CN102172973B - 一种长棒状陶瓷坯体下注式升液注凝成型专用模具及利用该模具生产长棒状陶瓷的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种长棒状陶瓷坯体下注式升液注凝成型专用模具及利用该模具生产长棒状陶瓷的制备方法。该模具其特征在于由设有凹槽的整体式圆形底座，下部带有一圈支撑台阶、由两半圆组成的料浆筒，外径与料浆筒内径动配合的内部带有锥度的整体式紧固环，外圆锥度与紧固环内锥度相同、中部有一浇注孔的多层带半孔模板组合体，长柄漏斗组成。该方法其特征在于包括：1)配制料浆；2.)合模；3)下注式升液法浇注；4)凝胶固化、脱模；5)脱水干燥、烧结。本发明的优点是料浆浇注操作过程中无需移动模具，当模具较重时也不会造成困难，且容易使料浆升液平稳，不会裹入气泡；利用本发明方法，可以实现长棒状陶瓷轴坯体的高效批量化生产。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属材料专用模具及其制备方法领域，具体涉及一种长棒状陶瓷坯体下注式升液注凝成型专用模具及利用该模具生产长棒状陶瓷的制备方法。
背景技术
对于细长棒状陶瓷坯体，目前常用的生产方法主要为塑性泥料挤制法和蜡料浆热压铸法，当尺寸较大时，也可使用冷等静压法。
泥料挤制法机械化程度较高，比较适合规模化生产，只要控制好挤泥机嘴口径和切段长短，就可以得到尺寸一致性较好的陶瓷坯体。其关键技术是配练具有高固相含量和良好塑性变形能力的泥料。但对于高性能陶瓷，为保证获得微晶结构，常需要使用超细脊性粉料，则配练具有合适塑性的泥料相当困难，必须加入较高含量的水和增塑剂、粘接剂等有机物，因此泥坯密度相对较低，需提高烧结温度才能获得较致密瓷体，不仅增加能耗和对窑炉耐火材料的要求，还会使晶粒长大，降低材料性能。
热压铸法虽有许多关键技术需掌握，但目前工艺技术与相配套的设备已相对成熟，应用领域也很广。但由于蜡料浆压入金属模具后冷却凝固过程很快，热压铸法难以一次压铸出截面积很小而长径比很大的细长坯体，同时对于比表面积较大的超细陶瓷粉体，配制高固相含量和良好可铸性的蜡料浆难度较大。热压铸成型实际生产中存在的最大问题是排蜡会造成较严重的环境污染，同时其生产流程较长，生产效率相对较低，能耗较高。
对于大尺寸的轴类陶瓷，可以采用冷等静压成型。该工艺所得坯体结构均匀，烧结成瓷材质好，密度高。但由于模具限制，其棒坯尺寸精度和表面质量难以满足要求，需进一步机械加工才能获得所需尺寸的陶瓷轴坯体。同时，该工艺设备投资费用大，生产成本高，生产效率低，不适合工业化生产直径小于Φ10mm的陶瓷轴坯体。
二十世纪九十年代初，美国橡树岭国家重点实验室先后发明了陶瓷坯体的有机料浆注模凝胶成型技术(U.S Patent 4894194，1990)和水基料浆注模凝胶成型技术(U.S Patent5028362，1991)。比较而言，水基料浆以水为溶剂，不仅成本低，环境污染少，而且由于近年来多种高效水溶性分散剂的发明应用，易于配制出高陶瓷粉体体积分量的料浆，因此受到人们的广泛关注，并在某些领域获得了成功应用。该技术将可形成凝胶体的有机单体和交联剂与水配制成预混液，与陶瓷粉体混合后配制成陶瓷料浆，浇注入无渗漏的模具中并在一定条件下使之原位聚合，形成交叉键结构的凝胶体而使陶瓷坯体定型，因此可适用于各种复杂和简单形状的陶瓷坯体的精密成型。但用该工艺制备细长棒状陶瓷坯体的困难在于，当料浆浇注入密闭模腔孔时，模腔孔内气体容易被料浆堵住无法排出，结果会在坯体内留下气孔缺陷而报废。同时，每次只浇注一件产品显然生产效率很低，不能满足工业化生产的要求。
发明内容
本发明的目的是克服料浆注凝成型细长棒状陶瓷坯体时模腔孔内气体容易被料浆堵住无法排出，在坯体内留下气孔缺陷而报废的问题，提供一种每次成型多件产品，提高生产效率，满足工业化生产要求的长棒状陶瓷坯体下注式升液注凝成型专用模具及利用该模具生产长棒状陶瓷的制备方法。
本发明是通过如下技术方案来实现的：
即一种长棒状陶瓷坯体下注式升液注凝成型专用模具，其特征在于由设有凹槽的整体式圆形底座，外径与底座的凹槽内径动配合、下部带有一圈3～5mm支撑台阶、由两半圆组成的料浆筒，外径与料浆筒内径动配合的内部带有5～10°锥度的整体式紧固环，外圆锥度与紧固环内锥度相同、中部有一浇注孔的多层带半孔模板组合体，可插入浇注孔的长柄漏斗组成，料浆筒通过凹槽安装在圆形底座上组成盛料浆用的阴模，多层带半孔模板组合后塞入紧固环，组成固定的带有多个通孔的阳模。
模具各部件选用金属如钢、铝合金、铜合金等刚性不透气耐用材料制成。
一种利用权利要求1所述的模具制备长棒状陶瓷的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)配制料浆
根据工艺要求配制可凝胶化陶瓷料浆；
2.)合模
先将料浆筒通过凹槽嵌入底座，形成一个下部密封的盛料浆用的阴模，然后将多层带半孔模板组合后塞入整体紧固环，成为固定的带有多个通孔的阳模，将阳模放入阴模内，其下端安装在料浆筒的支撑台阶上，在浇注孔中插入的长柄漏斗；
3)下注式升液法浇注
将称量好的陶瓷料浆浇注入长柄漏斗，陶瓷料浆从长柄漏斗流入模具底部并通过自重压力从底部缓慢上升充满各孔。为减少陶瓷料浆损失，在提出漏斗后，可用一略细于浇注孔直径的金属圆棒插入其中将陶瓷料浆充分压入模具孔中；
4)凝胶固化、脱模
料浆凝胶固化后进行脱模操作，先退出底座，再打开料浆筒，用刀片将底部多余凝胶坯体切除后，从紧固环中整体顶出多层带半孔模板组合体，再将各层模板逐一剥离开，即得到多支等长度的长棒状陶瓷凝胶坯体；
5)脱水干燥、烧结
取出的陶瓷凝胶坯体经脱水干燥和烧结致密化，即制得长棒状陶瓷。
本发明可用于水基料浆注凝法成型长棒状陶瓷坯体的工业化批量生产，可获得高质量长棒状陶瓷坯体。与其它成型方法相比，其优点主要表现为：
1.比泥料挤制法坯体质量高，可以获得体积密度更高的坯体，降低烧结致密化温度。
2.比热压铸法节能降耗，环境污染小，工序过程简化，可适于超细粉体的成型，有利于获得细晶结构瓷体；
3.比等静压法设备投资费用低，生产效率高，可直接获得高尺寸精度无需进一步机械加工的坯体，不产生粉尘污染；
采用本发明的专用组合模具进行升液注凝操作，可以弥补水基料浆注凝法手工操作产品一致性不容易保证的问题。下注式升液注凝法的优点是料浆浇注操作过程中无需移动模具，当模具较重时也不会造成困难，且容易使料浆升液平稳，不会裹入气泡，模具底部留下的多余凝胶体可加工制成其它零件坯体。利用本发明方法，可以实现长棒状陶瓷轴坯体的高效批量化生产，每次可得到几十支甚至几百支等长度的陶瓷轴凝胶坯体，数量和尺寸均可由所设计制造的模具决定。同时，该方法可用于截面积为1mm2以上各种规格长棒状陶瓷坯体的注凝精密成型，并且通过模具的改进设计，可实现圆型、方型、多边型、复杂异形截面长棒状陶瓷坯体的成型，有着很好的实用价值。
附图说明
图1为本发明专用模具的结构示意图；
图2为图1中去除长柄漏斗后的A向视图。
如图中所示：1底座；2料浆筒；3紧固环；4带半孔模板；5长柄漏斗；6浇注孔。
具体实施方式
实施例1：制备99％氧化铝陶瓷方轴坯
组装模具
如图1、图2所示：先将料浆筒2通过凹槽嵌入底座1，形成一个下部密封的盛料浆用的阴模，然后将12层带半孔模板4组合后塞入紧固环3，成为固定的带有47个10mm×10mm×420mm方孔的阳模，将阳模放入阴模内，其下端安装在料浆筒2的支撑台阶上，在浇注孔6中插入的长柄漏斗5；紧固环3的内锥度为5°，12层带半孔模板4组合成的组合体的外圆锥度与紧固环3的内锥度相同。
制作方法
称量2200ml配制好的可凝胶化99％氧化铝陶瓷料浆，将料浆缓慢倒进长柄漏斗5中，料浆顺浇注孔流入模具底部后升液充满模具中各方孔，然后拔出长柄漏斗5。料浆凝胶固化后，先退出底座1，再打开料浆筒2，用刀片将底部约4mm厚凝胶坯体切除后，从紧固环3中整体顶出12层带半孔模板4。再将各层模板逐一剥离开，即得到47支表面光洁、内部结构均匀、尺寸为10mm×10mm×415mm(用刀片切去阻凝层5mm)的99％氧化铝方型长棒状陶瓷凝胶坯体。陶瓷凝胶坯体经脱水干燥和烧结致密化，即制得99％氧化铝方型长棒状陶瓷。
实施例2：制备碳化硅陶瓷细长棒坯体
组装模具
带半孔模板4为20层，组合后有128个Φ3mm×230mm圆孔，紧固环3的锥度为10°20层带半孔模板4组合成的组合体的外圆锥度与紧固环3的内锥度相同，其他同实施例1。
制作方法
称量230ml可凝胶化SiC陶瓷料浆，将料浆缓慢倒进长柄漏斗5中，料浆顺浇注孔流入模具底部后升液充满模具中各圆孔，然后拔出长柄漏斗5，用一金属圆棒插入浇注孔6中。料浆凝胶固化后，先退出底座1，再打开料浆筒2，用刀片将底部约3mm厚凝胶坯体切除后，从紧固环3中整体顶出20层带半孔模板4。再将各层模板逐一剥离开，即得到128支表面光洁、内部结构均匀、截面尺寸为Φ3mm的圆型SiC陶瓷长轴凝胶坯体，平放于玻璃板上，用刀片再次将其定尺切断共得到384支Φ3mm×75mm的凝胶坯体。陶瓷凝胶坯体经脱水干燥和烧结致密化，即制得圆型SiC长棒状陶瓷。
本发明不局限于以上实施例，如阳模的孔的形状及数量都是可以改变的，紧固环的锥度可以根据工艺要求在5°～10°之间合理选择。
Claims (2)
1.一种长棒状陶瓷坯体下注式升液注凝成型专用模具，其特征在于由设有凹槽的整体式圆形底座，外径与底座的凹槽内径动配合、下部带有一圈3～5mm支撑台阶、由两半圆组成的料浆筒，外径与料浆筒内径动配合的内部带有5～10°锥度的整体式紧固环，外圆锥度与紧固环内锥度相同、中部有一浇注孔的多层带半孔模板组合体，可插入浇注孔的长柄漏斗组成，料浆筒通过凹槽安装在圆形底座上组成盛料浆用的阴模，多层带半孔模板组合后塞入紧固环，组成固定的带有多个通孔的阳模。
2.一种利用权利要求1所述的模具制备长棒状陶瓷的方法，其特征在于包括如下步骤：
1）配制料浆
根据工艺要求配制可凝胶化陶瓷料浆；
2.）合模
先将料浆筒通过凹槽嵌入底座，形成一个下部密封的盛料浆用的阴模，然后将多层带半孔模板组合后塞入整体紧固环，成为固定的带有多个通孔的阳模，将阳模放入阴模内，其下端安装在料浆筒的支撑台阶上，在浇注孔中插入长柄漏斗；
3）下注式升液法浇注
将称量好的陶瓷料浆浇注入长柄漏斗，陶瓷料浆从长柄漏斗流入模具底部并通过自重压力从底部缓慢上升充满各孔，为减少陶瓷料浆损失，在提出漏斗后，用一略细于浇注孔直径的金属圆棒插入其中将陶瓷料浆充分压入模具孔中；
4）凝胶固化、脱模
料浆凝胶固化后进行脱模操作，先退出底座，再打开料浆筒，用刀片将底部多余凝胶坯体切除后，从紧固环中整体顶出多层带半孔模板组合体，再将各层模板逐一剥离开，即得到多支等长度的长棒状陶瓷坯体；
5）脱水干燥、烧结
取出的长棒状陶瓷坯体经脱水干燥和烧结致密化，即制得长棒状陶瓷。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: The invention relates to a special mould for long rod-shaped ceramic body and a preparation method for producing long rod-shaped ceramics with the mold Effective date of registration: 20201030 Granted publication date: 20130123 Pledgee: Zibo Xinrun financing Company limited by guarantee Pledgor: SHANDONG ULTRAMING FINE CERAMICS Co.,Ltd. Registration number: Y2020980007378 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20211122 Granted publication date: 20130123 Pledgee: Zibo Xinrun financing Company limited by guarantee Pledgor: SHANDONG ULTRAMING FINE CERAMICS Co.,Ltd. Registration number: Y2020980007378 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: The invention relates to a special die for down injection liquid rising coagulation forming of long rod-shaped ceramic body and a preparation method for producing long rod-shaped ceramics by using the die Effective date of registration: 20211221 Granted publication date: 20130123 Pledgee: Zibo Xinrun financing Company limited by guarantee Pledgor: SHANDONG ULTRAMING FINE CERAMICS Co.,Ltd. Registration number: Y2021980015638 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20220930 Granted publication date: 20130123 Pledgee: Zibo Xinrun financing Company limited by guarantee Pledgor: SHANDONG ULTRAMING FINE CERAMICS Co.,Ltd. Registration number: Y2021980015638 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |