注模过程（精选4篇）
注模过程 篇1
摘要：使用注射法生产的螺杆泵定子质量与效率比传统使用压注法所生产的有了很大的提高, 但是无法定量的从理论上分析生产过程中各物理参数及测量橡胶流动过程的各种内部参数。因此本文通过使用有限元软件对螺杆泵橡胶定子注模过程进行模拟, 着重研究注模过程中不同流速与填充时间、注射压力、锁模力、最大剪切速率之间的关系并确定最佳工艺参数范围、提高定子质量。结果表明:对于此模型填充速率在20-30时既可以保证生产效率也保证了产品质量, 同时也对设备的要求达到最低。
关键词：螺杆泵橡胶定子,注射法,流动速率,有限元法
引言
螺杆泵采油技术现如今已经得到广泛应用。螺杆泵主要是由金属转子和橡胶定子组成, 其中橡胶定子衬套是螺杆泵系统的关键部件之一, 其使用寿命直接影响到螺杆泵整体的使用寿命。潜油螺杆泵的工作条件十分恶劣, 如井下温度高、压力高、连续工作时间长并且有磨蚀性介质、受周期性挤压力等, 为了适应井下严酷的工作条件螺杆泵定子所采用的橡胶材料为丁腈胶 (NBR) [1]。丁腈橡胶是由丁二烯和丙烯腈经乳液聚合法制得, 采用低温乳液聚合法生产, 其耐油性极好, 耐磨性较高, 耐热性较好, 粘接力强, 因此丁腈橡胶成为了制造螺杆泵定子衬套的首选材料。
螺杆泵橡胶定子的制造方法一般分为压注法和注射法[2]。目前国内生产螺杆泵定子的企业一般采用压注法来生产, 该方法的特点是对设备的要求低, 一般为万能四柱液压机、加热设备及配套夹具即可以实现注射过程[3];而注射法的特点是, 胶料是边塑化边向模腔中注射, 胶料塑化效果好, 不必像使用压注法那样需要把胶料在热炼机中先热炼到一定程度再注入, 可以对胶料塑化的温度高于压注法的温度, 简化了生产工艺, 并且由于注入压力大使制品致密度高从而提高了产品质量[4]。由于生产设备与检测方法的限制, 目前对生产过程中的各物理参数准确定量的控制十分困难, 同时对所注的定子橡胶内部参数进行详细测量更加困难甚至无法进行。因此本文通过使用软件仿真的方法来定量的分析注模过程中的各物理参数, 其中包括:填充时间、模具温度、橡胶熔体温度、注入压力、锁模力及最大剪切速率等, 通过综合分析模拟结果, 使生产效率得到保障的同时进一步提高产品质量。
1 有限元模型构建
根据GLB200系列常规单头螺杆泵尺寸进行建模, 为了节省计算机模拟时间适当简化模型, 所以通过模拟对比选择定子外径108mm, 偏心距6mm, 导程200mm的模型。其中图1为橡胶定子的几何建模图形。在模具中部开4个浇口, 其中1、2、3、4为4个浇口位置[5]。优点是浇口对称分布可以减小在注模过程中胶料对模芯的径向压力, 保证产品精度。
网格划分:选择4面体线性单元划分网格。材料选择:所选材料为通用丁腈橡胶。边界条件设定:软件材料库推荐熔体温度为70-100℃, 模具温度为80-200℃[6]。模具温度高可以保证胶料具有较好的流动性, 但是温度过高会使胶料提前老化、固化会导致注射压力升高, 严重时甚至会发生短射;反之如果温度过低, 则会使胶料的流动性降低、硫化时间增长、生产效率降低、能耗增大, 同时考虑到丁腈橡胶的硫化温度一般为140℃左右[7], 因此在本模型中选择模具温度120℃, 熔体温度为85℃。
2 流速对充模过程工艺参数的影响
注模过程中的主要工艺参数为填充时间、模具温度、注射速率、注射压力、锁模力, 其中胶料熔体温度与模具温度如上述已经确定, 所以主要通过改变注射速率得到在不同流速下的填充时间、注射压力、锁模力、剪切速率的变化规律。由于橡胶是热固性材料, 在计算时所选取的模型为反应粘度模型, 并通过有限元软件设置不同的流速进行计算得到的结果如表1所示。
从计算所得数据点中选取流速为30为例, 为说明计算结果截取填表1不同流速下的模拟结果
充时间云图、注压压力曲线、锁模力曲线, 并根据表1数据点拟合流量-填充时间曲线、流速-注射压力曲线、流速-剪切速率曲线、流速-锁模力曲线。
图2为流速在30时的填充时间云图, 可以看出时间分布均匀并未出现未填满的情况。图3为根据表1拟合的质量流量与填充时间曲线, 随着填充流量的增加填充时间缩短, 可以有效的提高生产效率。分析图3可以看出, 当在填充流量从小到大的过程中, 随着流量的增大填充时间快速减少, 减少速率较大, 这是由于随着胶体的剪切速率增大带来粘性降低, 流动性增强, 随着流量的进一步增加, 大约增加到30g/s时填充结束时间的下降速率迅速减小, 这是由于流量增大并未带来剪切速率的进一步增加, 胶体的粘性趋于定值, 流动性不再有进一步的改善。
图4为填充流速在30下的注射压力曲线, 从曲线可以看出注射压力随着填充时间的变化情况, 在开始阶段曲线为缓慢上升, 但随后出现了压力突增情况, 这是由于胶料已充满型腔所导致, 最后进入保压阶段, 压力恒定。
从图5可以看出随着流速的增大注射压力迅速下降, 到达拐点后压力趋于稳定。从材料属性可以看出粘度与剪切速率成指数递减规律, 随着流速的增大其剪切速率也随之增大, 但到达一定程度后由于两者成指数关系, 剪切速率对粘度的影响就显的并不明显, 致使粘度变化很小, 所以压力趋于恒定。如果注射压力小可能导致型腔充不满, 产品密度达不到要求, 如果注射压力过大可能产生飞边甚至模具钢管被充裂, 因此选择合适的注射压力十分必要。对于本次模拟所采用的模型, 注浇口处的最佳注压压力约为2.5MPa。其中注射压力的大小不但与所使用的材料有关并且与模具型腔形状、温度也有一定关系。
图6在流速为30时的锁模力随时间变化曲线。如图7所示, 曲线随着流速的增大先迅速下降, 到达拐点后趋于平稳, 对于本模型锁模力约为2.1t。锁模力的大小是选择无缝钢管能承受的最大压力的指标之一, 如果超过其能承受的最大压力, 会使钢管在填充过程中爆裂, 这种情况在实际生产中曾经发生过, 如果在试验生产前通过模拟预测, 不但可以减少材料浪费, 并且还可以缩短生产试验周期。
3 结束语
本文通过使用有限元软件对螺杆泵橡胶定子注模过程模拟研究, 分析了使用注射法在不同的填充速率下注模过程中填充时间、注入压力、锁模力与之的关系, 从分析可以看出, 当流速在20-30, 注入压力为2.5MPa, 锁模力为2.1t为此模型的最佳流速范围、注入压力和锁模力, 在此最佳参数下既可以保证生产效率同时也可以使产品质量得到一定提高。
参考文献
[1]王世杰, 李勤.潜油螺杆泵采油技术及系统设计[M].北京:冶金工业出版社, 2006.[1]王世杰, 李勤.潜油螺杆泵采油技术及系统设计[M].北京:冶金工业出版社, 2006.
[2]穆学杰, 焦冬梅, 吕柏源.油田螺杆泵定子衬套生产方法的分析[J].油田螺杆泵定子衬套生产方法的分析, 2004, 30 (9) :37-41.[2]穆学杰, 焦冬梅, 吕柏源.油田螺杆泵定子衬套生产方法的分析[J].油田螺杆泵定子衬套生产方法的分析, 2004, 30 (9) :37-41.
[3]周毅.单螺杆泵橡胶定子的研制[J].橡胶工业, 2003, 50 (5) :312-313.[3]周毅.单螺杆泵橡胶定子的研制[J].橡胶工业, 2003, 50 (5) :312-313.
[4]吕柏源.橡胶注射成型机械发展现状及新产品开发[J].中国橡胶, 17 (11) :20.[4]吕柏源.橡胶注射成型机械发展现状及新产品开发[J].中国橡胶, 17 (11) :20.
[5]王鹏驹, 张杰.塑料模具设计手册[M].北京:机械工业出版社, 2008.[5]王鹏驹, 张杰.塑料模具设计手册[M].北京:机械工业出版社, 2008.
[6]邓鑫, 王进, 杨军, 等.基于MOLDFLOW软件的反应注塑成型尼龙6的流动分析[J].塑料科技, 2009, 37 (12) .[6]邓鑫, 王进, 杨军, 等.基于MOLDFLOW软件的反应注塑成型尼龙6的流动分析[J].塑料科技, 2009, 37 (12) .
[7]吕晓仁, 王世杰, 孙浩.干摩擦和原油润滑下丁腈橡胶、氟橡胶磨损行为研究[J].润滑与密封, 2011, 36 (8) .[7]吕晓仁, 王世杰, 孙浩.干摩擦和原油润滑下丁腈橡胶、氟橡胶磨损行为研究[J].润滑与密封, 2011, 36 (8) .
注模过程 篇2
凝胶注模成型技术自发明以来[1],成为了高技术陶瓷的研究热点之一,现在已广泛应用于多种陶瓷材料、陶瓷复合材料、粉末冶金、甚至耐火材料的制备当中[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17],取得了很好的效果。其突出优点之一是适合于制备形状复杂的大尺寸陶瓷部件。但是在制备中空陶瓷部件时,模具的设计是必须首先解决的主要问题之一,而关键是模具型芯的设计。在此基础上,通过研究陶瓷浆料的流变性、凝胶注模高分子体系的配比等工艺参数[18,19],成型出了形状复杂的中空陶瓷部件—发动机排气管。
1 实验
1.1 原料与器材
实验原料包括:氧化铝粉体,中位径D50=1~5μm。丙烯酰胺(AM,单体)、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM,交联剂)、过硫酸铵(ASP,引发剂)、N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED,催化剂)、氨水均为分析纯试剂。分散剂SD由南京工业大学提供。蒸馏水为自制。
实验设备包括电动搅拌器、旋转黏度计、干燥箱、真空泵、水浴、玻璃器皿,以及自制模具。
1.2 模具的设计及脱模要求
由于发动机排气管是中空的,且有主管和支管之分,形状比较复杂,要使型芯顺利脱出来,比较简单的办法是采用石蜡制作型芯,在坯体凝胶化以后通过加热使石蜡熔化而流出。但是,在装配模具时,型芯的支撑、定位是一个难题。
通过仔细分析,设计了如图1所示的模具。模具型芯由金属注浆口1和2、金属空心管3、定位端头4及外包蜡层5组成,便于拆卸脱模。使用时把模具注浆口朝上平放。
1.3 预混液的配置及陶瓷浆料的制备
预混液由蒸馏水、AM、MBAM组成。按配比将AM和MBAM加入蒸馏水中,搅拌至完全溶解即可。将已称重的氧化铝粉体加入预混液中,并加入适量分散剂和氨水,用电动搅拌机搅拌均匀。陶瓷浆料的固含量一般应达到50%以上(体积百分比)、黏度在1000m Pa·S以下为好。
1.4 凝胶注模成型
在制备好的陶瓷浆料中加入适量引发剂ASP和催化剂TEMED,用电动搅拌机搅拌均匀,再进行抽真空除气处理,浇注到组装好的模具中,经过一定时间后,陶瓷浆料发生凝胶聚合反应,形成高弹性凝胶体。再把它放入70~80℃的干燥箱中,使蜡芯熔化并脱水干燥,干燥到一定程度后,脱除外模,抽出型芯,得到湿坯,然后进一步干燥。最后送入窑炉中排蜡、烧成。
1.5 测试分析
陶瓷浆料的黏度测试:采用NDJ-1型旋转黏度计测试,转速为12 rpm,转子为4号。
干坯的抗折强度测试:采用力创微机控制电子万能试验机和“三点弯曲法”测试陶瓷干坯的抗弯强度。试样尺寸为4mm×4mm×40mm,跨距10mm,加载速率0.5mm/min。
干坯的扫描电镜分析:采用KYKY-1000B型扫描电子显微镜进行断口形貌分析。
2 结果与分析
2.1 模具设计对成型的影响
(1)由于模具型芯由若干部件组成,包括注浆口1和2、定位端头、空心管、蜡层,需要把注浆口、定位端头和空心管组装在另一套与图1相似的模具中,再把熔化的石蜡浇注进去,靠石蜡把各部件连成整体。这样的设计可以使凝胶注模成型后通过熔化蜡层而顺利地取出各个型芯组成部件,最大程度避免陶瓷坯体开裂的可能。
(2)模具的排气孔要设置在模具的上方,防止浆料漏出。
2.2 催化剂对成型的影响
制备两份固相含量为55%(体积百分比)的氧化铝悬浮液100ml,第一份加入0.1 ml催化剂N,N,N’,N’-四甲基乙二铵(TEMED),第二份不加催化剂。将两份浆料分别注入同样的两个模具中,并将模具放入40℃的恒温水浴槽中,发现第一份在第十分钟时发生凝胶化,并在两分钟后凝胶结束,而第二份在第30分钟仍未出现凝胶化。说明催化剂明显加快了浆料的凝胶化速度,并且降低了凝胶化温度,这样有利于保持模具型芯的形状和尺寸稳定。
2.3 脱模及干燥对坯体质量的影响
脱模操作是一项很仔细的工作。对于外模,脱除相对容易,不会造成凝胶坯体破损。但芯模的脱模操作有一定难度。由于凝胶坯体脱水前有一定弹性,如果强行升温脱去蜡芯模会使坯体发生干燥不均匀,容易开裂。所以在脱去芯模时,要在低温的条件下进行。
脱模以后的坯体,还含有大量的水分,需要通过干燥过程除去。由于坯体尺寸较大,形状比较复杂,因此不能快速升温干燥,而需要采用低温高湿的条件,尽量使水分在坯体内外以相同的速度缓慢排出,即等速干燥。当坯体表面半干时,再逐步升高温度、降低湿度,使之达到增速干燥。最后,坯体的干燥过程进入降速干燥阶段,直至水分小于0.5%。最后得到完整无裂纹的坯体。具体的干燥制度如图2所示。
在上述研究结果的基础上,配制了固相体积分数为55%的浆料,浇注出7个用于测试的试样,坯体干燥后在砂纸上磨至需要的尺寸进行抗弯强度测试。如图3所示,干坯强度在24MPa左右,因此可以对成型后的坯体进行机加工,使之更好地满足复杂形状制品形状和尺寸的要求。
图4所示为凝胶注模成型生坯断面的SEM形貌图,坯体由陶瓷颗粒、聚合物和气孔组成,图4a中坯体颗粒堆积致密,而且颗粒分散均匀,气孔很小,微观性能良好,图4b为图4a的进一步放大,从图4b中可以明显看出,坯体中高聚物通过三维网络结构把氧化铝颗粒连接起来,而且高聚物含量较为恰当,这是获得高强度坯体的根本原因。
由于凝胶注模成型是利用有机单体聚合反应使分散的颗粒在介质中原位凝固,因而坯体中气孔分布较为均匀,大大提高了坯体的强度以及降低了引入坯体的缺陷,从而提高了陶瓷材料的可靠性。
采用上述研究的凝胶注模成型的优化工艺,浇注出的氧化铝排气管如图5所示。坯体表面光滑,尺寸精度高,减少了后续的机加工量,降低了生产成本。
3 结论
(1)通过合理设计模具的型芯,解决了复杂型芯的取出难题,成型出了合格的中空陶瓷部件。
(2)加入催化剂明显加快了浆料的凝胶化速度,并且降低了凝胶化温度,有利于保持模具型芯的形状和尺寸稳定。
(3)采用先高湿低温、后低湿高温的干燥制度有利于获得不开裂的凝胶注模陶瓷坯体。
(4)固相体积分数为55%的氧化铝坯体,平均强度可达24MPa,因此可以对成型后的坯体进行机加工,使之更好地满足复杂形状制品形状和尺寸的要求。
注模过程 篇3
关键词：羟基磷灰石陶瓷,凝胶注模,坯体
凝胶注模成型方法是近年来发展起来的一种快速生产大尺寸、高可靠性、复杂形状陶瓷部件的低成本的新型胶态原位凝固成型方法[1,2]。它以有机溶剂或水作为粉料的分散介质,通过加入分散剂使之形成均一稳定的悬浮体系,然后在悬浮体系中加入一定量的有机单体,利用有机单体的聚合完成粉体的固化过程,从而获得高强度、低收缩率的坯体。目前,大部分凝胶注模成型的研究集中在特种陶瓷(如SiC、Al2O3、Si3N4等)上[3,4,5],而有关HAp生物陶瓷凝胶注模成型的研究报道则甚少。
对于凝胶注模成型技术,坯体强度的提高不仅意味着在烧结前的搬运过程中坯体的损坏会大大减少,而且可使大尺寸零件的生产变得相对容易,甚至可以对坯体进行直接机械加工[6]。本实验通过考察HAp凝胶注模成型过程中单体、引发剂的用量及固相含量对坯体强度的影响,优化浆料中各物料的配比,确定最佳成型工艺,从而制备出高性能的陶瓷部件。
1 实验
1.1 原料及试剂
实验所用羟基磷灰石粉料为实验室通过湿法合成的,其粒径在纳米级。凝胶注模成型所用单体为丙烯酰胺(AM),交联剂为亚甲基双丙烯酰胺(MBAM),引发剂为过硫酸铵(APS),催化剂为四甲基乙二胺(TEMED),分散剂为聚甲基丙烯酰胺(MN)。
1.2 制备工艺
首先将AM、MBAM、MN与水混合,并用氨水调节pH值至9～10,得到预混液;再将HAp粉末加入到其中进行机械搅拌、超声分散,得到高固相含量、低粘度的悬浮体;然后将APS、TEMED引入悬浮体进行脱气处理再浇注到模具中;静置于60℃烘箱中凝胶化;最后脱模、干燥得到羟基磷灰石陶瓷凝胶注模成型的坯体。
1.3 性能测试
采用深圳新三思的CMT5105试验机利用三点弯曲法测量抗弯强度,样品尺寸为2.5mm×5mm×30mm,跨距为20mm,加载速度为0.5mm/min,测试温度为室温。采用扫描电镜(日本产S-2500型扫描电子显微镜)观察坯体的微观形貌。
2 结果与讨论
2.1 单体加入量对坯体强度的影响
单体的加入使陶瓷颗粒与颗粒之间有有机物粘结,这是凝胶注模成型工艺获得高强度坯体的根本原因。在单体聚合前,有机物是单分子状态,对悬浮体的粘度影响很小;当加入引发剂后,单体分子发生聚合反应生成三维网状高聚物,将陶瓷颗粒牢牢地粘结到一起,随着悬浮体粘度骤增,陶瓷浆料完成原位凝固成型[7]。由此可见,单体的含量直接影响到所得聚合物的聚合度,从而影响所得坯体的强度。
图1是单体AM含量对坯体强度的影响。由图1可知,随着AM含量的增加,陶瓷坯体的强度先增加后降低,当单体AM的质量分数为2%时,坯体的强度达到极大值27.55MPa。分析认为:当浆料中单体含量增加时,单体迅速聚合形成凝胶并与坯体结合成为一体,使坯体迅速凝胶,并且增强了坯料间的结合,从而使坯体强度增加;当AM的质量分数达到2%时,悬浮体中AM的含量已达到饱和,网络状结构已充满坯体,将原料颗粒包裹起来(见图2(a));继续增加AM时,多余的AM只能在有机单体之间形成搭接,使颗粒间的有机物增加(见图2(b)),阻碍了以后水分的蒸发溢出(水分溢出后会形成多孔的坯体);同时试验还发现来不及反应的单体会形成一定程度的结晶,这些都将导致坯体强度下降。
固定AM的加入量为2%(质量分数),研究WAM/WMBAM比值对坯体强度的影响,结果如图3所示。从图3中可以看出,坯体强度随WAM/WMBAM的增加(即随着MBAM加入量的减少)先增加后降低,当WAM/WMBAM=15时,强度达到极大值30.27MPa。这是因为凝胶注模成型的原理是有机单体和交联剂的凝胶聚合成空间网状结构从而使坯体具有强度,其中交联剂充当“节点”的作用,把有机单体的分子链连接起来[8]。在一定范围内,交联剂加入量越少即“节点”越少,聚合物的分子链就越长,分支越少,聚合物弹性越好。具有足够链长的聚合物才可在粉末颗粒之间架桥,形成不规则网状结构,将粉末颗粒包裹,从而使坯体强度升高;但交联剂量少到一定程度后,聚合物的聚合度会大幅下降,从而导致坯体强度降低。
2.2 引发剂加入量对坯体强度的影响
引发剂的作用是引发有机单体及交联剂的聚合反应,因此其加入量是控制浆料固化过程的主要因素之一。在调整引发剂加入量以获得适当注模时间的过程中,发现引发剂加入量对坯体强度也存在着一定的影响,结果如图4所示(AM加入量为2%(质量分数),WAM/WMBAM=15,固相含量为60%(质量分数))。随着引发剂用量的增加,坯体强度先增加后降低;当引性剂加入量为5%(质量分数)时,坯体强度达到极大值31.56MPa。这是因为在注凝成型过程中引发剂首先发生分解,生成2个初级自由基,再由初级自由基引发单体形成单体自由基,所产生的单体自由基与单体分子重复加成形成链自由基,从而完成自由基聚合过程[9]。当引发剂加入量过小时,初级自由基较少,单体聚合不完全,生成的高聚物密度较低,粘结作用弱,因此坯体强度较低;随着引发剂加入量的增加,单体聚合反应完全,生成的高聚物把陶瓷粉体牢牢地结合在一起,交联密度增大,坯体强度提高;当引发剂加入量过大时,产生更多的初级自由基,链引发速率远大于链增长速率,单体聚合形成的高聚物链长变短,聚合物分子量较小,坯体强度降低。另外,当加入的引发剂过多时,由于凝胶化时间迅速缩短,单体聚合过程中产生的气体来不及跑出,坯体内部气孔产生的内应力也会降低坯体强度。
2.3 固相含量对坯体强度的影响
为了获取具有优良力学性能的致密烧结体,凝胶注模成型过程中,在保证满足注模所需粘度的前提下,往往倾向于选择提高浆料的固相含量[9]。但实验发现,与传统成型方法获得的坯体强度随坯体密度的升高而增加的规律恰好相反,高固相含量浆料所得的坯体强度反而较低(见图5,AM加入量为2%(质量分数),WAM/WMBAM=15,引发剂加入量为5%(质量分数))。这是因为随着固相含量的增加,颗粒的总表面积增加,有机物在颗粒单位表面的吸附量减少,有机物的粘结力量减弱,从而使得坯体的强度降低。另一方面,高的固相含量又增加了悬浮体的粘度,使得浆料流动性变差,成型不均匀,这也会导致坯体强度降低。实验结果同时表明,即使当固相含量为70%(质量分数)时,坯体强度仍保持在17MPa以上,此强度足以进行机加工。因此凝胶注模成型的坯体强度主要来源于有机物在颗粒表面的吸附和粘连。
2.4 坯体显微形貌分析
F.F.Lang[11]认为团聚体通常是陶瓷中缺陷形成的主要原因之一,而凝胶注模成型工艺可有效地打开粉体中的团聚体或减小其尺寸,这就意味着可以减小起始裂纹的尺寸。另外,凝胶注模成型工艺还可以克服其他成型方法因坯体密度和粒度分布不均而造成的内应力,从而提高瓷体的强度和Weibull模数。
凝胶注模成型的显著优点在于坯体的强度高。图6为坯体干燥后的SEM图。从图6(a)中可以明显地看出,坯体结构均匀、具有相互贯通的微孔,颗粒与颗粒之间有有机物粘连,这是获得高强度坯体的主要原因。在干燥前水分占据了颗粒间孔隙的位置,水分在干燥过程中容易排除,剩余的有机物将颗粒连接起来,保证坯体的高强度,这克服了传统注射成型使用大量有机物的缺点,同时也是坯体脱脂合格率为100%的原因。图6(a)中的气孔一方面是由于注模过程中排气不彻底,浆料中含有的气体造成的,这些气孔相互孤立;另一方面为有机物排除后留下的微气孔,这些气孔相互贯通。图6(b)是断口形貌的显微照片,从图6(a)中可明显看到在一个晶粒内存在沿不同晶面进行的穿晶断裂,还可以看到沿径向的穿晶断裂和晶粒间的沿晶断裂(晶粒的拔出或剥落等),这些作用使得裂纹扩展所需的能量增加,韧性提高。另外,从图6(b)中也可以看出,坯体的边缘区和中心区的显微结构一致,从而证明凝胶注模成型陶瓷坯体的内部结构是均匀的。
3 结论
(1)凝胶注模成型HAp坯体的强度受浆料中单体、引发剂加入量以及固相含量等因素的影响:当单体质量分数为2%,引发剂加入量为5%(质量分数)时,坯体强度达到极大值,但在一定范围内固相含量的增加会使坯体的抗弯强度降低。
(2)凝胶注模成型所得HAp坯体的内部显微结构均匀、具有相互贯通的微孔;颗粒与颗粒之间有有机物粘连,坯体强度较高,可满足一定程度的机加工要求。
参考文献
[1]李飞,翟长生,王俊,等.PEG对陶瓷凝胶注模成型坯体表面起皮的抑制作用研究[J].材料导报,2004,18(9):86
[2]李孟瑜,张跃,谷景华.凝胶注模成型多孔氮化硅陶瓷[J].稀有金属材料与工程,2007,36(sp1):564
[3]曹小刚,田杰谟.多孔氧化铝陶瓷的凝胶注模成型[J].功能材料,2004,32(5):523
[4]周龙捷,许兴利,黄勇,等.水基高固含量SiC悬浮体的制备和凝胶注模成型[J].高技术通讯,2000,7(1):100
[5]王红洁,贾书海,王永兰,等.Si3N4陶瓷的凝胶注模成型工艺[J].西安交通大学学报,2001,35(4):403
[6]Janney M A,et al.Gelcast tooling:Net shape casting and green machining[J].Mater Manuf Process,1998,13(3):389
[7]晏伯武.凝胶注模成型工艺的研究[J].中国陶瓷,2006,42(2):8
[8]李艳,郭志猛,郝俊杰,等.工艺参数对凝胶注模成型不锈钢坯体强度和烧结密度的影响[J].北京科技大学学报,2008,30(1):30
[9]王亚利,郝俊杰,郭志猛.凝胶注模成型生坯强度影响因素的研究[J].材料科学与工程学报,2007,25(2):262
[10]张雯,王红洁,张勇,等.凝胶注模工艺制备高强度多孔氮化硅陶瓷[J].无机材料学报,2004,19(4):743
注模过程 篇4
凝胶注模成型技术自发明以来[1],成为了高技术陶瓷的研究热点之一,现在已广泛应用于多种陶瓷材料、陶瓷复合材料、粉末冶金、甚至耐火材料的制备当中[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16],取得了很好的效果。其突出优点之一是适合于制备形状复杂的大尺寸陶瓷部件。但是在成型之前,都必须制作好模具。与普通陶瓷的成型使用的多孔模具不同,凝胶注模成型必须使用无孔模具。而且,由于凝胶注模成型过程中发生了有机聚合反应,有些模具材质会对其产生不利影响,导致成型后的坯体质量低劣。因此,这里着重研究不同的模具材质对凝胶注模成型的影响。
1 实验
1.1 模具材质的选择
实验所用的模具材质有12种:不锈钢模具,马口铁模具,玻璃模具,有釉陶瓷模具,PVC塑料模具,PP塑料模具,石蜡模具,涂蜡硬纸模具,涂漆石膏模具,Al2O3填料环氧树脂模具,长石填料环氧树脂模具,铝填料环氧树脂模具。
石蜡模具、Al2O3填料环氧树脂模具、长石填料环氧树脂模具、铝填料环氧树脂模具均为自己制作。制作环氧树脂模具的原料配比为:环氧树脂60份,邻苯二甲酸二丁酯(稀释剂)9份,无水乙二胺(固化剂)6份,Al2O3粉90份或长石粉90份或铝粉60份。
1.2 原料与设备
实验原料包括:氧化铝粉体,中位径D50=1～5μm。丙烯酰胺(AM,单体)、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM,交联剂)、过硫酸铵(ASP,引发剂)、氨水均为分析纯试剂。分散剂SD由南京工业大学提供。蒸馏水为自制。
实验设备包括电动搅拌器、旋转粘度计、干燥箱、真空泵、水浴、玻璃器皿,以及自制模具。
1.3预混液的配置及陶瓷浆料的制备
预混液由蒸馏水、AM、MBAM组成。按配比将AM和MBAM加入蒸馏水中,搅拌至完全溶解即可。将已称重的氧化铝粉体加入预混液中,并加入适量分散剂和氨水,用电动搅拌机搅拌均匀。陶瓷浆料的固含量一般应达到50%以上(体积百分比)、粘度在1000MPa�S以下为好。
1.4 凝胶注模成型
在制备好的陶瓷浆料中加入适量引发剂ASP,用电动搅拌机搅拌均匀,再进行抽真空除气处理,浇注到组装好的模具中,放置在45℃恒温的烘箱中,经过一定时间后,陶瓷浆料发生凝胶聚合反应,
形成高弹性凝胶体。再把它放入70～80℃的干燥箱中,干燥到一定程度后,脱模,得到湿坯,然后进一步干燥。最后送入窑炉中排胶、烧成。
2 结果与分析
2.1 模具材质对凝胶注模成型坯体质量的影响
实验结果如表1所示。
实验结果表明,不锈钢模具、马口铁模具、玻璃模具与有釉陶瓷模具成型出来的坯体质量较高,表面光滑,结构紧密(如图1),是理想模具材料的选择。塑料类(PVC、PP)、环氧树脂等高分子模具、石蜡模具、涂蜡硬纸模具成型出来的坯体质量不太理想,表面较疏松(如图2),内部致密而结实。涂漆石膏模具成型出的坯体质量较差,表面和内部都比较疏松。
造成坯体表面或整体疏松的原因主要是:
1.高分子(如塑料等)为有机物。丙烯酰胺聚合反应是有机反应,在反应的过程中,有些高分子材料模具的表面会抑制丙烯酰胺的聚合反应,影响坯体三维立体网络的形成,造成坯体表面疏松、粘模(如图3)。
2.因为分子热运动随温度升高而剧烈运动,若材质硬度不够(如石蜡在45℃时),坯体中的颗粒会进入模具表层中造成粘模。
3.模具内表面虽然光滑但不够致密(如涂漆石膏模具),使得浆料中的溶液被石膏模具吸收,减少了浆料中的有机物的含量,因此坯体中形成的三维网络较少,导致坯体的表面和内部都很疏松。
2.2 模具材质对凝胶时间的影响
表2所示的结果表明:用不锈钢模具、马口铁模具成型的坯体的凝胶反应时间相比其它模具要短一些,这主要是因为金属的导热性要比其它非金属材料好,使坯体升温较快,促进了反应进行。用涂蜡硬纸模具成型的坯体的凝胶时间也比较短,是因为实验采用了一次性饮水纸杯,纸杯壁比较薄,传热较快。用高分子类模具成型的坯体的凝胶反应时间都比较长,与涂漆石膏模具相当,因为它们的导热性都不太好。导热性最差的是石蜡模具。在环氧树脂类模具中用掺杂铝粉的模具成型的坯体凝胶化所需时间稍短是因为金属铝粉导热性好,提高了铝粉填料环氧树脂模具的导热性。
需要注意的是,模具的厚度也会影响导热速率,从而增加凝胶化时间。
3 结论
(1)不锈钢模具、马口铁模具、玻璃模具和有釉陶瓷模具成型出的坯体质量较好,可以作为凝胶注模的模具材料。塑料模具、树脂模具、石蜡模具、涂蜡硬纸模具成型出的坯体表面质量不高,不太适合作为凝胶注模的模具材料。涂漆石膏模具很不好。