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技術文章

干壓成型陶瓷氣孔成因探析

[ 作者: 張光明 張本清 2017-09-07 點擊: 1571 ]

干壓成型陶瓷氣孔成因探析

張光明   張本清

濟源市更新瓷料有限公司

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精密陶瓷的成型方面,干壓工藝由于坯體致密度高,成瓷密度高,瓷件內部氣孔少,自動化程度高等優點,得到了快速發展。然而,由于種種原因,干壓成型的陶瓷件表面在或內部氣孔(指顯氣孔,尺寸在數十微米以上)在生產過程中也時有發生,影響了干壓陶瓷的質量。

這些氣孔是怎樣形成的,應如何防止呢?本文總結實踐方面的經驗結合實驗室實驗對氧化鋁干壓工藝陶瓷氣孔的原因進行了分析和探討。

干壓粉體,現普遍使用的是經噴霧干燥的造粒粉,它的質量的好壞,對陶瓷氣孔的影響很大。主要有:

1、 粉料中夾雜有較大的礦物顆粒

氧化鋁陶瓷的配方中加有多種礦物成份,如:石英砂、碳酸鈣、蘇州土、澎潤土、長石等。這些礦物要預先磨成微粉,加入氧化鋁中后,還要和氧化鋁一起球磨,要很均勻地分散在氧化鋁粉體中。但是,由于球磨工藝控制得不好,可能會有少量的大顆粒沒有被粉碎到位。這些較大尺寸的顆粒夾雜在陶瓷坯體中,燒成瓷后會形成氣孔。筆者把原料石英砂、碳酸鈣、滑石澎潤土、長石粉中較大的顆粒篩出來,壓在紅色氧化鋁瓷坯體表面上,燒成瓷后用20-50倍的顯微鏡觀察。其形貌如圖1、圖2。圖1為石英砂、長石、澎潤土所形成熔洞。圖2為碳酸鈣、滑石顆粒所形成的熔坑。說明這些低熔物大顆粒會形成瓷件表面或內部氣孔。

生產造粒粉的實踐也證明了,如果球磨工藝控制不好或料漿過濾不好,有礦物大顆粒進入粉料就會形成陶瓷氣孔。

2、 粉料中夾雜有較大的有機物顆粒

在造粒的過程中粉料中要加入一些粘和劑、脫模劑、分散劑。這些有機物是固體的要經過充分的溶解,才能加到漿料中。如果溶解不好,有一定大尺寸的顆粒混入漿料中,就會含在坯體中。燒結過程中有機物分解揮發后,其原有空間就會留下氣孔。PVA溶液變稠、凝聚成塊,混入漿料中也會形成氣孔。因此,對加入漿料中的有機物要充分溶解,在冬天寒冷時要采取保溫措施。

還有些雜質,如線頭、頭發、蚊蟲等,都會因管理不善而進入到造粒粉中,從而形成陶瓷氣孔。圖3中氣孔有較規則的幾何形狀,有可能是此類氣孔。避免此類氣孔就得加強生產過程的管理。

3、 造粒粉中的硬顆粒

有用戶寄回幾個陶瓷環,說是有陶瓷氣孔,要求幫助查找原因。在高倍顯微鏡下,觀察到瓷件拋光面上如圖4一類的典型形貌,圓形,直徑約在100-300微米之間。分析認為,這個圓是由一個完整的沒有壓碎的造粒粉顆粒所形成的。造粒粉顆粒由于所含水份不同,有機物如PVA的種類和數量不同,會形成軟硬不同的情況。在干壓成型的過程中,同樣的壓力下,軟顆粒容易被壓碎,而硬顆粒則不容易被壓碎。如果一粒硬顆粒被夾在坯體中沒有被壓碎,保持著完整的球形原貌,在燒結成瓷過程中,它的收縮率將遠大于四周被壓碎壓縮的坯體。所以成瓷收縮過程中,在它與周圍坯體間會出現一個裂縫。高溫下,玻璃相會流來填充。如果填充不足,則會出現連續的或斷續的裂縫。圖4為球狀連續裂紋,圖5為斷續裂縫。這是一種典型干壓瓷件氣孔類型。

這種硬顆粒是如何形成的呢?①粘合劑如PVA選型不當,用量過多。PVA聚合度過高,結膜性太強,使造粒粉顆粒表面結膜過硬。②造粒干燥時溫度過高,造成顆粒水份過低,過于干燥,以至粉料顆粒強度增加。③有些顆粒粘在干燥塔體內壁上,長時間烘烤,被烤焦變成黃色。有機物被焦化后,失去柔軟性,變成堅硬的顆粒。當它被震打落下時,就會混入正常的料中。

因此防止的方法是,PVA選型合適,用量適當;干燥溫度適中,控制穩定;震打塔體時,落料要進行隔離。同時陳腐也是個重要措施。由于生產過程中各種波動因素,會形成造粒粉的不均勻性。通過較長時間的陳腐,會使顆粒軟硬趨于一致。

除粉體之外,干壓工藝陶瓷氣孔的產生還有很多可能的因素。如:

4、 壓機壓力低,坯體中顆粒沒壓碎

6、圖7是干壓成型的生坯斷面形貌。圖6中粉體顆粒全被壓碎,斷面無顆粒痕跡。圖7中顆粒輪廓清楚,沒有被壓碎。顆粒間相互橋架,留有空隙。顆粒被壓碎,是由于顆粒柔軟或壓機壓力高。顆粒沒壓碎,是由于顆粒硬度高或者壓機壓力低。

8、圖9是對應圖6、圖7坯體成瓷后的拋光面。圖8為顆粒全被壓碎的坯體瓷件無明顯氣孔,圖9為顆粒沒壓碎的坯體瓷件有很多較大氣孔。

因此,應根據粉體顆粒的軟硬不同,調整壓機壓力,使顆粒完全壓碎,可避免此類氣孔。

5、 原料氧化鋁粉轉相不均勻

氧化鋁在高溫下由γ相向α相轉化過程是個體積收縮過程。變為α相后,體積基本不再收縮。所以用α-Al2O3粉料制作陶瓷件可使燒成收縮穩定,變形小。俗稱氧化鋁γ相為生粉,α相為熟粉。如果氧化鋁原料煅燒工藝控制不穩定,轉相不均勻,有生有熟;或管理不善,將生粉混入熟粉中;在球磨時,又磨得不細不勻。較大生粉顆粒被夾在陶瓷坯體中,也會造成陶瓷氣孔。

實驗:在壓坯時,在粉料的部分區域撒入生粉,壓成坯后打上區域記號。燒成瓷件研磨拋光后,進行觀察。發現在區域內出現大量如圖10所示的松散結構和氣孔。而未撒入生粉的部份沒有這種現象。這是因為生粉在燒結過程中要發生γ—α的相變,有較大的收縮,其收縮率遠大于坯體的收縮,所以生粉顆粒邊緣會出現裂縫。一顆自然生粉顆粒的尺寸約為45—150微米左右,是由無數顆小晶粒構成的,所以小晶粒的各自收縮又造成了相互之間松散的構架。所以出現了如圖形貌。

防止的辦法,顯而易見,要控制好氧化鋁煅燒工藝,加強質量管理,防止生熟粉混雜。

 

注:圖中照片放大約750倍是顯微硬度計液晶屏上圖象,用數碼相機抓拍的;50倍圖象是光學顯微鏡顯示,用數碼相機抓拍。


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