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干压成型
干压成型(Dry Pressing)是将造粒后的电瓷粉料(含少量结合剂与水分) 置于高精度钢制模具中,通过专用压力机施加单向或双向高压,使粉体颗粒重排、紧密结合并形成特定形状坯体的成型方法。该工艺以坯体密度高、尺寸精度好、收缩率小、生产效率高为核心优势,应用于形状相对简单的绝缘子、瓷套、支柱等电瓷产品的制造。
一、工艺原理与核心特点
(一)工艺原理
干压成型的实质是在外力作用下,造粒粉体颗粒在模具内克服内摩擦与壁摩擦,发生颗粒重排→弹性变形→塑性变形,逐步填充间隙、增大接触面积;结合剂(如 PVA 水溶液)在颗粒表面形成的薄界面层产生粘着力,使紧密堆积的颗粒形成具有一定机械强度的整体坯体。
(二)核心特点
优势:
1. 坯体密度均匀、高(可达理论密度的 65%-75%),烧结后性能稳定。
2. 尺寸精度高(公差 ±0.1%-±0.3%),表面光洁,后加工量小。
3. 水分 / 结合剂含量低(水分 3%-6%,结合剂通常 < 5%),无需长时间干燥,可直接进窑。
4. 生产周期短,自动化程度高(适合批量生产)。
5. 烧成收缩率小(<5%),变形风险低,电性能优异。
局限性:
1. 适合高度 0.3-60 mm、直径 5-500 mm 的简单形状(盘状、环形、片状、短圆柱),不适合高长径比(L/D>1.5)或复杂异形件。
2. 模具成本高(需高精度钢材),磨损快,维护要求高。
3. 压力分布存在梯度(单面加压更明显),易导致密度不均,大型坯体更显著。
二、工艺流程与关键步骤
(一)工艺流程
原料精选→配料→球磨(湿法)→喷雾干燥造粒→筛分 / 陈腐→模具准备(清洁、润滑)→装料→加压(单面 / 双面,分级加压 + 保压)→脱模→坯体检查 / 修整→烧结前准备
(二)关键步骤
1. 原料与配料
电瓷干压原料以高铝矾土 / 高岭土(主原料)、石英、长石(助熔)、滑石(调节性能) 为主,辅以结合剂(PVA、石蜡、亚硫酸纸浆废液)、分散剂、润滑剂等。典型配方:
主原料(高岭土 + 铝矾土):60%-75%
石英:10%-15%
长石:10%-18%
滑石:0%-10%
结合剂(PVA 水溶液,浓度 8%-12%):外掺 3%-5%(干基)
水分控制:最终造粒粉水分 3%-6%(干压适宜区间)
2. 球磨与浆料制备
配料后进行湿法球磨,目标是粒径分布合理(d50=2-5 μm,最大粒径 < 30 μm)、混合均匀。球磨时间通常 8-16 小时,浆料固含量 60%-65%,pH 值调节至 8-9 以改善分散性;球磨后过 200 目筛除杂质。
3. 喷雾干燥造粒(核心环节)
造粒是干压成型的关键前提,直接决定粉体流动性、松装密度与成型质量。
设备:压力式 / 离心式喷雾干燥塔(热风温度进口 200-220℃,出口 80-90℃)
工艺要点:
浆料泵压稳定,雾化均匀(雾滴 50-150 μm)
热风与雾滴逆向接触,干燥时间 1-3 秒,形成空心 / 实心球形颗粒(粒径 40-120 μm)
造粒粉要求:松装密度 0.8-1.2 g/cm³,流动性(霍尔流速)>20 s/50 g,含水量 3.5%-5%
造粒后:过 60-80 目筛,筛下细粉返回再造粒;造粒粉陈腐 24-48 小时(释放内应力,改善成型性)
4. 模具准备与装料
模具结构:通常由上模冲、下模冲、凹模组成,材质为 Cr12MoV 等高硬度耐磨钢,表面粗糙度 Ra<0.8 μm,配合间隙 < 0.02 mm
模具润滑:模壁均匀喷涂极薄的硬脂酸锌 / 石蜡乳液(避免粘模,减少摩擦)
装料:定量加料(精度 ±0.2%),均匀铺入型腔,避免局部堆积;对大型件可采用振动辅助装料,提高松装密度均匀性
5. 加压成型(核心操作)
设备:伺服液压干压机 / 机械压力机(压力范围 100-500 MPa,根据坯体大小与材质调整)
加压方式:
单面加压:仅上模冲施压,结构简单,适合薄小件;但压力梯度大,L/D>0.8 时密度不均明显
双面加压:上下模冲同时施压,压力梯度减小,坯体密度更均匀,适合中厚件(L/D=0.8-1.5)
加压工艺曲线(推荐):
预压阶段(0-30% 额定压力):慢速(1-2 mm/s),排出大部分自由空气
主压阶段(30%-100% 额定压力):中速(2-4 mm/s),实现颗粒紧密堆积
保压阶段(100% 压力):保压 5-30 秒(大件 / 厚件延长),进一步排气与应力松弛
泄压阶段:慢速(1-2 mm/s),避免坯体回弹开裂
典型压力参数:普通电瓷150-250 MPa;高铝电瓷250-350 MPa
6. 脱模与坯体处理
脱模:平稳顶出(速度 < 1 mm/s),避免冲击与局部受力不均;大型件可采用分步脱模或降温脱模(减少热胀冷缩影响)
坯体检查:尺寸、外观、密度(抽样称重法);剔除分层、裂纹、气孔、缺角等缺陷
修整:轻微毛刺用砂纸手工去除;对精度要求高的产品,可进行坯体轻微磨削
7. 后续工序
坯体→排胶(低温预烧,去除结合剂)→高温烧结(1280-1400℃,根据配方调整)→检验(尺寸、机电性能、外观)→上釉(如需)→二次烧结(釉烧)→成品
三、关键工艺参数控制与影响分析
参数类别 | 推荐范围 | 控制要点 | 影响 |
造粒粉 | 水分:3.5%-5% 松装密度:0.9-1.1 g/cm³ 流动性:>22 s/50 g 粒径:40-100 μm | 喷雾干燥温度、浆料固含量、粘结剂用量协同控制 | 水分过高:粘模、坯体强度不均 水分过低:坯体易开裂、密度低 流动性差:装料不均,密度波动大 |
加压工艺 | 压力:普通电瓷180-220 MPa、高铝电瓷280-320 MPa 加压速度:预压1-2 mm/s,主压2-3 mm/s 保压时间:薄件5-10 s,厚件20-30 s | 压力根据坯体L/D与材质调整;保压时间以排气完全为度 | 压力不足:密度低,烧结后强度差 压力过高:模具磨损加剧,坯体可能出现应力开裂 加压过快/保压不足:排气不畅,形成气孔、夹层 |
模具 | 温度:20-25℃(室温) 润滑:薄而均匀,避免积油 配合间隙:<0.02 mm | 模具定期检查,磨损后及时修复/更换 | 温度波动:尺寸不稳定 润滑不当:粘模、表面拉伤 间隙过大:坯体边缘致密不足,易掉渣 |
四、常见缺陷及成因与控制对策
缺陷类型 | 主要成因 | 控制对策 |
分层/夹层 | 1. 造粒粉流动性差,装料不均 2. 加压过快,排气不畅 3. 单面加压L/D过大 4. 模具润滑不均,壁摩擦过大 | 1. 优化喷雾造粒,提高粉体流动性与松装密度 2. 采用分级慢速加压+延长保压 3. 改用双面加压,降低L/D比 4. 改进润滑方式,确保模壁均匀 |
表面裂纹/边缘崩裂 | 1. 水分过低,粉体塑性差 2. 泄压速度过快,坯体回弹3. 脱模速度快,受力不均 4. 模具圆角不足,应力集中 | 1. 控制造粒粉水分在4%-5% 2. 慢速泄压(<1 mm/s) 3. 平稳顶出,使用弹性顶杆4. 模具边角设置R0.3-R0.5圆角 |
粘模/表面拉伤 | 1. 模具润滑不足或积油 2. 模具表面光洁度不足 3. 压力过高,粉体嵌入模具缝隙 | 1. 均匀薄涂润滑剂,避免过量 2. 定期抛光模具,保持Ra<0.8 μm 3. 控制压力在合理范围,定期清理模具缝隙 |
尺寸偏差/变形 | 1. 装料量不稳定 2. 压力波动大 3. 模具磨损,配合间隙变大4. 造粒粉水分波动 | 1. 提高加料精度(±0.1%)2. 采用伺服压力控制系统,稳定压力 3. 定期检查模具尺寸,及时修复/更换 4. 严格控制造粒工艺,稳定水分 |
五、应用场景与发展趋势
(一)典型应用产品
高压盘形悬式绝缘子(特别是高强、耐污型)
电除尘器用承压绝缘子、瓷套、支柱瓷瓶
中低压线路用针式、蝶式绝缘子
火花塞绝缘子等小型精密电瓷件
(二)技术发展趋势
造粒技术升级:采用多级喷雾干燥、低温造粒,提高粉体球形度与流动性,降低细粉率
加压工艺优化:伺服液压系统实现全流程压力闭环控制,配合双面 / 浮动加压,改善压力分布
模具技术创新:采用硬质涂层(如 TiN、CrN)提高模具寿命;3D 打印制造复杂模具镶件
复合成型结合:对高长径比或复杂件,采用 “干压 + 等静压” 复合工艺(干压预成型,等静压二次致密)
智能化生产:引入 MES 系统,实现原料 - 造粒 - 成型 - 检测全流程数据监控与质量追溯
干压成型
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