第六章粉体成型工艺Word格式.docx

1、目前尚无统一的分类标准。在粉体（团聚体）方式技术中一般采用下列标准：1、干法压制：泥料含05%的水（包括润滑界质和其它液态加入物）；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。也有人以为，对于不同性质的泥料，划分干法和湿法压制的含水量应是不同的。视泥料种类不同，对应于某一压力，能达到坯体的最大致密化所对应的水分含量是不同的。 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，粘度降低下压制而达到更好的致密化；高温压制，即对SiC，Si3N4等

2、特种材料，难以烧结，通太高温和压力同时作用在粉体上，增加固体的烧结反映，而达到更致密化或具有更合理的显微结构。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用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，只有大量生产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。形状太复杂使模具结构复杂，本钱高；尺寸大时要求高压的压机。受压方向尺寸大会引发坯体密度相差太大。（3）为了达到最佳的压制性能对泥料的颗粒组成和颗粒形状有必然的要求。（4）由于坯体含水量少，干燥工艺能够简化或

3、去掉，干燥废品少，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，易于控制成品尺寸。一、压制粉料的工艺性质 压制进程中，松散的泥料在压力作用下发生颗粒从头排布，弹性形变和破碎，排出空气，颗粒结合成具有必然形状和尺寸的坯体。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如果：1 、粒度和粒度散布及颗粒形状从生产实践中可知，很细或很粗的粉料，在必然压力下被挤压成型的能力较差 。另外，细粉加压成型时，散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。粉料的颗粒形状主如果由物料的性质和破碎设备有关，通常片状颗粒对压制成型

4、不利，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讲明。2 、粉料的堆积特征由于粉料的形状不规则，表面粗糙使堆积起来的粉体颗粒间存在着大量的间隙。粉料颗粒的堆积密度与堆积形式和粒度散布有关。显然，堆积密度越大，则在坯体的密实进程中，需要填充的间隙或需要排出的空气就越少，故在其它条件相同的情形下，可望取得质量更高的坯体。因此，只有符合紧密堆积的颗粒组成，才有取得致密坯体的可能。生产实际中，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，固体部份的真体积为DE，若是只是粗颗粒和细颗粒堆积体的容积置换，

5、则混合体的总容积沿CRF转变。由于实际上存在细颗粒充填粗颗粒间隙，所以实际容积沿CAF曲线转变。图6-1两种粒度混合物填充容积 图6-2理想的紧密填充实际生产中往往采用粗颗粒，中颗粒和细粉三种颗粒的粉料。这时理想的堆积应该是：粗颗粒组成框架，中颗粒填充于粗颗粒组成的间隙中，细粉再填充于中颗粒与粗颗粒组成的间隙中，如图6-2所示。虽然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生产所证明，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%。必需强调的一点是，粗，中，细颗粒的尺寸相差越大越好，一般相差45倍以上方能有显著效果。

6、在耐火材料制品生产中，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。粉料按最紧密堆积理论进行堆积，在工艺上主如果用来知足气孔率，热震稳固性的透气性的要求，但实际应用中，除考虑最紧密堆积原理外，还须按照原料性质，颗粒形状，制品的成型压力，烧成条件和利用要求全面考虑。按照耐火制品的性质要求，粒度组成能够进行适当的调整。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：粗毫米 中毫米 细毫米 虚线计算结果；实线实验结果图6-5耐火

7、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影响，一般是在高压下适于粗颗粒多细粉少的配合料。图6-6是取不持续颗粒时在低压，高压下，将粗颗粒，细粉的填充容积各以A1，A2及B1，B2表示，低压或高压下的最紧密填充别离为m1，m2（粗颗粒和细粉的粒径比假定是无穷大的）。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。这是因为实际粉料不是球形，加上表面粗糙，结果颗粒彼此交织咬合，形成拱桥形空间，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B的自重为G，则在接角处

8、产生反作用其合力为P，大小与G相等，但方向相反，若颗粒间附着力较小，则P不足以维持B的重量G，便不会形成拱桥，颗粒B落入间隙中。所以粗大而滑腻的颗粒堆积在一路时，孔隙率不会专门大。细颗粒的重量小，比表面大，颗粒间的附着力大，容易形成拱桥，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 组成的转变 4 、粉料的流动性粉料具有必然的流动性，以粉料自身的停止角来表示其特性。实际粉料的流动性与其颗粒散布，颗粒的形状、大小、表面状态等因素有关。在成型中，粉料的流动性决定着它在模型中的填充速度和填充

9、程度，流动性差的粉料难以短时刻内填满模具，影响压机的产量和坯体的质量，所以往往向粉料中加入润滑剂以提高其流动性。5、粉料自身的物理化学性能干法（半干法）压制中要求粉料具有足够的结合性。因此 粉料中应含有结合成份，也能够用添加具有结合能力的无机或有机的结合剂来完成。粉料表面的活性、团聚性能等在超细粉料中也对成型有重大影响。以上只是简要论述了压制粉料的重要工艺性质及其对压制的影响。实际上影响坯体压制性能的因素更为普遍，如坯料的水分含量及其均匀性；少量的表面活性物质；脊性料的塑化剂、润滑剂；专门是混练工艺；团聚结构；再粉碎程度等等也有专门大的影响。总之，只有坯料质量良好，才能保证压制生产效率高和坯体

10、质量良好。二、压制进程1、 压制机理压制进程中，松散的物料没有足够的水分，必需施以较大的压力，借助于压力的作用，坯料颗粒从头排布，发生塑性形变和脆性形变，空气排出，体积缩小，坯料颗粒紧密结合成具有必然尺寸，形状和强度的坯体。当固体颗粒被加入到模中，并施加压力时，由于下列机理会引发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，颗粒发生从头排列而填充气孔产生紧密堆积。在此阶段能量主要消耗在克服颗粒间的摩擦力和颗粒与模具间的摩擦力，在细粉末情形下，此阶段中内聚结构可能被破坏。（2）在较高压力下，引发颗粒的破碎，并通过碎粒的填充而致密，此阶段起决定作用的是压制粉料颗粒的性质。

11、（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，这种情形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 、压制进程中坯体的转变压制进程中，随着压力的增加，松散的粉料迅速形成坯体。坯体的相对密度的规律地发生转变。如图6-9所示。加压的第一阶段坯体的密度急剧增加；第二阶段中压力继续增加时，坯体密度增加缓慢，后期几乎无转变；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，第三阶段衔接。只有脆性材料第二阶段才明

12、显表现出来。压制进程坯体密度的转变能够定量的加以讨论（图6-10）。若粉料在模型中单方面受到均匀的压力P，则在不同的时刻下孔隙率的转变为：时刻 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）表示在受压时刻t内坯体孔隙率与极限孔隙率（即理论上能达到的孔隙率）之差，也就是可能被紧缩率。图6-9坯体密度与压力的关系 图6-10 压制进程中坯体孔隙率的转变在dt时刻内，孔隙率差值的转变为d（v-v极）。孔隙率转变的速度为：。它正比于可能被紧缩的孔隙率（v-v极），后者愈大，愈易压紧，孔隙率转变速度也越大；另外，这一转变速度与压力P 成正比，与粉料内摩擦（粘

13、度）成反比，所以：改写成等式为：=式中k与模型形状，粉料性质有关的比例系数。等号右边的“”号表示孔隙率降低。将上列方程移项：进行不定积分得：利用边界条件肯定积分常数C。当t=0时，v=v0 所以 C=代回原式： （vv极）=从上式可作如下讨论：（1）粉料装模时自由堆积的孔隙率v0越小，则坯体成型后的孔隙率v也越小，因此，应控制粉料的粒度和级配，或采用振动加料减少v0，从而可取得较致密的坯体。（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，和坯体质量的要求P值不能过大。（3）延长加压时刻，也能够降低坯体气孔率，但会降低生产率。（4）减少颗粒间内摩擦力也可使

14、坯体气孔率降低。实际上，粉料通过造粒（可通过喷雾干燥）取得球形粒，加入成型润滑剂或采取一面加压一面升温（热压）等方式都可达到这种效果。（5）坯体形状，尺寸及粉料性质对坯体密度的关系反映在数值影响上。压制进程中，粉料与模壁产生摩擦作用，致使压力损失。坏体的高度H与直径D比（H/D）愈大，压力损失也愈大，坯体密度加倍不均匀。模具不够滑腻，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，尺寸急剧转变）某些部位粉末不易填满，会降低坯体密度和密度散布不均匀。另一种肯定压力与气孔率的关系的方式以为，使坯体取得必然密度的压力，由下列三部份组成：（1）克服粉料颗粒间内摩擦力的压力P1；（2）克服粉料颗

15、粒与模具间的外摩擦力P2；（3）由于粉料水分、颗粒组成及其在模内填充的不均匀性，使压力的散布在某此部份呈现着不均匀性，为了克服这种压力散布不均匀性，所需要的多余压力P3。所以，总压力应为： P总=P1+P2+P3P1、P2和P3间的比例关系，取决于一系列的因素，其中主如果粉料的分散度，颗粒组成，粉料水分，坯体的尺寸形状等等。用计算方式求出P1、P2和P3值是较困难的，通常常利用实验方式，近似地肯定压制所需总压力P总。坯体的气孔率是衡量坯体质量的标准，采用机械压制，在坯体不产生弹性变形的压力范围（10200MPa），坯体气孔率与压制压力间的关系，可用如下关系式表示：=a-blgP式中 真气孔率，

16、%； a、b常数； P压制压力，Mpa。在上式中，a与b之间，存在着必然的关系，不同物料压制时的数据列于表6-1和图6-11。图6-11各类耐火材料气孔率与压力对数值的关系1铬质；2尖晶石质；3粒度为02毫米的镁质；4粒度为02毫米的镁质；5橄榄石质；6蛇纹石质；7锆质；8硅质；9含20%结合粘土的粘土质 各类硬度物料的坯料及砖坯的性质 表6-1坯料序号物料名称莫氏硬度35毫米颗粒气孔率，%真气孔率，%干坯气孔率，%相对致密度压缩坯料常数干料湿料P=2001P2=2002aba/b1 滑石1-2粘土123菱镁石4电熔方镁石5石英岩76刚玉9注：1.所有坯 料的颗粒组成为：毫米60%，毫米40%

17、，水分%； 2.试样为圆柱体，直径38毫米高为50毫米实验室小压机上压制。 研究结果可取得如下结论：（1）常数a及b取决于自然堆积粉料的气孔率信放料的硬度，气孔率增高，则a,b亦增高；（2）物料的硬度增高，则坯体的气孔率及a/b的比值也随之高；（3）物料的相对致密度与a/b比值间为反比关系（如图6-12），因此a/b比值可用来表示粉料趋于致密化的能力。图4-12 相对致密度与a/b值的关系从上述讨论可见，a，b取决于粉料的性质、颗粒形状、颗粒组成、水分及 被压制物料的物理性质，专门是它们的硬度。为了在给定压力下制得气孔率最低的坯体，可借助于实验，找出a/b比值最低的粉料组成及其加工方式，来达到

18、预期的目的。 若要找出每种具体条件下压制关系式中的常数，则能够在两种不同压力（最好其比值为1/5）下，对坯料进行压制，从实验肯定出压力及真气孔率的数值，解联立方程，即可求出常数a及b的数值 。以上压制进程定量分析都是以液压机压制实验为基础提出的。当粉料受到冲击压力时，如用摩擦压力机压制时， 情形有所不同，生产经验表明，冲击更有利于粉体致密化，为使坯体达到一样的致密程度所需的静压力约为冲击压力的2倍，即一台3000吨的液机与一台15002000吨的摩擦压力机的压制效果相同。3、压制时的压力散布由于压制时压力用于克服颗粒之间的内摩擦力，颗粒与模壁之间的外摩擦力和被压坯体料的变形，所以与压头直接接触

19、位置的物料，受到最大的压力，达到最大的致密化，随着离开压头距离的增加，压力减少，近似的关系可用下式表示：式中，Pn距受压面 处的压强； P受压表面的压强； L距受压面的距离； R坯体截面的水力半径； k系数，k值与压制模壁与坯料之间的摩擦系数及坯料颗粒之间的摩擦系数有关，为：式中， f坯体与模壁的外摩擦系数； 坯料的自然停止角。因为坯料的气孔率取决于压强的数值，所以沿坯体高度方向，压强的落差就决定了坯体的均匀程度。坯体的均匀程度可用Pn及P的比值来估量。当=1时，坯体可取得最大的均匀性，这在实际操作进程中是不可能达到的。实际坯体中的这种距受压面近的地方密度大，随着距离为断增大的现象，习上称为“

20、层密度”。图6-13示出不同高度和直径比（L/D）的圆柱体中的实际压力散布。随着L/D增大，下部压强急剧下降。在压强与圆柱体接触处，形成高的压力中心，这是高的摩擦力所引发的。图6-13坯体的压力散布（a）短模，L/D=；（b）高模，L/D=三、加压制度对坯体质量的影响1、 加压方式的影响单面加压时，坯体中压力的散布是不均匀的。不但有低压区，还有死角。为了使坯体密度均匀一致，宜采用双面加压。双面加压时，可消除底部的低压区和死角，但坯体中部的密度较低（图6-14-b）若两面前后加压，二次加压之间有间歇，利于空气排出，使整个坯体压力与密度都较均匀（图6-14-c）。若是粉料周围都施加压力（也就是等静

21、压成型），则坯体密度加倍均匀（图6-14-d）。2、加压速度与保压时刻的影响实践表明，加压速度与保压时刻，对坯体性能有专门大的影响，即与压力的传递和气体的排出有专门大的关系。若是加压过快，保压时刻太短，气体不易排出。一样当压力末传递到应有的深度时，外力就己卸掉，显然难以达到较为理想的坯体质量。固然，若是加压速度过慢，保压时刻太长，使生产效率降低，也是没有必要的，因此，应按照坯体的大小、厚薄和形状来调整加压速度和保压时刻。一般对于大型，高度大，形状较为复杂的产品，开始加压宜慢，中间可快，后期宜慢，并有必然的保压时刻。如此有利于气体的排除和压力的传递，若是压力足够大时，保压时刻能够短些。不然，加压

22、速度不妥，排不出气体，会出现鼓泡，夹层和裂纹等。对于小型坯体，这方面要求不严格，加压速度能够适当加速，以便提高生产效率。图1-14 加压方式和压力散布关系图 （横条线为等密度线） a单面加压；b双面同时加压；c双面前后加压；d四面加压3、 水分的影响压制成型时，粉料中的水分含量是相当重要的。颗粒表面的水膜起着润滑和塑化的作用，水分含量高时还起着填充气孔的作用。对某一压力就相应有一适合的水分含量，使气孔率最低。压力越大，该水分含量就越低。干法压制是在低水分和高压力下的压制。在水分偏小时，增加水分的含量，则有利于提高坯体密度和均匀性。但粉料中过量的水分也是有害的，因为在成型时水分会妨碍颗粒的靠近，

23、增加弹性变形并会助长裂纹和层裂。这是由于压制成型时 ，部份水膜从颗粒间的接触处被挤入气孔中，当卸去外压力后，水又从头进入颗粒之间，将颗粒推开，使成型结束的坯体发生膨胀。因此，从坯体的致密性和均匀性考虑，在压制成型时，适宜的水分量是极为重要的。4 、添加剂的作用在压制成型的粉料中， 尤其是全瘠性粉料中，往往加入必然种类和数量的添加物，促使成型进程顺利进行，提高坯体的密度和强度，减少密度散布不均的现象。添加剂有三个主要作用：（1）减少粉料颗粒间及粉料与模壁之摩擦，这种添加剂又称润滑剂；（2）增加粉料颗粒之间的粘结作用，这种添加剂又称粘合剂；（3）增进粉料颗粒吸附，湿润或变形，通常采用表面活性物质。

24、实际上一种添加剂往往起着几种作用，如石蜡既可粘结粉料颗粒，也可减少粉料的摩擦力。添加剂和粉料混合后，它吸附颗料表面及模壁上，减少颗粒表面的粗糙程度，并能使模具润滑，因此可减少颗粒的内，外摩擦，降低成型时的压力损失，从而提高坯体高度，强度及散布的均匀性。若添加物是表面活性物质，则它不仅吸附在粉料颗粒表面上，而且会渗透到颗粒的微孔和微裂纹中，产生庞大的劈裂应力，促使粉料在低压下即可滑动或碎裂 ，使坯体的密度和强度得以提高。若加入粘性溶液，将瘠性颗粒粘结在一路，自然可提高坯体强度。选择压制成型的添加剂时，希望在产品烧成进程中尽可能烧掉，至少不会影响产品的性能。添加剂与粉料最好不发生反映。添加剂的分散

25、性要好，少量利用便能取得良好的效果。综上所述，影响坯体均匀程度的因素众多，主要可归纳为以下几点：（1）坯体的均匀程度随粉料内、外摩擦系数的降低而增高；（2）坯体的均匀程度随受压面的增大和坯体厚度和周边长度的减少而提高，双面压制或周围压制能提高坯体的均匀性；（3）向粉料中引入某些润滑剂，粘结剂和表面活性物质，有利于提高坯体密度和均匀性；（4）在必然范围内，粉料颗粒较粗，水分较大有利于提高坯体的密度和均匀性。四 、干法（半干法）成型坯体缺点干法（半干法）成型是耐火材料制品的最主要成型方式，混合和成型操作不良时，坯体会产生缺点或成为废品，而且有的缺点是在干燥或烧成以后才暴露出来。坯体的某些缺点是由成

26、型方式或成型机械所造成的。1、弹性后效和层裂层裂是指在压制的坯体内部有层状裂纹的缺点。这常常是成型的主要缺点，层裂除受压制成型中的不均匀性影响之外，还与众多因素有关。一般将层裂和弹性后效联系起来分析。坯体被压制时，施加于坯体上的外力被方向相反，大小相等的内部弹性力所平衡。模具与坯体之间也存在这种力的平衡。当外力取消时，坯体内部的弹性能 被释放出来，坯体膨胀，粉料坯体释放弹性能的特点是，部份弹性能的释放（或说是弹性应变）滞后于压力下降的进程，即在压力取消以后坯体仍有大的滞后膨胀作用。坯体的这种滞后膨胀作用称为弹性后效。弹性后效在压制进程中往往是造成废品的直接原因。压力取消后，坯体的横膨胀被压模的

27、侧壁阻止，因此纵向呈现较大的膨胀，有的坯体纵向膨胀达12%。由于弹性后效引发的坯体的不均匀膨胀，和坯体本身性质的不均匀性，往往致使坯体产生层裂废品。压制进程中坯体产生层裂，这是一个超级复杂的进程，其影响因素较多且复杂，如坯体本身的影响（颗粒组成、水分、可塑性等等），操作条件（如压机结构、加压操作情形等等）。（1）气相的影响 坯体中的气体在压制进程中大部份被排出，一部份被紧缩，应当强调的是，压制时坯料体积的减少并非等于排出坯料中空气的体积，因为压制时尚有颗粒的弹性，脆性变形和空气本身的紧缩。坯料中的气体，能够增加物料的弹性变形和弹性后效。若是压制进程中坯料内的空气末从模内排出，则被紧缩在坯体内的

28、空气的压力是专门大的。计算结果表明，如此高的压力实际己超过了砖坯的断裂强度。所以残留在坯体内的空气是造成坯体层裂的重要原因，在其它条件相同的条件下，坯 体内的空气量越多，压制时造成层裂的可能性越大，所以，空气若不能从坯体中排出，则不可能取得优质产品。坯体内气相数量的多少，也与很多因素有关，如粉料成份，颗粒组成，混合和压制操作等工艺条件，可是颗粒组成是先决条件，细粉过量的配料易于 产生层裂 。（2）水分的影响 在半干压制粉料中水 份太大会引发层裂。因为水分的紧缩性很小，具有弹性，在高的压制压力下，水从颗粒的间隙处被挤入气孔内，当压力消除后，它又从头进入颗粒之间，使颗粒分离，引发坯体体积膨胀，产生层裂。总之，在水分过大时，水分是引发层裂的主要原因，在水分小时，弹性后效是