是指坯体边缘部位产生的破碎性裂纹。
其产生的原因是模具上、下模芯与内衬侧板磨损严重造成其间隙附近的物料损失，坯体边缘部位物料堆积稀疏，强度不够，坯体内应力不均匀，制品在烧成过程中受热应力影响，导致内应力在坯体边缘部位分布不均，产品边缘部位产生破碎性裂纹。
严重时边缘部位可发生破碎，破碎深度达1～2mm,解决办法是更换模具。
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