第六章粉体成型工艺Word格式文档下载.docx
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3、湿法压制：
泥料含水8~18%。
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。
也有人认为，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份含量是不同的。
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等特种材料，难以烧结，通过高温和压力同时作用在粉体上，增加固体的烧结反应，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成本高，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，成本高；
尺寸大时要求高压的压机。
受压方向尺寸大会引起坯体密度相差太大。
（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一定的要求。
（4）由于坯体含水量少，干燥工艺可以简化或去掉，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
压制过程中，松散的泥料在压力作用下发生颗粒重新排布，弹性形变和破碎，排出空气，颗粒结合成具有一定形状和尺寸的坯体。
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要是：
1、粒度和粒度分布及颗粒形状
从生产实践中可知，很细或很粗的粉料，在一定压力下被挤压成型的能力较差。
另外，细粉加压成型时，分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。
粉料的颗粒形状主要是由物料的性质和破碎设备有关，通常片状颗粒对压制成型不利，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说明。
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空隙。
粉料颗粒的堆积密度与堆积形式和粒度分布有关。
显然，堆积密度越大，则在坯体的密实过程中，需要填充的空隙或需要排出的空气就越少，故在其它条件相同的情况下，可望获得质量更高的坯体。
因此，只有符合紧密堆积的颗粒组成，才有得到致密坯体的可能。
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，固体部分的真体积为DE，如果只是粗颗粒和细颗粒堆积体的容积置换，则混合体的总容积沿CRF变化。
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曲线变化。
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：
粗颗粒构成框架，中颗粒填充于粗颗粒构成的空隙中，细粉再填充于中颗粒与粗颗粒构成的空隙中，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实，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55~65%；
中颗粒10~30%；
细粉15~30%。
必须强调的一点是，粗，中，细颗粒的尺寸相差越大越好，一般相差4~5倍以上方能有显著效果。
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，在工艺上主要是用来满足气孔率，热震稳定性的透气性的要求，但实际应用中，除考虑最紧密堆积原理外，还须根据原料性质，颗粒形状，制品的成型压力，烧成条件和使用要求全面考虑。
根据耐火制品的性质要求，粒度组成可以进行适当的调整。
例如为使制品烧后的气孔率低，强度高，在粒度配合中可以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，从中可以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4.4毫米中0.07毫米细0.009毫米虚线—计算结果；
实线—实验结果
图6-5耐火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，通常是在高压下适于粗颗粒多细粉少的配合料。
图6-6是取不连续颗粒时在低压，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分别为m1，m2（粗颗粒和细粉的粒径比假定是无限大的）。
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，结果颗粒相互交错咬合，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落入空隙中。
所以粗大而光滑的颗粒堆积在一起时，孔隙率不会很大。
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
组成的变化
4、粉料的流动性
粉料具有一定的流动性，以粉料自身的休止角来表示其特性。
实际粉料的流动性与其颗粒分布，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程度，流动性差的粉料难以短时间内填满模具，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，也可以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。
以上只是简要阐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广泛，如坯料的水份含量及其均匀性；
少量的表面活性物质；
脊性料的塑化剂、润滑剂；
特别是混练工艺；
团聚结构；
再粉碎程度等等也有很大的影响。
总之，只有坯料质量良好，才能保证压制生产效率高和坯体质量良好。
二、压制过程
1、压制机理
压制过程中，松散的物料没有足够的水份，必须施以较大的压力，借助于压力的作用，坯料颗粒重新排布，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一定尺寸，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，由于下列机理会引起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，颗粒发生重新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，在细粉末情况下，此阶段中内聚结构可能被破坏。
（2）在较高压力下，引起颗粒的破碎，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。
（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，这种情况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、压制过程中坯体的变化
压制过程中，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变化。
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，后期几乎无变化；
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显表现出来。
压制过程坯体密度的变化可以定量的加以讨论（图6-10）。
若粉料在模型中单方面受到均匀的压力P，则在不同的时间下孔隙率的变化为：
时间t=0t=某值t=t极（极限值）
高度h0hh极
孔隙率v0vv极
（v-v极）表示在受压时间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，也就是可能被压缩率。
图6-9坯体密度与压力的关系图6-10压制过程中坯体孔隙率的变化
在dt时间内，孔隙率差值的变化为d（v-v极）。
孔隙率变化的速率为：
。
它正比于可能被压缩的孔隙率（v-v极），后者愈大，愈易压紧，孔隙率变化速率也越大；
此外，这一变化速率与压力P成正比，与粉料内摩擦（粘度）η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：
利用边界条件确定积分常数C。
当t=0时，v=v0
所以C=
代回原式：
（v－v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，也可以降低坯体气孔率，但会降低生产率。
（4）减少颗粒间内摩擦力η也可使坯体气孔率降低。
实际上，粉料经过造粒（可通过喷雾干燥）得到球形粒，加入成型润滑剂或采取一面加压一面升温（热压）等方法均可达到这种效果。
（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。
压制过程中，粉料与模壁产生摩擦作用，导致压力损失。
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。
另一种确定压力与气孔率的关系的方法认为，使坯体获得一定密度的压力，由下列三部分组成：
（1）克服粉料颗粒间内摩擦力的压力P1；
（2）克服粉料颗粒与模具间的外摩擦力P2；
（3）由于粉料水份、颗粒组成及其在模内填充的不均匀性，使压力的分布在某此部分呈现着不均匀性，为了克服这种压力分布不均匀性，所需要的过剩压力P3。
所以，总压力应为：
P总=P1+P2+P3
P1、P2和P3间的比例关系，取决于一系列的因素，其中主要是粉料的分散度，颗粒组成，粉料水份，坯体的尺寸形状等等。
用计算方法求出P1、P2和P3值是较困难的，通常用试验方法，近似地确定压制所需总压力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X围（10~200MPa），坯体气孔率与压制压力间的关系，可用如下关系式表示：
ε=a-blgP
式中ε−真气孔率，%；
a、b−常数；
P−压制压力，Mpa。
在上式中，a与b之间，存在着一定的关系，不同物料压制时的数据列于表6-1和图6-11。
图6-11各种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0~2毫米的镁质；
4—粒度为0~2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
各种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
3～5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=200ε1
P2=200ε2
a
b
a/b
1
滑石
～1
-
75.4
80.2
29.4
10.2
65.3
122.4
40.3
3.04
2
粘土
1～2
70.0
72.0
32.0
18.8
41.2
95.5
27.6
3.46
3
菱镁石
4.5
<
1.5
52.4
75.8
33.2
25.2
24.0
71.9
16.8
4.20
4
电熔方镁石
5.5
1.0
53.4
71.0
33.6
27.9
17.0
61.1
11.95
5.1
5
石英岩
7
52.9
64.6
37.0
30.0
18.9
70.8
14.7
4.81
6
刚玉
9
54.4
72.9
50.8
43.4
14.5
81.2
15.75
5.53
注：
1.所有坯料的颗粒组成为：
0.2～0.88毫米60%，0.88～0.060毫米40%，水份4.0%；
2.试样为圆柱体，直径38毫米高为50毫米试验室小压机上压制。
研究结果可得到如下结论：
（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、水份及被压制物料的物理性质，特别是它们的硬度。
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法，来达到预期的目的。
若要找出每种具体条件下压制关系式中的常数，则可以在两种不同压力（最好其比值为1/5）下，对坯料进行压制，从实验确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。
以上压制过程定量分析都是以液压机压制试验为基础提出的。
当粉料受到冲击压力时，如用摩擦压力机压制时，情况有所不同，生产经验表明，冲击更有利于粉体致密化，为使坯体达到同样的致密程度所需的静压力约为冲击压力的1.5~2倍，即一台3000吨的液机与一台1500~2000吨的摩擦压力机的压制效果相同。
3、压制时的压力分布
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以及被压坯体料的变形，所以与压头直接接触位置的物料，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；
φ—坯料的自然休止角。
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的比值来估计。
当β=1时，坯体可获得最大的均匀性，这在实际操作过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“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分布。
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起的。
图6-13坯体的压力分布
（a）短模，L/D=0.45；
（b）高模，L/D=1.75
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，坯体中压力的分布是不均匀的。
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）若两面先后加压，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）。
如果粉料四周都施加压力（也就是等静压成型），则坯体密度更加均匀（图6-14-d）。
2、加压速度与保压时间的影响
实践表明，加压速度与保压时间，对坯体性能有很大的影响，即与压力的传递和气体的排出有很大的关系。
如果加压过快，保压时间过短，气体不易排出。
同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。
当然，如果加压速度过慢，保压时间过长，使生产效率降低，也是没有必要的，因此，应根据坯体的大小、厚薄和形状来调整加压速度和保压时间。
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，并有一定的保压时间。
这样有利于气体的排除和压力的传递，如果压力足够大时，保压时间可以短些。
不然，加压速度不当，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，加压速度可以适当加快，以便提高生产效率。
图1-14加压方式和压力分布关系图
（横条线为等密度线）
a—单面加压；
b—双面同时加压；
c—双面先后加压；
d—四面加压
3、水份的影响
压制成型时，粉料中的水份含量是至关重要的。
颗粒表面的水膜起着润滑和塑化的作用，水份含量高时还起着填充气孔的作用。
对某一压力就相应有一合适的水份含量，使气孔率最低。
压力越大，该水份含量就越低。
干法压制是在低水份和高压力下的压制。
在水份偏小时，增加水份的含量，则有利于提高坯体密度和均匀性。
但粉料中过多的水份也是有害的，因为在成型时水份会妨碍颗粒的靠近，增加弹性变形并会助长裂纹和层裂。
这是由于压制成型时，部分水膜从颗粒间的接触处被挤入气孔中，当卸去外压力后，水又重新进入颗粒之间，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，适宜的水份量是极其重要的。
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，往往加入一定种类和数量的添加物，促使成型过程顺利进行，提高坯体的密度和强度，减少密度分布不均的现象。
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，这类添加剂又称粘合剂；
（3）促进粉料颗粒吸附，湿润或变形，通常采用表面活性物质。
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，因而可减少颗粒的内，外摩擦，降低成型时的压力损失，从而提高坯体高度，强度及分布的均匀性。
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，产生巨大的劈裂应力，促使粉料在低压下便可滑动或碎裂，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起，自然可提高坯体强度。
选择压制成型的添加剂时，希望在产品烧成过程中尽可能烧掉，至少不会影响产品的性能。
添加剂与粉料最好不发生反应。
添加剂的分散性要好，少量使用便能得到良好的效果。
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以及坯体厚度和周边长度的减少而提高，双面压制或四周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）在一定X围内，粉料颗粒较粗，水份较大有利于提高坯体的密度和均匀性。
四、干法（半干法）成型坯体缺陷
干法（半干法）成型是耐火材料制品的最主要成型方法，混合和成型操作不良时，坯体会产生缺陷或成为废品，而且有的缺陷是在干燥或烧成以后才暴露出来。
坯体的某些缺陷是由成型方法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陷。
这常常是成型的主要缺陷，层裂除了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，部分弹性能的释放（或者说是弹性应变）滞后于压力下降的过程，即在压力取消之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。
弹性后效在压制过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侧壁阻止，因而纵向呈现较大的膨胀，有的坯体纵向膨胀达1~2%。
由于弹性后效引起的坯体的不均匀膨胀，以及坯体本身性质的不均匀性，往往导致坯体产生层裂废品。
压制过程中坯体产生层裂，这是一个非常复杂的过程，其影响因素较多且复杂，如坯体本身的影响（颗粒组成、水份、可塑性等等），操作条件（如压机结构、加压操作情况等等）。
（1）气相的影响坯体中的气体在压制过程中大部分被排出，一部分被压缩，应当强调的是，压制时坯料体积的减少并不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压缩。
坯料中的气体，能够增加物料的弹性变形和弹性后效。
如果压制过程中坯料内的空气末从模内排出，则被压缩在坯体内的空气的压力是很大的。
计算结果表明，这样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，则不可能得到优质产品。
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
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