《功能材料制備與成形》課件第四章 擠壓成型－1

1、蜂窩陶瓷陶瓷螺釘?shù)扔操|(zhì)合金螺桿硬質(zhì)合金鉆頭第四章 擠 壓 成 型第3周：11月19日 11月21日3Hrs 將具有塑性的粉末放入擠壓機(jī)內(nèi)，在外力的作用下，通過(guò)壓模嘴擠壓成一定形狀的坯體的方法。第一節(jié) 擠壓成型什么是擠壓成型 ? 適宜成型管狀和截面一致的產(chǎn)品。 擠出長(zhǎng)度幾乎不受限制 第一節(jié) 擠壓成型擠壓成型的特點(diǎn)外徑/mm341012141718253040壁厚/mm0.20.30.40.50.61.02.02.53.5擠壓陶瓷管時(shí)管徑和壁厚的關(guān)系一、泥料的可塑性 考慮一個(gè)泥團(tuán)的在受壓條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖41，它非常類似于固體材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。 第一節(jié) 擠壓成型圖41泥團(tuán)的應(yīng)力應(yīng)變曲線s

2、p強(qiáng)度極限，ep 破裂變形量，sy 彈性極限 泥團(tuán)可塑性： 通常用乘積“p p ”表示泥團(tuán)的可塑性 。1）泥料的應(yīng)力應(yīng)變曲線spep2) 粘土的可塑性 在傳統(tǒng)陶瓷中，粘土是一種重要的原料。它不僅可以直接用于生產(chǎn)以粘土為主要原料配方的制品（如建筑磚瓦、粘土質(zhì)耐火材料、日用陶瓷、衛(wèi)生潔具等），還是一種廣泛使用的添加劑，用于其它陶瓷的生產(chǎn)中。 在陶瓷泥料制備中常常用到粘土。 粘土是一類水和鋁硅酸鹽的總稱，其通式為 ： xAl2O3ySiO2zH2O 它是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)極性物質(zhì)，除含有一定的結(jié)晶水外，尚含有一定的層間吸附水。 當(dāng)粘土與水接觸時(shí)，粘土分子的邊沿、斷裂處，通常都從水中吸收氧而形成不飽

3、和的硅氧鍵（SiO-），從而帶有明顯的負(fù)電，能把溶液中一部分帶正電H+離子拉緊在它的周?chē)?，形成一層牢固的所謂吸附層，至于更遠(yuǎn)一點(diǎn)的H+離子，則耦合較為松散，稱之為擴(kuò)散層，如下圖4-3所示: 粘土的性能吸附層圖4-3 水化后的粘土顆粒 對(duì)于粘土與水形成的泥團(tuán)，提高含水量可以提高p ，降低y圖44 某粘土含水量與應(yīng)力應(yīng)變曲線的關(guān)系8642204060剪切變形，%剪切應(yīng)力，X102Pa35%水40%水50%水3) 基于天然礦物原料的可塑性坯料的制備 天然陶瓷礦物（如粘土）原料粉末與適量的水混合之后，都可形成具有一定可塑性的泥料。 顆粒表面與水作用，形成包覆顆粒的液體膜，顆粒通過(guò)液體膜的毛細(xì)管力相互粘

4、結(jié)。 一般工藝流程 混合 將各種粉末原料、成型劑和水混合，通過(guò)攪拌分散均勻。 為了保證混合效率，開(kāi)始混合物中水份較高，達(dá)6070vol。此時(shí)的混合物為泥漿。 減少含水量 可塑性泥料的實(shí)際需要的含水量一般只有2126 vol，故要脫去多余的水，使泥漿成為泥料。 脫去多余的水后的泥料，通常團(tuán)成餅狀，故習(xí)慣稱為泥餅。 壓濾： 泥漿脫水的工序通常為，即給泥漿施加外界壓力，通過(guò)篩網(wǎng)擠出其中的水分。 篩網(wǎng)為濾布（帆布）和濾板（不銹鋼多孔板）。 練泥 泥餅中的水份和固體顆粒分布還不夠均勻，同時(shí)還含有很多氣體，還需進(jìn)一步加工。 通過(guò)捏練，使泥料成分更為均勻。 真空練泥，即捏練脫氣。在真空條件下捏練，可以有效地

5、排除泥料中的氣體物質(zhì)。 普通練泥 真空煉泥圖46 普通練泥機(jī)圖47 粗練機(jī)圖48 450雙軸揉練機(jī)外觀圖49 真空練泥機(jī) 陳腐 將泥餅在陰暗、潮濕、溫暖的密閉小室內(nèi)儲(chǔ)放一段時(shí)間。 目的：促成泥料成分分布均勻、結(jié)構(gòu)致密、可塑性增強(qiáng)。 4）影響泥料可塑性的因素圖410 不同粒徑 高嶺土制成的泥團(tuán)的可塑性 顆粒尺寸粒度越小，比表面積大越大，完全包覆顆粒的液膜的面積大，最佳含水量越大，最佳含水量對(duì)應(yīng)的可塑性越好。 含水量 泥團(tuán)的屈服應(yīng)力大小決定于顆粒間毛細(xì)管力大小。 當(dāng)含水量低于最佳含量時(shí)，液膜不能完全包覆顆粒，此時(shí)最大變形量和屈服應(yīng)力都小； 當(dāng)含水量高于最佳含量時(shí)，液膜能完全包覆顆粒，但液膜層過(guò)厚，

6、毛細(xì)管力小。4) 特種陶瓷泥料的制備 隨著陶瓷技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整,瘠性料占的比重越來(lái)越大。例如用于制備骨質(zhì)瓷、滑石瓷等高檔日用細(xì)瓷的瘠性料含量高達(dá)6080%，特種陶瓷原料配方中，如99瓷（氧化鋁含量大于99%）原料配方中瘠性料的比例甚至達(dá)到100%。 它們與任何比例的水混合之后得到的泥料，其可塑性都不能滿足可塑成型要求，因此需要進(jìn)行塑化。4) 特種陶瓷泥料的制備 添加塑化劑 塑化劑的主要作用為：吸附甚至包覆極性顆粒，借助于本身的結(jié)構(gòu)特性對(duì)瘠性顆粒進(jìn)行粘附與水化。 塑化劑的種類與用量 為了不影響制品的最終成分，通常采用有機(jī)類塑化劑。 成型劑的種類與制備軋膜成型坯料所用成型劑相同。 泥料制

7、備的工藝流程同天然礦物原料的泥料基本相同。5） 金屬泥料的制備 金屬粉末通常具有良好的可塑性，通常不制成泥料，陶瓷必須采用泥料才能進(jìn)行的成型。 但是，金屬粉若要進(jìn)行一些復(fù)雜、變形量很大的成型，其可塑性仍顯不夠，仍要添加大量塑化劑，以進(jìn)一步提高其可塑性。 通常金屬粉最常用的塑化劑是石蠟，還可用樹(shù)脂、淀粉等。 為了改善金屬粉末與塑化劑的結(jié)合狀況，在石蠟中加入少量聚乙烯醇作為粘結(jié)劑及少量硬脂酸作為表面活性劑。 典型工藝舉例：碳化鎢鈷硬質(zhì)合金的擠壓成型坯料制備 塑化劑：石蠟， 含量6.0-8.5wt%， 溶 劑：汽油 方 法： 第1步：將石蠟溶于氣油中， 過(guò)300目篩后形成成型劑溶液； 第2步：在40

8、50條件下，將成型劑溶液與粉末充分拌和，然后使其密實(shí)化，即將拌和料通過(guò)模壓的方式壓實(shí)，以增大粉末與石蠟的接觸面積和減少坯料中的氣體含量。 第3步：過(guò)篩?；訅涸炝＃?硬質(zhì)合金螺桿硬質(zhì)合金鉆頭 在壓力驅(qū)動(dòng)下，粉末或泥料通過(guò)一定的口模擠出，形成一定形狀的坯體。圖411擠壓成型示意圖1-擠壓沖頭；2-擠壓模；3-坯料；4-擠壓嘴；5-擠壓嘴座；6-成型坯特點(diǎn)： 與其他成型方法相比，具有效率高、單位成本低的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用領(lǐng)域： 主要用于熱塑性塑料的成型; 陶瓷、金屬粉末與成型劑組成熱塑性的泥料（以熱塑性的物質(zhì)如石蠟作塑化劑），也可以進(jìn)行擠出成型。圖412塑料擠出成型漫畫(huà) 圖413塑料片、板材擠出生產(chǎn)線

9、1-產(chǎn)品堆放裝置；2-產(chǎn)品輸送裝置；3-切斷裝置；4-牽引裝置； 5-切邊裝置；6-壓光機(jī)；7-片材機(jī)頭；8-擠出機(jī) 圖414 擠壓過(guò)程的受力狀態(tài)1由P引起的軸向壓力； 2模壁對(duì)坯料的側(cè)壓力；3模壁與坯料間的摩擦力；4由型坯重量所引起的軸向拉力4.2.1 擠壓成型原理1)擠壓過(guò)程受力分析 軸向壓力- 側(cè)壓力 摩擦力 軸向拉力 在模具上部的坯料受力分析 坯料向下移動(dòng)的阻力主要來(lái)自模壁與坯料間的摩擦力，其大小為： f = P1 (4-1) 式中: f 摩擦力, 摩擦系數(shù), P1 為模壁對(duì)坯料的側(cè)壓力。 側(cè)壓力與擠壓力P關(guān)系為： p1 = P (4-2) 式中： 側(cè)壓系數(shù)。 因此有： f = P (

10、4-3) 坯料向下移動(dòng)的條件是擠壓壓力大于摩擦力： P f = P 由于模壁與坯料間的摩擦力，靠近料筒壁處擠壓壓力損失較大，遠(yuǎn)離筒壁處擠壓壓力損失較小，導(dǎo)致料筒中心線上的泥料的流速比外圍泥料的流速快。這一點(diǎn)與普通壓制成型相同。 在料筒下部的坯料受力分析 由于擠壓嘴出口無(wú)壓力，當(dāng)此處的坯料受到的內(nèi)外壓力差超過(guò)其屈服極限時(shí)，立即從出口擠出。此處的內(nèi)外壓力差是經(jīng)坯料傳至底面的壓制力。 在擠壓嘴的圓錐面上，可將擠壓力P分解成與錐面法向方向的力P垂和與錐面母線平行的力P平。 P平用于克服坯料與擠壓嘴的圓錐面間的摩擦力后有一些損失，變?yōu)镻平，驅(qū)動(dòng)坯料向擠壓嘴中心流動(dòng)（水平方向）的應(yīng)力為： P水平 = P垂

11、cos (/2) - P平 sin (/2) （4-7） 圖4-15 擠壓嘴處受力分析 P垂 Psin (/2) (4-5) P平 Pcos (/2) (4-6) 在P水平的驅(qū)動(dòng)下，坯料產(chǎn)生自四周向中間的水平運(yùn)動(dòng)，一旦這種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，錐面又對(duì)坯料起阻礙作用，越靠近錐面的坯料所受阻力越大。圖4-16 擠壓嘴處流動(dòng)阻力的分布 坯料在模具中的流動(dòng) 由于坯料在擠壓模中受力很不均勻，各處的流動(dòng)分布很不相同（見(jiàn)圖4-17）。按照流動(dòng)特征，可以分為三個(gè)區(qū)域： V1區(qū) 坯料向擠壓嘴內(nèi)流動(dòng)。 V2區(qū) 坯料向上翻動(dòng)，然后流入v1區(qū)內(nèi)。圖4-17 擠壓模內(nèi)坯料的流動(dòng)（箭頭表示流動(dòng)方向） V3區(qū) 由于沖頭表面摩擦力的作

12、用，在擠壓初期和中期不會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，只是在擠壓后期，當(dāng)v1、v2區(qū)的坯料接近全部擠出時(shí)才流入v1區(qū)。圖4-18定型孔內(nèi)的超前現(xiàn)象 n-軸向剪切力；q-橫向膨脹力 在擠壓過(guò)程中，由于模壁摩擦力的影響，坯料沿?cái)D壓筒徑向方向受力不等，越靠近模壁者阻力越大。所以擠出時(shí)，中心部位的坯料的流動(dòng)速度比邊緣處的要快，這種現(xiàn)象稱為超前現(xiàn)象。在坯料進(jìn)入擠壓嘴的定型孔徑時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)速度提高，擠壓嘴內(nèi)的摩擦作用更為嚴(yán)重，故超前現(xiàn)象更為嚴(yán)重。超前現(xiàn)象 坯體中的殘余應(yīng)力擠出的制品中的“超前現(xiàn)象”會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的殘余應(yīng)力。圖419 圓柱形擠壓坯中的軸向殘余應(yīng)力分布2)擠壓模具設(shè)計(jì) 擠壓模具主要有沖頭、料筒、擠壓嘴。 模具設(shè)計(jì)主要

13、是根據(jù)擠壓制品的要求正確選擇壓縮比和設(shè)計(jì)擠壓嘴。 壓縮比壓縮比是坯料通過(guò)擠壓嘴前后橫截面積的相對(duì)變化比值。對(duì)于圓柱形坯體的擠壓成型: K=(D2-d2)/D2 (4-8) K壓縮比 ， K 取值通常大于95； D料筒直徑； d 擠壓嘴定型帶直徑。 圖420 坯料通過(guò)擠壓嘴前后的尺寸變化壓縮比：擠壓嘴擠壓嘴有兩個(gè)區(qū)：即壓縮區(qū)和定型帶。 圖421 擠壓嘴的結(jié)構(gòu) 若過(guò)大，擠壓阻力過(guò)大，擠壓嘴磨損也大； 若過(guò)小，造成壓縮比小，擠出的坯體密度、強(qiáng)度都低。 一般取值范圍在45 75 ，通常取60。 定型帶是控制坯體斷面尺寸主要手段，如對(duì)圓柱形坯體而言，定型帶的直徑就是坯體的控制尺寸。為了保證尺寸控制精度，

14、定型帶要有適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，如果過(guò)長(zhǎng)，坯體中附加內(nèi)應(yīng)力大，可能導(dǎo)致坯體開(kāi)裂；如果過(guò)短，擠出的坯體容易產(chǎn)生彈性膨脹，導(dǎo)致橫向裂紋。 普遍認(rèn)為 l 值宜取 （1.55)d。 定型帶長(zhǎng)度 l 不管是壓縮區(qū)或定型帶，都要求與坯料接觸的表面有高的光潔度。 光潔度 ）擠壓連續(xù)方程 為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠壓，在擠壓過(guò)程中，有以下關(guān)系： V機(jī)S模 = V擠S嘴 (4-9) 式中：V機(jī) 沖頭的推進(jìn)速度 V擠 坯體擠出速度 S模 擠壓模截面積 S嘴 擠壓嘴截面積。 對(duì)于圓形截面積的擠壓制品，則有： V機(jī) = (r2/R2)V擠 (4-10) r 擠壓嘴孔半徑， R 擠壓模內(nèi)圓半徑， 據(jù)此可以選擇并控制壓機(jī)的速度。4.2.3 擠

15、壓成型工藝1)擠壓機(jī)圖422 真空擠壓機(jī)示意圖擠壓系統(tǒng)，主要由由螺桿和機(jī)筒組成；傳動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)螺桿，保證螺桿在工作過(guò)程中所需要的扭矩和轉(zhuǎn)速；加熱和冷卻系統(tǒng)，用以滿足成型過(guò)程對(duì)溫度的控制要求。擠壓機(jī)構(gòu)成：表41擠出機(jī)的分類圖423陶瓷擠出成型機(jī)的實(shí)例2) 擠壓嘴 擠壓成型坯的橫截面可以是各種形狀，相應(yīng)的擠壓嘴也應(yīng)該有各種孔型。圖424擠壓成型坯的橫截面形狀舉例圖425蜂窩陶瓷擠壓成型模具示意圖蜂窩陶瓷蜂窩陶瓷陶瓷螺釘?shù)?)擠壓速度 單位時(shí)間擠出坯體的長(zhǎng)度稱為擠壓速度。擠壓速度與擠壓壓力有關(guān)。圖426 擠壓速度與擠壓壓力的關(guān)系8.08.59.09.510100200300400500600擠壓壓力

16、/X10MPa擠壓速度/mm min-1為什么擠壓壓力增大，擠壓速度迅速增大？ 當(dāng)擠壓壓力較小時(shí)，擠壓壓力主要用于克服坯料本身的內(nèi)摩擦力、坯料與擠壓嘴之間的摩擦力及坯料的變形阻力；在擠壓壓力克服了上述阻力后，新增的擠壓力幾乎全部用于推動(dòng)坯料的流動(dòng)，故擠壓速度隨擠壓壓力增大而迅速增大。擠壓速度過(guò)快會(huì)帶來(lái)什么結(jié)果？ 1）如果擠壓速度過(guò)快，料筒中心線附近坯料的流動(dòng)比筒壁處的坯料的流動(dòng)超出很多，坯料中會(huì)造成較大的剪切應(yīng)力，坯體容易開(kāi)裂； 2）料筒中心線附近坯料與筒壁處的坯料的流動(dòng)速度差會(huì)使料層間產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦，由此產(chǎn)生的熱可以使那些以石蠟作增塑劑的坯料中的石蠟熔化，從而破壞顆粒之間的粘結(jié)，也會(huì)使坯體開(kāi)

17、裂。4) 成型溫度 熱擠壓 指對(duì)加熱的坯料進(jìn)行擠壓。 主要針對(duì)金屬粉制備的坯料。 一些塑性良好的金屬坯料（如高溫合金、高速鋼粉）被加熱到1200 后進(jìn)行擠壓成型。 加熱的目的是為了降低坯料的屈服點(diǎn)以增加塑性。 在高溫下粉料已經(jīng)軟化，且沒(méi)有加工硬化現(xiàn)象，容易擠成一些形狀復(fù)雜、密度很高的坯體。 加熱溫度決定于坯料采用的成型劑，以使成型劑發(fā)揮最佳的塑化效果。 冷擠壓在室溫條件下的擠壓 常用于硬而脆的陶瓷坯料的成型。 陶瓷坯料含較多的高分子成型劑，其塑化效果一般與溫度關(guān)系不大，故通常采用冷擠壓。 多數(shù)擠壓成型工藝界于熱擠壓和冷擠壓之間，即對(duì)坯料稍加一點(diǎn)溫度，只是比室溫略高。 舉例 金屬坯料最常用石蠟成

18、型劑（增塑劑）。石蠟的塑性在一定溫度下具有峰值（如55號(hào)石蠟在35 45 塑化效果好），石蠟的強(qiáng)度和粘結(jié)能力則是隨溫度升高而下降的。 圖427 溫度對(duì)石蠟強(qiáng)度的影響 石蠟成型劑坯料的成型時(shí)溫度不能過(guò)高和過(guò)低，一般為35 45 。5) 粉末性能 為了避免出現(xiàn)顆粒定向排列的現(xiàn)象，擠壓成型要求粉末顆粒細(xì)、最好呈球形。圖428片狀顆粒在擠壓力作用下定向排列6) 應(yīng)用舉例硬質(zhì)合金的擠壓工藝 用石蠟為成型劑。不同牌號(hào)的混合料, 石蠟的加入量稍有差別，見(jiàn)表4-2。 合金牌號(hào)YG6,YG8,YG11,YG4CYG3X,YG6XYG3,YG15YG20,YG25,YT15石蠟量wt%787.58.5表4-2硬質(zhì)合金擠壓料中石蠟的成分 亦可用凡士林部分代替石蠟。為了提高粘結(jié)力，還可加入一定量的表面活性劑，如硬脂酸等。還可按擠壓孔徑大小增減臘量，見(jiàn)表4-3。 表4-3擠壓孔徑與臘量的關(guān)系擠壓嘴孔徑mm345-