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注浆成型
注浆成型(Slip Casting)是针对复杂形状、大型尺寸、薄壁或异形结构电瓷件的关键成型工艺,通过将流动性浆料注入模具,利用模具吸水性使浆料在模壁形成坯体,适用于无法通过其他成型方式成型的产品。
一、工艺核心定义与本质
注浆成型的核心逻辑是“浆料流动性 + 模具吸水性 + 颗粒沉积致密化”:将特定配比的电瓷浆料(含水率 30%-38%)注入多孔模具(如石膏模、树脂模),模具通过毛细作用吸收浆料中的水分,使瓷粉颗粒在模壁逐渐沉积、排列,形成与模具型腔一致的坯体。根据产品需求,可采用 “空心注浆”(排出余浆,适用于薄壁件)或 “实心注浆”(完全填充,适用于厚壁件),待坯体达到设计强度后脱模,经后续处理获得合格电瓷坯体。
其核心优势:适应复杂形状(如多腔室、不规则曲面、带凹凸结构)、设备投资适中、适合大型件生产;核心局限:成型效率较低、尺寸精度略低于压坯 / 车坯,需后续修坯精整。
二、工艺全流程
1. 浆料制备
(1)浆料配方与原料功能
原料类别 | 核心作用 | 技术要求 |
|---|---|---|
电瓷基料(高岭土、长石、石英、氧化铝等) | 提供坯体致密度、机械强度与烧结性能 | 颗粒级配合理(D50=2-12μm,D90≤25μm)、纯度≥95% |
塑性增强剂(膨润土、粘土) | 提升浆料触变性与悬浮性,防止颗粒沉降 | 可塑性指数≥15,膨胀容≥8mL/g |
分散剂(三聚磷酸钠、水玻璃等) | 降低浆料粘度,改善流动性 | 工业级纯度≥95%,水溶性好,添加量 0.1%-0.3% |
粘结剂(聚乙烯醇 PVA、糊精等) | 提高坯体干燥强度,避免脱模开裂 | 聚合度 1500-1800(PVA),添加量 0.3%-0.8% |
消泡剂(有机硅类、松节油等) | 去除浆料气泡,减少表面气孔 | 消泡效率≥90%,添加量 0.03%-0.1% |
溶剂(水) | 调节浆料浓度,保障流动性 | 无明显杂质,pH=6-8 |
(2)浆料制备关键步骤
配料混合:
先将固体原料(基料、塑性增强剂)干混 10-20 分钟(转速 50-60r/min),确保均匀分散;再加入溶解好的分散剂、粘结剂水溶液,湿混 20-40 分钟,避免结块。
球磨细化:
采用陶瓷 / 氧化铝球磨罐(球料比 2.5:1-3:1,球径 8-15mm),球磨时间 12-36 小时,最终控制浆料颗粒级配:D50=2-12μm,D90≤25μm(兼顾流动性与沉积致密性)。
脱泡处理:
球磨后浆料经真空脱泡机(真空度≤-0.08MPa)脱泡 10-30 分钟,或静置 4-6 小时自然排气,确保浆料中气泡直径≤0.1mm。
陈腐调整:
脱泡后浆料密封陈腐 4-12 小时(温度 18-25℃),使添加剂充分作用,浆料粘度稳定在 50-150mPa・s(旋转粘度计,60r/min)。
浆料性能检测(必测指标):
比重:1.6-1.9g/cm³(密度计测量,保障固相含量);
流动性:倒杯法(φ50mm 烧杯流出时间 15-25 秒,过快易沉降,过慢注浆困难);
悬浮性:静置 24 小时后,沉降层高度≤10%(量筒法,避免颗粒分层);
触变性:触变指数 TI=1.2-1.5(旋转粘度计,η30r/min/η60r/min,防止浆料流淌或沉降)。
2. 模具准备与设计
(1)模具类型与特性
模具类型 | 材质 | 核心特性 | 适用场景 | 使用寿命 |
|---|---|---|---|---|
石膏模(主流) | α/β- 半水石膏(可添加 1%-3% 水泥增强) | 吸水性强(吸水率≥30%)、成本低、易加工、适配批量生产 | 中小型电瓷件、常规复杂结构(如伞裙绝缘子) | 30-80 次 |
树脂模 | 环氧树脂 + 玻璃纤维 | 耐磨性好、表面光滑(Ra≤0.8μm)、精度高 | 高精度电瓷件、大型复杂件(如瓷套) | 300-500 次 |
金属模 | 不锈钢(内壁多孔处理) | 强度高、可控温 / 控湿、寿命长 | 压力注浆、离心注浆、大规模量产 | 5000 + 次 |
复合模 | 石膏模 + 树脂内衬 | 兼顾吸水性与表面精度 | 精密复杂件(如异形电瓷接头) | 100-150 次 |
(2)模具常用设计参数
脱模斜度:内壁脱模斜度 2°-4°(复杂曲面、锐角结构取上限),避免脱模时坯体崩边;
排气孔:在模具最高点、型腔死角设置 φ1-2.5mm 排气孔,间距 60-100mm,排出注浆时的空气;
浇注系统:
浇口:宽度为坯体最大壁厚的 1.2-1.5 倍,位置避开关键工作面;
流道:直径 6-15mm,确保浆料均匀填充,无死角;
溢流口:模具末端设置 1-2 个,排出含气泡的尾浆;
壁厚设计:模具壁厚为坯体壁厚的 3-6 倍(石膏模≥25mm,树脂模≥20mm),保障吸水均匀、结构稳定;
表面处理:模具内壁打磨至 Ra≤1.6μm,涂抹薄层高岭土或聚四氟乙烯脱模剂(浓度 4%-8%),避免粘模。
(3)模具预处理流程
新模具:自然干燥或烘干至含水率≤15%(石膏模),树脂模 / 金属模用酒精擦拭内壁去除油污;
旧模具:每次使用后清理残留浆料,修补破损部位,补涂脱模剂;
拼接模:拼接处用密封胶密封,避免注浆时漏浆。
3. 注浆工艺操作
(1)注浆类型与操作规范
注浆类型 | 操作方式 | 核心参数 | 适用产品 | 坯体厚度控制 |
|---|---|---|---|---|
空心注浆(主流) | 浆料注入模具→静置吸浆→排出余浆→脱模 | 吸浆时间 15-60 分钟(每 1mm 厚度吸浆 3-8 分钟),环境温度 18-25℃,湿度 60%-70% | 薄壁件(壁厚 3-8mm):如瓷套、小型绝缘子 | 按吸浆时间控制,结合坯体厚度检测 |
实心注浆 | 浆料完全充满模具→持续补浆→坯体凝固→脱模 | 补浆频次 1-3 次(每 10-15 分钟 1 次),吸浆时间 30-120 分钟 | 厚壁件(壁厚≥8mm):如电瓷基座、法兰 | 补浆至液面不再下降,确保坯体无缩孔 |
压力注浆 | 压缩空气(0.05-0.3MPa)辅助注浆→保压→排浆 / 凝固 | 注浆压力 0.05-0.3MPa,保压 5-15 分钟 | 中厚壁件(8-15mm):如中型支柱绝缘子 | 压力 + 时间双重控制,厚度误差≤±0.3mm |
离心注浆 | 模具旋转(300-500r/min)+ 注浆→离心沉积→凝固 | 转速 300-500r/min,注浆时间 5-10 分钟 | 回转对称件:如大型瓷套、环形绝缘子 | 离心力 + 吸浆时间控制,壁厚均匀性 ±0.2mm |
(2)注浆实操步骤
模具预热至 20-30℃(避免浆料温度过低影响流动性),内壁均匀涂抹脱模剂;
浆料缓慢注入模具(注浆速度 3-10mm/s),避免冲击产生气泡,注满后静置排气 1-2 分钟;
按类型执行吸浆、补浆、排浆操作:
空心注浆:吸浆至设计厚度后,缓慢倾斜模具排出余浆,保留坯体空腔;
实心注浆:持续补浆至坯体凝固(液面无明显下降);
注浆完成后,模具直立静置 2-4 小时,待坯体表面干燥、硬度达到邵氏 A30-A45(手指轻压无凹陷)后脱模。
4. 脱模、修坯与干燥工艺
(1)脱模控制
脱模时机:坯体邵氏硬度 A30-A45,表面无粘模现象;
脱模方式:手工(小型件)用橡胶锤轻敲分型面,机械(大型件)用液压顶出机构(顶出力 0.2-0.5MPa),禁止暴力操作;
脱模后处理:立即用保鲜膜包裹坯体边缘和关键部位,防止表面过快干燥开裂。
(2)修坯精整
粗修:去除飞边、毛刺,清理浇口、溢流口残留浆料;
精修:用 240-400 目砂纸打磨表面缺陷(如气泡、划痕),确保表面粗糙度 Ra≤3.2μm;
尺寸校准:用卡尺、样板或三坐标测量仪检测关键尺寸,误差控制在 ±0.3-±0.5mm(高精度件≤±0.2mm);
缺陷修补:表面小气孔(≤1mm)用同配方浆料调制成糊状填补,压实后打磨平整。
(3)干燥工艺
预干燥:脱模后坯体放置在湿度≥80%、温度 18-25℃的环境中自然干燥 24-48 小时,缓慢排出表面水分;
阶段干燥(干燥窑 / 烘箱):
第一阶段(0-8 小时):温度 30-40℃,湿度 70%-80%,升温速率 2-3℃/h;
第二阶段(8-16 小时):温度 40-60℃,湿度 50%-60%,升温速率 3-5℃/h;
第三阶段(16-24 小时):温度 60-80℃,湿度 30%-40%,升温速率 5-8℃/h;
终温保温:80℃保温 4-6 小时,确保坯体含水率≤3%;
干燥后性能:干燥收缩率 10%-15%,抗弯强度≥4-8MPa,无开裂、变形、分层。
5. 后续工序衔接
干燥后的坯体经二次修坯→ 施釉 → 烧成 → 成品检测,最终符合行业标准及客户要求。
三、质量控制体系
1. 精度与性能要求
指标类型 | 要求值 | 检测工具 | 检测频次 |
|---|---|---|---|
尺寸误差 | 常规件≤±0.5mm;高精度件≤±0.2mm | 数显游标卡尺、三坐标测量仪 | 每批次 5% 抽检 |
壁厚均匀性 | 误差≤±0.3-±0.5mm | 超声波测厚仪(精度 ±0.01mm) | 每批次 10 件抽检 |
表面质量 | 无 φ≥1mm 气孔,无裂纹,无缺料、粘模痕迹 | 视觉检测 + 10 倍放大镜 | 100% 全检 |
内部缺陷 | 无分层、无 φ≥1mm 气孔,超声波探伤合格 | 超声波探伤仪(频率 2-5MHz) | 每批次 10% 抽检 |
干燥后性能 | 含水率≤3%,抗弯强度≥4-8MPa,致密度≥62% | 水分测定仪、万能材料试验机、排水法 | 每批次 3 件抽检 |
烧成后性能 | 抗弯强度≥80MPa,不吸红,绝缘电阻≥10¹⁰Ω(20℃) | 万能材料试验机、吸红试验机、绝缘电阻表 | 每批次 3 件抽检 |
2. 常见缺陷与根治方案
缺陷类型 | 产生原因 | 根治解决方案 |
|---|---|---|
坯体开裂(干燥 / 烧成) | 1. 浆料含水率过高 / 过低;2. 干燥速度过快;3. 模具吸水不均;4. 坯体厚度不均 | 1. 控制浆料含水率 30%-38%;2. 预干燥湿度≥80%,升温速率≤3℃/h;3. 模具预干燥至含水率≤15%;4. 修坯校准壁厚(误差≤±0.3mm) |
表面气孔(密集型) | 1. 浆料脱泡不充分;2. 注浆速度过快;3. 排气孔堵塞;4. 消泡剂不足 | 1. 真空脱泡时间≥15 分钟;2. 注浆速度≤5mm/s;3. 每次生产后清理排气孔;4. 适量增加消泡剂(≤0.1%) |
粘模 | 1. 脱模剂涂抹不均;2. 脱模时机过早;3. 模具内壁粗糙 | 1. 喷雾式涂抹脱模剂,确保均匀;2. 延长静置时间至坯体硬度≥A35;3. 模具内壁打磨至 Ra≤1.6μm |
坯体缺料 / 缩孔 | 1. 浆料注入量不足;2. 补浆不及时;3. 浆料收缩过大 | 1. 按模具容积的 1.1 倍注入浆料;2. 实心注浆每 10-15 分钟补浆 1 次;3. 优化浆料配方(增加粘结剂比例) |
尺寸超差 | 1. 模具变形;2. 浆料配方波动;3. 干燥 / 烧成收缩不均 | 1. 模具每生产 30-100 件校准 1 次;2. 严格按配方配料(误差≤±1%);3. 优化干燥 / 烧成曲线,控制收缩率 |
坯体分层 | 1. 浆料悬浮性差;2. 注浆速度过快;3. 球磨不充分 | 1. 增加膨润土比例(2%-4%),提升触变性;2. 注浆速度≤3mm/s;3. 延长球磨时间至≥12 小时 |
四、设备选型参考
设备名称 | 核心参数 | 功能作用 | 单价参考(万元) |
|---|---|---|---|
球磨机 | 容积 20-100L,转速 40-60r/min,球料比 2.5:1-3:1 | 浆料球磨细化 | 3-15 |
真空脱泡机 | 容积 50-200L,真空度≤-0.08MPa,脱泡时间 0-60min | 浆料脱泡,去除气泡 | 2-10 |
注浆机(手动 / 自动) | 注浆速度 3-10mm/s,压力 0-0.3MPa(压力注浆) | 控制注浆量与速度,确保填充均匀 | 0.5-50(手动 / 自动) |
隧道干燥窑 | 有效长度 30-100m,温度范围 20-120℃,升温速率 0-10℃/h | 坯体阶段干燥,控制含水率 | 30-200 |
超声波探伤仪 | 频率 2-10MHz,探测深度 0-100mm | 坯体内部缺陷检测 | 2-20 |
辅助设备 | 旋转粘度计、密度计、邵氏硬度计、粒度分析仪 | 浆料性能检测,保障工艺稳定性 | 0.5-15 |
五、技术发展趋势
智能化升级:数控注浆机 + 机器视觉检测,实时监测浆料粘度、注浆压力、坯体厚度,自动调整参数,效率提升 30% 以上;
模具技术优化:推广碳纤维增强树脂模、多孔金属模,提升模具寿命(≥1000 次)与精度;
浆料改性:低粘度高固相浆料(固相体积分数≥65%)、纳米添加剂改性,减少干燥收缩与开裂;
复合成型:注浆成型粗坯 + 数控车修精整,兼顾复杂形状与尺寸精度(误差≤±0.1mm);
绿色化生产:石膏模回收再利用、注浆废水循环使用(回用率≥90%),降低环保成本。
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