等靜壓成型可控硅陶瓷管殼的研制及性能探討

唐小能

（無錫康偉工程陶瓷有限公司，無錫214191）

0 前言

目前國內外陶瓷管殼基本上以90%～95%氧化鋁瓷為主，從生產工藝看，國內大多數還是使用傳統的熱壓鑄成型工藝，其產品容易產生氣孔、變形、雜質的缺陷非常多，產品合格率較低。我們采用95%氧化鋁陶瓷，借鑒等靜壓成型工藝，經過長時間的試驗總結，采用等靜壓壓制、車床加工成型工藝達到大批量生產。其產品性能穩定可靠，致密均勻性好，適應性強，能適應不同客戶的金屬化工藝，可滿足市場需求。現簡單對大尺寸可控硅陶瓷管殼的生產工藝進行工藝探討。

1 工藝流程

1.1 傳統熱壓鑄成型工藝：

配料—干球磨—蠟料混合—熱壓鑄成型—修坯—排蠟—清灰—高溫燒結—清洗

1.2 冷等靜壓成型工藝：

配料—濕球磨—噴霧造粒—冷等靜壓成型—車加工—高溫燒結—清洗

2 實驗過程

2.1 原材料及配方組成

（1）無機原料

無機原料以進口氧化鋁粉為主，添加少量的蘇州土、硅微粉、碳酸鈣、滑石等輔料。氧化鋁粉的理化性能指標（見表1）

（2）有機添加劑

有機添加劑主要添加粘結劑、消泡劑、潤滑劑、分散劑等，根據配方不同使用量也不同。

粘結劑采用的是蠟類乳濁液與10%聚乙烯醇水溶液共同使用，蠟類乳濁液添加量一般占粉體的2%～5%，10%的聚乙烯醇水溶液一般添加量為10%～15%；

消泡劑采用的是聚醚類抑泡劑,一般添加量為0.1%～0.3%；

潤滑劑采用的是以硬脂酸為主要成分的乳液，一般添加量為0.5%～2.5%；

分散劑采用的是聚羧酸鹽型的乳液，一般添加量為0.2%～1.0%。

（3）陶瓷配方為:

其化學組成見表2。

2.2 球磨、噴霧造粒工藝控制要點

（1）采用濕法球磨工藝：

球磨，料球比為 1：2；漿料粘度：6 800～7 200mpas；漿料顆粒細度 D50：1.5～2.0μm;漿料固含量：60±1%；漿料比重：1.85±0.1g/cm3。

（2）噴霧造粒工藝控制要點：

進口溫度：310℃，出口溫度：110℃；塔內負壓：20Pa；送料泵轉速：840rpm；霧化器轉速：6 200rpm。

2.3 造粒粉性能檢測

顆粒含水率：3‰；粉料流動性：≥2.52g/s；粉料松裝密度：≥1.10g/cm3；粉末顆粒度級配：60～180目＞97%（具體見圖1顆粒級配積累分布圖）;造粒粉顆粒外觀形貌見圖2。從圖片上觀察造粒粉顆粒非常接近圓球狀，球上有個淺淺的小坑似蘋果狀，雖不及圓球狀理想，但是在規模化的工業生產中已屬形狀良好。

表1 進口煅燒氧化鋁粉理化性能指標

表2 95%Al2O3瓷的化學組成（%）

圖1 顆粒級配累積分布圖

圖2 造粒粉顆粒外觀形貌

2.4 等靜壓壓制成型

采用等靜壓壓制，設定最高成型壓力是160MPa，保壓時間1min。壓制的生坯密度均勻,規整度好而且坯體強度高,坯體密度2.46g/cm3，相對密度約63.2%，可以滿足坯體的機加工要求。

2.5 車加工成型工藝控制

等靜壓壓制好的坯體能夠很好的車加工成型，一方面是坯體添加了一定的蠟類乳濁液，使生坯韌性好、強度大、不容易產生崩角現象；另一方面是成型刀材質的選擇和車床技術參數的控制。成型刀一般選用高硬度、耐磨損的材料。

（1）車床技術參數控制

外圓車刀：進給速度：f/(mm/r)=0.125mm/r線速度：v/（mm/min）=18.8mm/min

成型刀的進給速度依據產品大小，成型刀磨損程度的不同，進給速度一般在60～100mm/min。（圖3為常用成型刀示意圖）

圖3 成型刀示意圖

3 高溫燒結

車削成型好的坯體疊裝于雙孔推板窯中，最高燒結溫度1 660℃，燒結周期36h。（燒結溫度曲線見圖4）

圖4 高溫燒結溫度曲線

4 討論

表3為同一型號產品采用等靜壓與熱壓鑄工藝對比，通過比較得出：

（1）等靜壓工藝與熱壓鑄工藝相比省去了排蠟工藝，由于排蠟工藝周期長、能耗大，縮短了生產周期，節約了大量能源，降低了成本。

表3 同一型號產品采用等靜壓與熱壓鑄工藝對比

（2）等靜壓工藝成型密度高，高溫燒結溫度比熱壓鑄低40～60℃，由于成型密度高，高溫燒結變形小，成瓷密度高，瓷件硬度、抗折強度也有很大提高。

（3）雜質、氣孔比例減少。熱壓鑄球磨工藝采用的是干磨法，雜質去除困難，而等靜壓工藝球磨采用的是濕磨法，相對而言雜質易去除；熱壓鑄產品生產中約有10%比例的氣孔缺陷，而等靜壓不會產生氣孔缺陷。

（4）等靜壓產品金屬化后與金屬焊接強度大大提高，電氣方面性能也有很大的提高。

（5）圖5是等靜壓工藝與熱壓鑄工藝的瓷件顯微結構圖，從圖上可以觀察到：熱壓鑄95%Al2O3陶瓷中存在大量孔洞,顯微結構疏松。晶粒尺寸一般在10～20μm之間，晶粒呈柱狀，分布均勻；等靜壓95%Al2O3陶瓷中也存在一些孔洞,但顯微結構較熱壓鑄95%Al2O3陶瓷致密，晶粒尺寸分布不均勻，存在晶粒異常長大現象，大部分晶粒尺寸分布在8～15μm之間，最大晶粒尺寸可達35μm。通過對四種陶瓷材料顯微結構的比較，可以發現，兩種95%Al2O3陶瓷晶粒尺寸分布差別不大，致密度有所不同。

5 結論

（1）大大地提高了產品合格率及縮短了生產周期，提高了生產效率。

（2）瓷件體積密度、硬度、強度、抗拉強度等各方面性能指標都有很大的提高。

（3）降低了瓷件燒結變形和雜質的缺陷比例和解決了熱壓鑄成型氣孔的問題，大大提高了產品合格率。

圖5 等靜壓工藝與熱壓鑄工藝的瓷件顯微結構圖

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