CN111072392A - 一种环形陶瓷产品的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种环形陶瓷产品的生产方法，所述方法包括以下步骤：将原料组分混合后进行冷压成型，得到与成品尺寸相匹配的冷压件，所述冷压件至少包括圆形中心区和边缘区两部分分割区域；将冷压件装填到热压模具中，同一冷压件的不同分割区域之间用碳纸隔开，然后进行热压烧结，再经机加工，得到环形陶瓷产品。本发明利用冷压件易加工的特点，在形成冷压件的过程中即分割出不同区域，使其初步满足产品形状的要求，极大地减少了热压后所需的加工量，降低加工难度及生产成本，既可降低生产成本，又可提高产品合格率。

Description

一种环形陶瓷产品的生产方法
技术领域
本发明属于陶瓷产品制备技术领域，涉及一种环形陶瓷产品的生产方法。
背景技术
热压模具法是陶瓷产品制备中常用的一种方法，通常包括混合、装模、热压及机加工等步骤，由于陶瓷产品种类众多，应用领域的不同，有时会对陶瓷产品的形状有所要求。对于特殊形状的陶瓷产品的制备，目前常用的方式为制作相配套的模具或者对初步制得的产品进行切割；前者由于产品形状特殊，尺寸多变，单独购置或制作模具成本较高，适用范围窄，生产周期长；由于陶瓷产品往往强度较大，进行后期切割时加工难度较大，且容易出现开裂、崩角，造成产品的合格率较低。
环形产品是一种常见的特殊形状的产品，设计制作配套模具难度大，成本较高。CN201950211U公开了一种热压模具，包括下垫片、阴模、中心柱以及环形压头，所述下垫片上设置有用于插配所述中心柱的定位孔，所述中心柱的下端头定位装配于所述定位孔内，定位孔设置为螺纹孔，与中心柱的下端头螺纹连接。该热压模具只适用于一种尺寸的环形产品的制备，适用范围有限，大规模多样化生产时，所需模具的种类及数量较多；同时该模具的使用时也偏向于复杂，装填及脱模难度大。
CN 106278284A公开了一种利用环形石墨模具分步烧结制备氮化硼陶瓷材料的方法，将BN基粉体与添加剂和助烧剂混合造粒，然后装入环形石墨模具中，进行分步热压烧结，烧结后得到氮化硼陶瓷材料。该方法中所用的环形石墨模具并非用于制备环形产品，其内环与外环之间的间距较小，只是为了使内环可以高温膨胀，避免模具开裂，原料粉体装填于内环制备圆柱形产品，若要得到环形还需要进行切割。
综上所述，特殊形状尤其是环形产品的制备，还需要再现有热压模具的条件下，能够快速简单得到环形产品，同时保证成品率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种环形陶瓷产品的生产方法，所述方法通过将原料形成的冷压件先分割出不同区域，利用冷压件易加工的特点，极大地减少了热压后所需的加工量，降低加工难度，既可降低生产成本，又可提高产品合格率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种环形陶瓷产品的生产方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将原料组分混合后进行冷压成型，得到与成品尺寸相匹配的冷压件，所述冷压件至少包括圆形中心区和边缘区两部分分割区域；
(2)将步骤(1)得到的冷压件装填到热压模具中，同一冷压件的不同分割区域之间用碳纸隔开，然后进行热压烧结，再经机加工，得到环形陶瓷产品。
本发明中，利用冷压件易加工的特点，在原料组分形成冷压件的过程中即进行分割，使其初步满足产品形状的要求，使得热压后毛坯的加工量大幅降少，在提高生产效率的同时，降低生产成本。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述原料组分包括陶瓷粉末和粘结剂。
优选地，所述陶瓷粉末占原料总量的质量分数为90％～93％，例如90％、90.5％、91％、91.5％、92％、92.5％或93％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述陶瓷粉末包括碳化硼、氮化硼、碳化硅或氧化铝中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：碳化硼和氮化硼的组合，氮化硼和碳化硅的组合，碳化硼、碳化硅和氧化铝的组合等。
优选地，所述陶瓷粉末的粒径为1～10μm，例如1μm、2μm、3μm、5μm、6μm、8μm或10μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述粘结剂包括纤维素和水、聚乙烯醇(PVA)和水、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和乙醇中任意一种，即粘结剂选择上述三种组合中的任意一种。
优选地，所述纤维素和水的质量比为1:(25～35)，例如1:25、1:27、1:29、1:30、1:32、1:34或1:35等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述聚乙烯醇和水的质量比为1:(9～13)，例如1:9、1:10、1:11、1:12或1:13等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述聚乙烯醇缩丁醛和乙醇的质量比为1:(8～19)，例如1:8、1:10、1:12、1:14、1:16、1:18或1:19等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，粘结剂的加入有助于原料粉末的成型，在热压烧结过程中粘结剂可以挥发分解，对最终产品纯度的影响较小。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述冷压成型在冷压模具内进行。
优选地，步骤(1)所述冷压成型的压力为4～8MPa，例如4MPa、5MPa、6MPa、7MPa或8MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述冷压成型的温度为15～30℃，例如15℃、18℃、20℃、22℃、25℃、27℃或30℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，冷压成型在常温条件下进行即可完成，本发明中若未特意提及，所述的压力一般是指表压。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述冷压件的不同分割区域由冷压模具的自身结构和/或采用线切割方式得到。
优选地，所述冷压件整体呈方形时，所述分割区域中的边缘区进一步切割出四角区分割区域，剩余部分为待加工区。
本发明中，制备环形等特殊形状的产品，其关键在于冷压件的分割，因此冷压模具的形状及构造尤为重要，其尺寸及内部结构根据产品要求定制，使形成的冷压件即可初步满足产品形状的要求，为了避免冷压模具的结构过于复杂，冷压模具可主要起主体分割的作用，边缘区的进一步分割可采用线切割的方式。
与石墨热压模具相比，冷压模具一般使用模具钢，制作周期短，成本较低。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述热压模具包括石墨热压模具，通常采用中粗石墨或等静压石墨。
优选地，所述热压模具的模腔中至少装填一层冷压件，例如一层、两层、三层、四层或五层等，主要由热压模具的模腔尺寸及单个产品尺寸决定；每层包括至少一个冷压件，例如一个、两个、三个、四个或五个等，冷压件将模腔充分填充，以能够在热压时维持足够的压力。
优选地，不同层冷压件之间、同一层的相邻冷压件之间以及同一冷压件的分割区域之间均用碳纸隔开，便与后续的脱模与分隔。
优选地,步骤(2)所述碳纸包括石墨纸。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述热压烧结的温度为1500～2000℃，例如1500℃、1600℃、1700℃、1800℃、1900℃或2000℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述热压烧结的压力为18～25MPa，例如18MPa、19MPa、20MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa或25MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述压力是指所用的热压模具的压头施加的压力，而非气体压力，不受热压烧结气体环境压力大小的影响。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述热压烧结在保护性气体中或真空条件下进行。
优选地，所述保护性气体包括氮气和/或惰性气体。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述热压烧结后冷却，将烧结件的边缘区分割区域进行机加工，得到环形陶瓷产品。
优选地，所述边缘区包括四角区和待加工区。
优选地，所述机加工方式包括车削加工。
作为本发明优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：
(1)将陶瓷粉末和粘结剂混合后进行冷压成型，所述陶瓷粉末占比90～93wt％，所述冷压成型在冷压模具内进行，所述冷压成型的压力为4～8MPa，温度为15～30℃，得到与成品尺寸相匹配的冷压件，所述冷压件至少包括圆形中心区和边缘区两部分分割区域，所述冷压件的不同分割区域由冷压模具的自身结构和/或采用线切割方式得到，边缘区可进一步切割出四角分割区；
(2)将步骤(1)得到的冷压件装填到热压模具中，热压模具的模腔中至少装填一层冷压件，每层包括至少一个冷压件，不同层冷压件之间、同一层的相邻冷压件之间以及同一冷压件的分割区域之间均用碳纸隔开；
(3)步骤(2)装填完成后进行热压烧结，热压烧结的温度为1500～2000℃，压力为18～25MPa，热压烧结后冷却，将烧结件的边缘区分割区域进行机加工，得到环形陶瓷产品。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用冷压件易加工的特点，在形成冷压件的过程中即分割出不同区域，使其初步满足产品形状的要求，极大地减少了热压后所需的加工量，降低加工难度及生产成本，既可降低生产成本，又可提高产品合格率，可以达到90％以上。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的冷压件分割区域的结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的冷压件装模后平面结构示意图；
其中，1-圆形中心区，2-待加工区，3-四角区。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明，但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
本发明具体实施方式部分提供了一种环形陶瓷产品的生产方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将原料组分混合后进行冷压成型，得到与成品尺寸相匹配的冷压件，所述冷压件至少包括圆形中心区1和边缘区两部分分割区域；
(2)将步骤(1)得到的冷压件装填到热压模具中，同一冷压件的不同分割区域之间用碳纸隔开，然后进行热压烧结，再经机加工，得到环形陶瓷产品。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种环形碳化硼陶瓷产品的生产方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将碳化硼粉末、粘结剂混合后在冷压模具内进行冷压成型，所述粘结剂中纤维素和水的混合质量比为1:29，所述碳化硼粉末与粘结剂质量混合比为93:7，冷压成型的压力为6MPa，温度为20℃，得到与成品尺寸相匹配的冷压件，所述冷压模具将冷压件分为圆形中心区1和边缘区两部分，再以线切割的方式将边缘区分割出四角区3和剩余待加工区2，所述冷压件分割区域的结构示意图如图1所示；
(2)将步骤(1)得到的冷压件装填到石墨热压模具中，热压模具的模腔中装填五层冷压件，每层装填四个冷压件，装模后平面结构示意图如图2所示，不同层冷压件之间、同一层的相邻冷压件之间以及同一冷压件的分割区域之间均用石墨纸隔开；
(3)步骤(2)装填完成后进行热压烧结，热压烧结在氮气气氛下进行，温度为1800℃，压力为20MPa，热压烧结后冷却，将烧结件的待加工区2进行车削加工，得到所需尺寸的环形碳化硼陶瓷产品。
实施例2：
本实施例提供了一种环形碳化硅陶瓷产品的生产方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将碳化硅粉末、粘结剂混合后在冷压模具内进行冷压成型，所述粘结剂中聚乙烯醇和水的质量比为1:10，所述碳化硅粉末与粘结剂的混合质量比为9:1，冷压成型的压力为8MPa，温度为15℃，得到与成品尺寸相匹配的冷压件，所述冷压模具将冷压件分为圆形中心区1、待加工区2和四角区3三部分；
(2)将步骤(1)得到的冷压件装填到石墨热压模具中，热压模具的模腔中装填三层冷压件，每层装填六个冷压件，不同层冷压件之间、同一层的相邻冷压件之间以及同一冷压件的分割区域之间均用石墨纸隔开；
(3)步骤(2)装填完成后进行热压烧结，热压烧结在氩气气氛下进行，温度为1700℃，压力为25MPa，热压烧结后冷却，将烧结件的待加工区2进行车削加工，得到所需尺寸的环形碳化硅陶瓷产品。
实施例3：
本实施例提供了一种环形氮化硼陶瓷产品的生产方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将氮化硼粉末、粘结剂混合后在冷压模具内进行冷压成型，所述粘结剂中聚乙烯醇缩丁醛和乙醇的混合质量比为1:15，所述氮化硼粉末与粘结剂的混合质量比为92:8，冷压成型的压力为4MPa，温度为30℃，得到与成品尺寸相匹配的冷压件，以线切割的方式将冷压件分割为圆形中心区1、待加工区2和四角区3三部分；
(2)将步骤(1)得到的冷压件装填到石墨热压模具中，热压模具的模腔中装填六层冷压件，每层装填九个冷压件，不同层冷压件之间、同一层的相邻冷压件之间以及同一冷压件的分割区域之间均用石墨纸隔开；
(3)步骤(2)装填完成后进行热压烧结，热压烧结在真空条件下进行，温度为2000℃，压力为18MPa，热压烧结后冷却，将烧结件的待加工区2进行车削加工，得到所需尺寸的环形氮化硼陶瓷产品。
实施例4：
本实施例提供了一种环形氧化铝陶瓷产品的生产方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将氧化铝粉末、粘结剂混合后在冷压模具内进行冷压成型，所述粘结剂中纤维素和水的混合质量比为1:35，所述氧化铝粉末与粘结剂的混合质量比为91:9，冷压成型的压力为6MPa，温度为25℃，得到与成品尺寸相匹配的冷压件，所述冷压模具为圆形，将冷压件分为圆形中心区1和待加工区2两部分；
(2)将步骤(1)得到的冷压件装填到石墨热压模具中，热压模具的模腔呈圆形，其中装填九层冷压件，每层装填一个冷压件，不同层冷压件之间以及同一冷压件的分割区域之间均用石墨纸隔开；
(3)步骤(2)装填完成后进行热压烧结，热压烧结在氖气气氛下进行，温度为1500℃，压力为22MPa，热压烧结后冷却，将烧结件的待加工区2磨加工，得到所需尺寸的环形氧化铝陶瓷产品。
对比例1：
本对比例提供了一种环形碳化硼陶瓷产品的生产方法，所述方法参照实施例1中的方法，区别仅在于：步骤(1)所用冷压模具形成的冷压件为一个整体，步骤(3)中再进行加工得到环形产品。
上述实施例1-4中，在环形陶瓷产品生产过程中，采用以冷压模具自身结构为主，线切割为辅的方式将冷压件分割处理，使其初步满足产品形状的要求，热压后所需的加工量减少，同时降低加工难度，提高产品合格率，可以达到90％以上；
而对比例1中，由于未采用冷压件分割的方式，热压后还需要切削去除中心区和边角区，所需的加工量是实施例所需加工量的2倍以上，且加工难度大，产品合格率仅为50％。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所用原料、操作的等效替换及辅助原料、操作的添加，具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种环形陶瓷产品的生产方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将原料组分混合后进行冷压成型，得到与成品尺寸相匹配的冷压件，所述冷压件至少包括圆形中心区和边缘区两部分分割区域；
(2)将步骤(1)得到的冷压件装填到热压模具中，同一冷压件的不同分割区域之间用碳纸隔开，然后进行热压烧结，再经机加工，得到环形陶瓷产品。
2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，步骤(1)所述原料组分包括陶瓷粉末和粘结剂；
优选地，所述陶瓷粉末占原料总量的质量分数为90％～93％。
3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，所述陶瓷粉末包括碳化硼、氮化硼、碳化硅或氧化铝中任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述陶瓷粉末的粒径为1～10μm；
优选地，所述粘结剂包括纤维素和水、聚乙烯醇和水、聚乙烯醇缩丁醛和乙醇中任意一种；
优选地，所述纤维素和水的质量比为1:(25～35)；
优选地，所述聚乙烯醇和水的质量比为1:(9～13)；
优选地，所述聚乙烯醇缩丁醛和乙醇的质量比为1:(8～19)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的生产方法，其特征在于，步骤(1)所述冷压成型在冷压模具内进行；
优选地，步骤(1)所述冷压成型的压力为4～8MPa；
优选地，步骤(1)所述冷压成型的温度为15～30℃。
5.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，步骤(1)所述冷压件的不同分割区域由冷压模具的自身结构和/或采用线切割方式得到；
优选地，所述冷压件整体呈方形时，所述分割区域中的边缘区进一步切割出四角区，剩余部分为待加工区。
6.根据权利要求1-5任一项所述的生产方法，其特征在于，步骤(2)所述热压模具包括石墨热压模具；
优选地，所述热压模具的模腔中至少装填一层冷压件，每层包括至少一个冷压件；
优选地，不同层冷压件之间、同一层的相邻冷压件之间以及同一冷压件的分割区域之间均用碳纸隔开；
优选地,步骤(2)所述碳纸包括石墨纸。
7.根据权利要求1-6任一项所述的生产方法，其特征在于，步骤(2)所述热压烧结的温度为1500～2000℃；
优选地，步骤(2)所述热压烧结时施加的压力为18～25MPa。
8.根据权利要求1-7任一项所述的生产方法，其特征在于，步骤(2)所述热压烧结在保护性气体中或真空条件下进行；
优选地，所述保护性气体包括氮气和/或惰性气体。
9.根据权利要求1-8任一项所述的生产方法，其特征在于，步骤(2)所述热压烧结后冷却，将烧结件的边缘区分割区域进行机加工，得到环形陶瓷产品；
优选地，所述边缘区包括四角区和待加工区；
优选地，所述机加工方式包括车削加工。
10.根据权利要求1-9任一项所述的生产方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将陶瓷粉末和粘结剂混合后进行冷压成型，所述陶瓷粉末占比90～93wt％，所述冷压成型在冷压模具内进行，所述冷压成型的压力为4～8MPa，温度为15～30℃，得到与成品尺寸相匹配的冷压件，所述冷压件至少包括圆形中心区和边缘区两部分分割区域，所述冷压件的不同分割区域由冷压模具的自身结构和/或采用线切割方式得到，边缘区可进一步切割出四角区分割区域；
(2)将步骤(1)得到的冷压件装填到热压模具中，热压模具的模腔中至少装填一层冷压件，每层包括至少一个冷压件，不同层冷压件之间、同一层的相邻冷压件之间以及同一冷压件的分割区域之间均用碳纸隔开；
(3)步骤(2)装填完成后进行热压烧结，热压烧结的温度为1500～2000℃，压力为18～25MPa，热压烧结后冷却，将烧结件的边缘区分割区域进行机加工，得到环形陶瓷产品。
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