大尺寸陶瓷產(chǎn)品熱壓鑄成型的熱脫脂研究

武振飛　張弘毅　陸麗芳

摘? 要? 本文結(jié)合熱壓鑄陶瓷喂料的DSC-TGA熱分析曲線，研究溫度、升溫速率、填料粒度等因素對(duì)大尺寸熱壓鑄陶瓷坯體的熱脫脂影響，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了有利于大尺寸熱壓鑄坯體脫脂的溫度曲線，并且進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞? 大尺寸陶瓷產(chǎn)品;熱脫脂;填料;升溫速率

0? 引? 言

熱壓鑄成型是陶瓷生產(chǎn)中一種低成本、高效率的成型方法，適合于形狀復(fù)雜的陶瓷制品的生產(chǎn)。脫脂是采用熱壓鑄成型的陶瓷生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵步驟之一，常用的埋粉脫脂是一種熱脫脂方法，即把熱壓鑄成型的坯體置于埋燒粉中，通過(guò)加熱使坯體中的粘結(jié)劑蒸發(fā)或發(fā)生熱解生成氣體產(chǎn)物，并在毛細(xì)管力的作用下從坯體內(nèi)部向外傳輸，最后散發(fā)到坯體周圍的氣氛中，達(dá)到粘結(jié)劑脫除的目的。脫脂過(guò)程伴隨著一系列物理、化學(xué)變化，如果控制不當(dāng)，坯體很容易發(fā)生鼓泡、開(kāi)裂等缺陷，對(duì)產(chǎn)品的性能產(chǎn)生影響。

我們?cè)趯?duì)大尺寸厚壁熱壓鑄陶瓷坯體進(jìn)行熱脫脂時(shí)遇到了較大的問(wèn)題，根據(jù)產(chǎn)品尺寸的增大變厚，將熱脫脂的時(shí)間大幅增加，結(jié)果坯體仍然出現(xiàn)流蠟、剝皮、開(kāi)裂等脫脂缺陷，懷疑升溫制度設(shè)計(jì)不合理，尤其是在關(guān)鍵溫度區(qū)間升溫速率不合理。因此，通過(guò)溫度、升溫速率、填料粒度等因素對(duì)大尺寸厚壁產(chǎn)品的脫脂研究，設(shè)計(jì)出合理的脫脂升溫曲線。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)選用的陶瓷粉體是由熔融石英和其它硅酸鹽礦物充分混合而成的，粘結(jié)劑的主要成分是蜂蠟，還含有分散劑、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和低密度聚乙烯（LDPE）等改性添加劑。將粉體加入熔融的粘結(jié)劑并充分混合得到成型用的蠟基喂料。

本實(shí)驗(yàn)所用粘結(jié)劑各組分的熔點(diǎn)及熱分解溫度如表1所示。實(shí)驗(yàn)所采用脫脂工藝，是將熱壓鑄成型機(jī)上成型的（其中粉體和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為83.5：16.5）大尺寸陶瓷坯體放置在脫脂爐中，按照設(shè)定的升溫曲線進(jìn)行埋粉脫脂，埋粉所用的填料為煅燒高嶺土。

2? 結(jié)果與討論

2.1坯體的脫脂機(jī)理

圖1為喂料的DSC-TGA熱分析曲線，由圖可知，在58 ℃左右出現(xiàn)吸熱峰，同時(shí)樣品開(kāi)始出現(xiàn)失重。58 ℃到150 ℃之間，曲線變化較為平緩，沒(méi)有特別熱效應(yīng)出現(xiàn)，其失重是低分子有機(jī)物以液態(tài)流動(dòng)形式離開(kāi)樣品進(jìn)入到填料中，在200 ℃到275 ℃時(shí)，樣品出現(xiàn)劇烈的失重現(xiàn)象，同時(shí)在236 ℃和267 ℃兩個(gè)溫度點(diǎn)附近有兩個(gè)大的放熱峰，分別對(duì)應(yīng)分散劑和蜂蠟的熱分解溫度，在300 ℃到400 ℃溫度范圍內(nèi)，樣品的失重率逐漸降低，主要是高分子有機(jī)物的脫除，400 ℃以后曲線保持平緩，樣品質(zhì)量不再變化，粘結(jié)劑完全脫除。

喂料的熱分析曲線說(shuō)明粘結(jié)劑的失重與溫度不是線性關(guān)系，在不同的溫度區(qū)間要控制不同的升溫速率，因此需要制定合適的升溫曲線才有利于脫脂。

2.2溫度對(duì)坯體中粘結(jié)劑殘留率的影響

圖2為升溫速率為8 ℃/h坯體中粘結(jié)劑的殘留率隨溫度的變化曲線。由圖可知，坯體中粘結(jié)劑殘留率隨溫度的升高逐漸減少。160 ℃之前，坯體中的低分子有機(jī)物緩慢熔化成液態(tài)，在毛細(xì)管力的作用下，坯體表面的液態(tài)粘結(jié)劑被包裹坯體的填料吸附，并轉(zhuǎn)移擴(kuò)散到填料中，并在坯體表面形成孔隙，繼而坯體表面孔隙形成的毛細(xì)管力使生坯內(nèi)部的液相部分不斷向外流動(dòng)，而該孔隙則不斷向坯體內(nèi)部擴(kuò)展;160 ℃到200 ℃，粘結(jié)劑的殘留量變化速率漸緩，這是由于從坯體進(jìn)入填料中蠟的數(shù)量小于蠟從填料中汽化蒸發(fā)的數(shù)量，使得蠟在填料中富集，脫脂效率降低[6，7]，此溫度下應(yīng)保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，以保證蠟從坯體進(jìn)入填料中的數(shù)量和蠟從填料中汽化蒸發(fā)的數(shù)量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡;200 ℃到275 ℃，液態(tài)蠟基粘結(jié)劑的遷移和揮發(fā)速度隨溫度升高而提高，坯體的脫脂速率加快，質(zhì)量損失率急劇增加，與DSC-TGA熱分析中的TGA曲線劇烈失重溫度區(qū)間相對(duì)應(yīng)，坯體中的蠟在這一溫度區(qū)間發(fā)生斷鏈分解反應(yīng)，是最容易產(chǎn)生開(kāi)裂、鼓泡等缺陷的階段，升溫速率要更慢。在300 ℃時(shí)，坯體的質(zhì)量損失率達(dá)到92.24%，粘結(jié)劑基本上被排除，坯體中會(huì)殘留一些骨架粘結(jié)劑，保證坯體有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。

隨溫度的升高，坯體中粘結(jié)劑的殘留率先緩慢減小，再急劇減少，最后再緩慢減少，直到粘結(jié)劑完全脫除。其中在200 ℃～275 ℃之間急劇變化，因此該階段脫脂升溫速率要緩慢。

2.3升溫速率對(duì)坯體脫脂率的影響

圖3為坯體在不同升溫速率下各個(gè)溫度點(diǎn)脫脂率變化曲線。從圖3中可知，升溫速率越快，坯體在各溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的脫脂率越低。

三種升溫速率在120 ℃之前所對(duì)應(yīng)的脫脂率相當(dāng)，120 ℃之后，以6 ℃/h為升溫速率所對(duì)應(yīng)的坯體脫脂率要明顯高于以8 ℃/h和10 ℃/h為升溫速率所對(duì)應(yīng)的脫脂率，雖然升溫速率提高，粘結(jié)劑的脫除速率增大，但各溫度點(diǎn)粘結(jié)劑的脫除量減少。這是因?yàn)楫?dāng)升溫速率增大時(shí)，液相粘結(jié)劑在低溫的流動(dòng)速率也會(huì)相應(yīng)的增大，這就導(dǎo)致在較高的溫度時(shí)，粘結(jié)劑會(huì)發(fā)生比較劇烈的熱分解反應(yīng)，所產(chǎn)生的氣體會(huì)對(duì)生坯中尚未形成或剛剛形成的孔隙造成破壞，從而減緩液相和氣相粘結(jié)劑在孔隙通道中傳輸速度，使得脫脂效率降低。

2.4填料粒度對(duì)坯體脫脂率的影響

圖4是不同填料粒度下的坯體脫脂率曲線。由圖4可知，120 ℃之前，三種粒度的填料脫脂能力相當(dāng)，溫度高于120 ℃時(shí)，粒度較細(xì)的填料脫脂效果好。

填料粒度的大小直接影響填料比表面積的大小和毛細(xì)管作用力的強(qiáng)弱，所以對(duì)其吸附能力有很大的影響。當(dāng)溫度低于120 ℃時(shí)，主要靠坯體內(nèi)孔隙形成的毛細(xì)管力使生坯內(nèi)部的液相部分不斷向外流動(dòng)，所以填料的吸附能力對(duì)其影響不大;當(dāng)溫度高于120 ℃時(shí)，坯體中的蠟料逐漸被填料吸附，填料顆粒所形成的毛細(xì)管對(duì)液相的抽吸起主要作用，故填料的粒度越細(xì)，比表面積越大，其吸附能力越強(qiáng)，脫脂的效果越好。