生产陶瓷制品的一种方法

专利名称:生产陶瓷制品的一种方法
本发明涉及以含有陶瓷原料的泥浆注入模具中，来生产陶瓷制品的一种方法。特殊的是，本发明的方法非常适合于生产的构型复杂，壁厚不均的一类陶瓷制品，如机动车辆用的涡轮增压器的叶轮，燃气轮发动机的叶轮等等。
生产陶瓷制品的典型方法，是把含有陶瓷原料的泥浆注入一模具内。并使之固化。用于此种典型方法的模具完全用吸水性材料构成，使泥浆中的水能被吸收到模具的整个内表面上。这种方法难以用来生产构型复杂，壁厚不均匀的制品，如机动车辆用的涡轮增压器的叶轮，或燃气轮发动机的叶轮等。如果用这种方法生产上述制品，则泥浆中的水份就不能均匀地被吸收到模具中，即在模具的某些部份泥浆中的水份被迅速吸收，而在另一些部份水份被吸收得很慢。结果，泥浆的固化速度因模具的不同部位而异，使已固化的陶瓷制品的密度分散性广。例如，如果是用这种方法生产的陶瓷涡轮增压器的叶轮，叶轮的叶片在其邻近表面部份的密度就很高，而在它的内部则很低。当把这种密度不均的，已经固化的陶瓷体从模具中取出来时，陶瓷体的表面很可能会在脱模过程中受损或产生裂纹。降此，在脱模后的陶瓷体干燥和烧结时，由于陶瓷体的收缩，可能引起很大的尺寸变化，以至使它发生变形或龟裂。
日本专利2867/81公开了一种方法，是先在模具中形成固化的陶瓷体，然后能够不造成任何损伤地将它从模具中取出。根据这种方法，是把吸水性的模具放在一转台上，对含陶瓷原料的泥浆进行离心分离处理。该项专利宣称，浇注作业应在吸水性模具开始吸收浇注体的微孔中所含的水份之前就完成;同时宣称，如果浇注作业是在模具正在吸收固化的浇注体的微孔中所含的水份的同时进行，那未浇注体在模具中就会开始收缩并龟裂。采用这样方法，从模具中脱出的仍然含有很高水份的浇注体必须浸入吸收液性的多孔介质中，同时保存于由一种可熔性有机材料制成的模型内，然后须将此模型熔烧掉。因此，用这种方法，显然要多耗用一种模型件。
本发明的目的是在于提供一种生产陶瓷制品的方法，按照这种方法，当把固化的陶瓷材料体从模具中脱出时，及之后的烧结过程中，毋须担心招致龟裂与变形。
依据本发明，其中所称的陶瓷制品是把含陶瓷原料的泥浆浇注到模具中，按照一定的方向固化而成。
图1是截面图，说明本发明的实施例中的模具结构。
图2是传统工艺的一种模具和一个生坯的截面图。
图3是本发明的另一实施例的模具与生坯的截面图。
图4是一张电子显微镜照片，表明图2中所示生坯烧结品的截面。
图5是一张电子显微镜照片，表明图3中所示生坯烧结品的截面。
几个优选实施例的详细说明本发明基于以下事实的研究成果按照一定方向固化的含有陶瓷原料的泥浆，能得到具有极其完善的结构和最低密度分散性的陶瓷固化体，这样的固化体在脱模时不龟裂，并且在烧结时有高度的抗变形性和抗龟裂性。
在本发明中使用的“陶瓷制品”一词，指的是，将含有陶瓷原料的泥浆浇注到模具中，泥浆按一定的方向固化而得到的任何固化物体，以及固化物体经过烧结后所得到的产物。烧结前的陶瓷固化物可统称为生坯。
本发明中所使用的含陶瓷原料的泥浆，可将陶瓷原料悬浮在适当的液体介质中制成。任何类型已知的陶瓷原料都可采用，例如碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硅、硅铝陶料等都可采用，其中最适合本发明的方法使用的陶瓷原料是碳化硅。
含有陶瓷原料的泥浆中陶瓷原料的粒度可大可小，但通常，所谓的陶瓷粒具有几个微米的数量级，更具体地说以下不超过5微为好。当采用碳化硅时，特殊地要求此种颗粒的粒度不大于1微米为好。将这种细小陶瓷颗粒悬浮于泥浆中，就能基本上防止了固化物脱模时的龟裂。也能使烧结后的陶瓷制品的变形减至最小，基本上不需要再作任何加工修正外形。用作悬浮陶瓷颗粒的液体介质可以是能均匀分散陶瓷颗粒的任何一种。最适用于本发明的液体介质是水。
含陶瓷原料的泥浆可由陶瓷颗粒和水类介质配制而成。但是，从实际使用的观点出发，需要添加助烧结剂和抗凝剂。在使用含碳化硅泥浆时，最好采用碳化硼和石墨为助烧结剂，三乙醇胺为抗凝剂。
当把陶瓷颗粒悬浮于水中以配制泥浆时，100份重量的陶瓷颗粒相对应的用水重量是12份至25份。如果用水量少于12份，则得到的泥浆粘度过高，不能借自重均匀地浇注到模具内。如果泥浆用水量多，浇注作业时间就长，而当用水的重量超过50份时，就必须在泥浆固化时额外地再补充泥浆。
从模具的某些特定的部位排除水份，就能实现含有陶瓷原料的泥浆在模具中定向固化。为了完成这种定向固化，最好从模具的底部排除泥浆中的水份。这样就能生产出整体结构上高致密和具有最小的密度分散性的陶瓷制品。为实施所说的定向固化，最方便的也是最有效的方法，是以吸水性材料制成模具的底部。泥浆中的水份经吸水材料的模具底排掉。
在用吸水材料制成的模具的特定部位以实现泥浆的定向固化的情况下，泥浆是从接触模具吸水的部位相续固化，水份经过固化的陶瓷颗粒的缝隙被吸收，使固化过程连续进行。
在含陶瓷原料的泥浆中，陶瓷材料并不溶解于液体介质;细微的陶瓷颗粒仅仅是悬浮于介质当中。因此，本发明中所谓的“含陶瓷原料的泥浆的固化或凝固”，乃是指悬浮于液体介质中的陶瓷颗粒的聚结或最终使液体相消失的固相实体。这样得到的固化产物不会在脱模时龟裂或破碎。
石膏模具，合成树脂模具或素烧模具，或者它们的适当组合，都能用作吸水性模具。
石膏模具最适合作本发明的吸水性模具。用石膏模具生产的陶瓷制品，在与石膏模具相接触的部份具有极其光滑平整的表面。
为实施本发明，所用的模具是由吸水性部份和非吸水性部份组合而成，后一部份模具件用于定向固化不实施的部份。
对于非吸水性模具，本发明中可采用橡胶模具，金属模具或树脂模具，或者它们的适当组合形式，其中以橡胶模具最为适合。当使用橡胶模具作为非吸水性模具件时，陶瓷制品从模具中脱出时无破碎和龟裂的情况发生，并且表面致密光滑。
最好使模具中的泥浆振动，振动有助于加速陶瓷材料密实堆积，并且能提高陶瓷制品的尺寸精确度。可以采用振动器来产生振动，振动的方向可以是垂直的，也可以是水平的。
配制好的含陶瓷原料的泥浆，最好在浇注到模具中之前，在减压的条件下经过除气处理以后再浇注到模具中。在减压状态下，经过除气处理，能除掉泥浆中的空气气泡和气体，从而提高生产出的陶瓷制品的质量。
被俘获在这种固化物中的气体，是在烧结时引起龟裂的原因。在减压条件下进行除气处理，能基本上防止陶瓷制品因气体的压力而龟裂的现象。压力减去70～76厘米汞柱之间，以减去73～76厘米汞柱的压力为好。
经过上述除气处理的泥浆，可以立即在减压的条件下注入模具，也可以置于空气中，而后再注入模具。在前一种情况下，建议采用的方法是，把泥浆和模具都置于备有减压设备的容器中，然后在容器中进行一系列的操作。
把含有陶瓷原料的泥浆在加压的条件下浇注到模具内，也是符合需要的方法。此方法可以用于经过减压条件除气处理过的泥浆，这种情况下，采用0.1至2公斤/平方厘米的压力能起到良好的效果。在以橡胶模具作为非吸水性模具件时，采用过大的压力有可能降低成品尺寸的精确性。因此，此方法中使用的压力范围建议应取上述范围。
在加压的条件下浇注泥浆，很可能象在振动的条件下浇注泥浆，显著地提高陶瓷原料颗粒的堆积密度。
泥浆注入模具后再置于加压条件下，对于未加压进行的浇注是有效的，即，对泥浆在减压条件下浇注和大气压下浇注有效。当然，加压处理同样地可以用于泥浆是在加压条件下浇注的情况。
在泥浆注入模具后，用加热的方法快速除去泥浆中的水份，此时可以加热整个模具以使泥浆受热，但最好是只加热模具的吸水性部份，以能有效地实现定向固化。这对于提高陶瓷原料颗粒的堆积密度能产生较大的效果。在采用石膏作为吸水性模具时，加热的温度应当低于70℃。如果把这种模具加热到高于70℃，模具就有可能破裂。加热温度低于70℃，是可以完成泥浆的优质定向固化作业。
在含有陶瓷原料的泥浆注入模具后，模具内部就可以暂时维持低压状态，这是另一种除去泥浆中气体的有效方法。这种情况下，模具内部最好保持10～30厘米汞柱的压力范围。在泥浆的制备和浇注过程中未曾经过减压除气处理过程的情况，加入这道浇注后使模具内部处于低压条件的工序是很有效果的。当然，也可以在经过减压除气处理过程的泥浆，在浇注后加入这道工序，其目的是为了进一步增强除气效果。
为使含陶瓷原料的泥浆注入模具后，又定向固化后的固化体具有所需要的特性，固化体可按常规方法进一步地干燥、烧结。
在本发明的一个较好的实施例中，泥浆含有35份重至45份重的水，100份重的平均粒度不超过1微米的碳化硅，以及一种助烧结剂和抗凝剂。泥浆在减压条件下经除气处理后，置于空气中，然后注入由吸水性材料和非吸水性材料组合成的模具中以完成定向固化，然后将固化体从模具中脱出，依常规方法干燥并烧结。本发明的方法中，模具不需要转动或移动，只要保持稳定。
参照下述实施例说明本发明。
例1这个实例中，制造了变径轴杆，制得的轴杆在其最粗的部位直径为20毫米，而后逐渐变细，轴长200毫米。
模具按下述方法制成。用石膏作成吸水性模具部件，组成20毫米直径部份的端面，所用的石膏是市售煅烧石膏。将100份重的石膏放入70份重的水中，用搅拌混合器(速度300转/分钟)搅拌2分钟，配制得石膏浆。将石膏浆注入木制模具中，石膏凝固后，拆脱木模，将成形的石膏模具件置于50℃的干燥器中10小时，以去掉水份。用半开式橡胶模具构成整个模具的另一部分。上述石膏模与橡胶模组成一个完整的阴模。
含陶瓷原料的泥浆是由下述组份配成耐高温的碳化硅颗粒 100份重助烧结剂B4C 1.0份重C(石墨粉) 4.0份重抗凝剂 三乙醇胺 1.0份重水 40份重将上述原料共200克置于混合粉碎磨中，混合24小时制得泥浆。把这种泥浆置于73.5厘米汞柱的真空度中，减压处理5分钟，以除去泥浆中的空气。将这样处理后的泥浆从上述阴模的顶端开口处注入，并填满模具。然后，从靠近模具的石膏部位的泥浆开始，其中的水份逐渐被石膏模具吸收，泥浆逐渐固化。在泥浆全部固化以后，将固化体从阴模中取出，得到生坯。
为除去生坯中的水份，将生坯置于60±2℃的干燥器中处理24小时;然后升高干燥器的温度到105℃，处理2小时，然后将得到的干燥生坯按下述作业烧结。
将生坯置于石墨制的容器内，而后将装有干坯的石墨容器置于烧结炉内。将烧结炉内抽成3×10-4毫米汞柱压力的真空后，将氩气导入炉内，在保持炉内氩气的压力为100毫米汞柱的条件下加热，加热时的温升速度为8.3℃/分钟，直到炉内的最高温度达2200℃时，保持炉温1小时，然后冷却。最后得到没有发生过形变的烧结体，其表面平整度高，尺寸精确，轴的相对密度为86.0%。
例2按本发明的方法，制造机动车辆涡轮增压机叶轮。
图1为有关模具结构的截面示意图。
混合配制泥浆的方法与例1相同。
泥浆从模具的开口1注入模内，石膏制成的模具件2吸收泥浆中的水份，实现定向固化。当泥浆在开口处固化后，拆除橡胶制成的非吸水性模具件3和环形模4。然后操作连结在可动杆8上的手柄9，使，用销钉6固定的固定模件5上相联的叶片模件7，沿圆周方向移动，以脱下叶片部份。以后，从空气入口处引入压缩空气以脱掉吸水性模具。得到需要的叶轮生坯。
为除去叶轮生坯中的水份，先经过50℃下24小时干燥，再于110℃下加热干燥5小时。以后用和例1相同的烧结处理。结果，得到据有稳定性表面和精确尺寸的叶轮烧结体。其相对密度为86.4%。
例3按传统的无定向固化法生产的陶瓷制品与按本发明的定向固化法生产的陶瓷制品的比较，用棒形样品(5×20×50毫米)比较其性能。
按本发明的方法，其使用的模具的底部是用石膏模具件构成，其余部份由橡胶模具件构成。按传统的无定向固化法，其全套模具都由石膏制成。
泥浆混合，搅拌，干燥，烧结工序均与例1中所述相同。
制成的生坯，烧结体的性能如下表1所示表1
表1中说明，按本发明的方法生产的生坯和烧结体的性质都比用传统方法生产的性质，有显著的提高。
用传统方法，用本发明的方法生产的生坯和所用的模具，分别如图2和图3所示。
用传统的方法，用石膏模具11生产的生坯12，在中心部位有一较大的空洞。用本发明的方法，将陶瓷原料泥浆浇注入石膏模11与橡胶模12组成的模具中，生产出的生坯中则没有上述空洞。
两种生坯经干燥，烧结后，得到烧结体从中部切开，用电子显微镜扫描检查切面。显微照片见图4与图5。
按传统方法生产的烧结体，如图4所示，其中有空腔，且颗粒排列不规则。而按本发明的方法生产的烧结体，如图5所示，颗粒排列，堆积均匀密度均匀。
因此，采用本发明的方法能得到具有下述特征的陶瓷制品生坯的密度均匀，容易从阴模中脱模，在干燥和烧结过程中没有变形和龟裂，且具有稳定均匀的密度。
比较例(参看例2)采用除吸水性模具件2以外，其余部份由蜡制成的模具件组合成的模具，以制造与例2相同的机动车辆的涡轮增压机叶轮。当固化的生坯从蜡制模具中脱模时，叶片部份坠落，蜡制模具未能脱开。
如上所述，采用本发明的方法，能提高生坯的密度，脱模容易，且能得到表面光滑的制品。另外，生坯在干燥和烧结过程中变形最小，能够制出尺寸精确稳定的成品。
权利要求
1.生产陶瓷制品的一种方法，其特征在于，将含有陶瓷原料的泥浆浇注到模具内，在模具中实现定向固化。
2.根据权利要求
1所述的方法，其中所述的定向固化是用从所用的模具的一定部位排除泥浆中的水份完成。
3.根据权利要求
2所述的方法，其中所述的泥浆中的水份是从所用的模具的底部排除。
4.根据权利要求
2所述的方法，其中所说的模具的一定部位是由吸水性材料构成，用吸水性材料吸收泥浆中的水份。
5.根据权利要求
3所述的方法，其中所说的模具的一定部位是由吸水性材料构成，用吸水性材料吸收泥浆中的水份。
6.根据权利要求
1所述的方法，其中所说的含陶瓷原料的泥浆含有100份重的陶瓷原料和20份重至50份重的水。
7.根据权利要求
1所述的方法，其中所说的陶瓷原料是碳化硅。
8.根据权利要求
6所述的方法，其中所说的陶瓷原料是碳化硅。
9.根据权利要求
7所述的方法，其中所说的碳化硅的颗粒，具有不超过1微米或更小的平均粒度。
10.根据权利要求
1所述的方法，其中所说的含有陶瓷原料的泥浆中含有100份重的碳化硅和12份至50份重的水及助烧结剂和抗凝剂。
11.生产陶瓷制品的一种方法，其特征在于，将含有陶瓷原料的泥浆浇注到由吸水性材料模具件与非吸水性材料模具件组合而成的模具中，由所说的吸水性模具件吸收掉泥浆中的水份以实现泥浆的定向固化。
12.根据权利要求
11所述的方法，其中所说的吸水性材料模具是由石膏制成。
13.根据权利要求
11所述的方法，其中所说的非吸水性材料模具件是由橡胶制成。
14.根据权利要求
11所述的方法，其中所说的模具的下部包括模具的底部是由吸水性材料模具组成，而其它部份则由非吸水性材料模具制成，因此泥浆中的水份能从模具的下部被吸收掉。
专利摘要
将含有陶瓷原料的泥浆浇注到模具中，并且在模具内完成泥浆的定向固化，以生产构形复杂，壁厚不均的陶瓷制品，例如机动车辆的涡轮增压器的叶轮，燃气轮发动机的叶轮等。
文档编号B28B1/26GK85101420SQ85101420
公开日1987年1月10日 申请日期1985年4月1日
发明者酒井淳次, 国谷启一, 祖父江昌久, 中沢哲夫, 佐佐木敏美 申请人:株式会社日立制作所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan