无压烧结碳化硅陶瓷防弹片的生产工艺设计.doc

1、目 录1 前言 .12 工艺流程 .22.1 工艺的选择 .22.1.1 粉料的制备 .22.1.2 成型方式 .22.1.3 烧结方式 .32.2 工艺流程图 .43 生产过程简述 .43.1 原料配比 .43.2 生产工艺.43.2.1 浆料的制备过程 .53.2.2 造粒及粉料性能检测 .53.2.3 成型 .63.2.4 烧结 .63.2.5 后续机械加工处理 .65 主要设备简介 .75.1 电子天平 .75.2 超声波清洗器 .85.3 三维混料机 .85.4 喷雾干燥器 .95.5 流速计 .105.6 四柱式万能液压机 .105.7 模具 .115.8 真空烧结炉 .126 产

2、品指标 .136.1 粉料性能检测 .136.2.2 结果讨论 .167 小结 .17第 1 页 共 21 页1 前言碳化硅（SiC）在自然界中几乎不存在，所以 SiC 是人工合成材料。随后在陨石中偶然发现 SiC 化合物的存在。1893 年美国人 Acheson 首先用 SiO2 碳还原法（SiO2+3C=SiC+2CO(g)）人工合成 SiC 粉末，该法至今仍是碳化硅粉体合成机材料制备的主要方法，其后又出现了硅-碳直接合成法、气相沉积法、激光法、有机前驱体法等，所以碳化硅（SiC）陶瓷是以 SiC 为主要成分的陶瓷制品。SiC 有着的化学稳定性好，但 SiC 本身很容易氧化，在 SiC 表

3、面形成一层二氧化硅薄膜，进而氧化进程逐步被阻碍。高纯度的 SiC 一般用于制造高性能陶瓷与电热元件，纯度大于 98.5的 SiC 绝大部分用于制造磨料与耐火材料。而制备得 SiC 陶瓷具有很高的硬度、高温强度高、抗氧化性好、耐腐蚀和良好的热导率等优点，因此成为重要的高温陶瓷材料。SiC 陶瓷是非氧化物陶瓷中抗氧化性能最好的一种。碳化硅陶瓷不仅在高新技术领域发挥着重要的作业，而且在冶金、机械、能源和建材化工等热门领域也拥有广阔的市场。SiC 有两种主要的晶型：一种是 -SiC，有类似于闪锌矿结构的立方晶系结构；另一种是 -SiC，是类似于纤锌矿的六方晶系结构。通常情况下 -SiC 和 -SiC

4、之间的转化是不可逆的，但是在 2000一下合成的 SiC 主要是 -SiC，在 2200以上可以合成-SiC。SiC 在不同物理化学环境下能形成不同的晶体结构，这些成分相同，形态，构造和物理特性有差异的晶体称为同质多相变体，目前已经发现的 SiC 多相变体有 200 多种。SiC 是非常强的共价键化合物，其晶体结构的基本结构是配位四面体，通过定向的强四面体 SP 键结合在一起，并有一定程度的极化，主要区别在于 SiC 四面体的堆积次序不同。SiC 是共价键材料，很难烧结。传统的 SiC 耐火材料和发热体一般是采用添加硅酸铝质或者高铝质材料作为结合剂来进行烧结，但是致密度不高，强度和其他力学性能

5、也不好。经过近一二十年的发展有着以下工艺：（1）反应结合 SiC；（2）无压烧结SiC；（3）热等静压烧结 SiC；其中无压烧结 SiC 工艺，在微米级别的 SiC 粉体中加入适量的助烧剂（如：B、C、Al 等） ，混磨均匀后，可根据制品成型要求成型，然后在 2100-2200的气氛中、1atm 下烧结，可以得到相对密度为 96-98的制品 1-2。故本实验采用无压烧结法。我国是 SiC 原料生产大国，又具有广泛的工业和高技术需求，此外由于 SiC 制品的需求是覆盖整个材料的高、中、低档，有利于产业化和规模化，因此可以进行 SiC 制品的产业化开发和研制 3。第 2 页 共 21 页2 工艺流

6、程2.1 工艺的选择碳化硅陶瓷不仅具有很高的强度和硬度以及优异的抗热冲击能力，而且具有可靠地化学稳定性和抗蠕变性等特点。由于其化学键特点，碳化硅陶瓷在烧结时原子扩散速率很低，烧结驱动力小，不易烧结致密，必须引入烧结助剂或提高粉体烧结活性以及采用一些特殊工艺手段才能获取高致密的碳化硅陶瓷材料。在制备结构陶瓷过程中，素坯密度和微观均匀性将直接影响材料的烧结行为、陶瓷的微观结构和力学性能，而原料粉体颗粒形状、大小分布和流动性对其成型性能有着很大的影响。2.1.1 粉料的制备 4喷雾干燥造粒工艺是将混合好的浆料直接喷雾到热空气中，在非常短的时间内干燥，避免了各组分的良团聚和沉降分离，保持了浆料原有的均

7、匀性；同时浆料雾化均匀，得到的粒度分布均匀，流动性好，适合连续自动成型球形颗粒，从而有利于提高素坯的密度、均匀性和烧结性能；而且可以改善成型车间的空气质量，保护工人身体健康。故在本次试验中采用此工艺。由于各种成分或添加剂的粒度、密度、分散性等各不相同, 为保证混料过程中各组分之间的均匀分散, 对混合过程的湿化学工艺和条件需要进行严格的控制。如果采用简单的混合-烘干- 过筛- 造粒工艺路线, 粉料质量将很难保证。本文中采用压力喷雾造粒的方式对SiC 粉体进行喷雾造粒处理.2.1.2 成型方式在特种陶瓷制品生产过程中, 成形是塑造制品形体的手段。用户对陶瓷制品的性能和质量要求各异, 这就使陶瓷制品

8、的形状、大小、厚薄等不同, 因此, 成形方法是多种多样的。特种陶瓷的成形方法有多种, 如注浆成形法( 坯料含水量或含调和剂量38%) 、可塑成形法( 坯料含水量或含调和剂量26%) 、压制成形法( 坯料含水量或含调和剂量3%) 等。压制成形可分为干压成形( 粉料含水量为3%7%) 和等静压成形( 粉料含第 3 页 共 21 页水量为3%以下)，多用于圆形、片状、简单不规则形状部件的生产。干压成形操作方法方便简洁, 技术、资金投入少, 但因其有压制制品形状简单、压制受力不均、易变形等多种缺点, 所以一般与其他成形方法结合使用。冷等静压成形的坯体强度大、密度高而均匀, 可以成形长径比大、形状复杂的

9、零件, 尤其可以实现坯体近、净尺寸成形, 在改善产品性能, 减少原料消耗, 降低成本等方面, 都具有显著的优点。结合上述两种成形方法的优点，一般采用干压结合冷等静压成型来获得更高性能的陶瓷产品。但由于本实验对性能要求不是很高且仅干压成型就可以满足要求，故本实验只采用了干压成型工艺对其成形。2.1.3 烧结方式碳化硅的烧结工艺可分为固相烧结和液相烧结。两种烧结工艺所得到的碳化硅陶瓷的结构及性能特点。如表2-1 所示，两种烧结方法的研究现状。表2-1 固相烧结和液相烧结的结构特点烧结类型烧结温度力学性能 结构 断裂传质方式固态烧结2000断裂韧性较低，强度较高，有较高的裂纹敏感性晶粒粗大均匀性差穿

10、晶断裂扩散传质液相烧结18502000 强度，断裂韧性较高晶粒细小，均匀成等轴晶状沿晶断裂粘性流动固相烧结的缺点主要为: 需要较高的烧结温度(2000)，对原粉材料的纯度要求较高, 并且烧结体断裂韧性较低, 有较强的裂纹强度敏感性, 在结构上表现为晶粒粗大且均匀性差, 断裂模式为典型的穿晶断裂。液相烧结的烧结机理是以一定数量的多元低共熔氧化物为烧结助剂, 在高温下烧结助剂形成共熔液相, 使体系的传质方式由扩散传质变为粘性流动传质, 降低了致密化所需要的能量和烧结温度。同时,固熔体的形成引起晶格缺陷, 形成自由焓。由于碳化硅烧结温度较高, 在高温下碳化硅及其晶格振动更容易, 故自由焓随温度的升高

11、而显著增大, 大大增加碳化硅内部空位, 活化碳化硅烧结度。固熔体能提高烧结体致密化速率, 降低晶粒粗化速率。液相烧结首先导致了材料在结构上的变化晶粒细小均匀呈等轴晶状, 第 4 页 共 21 页同时由于晶界液相的引入和独特的界面结合弱化, 材料的断裂也变为完全的沿晶断裂模式, 结果使材料的强度和韧性显著提高。结合所要制得的器件的各项性能要求，固相烧结虽然缺点很多但可以满足要求在此采用固相烧结。第 5 页 共 21 页2.2 工艺流程图称量原料SiC(385.6g)和B4C(4g)油酸(4ml)和Dararn(1ml)酚醛树脂(20g)+乙醇(35ml)将 65ml 蒸馏水 调溶液 PH 值10

12、将以上原料加入搅拌罐三维混料机搅拌大约 2 小时向搅拌罐中加入一定量的磨介取出样品碳化硅粉末喷雾造粒、过筛、测流动性、充装密度、观察形貌。冷等静压无压烧结，测量样品尺寸、质量后续加工：铣、磨、钻等得到成品3 生产过程简述3.1 原料配比 5陶瓷产品性能取决于陶瓷原料配方和生产工艺等大量因素，其中坯料的原料配方对产品性能起着决定性的作用。所以要想生产出性能优良的产品，必须对原料配方进行优化，本实验根据已有的实验数据对原料配方进行了一定的改变，其原料配比如下表 3-1第 6 页 共 21 页所示。表 3-1：原料配比原料 称量值SiC 385.6B4C 4g酚醛树脂 20g蒸馏水 65g乙醇 35

13、ml油酸 4mlDararn 1ml3.2 生产工艺生产工艺流程：SiC 粉和粘结剂成型毛胚预烧素坯机械加工反应烧结制品3.2.1 浆料的制备过程 6将亚微米级SiC 粉、无水乙醇放入硬质塑料罐,然后分别将作为粘结剂、增塑剂和润滑剂的有机添加剂酚醛树脂、油酸按比例加入后湿法球磨2h,过筛浆料，取出磨介，制得所需的浆料。3.2.2 造粒及粉料性能检测通过喷雾干燥机进行喷雾造粒，将过筛好的浆料准备好，依次开启送风机、抽风机，接着打开加热开关开始升温。当出料口温度达到设定温度 185左右时，启动料泵和除尘系统。当泵压达到规定压强后，打开喷枪开始造粒。喷雾造粒时, 为了保持浆料的均匀性, 利用玻璃棒边

14、搅拌边进料。浆料通过低喷式压力喷嘴雾化, 按混流方式与热空气混合并被干燥形成颗粒粉料。整个过程维持入口温度 65-75。造粒结束时，应首先关停加热装置，停止燃气机运行，然后关闭喷枪阀门，拧下喷嘴并洗干净。当进口温度减低到第 7 页 共 21 页100以下后可以停止送风机运行，接着清理干燥塔内余料，最后关闭总电源，完成生产操作。粉料的性能采用流动性及松装密度测定仪测量其流动性和松装密度, 每个样品测定 3 次取平均值。颗粒形貌通过扫描电镜进行观察和分析。喷雾干燥制备的固相烧结碳化硅陶瓷粉料, 流动性 36.8s( 样品量 30g) 。表面光滑, 粉料的流动性良好, 可以满足压制成型的要求。 3.

15、2.3 成型通过采用四柱式万能液压机使碳化硅粉末成型，制成碳化硅陶瓷片样品。首先将称量好的 30g 坯料填入 50*50 的相应的经过润滑的模具中，使用铁块轻微敲打模具壁面，使坯料分布均匀，可用模盖轻微抹平坯料表面，盖好模盖并将其搬到四柱式万能液压机垫板上放置好。开启液压机，设定压力为 16T，保压 30s，进行压制，最后脱模取出样品。3.2.4 烧结先将压制好的碳化硅陶瓷片进行冷等静压 2h，再将冷等静压的样品放在真空烧结炉中烧结，经过 h 的烧结，取出样品放置至室温。3.2.5 后续机械加工处理先将陶瓷片经过打磨，再使用抛光机（如下图 3-2）将其抛光 7 。图 3-2 抛光机4 设备选型

16、 8第 8 页 共 21 页碳 化 硅 玻 璃 夹 具 底 座 生 产 所 用 到 的 主 要 设 备 包 括 电 子 天 平 、 三 维 混 料 机 、 喷 雾 干燥 器 、 干 压 成 型 机 、 无 压 烧 结 炉 、 机 械 加 工 等 主 要 设 备 。 设备主要选取经济实用，生产效率较高的生产机械，以满足生产要求为标准，根据这一标准和我学校的实际条件本实验采用以下设备，见表 4-1：表 4-1 使用设备编号 设备名称 型号 外观尺寸 mm1 电子天平 JJ3002 超声波清洗器 KQ 3200 3202643403 三维混料机 MX-18 22011409904 喷雾干燥器 GEA

17、 niro5 流速计 HYL1026 四柱式万能液压机 YA32-63 1500120025007 等静压成型机8 干压成型机 V3-R 1200150023009 金属模具 30030010010 烘干机11 真空烧结炉12 磨床13 铣床14 抛光机5 主要设备简介5.1 电子天平JJ 系列电子天平是继 T 系列电子天平之后推出的更高精度的产品，凭借简单的操作，较高的精度和灵敏度获得了顾客的青睐。它继承了 T 系列电子天平的优点并具备了自身的优势，水平泡和水平调整脚保证天平自身和数据的稳定，此外，天平配置有标准 RS232接口，可连接打印机和计算机。各项指标如表 5-1：表 5-1 电 子

18、 天 平 的 技 术 指 标第 9 页 共 21 页设备名称 型号 秤盘尺寸 分辨率 最大称量 生产厂家电子天平 JJ300 135mm 0.01g 300g 美国双杰5.2 超声波清洗器超 声 发 生 源 与 清 洗 槽 为 一 体 化 。 主 要 适 用 于 商 业 、 轻 工 、 大 专 院 校 、 科 研 单 位 的小 批 量 清 洗 、 脱 气 、 消 泡 、 乳 化 、 混 匀 、 置 换 、 提 取 、 粉 料 粉 碎 及 细 胞 粉 碎 。 主 要 性能 及 特 点 ： 附 设 溶 液 加 热 装 置 温 。 控 范 围 0 80 度 ， 附 设 超 声 定 时 装 置 ， 1

19、-20 分 钟内 任 意 设 定 。 清 洗 器 的 每 个 超 声 换 能 器 发 射 功 率 为 50W。 主 要 技 术 指 标 如 表 5-2 所示 。表 5-2 超声波清洗器的 技 术 指 标型号 仪器尺寸(mm) 容量(L) 超声频率(KHz) 超声功率(W) 加热功率(W)KQ3200 320264340 6 40 150 8005.3 三维混料机图 5-3 三维混料机本 工 艺 所 使 用 的 混 料 机 为 MX 系 列 涡 流 混 料 机 ， 它 主 要 适 用 于 金 刚 石 制 品 ， 粉 末冶 金 ， 化 工 等 行 业 的 粉 末 或 微 小 颗 粒 的 混 料 搅 拌 。 主 要 特 点 为 三 维 空 间 ， 六 个 自 由 度 ，加 速 ， 减 速 ， 抖 动 ， 摇 滚 等 多 种 运 动 方 式 的 有 机 结 合 。 混 料 时 间 任 意 设 定 ， 混 料 速 度可 调 。 混 料 均 匀 ， 效 率 高 ， 减 小 了 粉 料 的 氧 化 。