復(fù)雜氧化鋁陶瓷的熱壓鑄成型

張弘毅 武振飛 龐佳敏 陸麗芳

摘 ?要 ?本文研究分析了熱壓鑄氧化鋁陶瓷生產(chǎn)中油酸、低密度聚乙烯含量對(duì)氧化鋁喂料的影響，模具溫度以及脫脂溫度曲線對(duì)氧化鋁陶瓷坯體的影響，并且在此基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)有喂料配方及生產(chǎn)工藝，成功生產(chǎn)出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的氧化鋁陶瓷，有效解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)氧化鋁陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)中出現(xiàn)的技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞 ?氧化鋁陶瓷;熱壓鑄成型;復(fù)雜結(jié)構(gòu)

0 ?引 ?言

氧化鋁陶瓷耐磨、耐腐蝕、耐高溫、機(jī)械強(qiáng)度高，同時(shí)其原料易于獲得、價(jià)格便宜，氧化鋁陶瓷憑借這些優(yōu)越的性能在許多領(lǐng)域大放光彩，如電器絕緣部件、陶瓷閥芯、精密機(jī)械零部件等。

氧化鋁陶瓷的成型方法有注漿成型、熱壓鑄成型、干壓成型等，其中熱壓鑄成型將陶瓷漿料注射成接近產(chǎn)品形狀的模具，產(chǎn)品尺寸精準(zhǔn)可控，不需要大量的機(jī)械加工，只需少量的修整，大大降低了生產(chǎn)成本，可用于大規(guī)模生產(chǎn)高精度的陶瓷制品。

我們?cè)谘兄埔恍┚哂袕?fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)隨著制品結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度提高和尺寸增大，成型中出現(xiàn)填充困難、生坯容易變形損壞、產(chǎn)品脫脂缺陷增多等現(xiàn)象，很難生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，因此希望通過(guò)對(duì)油酸、骨架粘結(jié)劑含量、模具溫度、脫脂溫度曲線等關(guān)鍵因素的研究，找出它們與產(chǎn)品缺陷的影響規(guī)律，從而設(shè)計(jì)合理的配方并優(yōu)化工藝參數(shù)，有效解決熱壓鑄成型的復(fù)雜氧化鋁陶瓷產(chǎn)品的主要缺陷。

1 ?實(shí) ?驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)方案

將Al2O3粉體濕法球磨后烘干、過(guò)篩，加入適量的油酸干磨，過(guò)篩烘干，得到初步加工好的Al2O3粉體，放在烘箱中80 ℃保存。將石蠟、蜂蠟、硬脂酸以及多種高分子有機(jī)物放入攪拌機(jī)中加熱至熔化，攪拌半小時(shí)，加入Al2O3粉體100 ℃攪拌12 h，攪拌最后2 h需抽真空，得到Al2O3喂料。

將喂料加入射蠟機(jī)蠟桶中，待Al2O3喂料融化后，攪拌并抽真空1 h，在一定條件下注射Al2O3陶瓷生坯。生坯按相同姿勢(shì)裝埋在Al2O3粉中，放入電爐中脫脂63 h，修整后進(jìn)行燒結(jié)，制備流程如圖1。

1.2實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)中所使用的原料如表1所示。

1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)中所使用的設(shè)備如表2所示。

1.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

生產(chǎn)出的復(fù)雜氧化鋁陶瓷產(chǎn)品常溫抗折強(qiáng)度為292.7 Mpa，孔隙率0.22%，體積密度3.82 g/cm3，總收縮14.19%，產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 ?討 ?論

2.1油酸對(duì)粉體分散效果的影響

在混料過(guò)程中，氧化鋁粉體團(tuán)聚影響漿料的分散效果，導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部密度分布不均衡。加入油酸對(duì)氧化鋁粉體表面改性，可以有效改善這一現(xiàn)象。圖3是未加油酸的氧化鋁粉體，圖4為球磨預(yù)處理引入油酸后的氧化鋁粉體，從圖4中可以看出，油酸在氧化鋁粉體顆粒表面形成一層均勻、細(xì)密的保護(hù)膜，粉體分散效果較好，在混料中，油酸在熔融高分子和氧化鋁粉體間起到橋梁作用，促進(jìn)氧化鋁粉體在粘結(jié)劑中分散，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，油酸含量低于0.5 wt%，漿料流動(dòng)性影響不大，當(dāng)油酸為0.5～0.8 wt%時(shí)，漿料流動(dòng)性有一定提高。

2.2低密度聚乙烯對(duì)生坯的影響

氧化鋁喂料由粉體和粘結(jié)劑組成，喂料單純采用石蠟作為粘結(jié)劑，生坯強(qiáng)度低，脫模易損壞，我們通過(guò)引入低密度聚乙烯（LDPE）有效解決這個(gè)問(wèn)題。如圖5所示，生坯強(qiáng)度隨著LDPE的增加而提高，在LDPE含量為3 wt%時(shí)達(dá)到最高強(qiáng)度，比含量為1 wt%時(shí)提升了50.6%，繼續(xù)增加LDPE，生坯強(qiáng)度開始降低。LDPE的增加有效改善了生坯強(qiáng)度，但也改變了漿料的流動(dòng)性。從圖6可以看出，LDPE的增加導(dǎo)致漿料流動(dòng)速率急劇下降，粘度提高。反復(fù)試驗(yàn)，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)LDPE為3 wt%時(shí)，產(chǎn)品出現(xiàn)填充不足的缺陷，LDPE為2 wt%的喂料滿足生產(chǎn)要求且生坯具備一定的強(qiáng)度，有效提升了脫模時(shí)生坯的合格率。

適當(dāng)?shù)腖DPE可以改善生坯強(qiáng)度，本產(chǎn)品適合LDPE含量為2wt%。

2.3模具溫度對(duì)成型的影響

模具溫度對(duì)生坯成型有較大的影響，圖8為網(wǎng)格狀氧化鋁陶瓷產(chǎn)品。如圖8（a）所示，模具溫度過(guò)低時(shí)，漿料在填充滿模具前開始冷卻凝固，壓力無(wú)法推動(dòng)漿料繼續(xù)前進(jìn);如圖8（b）所示，模具溫度較高，漿料填充模腔過(guò)程中，凝固速度降低，收縮減小，模腔填充滿后開始凝固收縮，導(dǎo)致模具對(duì)生坯產(chǎn)生壓應(yīng)力，脫模時(shí)復(fù)雜精細(xì)的生坯容易損壞;如圖8（c）所示，模具溫度介于兩者之間，沒(méi)有出現(xiàn)上述兩種現(xiàn)象，生坯完整無(wú)缺且脫模時(shí)沒(méi)有粘模。適當(dāng)?shù)臏囟扔欣诋a(chǎn)品成型和脫模，在試驗(yàn)中觀察到模具的合適溫度與產(chǎn)品的尺寸、結(jié)構(gòu)和所用喂料密切相關(guān)，圖8產(chǎn)品適合的模具溫度為26～28 ℃。

2.4脫脂溫度曲線對(duì)脫脂的影響

如圖9所示，A、B、C分別為三種不同的脫脂曲線，這三種曲線在120 ℃到200 ℃的升溫速率由慢到快，而三種脫脂制度產(chǎn)品合格率與之相反，曲線A產(chǎn)品合格率最高。曲線B、曲線C排蠟升溫過(guò)快，粘結(jié)劑中熔點(diǎn)較低的有機(jī)物大量從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，高于埋粉吸附量，坯體表面液態(tài)有機(jī)物不能及時(shí)排出，產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷。曲線A粘結(jié)劑隨著溫度升高緩緩轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，并在毛細(xì)管作用下緩緩擴(kuò)散到埋粉中，粘結(jié)劑中熔點(diǎn)低的物質(zhì)有充足的時(shí)間排凈，避免了多種有機(jī)物同時(shí)揮發(fā)，同時(shí)熔點(diǎn)較低有機(jī)物的排凈，形成了完整通道，有利于剩余粘結(jié)劑的排出。因此，脫脂時(shí)要控制升溫速度，避免多種有機(jī)物同時(shí)揮發(fā)。

3 ?結(jié) ?論

（1）通過(guò)對(duì)喂料和工藝的優(yōu)化成功生產(chǎn)出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的氧化鋁陶瓷。

（2）通過(guò)預(yù)處理引入的油酸促進(jìn)粉體在漿料中的分散，提升漿料的流動(dòng)性。

（3）適當(dāng)提高低密度聚乙烯含量可以有效提升生坯強(qiáng)度。

（4）適當(dāng)?shù)哪＞邷囟葘?duì)生坯成型及脫模有良好的作用。

（5）脫脂升溫時(shí)要控制速度，避免多種有機(jī)物同時(shí)揮發(fā)影響產(chǎn)品質(zhì)量。

參 考 文 獻(xiàn)

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