控制瓷殼燒成形變、提高裝配尺寸精度

真空封接 楊寶珠 陜西寶光陶瓷科技有限公司

  從分析影響陶瓷瓷殼燒成過程的形狀變化因素入手,探討如何控制燒成過程的變形量,使燒成后的陶瓷瓷殼尺寸一致性提高,從而提高與金屬零部件的配合精度。

  作為電真空器件用金屬化- 陶瓷外殼,因其加工工藝復雜,加工難度大且成本高,其尺寸公差、形位公差很難與金屬零件公差標準相一致,1983 年12月國家頒布了GB4069 - 83《電子陶瓷零件公差》標準,后于1996 年降為行業標準SJ/T10742-96 。從標準的內容來看:不同的陶瓷(成型) 工藝方法其尺寸公差會有不同的等級范圍;1-5 級是要通過磨加工方法達到,6-10 級為非磨加工方法保證;6 級就是目前非磨加工(燒后尺寸) 方法要達到的最好等級。見表1 。

表1  SJ/ T10742-96 標準中6 級、7 級尺寸公差比較

SJ/ T10742 —96 標準中6 級、7 級尺寸公差比較

  90年代以前,采用的是熱壓鑄成型生產方式,穩定漿料收縮率、減小瓷體收縮變化是控制陶瓷尺寸最重要一個環節,因為瓷件的尺寸精度完全靠模具和燒成過程來保證。盡管我們不斷努力以求收縮率能長期穩定在可控的范圍內,但當時的控制水平也只能達到±1.5%范圍。90年代后應用等靜壓成型技術后,陶瓷工藝技術也得到不斷的提升,陶瓷內在質量和全過程合格率得到較大提高。但是,與國外先進陶瓷生產企業相比較,我們仍在陶瓷管殼公差精度和外形的一致性上存在不足。目前,陜西寶光陶瓷科技有限公司(簡稱寶光公司) 非磨加工(燒后) 瓷殼尺寸公差也只能控制在±1 %水平,如果客戶要求較高,只有通過機械磨加工手段來達到,實踐證明:陶瓷表面經磨加工后,實際是破壞了原有致密的外觀,后工序容易受到污染,還會影響瓷殼的封接強度,并且大大增加生產成本。

  隨著電真空器件的發展,對陶瓷管殼的配合(尺寸公差和形位公差等) 精度要求也越來越高。當前,陶瓷行業在提高陶瓷外形一致性和尺寸精度方面應該審視陶瓷燒成過程,因為瓷殼約百分十幾的收縮是在燒成過程中進行,在收縮過程中又伴隨著形狀的變化,這個過程控制不好會使瓷殼的尺寸公差變大、形位公差變差(變形、超差) ,即使在后工序通過磨加工的方法可以改善其尺寸精度,但增大磨削量顯然是無奈的辦法。所以,深入分析陶瓷燒成過程中的相關問題,探討控制和改進工藝參數和工藝方法的途徑,逐步控制和縮小瓷體收縮范圍和瓷體變形范圍。這樣,不但可以提高燒成工序合格率,減小后工序的機械加工成本,還可以提升非磨加工陶瓷管殼精度等級。

1、分析陶瓷管殼在燒成過程中產生形變的因素

  瓷殼在燒成過程中的變形、超差是影響控制尺寸公差和形位公差的主要因素。圖1 列舉了寶光公司近年來瓷殼產生的幾種典型形變特征。圖1(a)為常見一種口部形變現象,也是產生數量較多的一種,一般在肉眼可見情況下,已不能滿足設計尺寸公差和圓度的要求。圖1 (b)是底部呈喇叭口形變現象,如果底部收縮一致,圓度較好,徑向尺寸偏大;反之,都可能超差報廢;其兩端徑向尺寸有明顯的差別,造成垂直度變差。圖1(c)是呈雙喇叭口形變現象,如果上下口部收縮一致,圓度還可以,兩端徑向尺寸都偏大,造成垂直度、圓柱度變差;反之,都可能超差報廢。圖1(d)是上部呈縮口形變現象,如果上口部收縮一致,圓度還可以保證,但徑向尺寸偏小,垂直度、圓柱度變差;反之,可能超差報廢。圖1(e)是呈雙縮口形變現象,如果上下口部收縮一致,圓度可以保證,但徑向尺寸偏小,垂直度、圓柱度變差;反之,可能超差報廢。圖1(f)是瓷殼整體發生改變的現象(瓷體局部產生了扭曲或翹曲變形,徑向或高度方向的尺寸一致性相差較大) ,瓷體的尺寸公差和形位公差發生較大的偏差,一般都是廢品。圖1(g),(k)是整體瓷殼尺寸變化的現象,如果收縮均勻一致,變形量小,實際尺寸可以在設計尺寸正公差或負公差范圍內;反之,就一定是超差。

幾種典型的瓷殼變形示意圖

圖1  幾種典型的瓷殼變形示意圖

  造成瓷殼形變的原因較復雜,因瓷體的收縮過程是在窯爐內高溫階段自然進行。寶光公司裝窯的方式如圖2 所示,采用圖3(b)中的墊腳在高溫電隧道窯爐內進行瓷殼的燒結。

幾種常用的墊腳外形圖

圖2  瓷殼燒成裝載示意圖  圖3  幾種常用的墊腳外形圖

  從圖2 來看,瓷殼、墊腳、剛玉沙和承燒板組成了燒成單元,它們在燒成時除承擔各自作用外,相互之間還存在著最佳配合的關系(墊腳收縮率、墊腳與承燒板的摩擦阻力、承燒板的平整度、剛玉沙的粒度和沙層的厚度等) 。如果這幾個關鍵配合參數達不到優化組合,陶瓷管殼在燒成過程中就容易產生變形,如果其中一種配合不好,都會使另外一種的作用失效,最終可導致瓷殼發生形狀的變化。瓷殼變形也有其特定的表現形式和規律,一般瓷殼的變形大部分都產生在與承燒板接觸的底部,比例約占燒成數的1 %~3%;個別品種(薄壁、不對稱) 比例較高;雙層疊裝燒成的瓷殼基本都產生在底部和中部,數量較多;有時會在某個品種上批量產生。生產穩定期間產生變形的數量約占投料數的3%~5% ,嚴重時可以占投料數的10 %以上。通過實踐分析,圖1(a) 的形變主要是墊腳沒有將瓷殼限制住,使瓷殼在收縮時存在自由空間所致;比如,雙層疊燒瓷殼之間無墊腳,墊腳與瓷殼之間裝配間隙過大,或部分間隙被剛玉沙填住,因墊腳收縮大于瓷殼收縮,墊腳本身產生了形變等所致。(b)的形變主要是下部墊腳的收縮小于瓷殼收縮所致,如果瓷殼與墊腳配合間隙被過多的沙子填充也可產生。(c)圖的形變主要是①上、下部墊腳的收縮都小于瓷殼的收縮所致; ②因上部墊腳塌陷嚴重,造成收縮小所致; ③有時發生在修坯時將口部沙成了喇叭口。(d),(e) 圖的形變主要是墊腳的收縮大于瓷殼所致(a 外卡式墊腳) ; (f)圖的形變主要是墊腳發生了明顯的變形(翹曲) ,或因裝窯問題使瓷殼燒后發生傾斜、移位等所致;(g),(k)圖的形變主要是瓷殼的實際收縮率與放尺系數相差較大,或是模具和原料用錯、或是毛坯搞混、或是車制尺寸搞錯等所致。

  通過試驗已證明瓷殼產生形變主要因素有: ①墊腳和瓷殼的收縮率有差別、不相匹配所引起的。②墊腳受瓷殼的重力(壓力) 和與推板的摩擦阻力不均勻、不一致所引起的。③瓷殼在窯內受熱不均勻所引起的。④瓷殼與墊腳的配合間隙不合理所引起的。⑤裝窯操作方法不正確所引起的。