第三章 成型工艺实战（一）：干压成型
干压成型，说白了就是把粉料塞进模具里，用压力压成坯体。听起来简单吧？但这里面的门道，够你琢磨好一阵子。我做了十几年氧化锆陶瓷，干压成型这一步，可以说是「成也模具，败也模具」。今天咱们就掰开揉碎了聊聊。
3.1 模具设计要点——别让细节坑了你
模具设计，我个人的习惯是「先想清楚怎么脱模」。你想想看，压出来的坯体要是取不出来，那前面所有功夫都白费了。
3.1.1 模具材料怎么选？
模具材料直接影响寿命和坯体质量。我见过不少新手用普通模具钢，结果压了几百次就磨损严重，坯体尺寸跑偏。这里我直接给结论：
| 模具部位 | 推荐材料 | 硬度要求 | 表面粗糙度 |
|---|---|---|---|
| 阴模（模腔） | Cr12MoV 或 SKD11 | HRC 58-62 | Ra ≤ 0.4μm |
| 上冲头 | 硬质合金 YG8 | HRA ≥ 88 | Ra ≤ 0.2μm |
| 下冲头 | 硬质合金 YG8 | HRA ≥ 88 | Ra ≤ 0.2μm |
为什么冲头要用硬质合金？因为氧化锆粉料硬度高，磨损特别快。我曾经用Cr12MoV做过冲头，压了不到500件，冲头表面就出现划痕，坯体表面跟着出现条纹。后来换成YG8，用了上万次都没问题。
3.1.2 脱模锥度——这个角度很关键
阴模内壁必须设计脱模锥度。我建议单边0.5°-1°。锥度太小，脱模阻力大，坯体容易拉裂；锥度太大，坯体尺寸偏差大。
核心要点：脱模锥度不是越大越好。我见过有人为了好脱模，把锥度做到2°，结果坯体上下直径差了0.3mm，烧结后根本没法用。
3.1.3 模具间隙——毫米级的学问
冲头与阴模之间的间隙，一般控制在0.02-0.05mm。间隙太小，冲头容易卡死；间隙太大，粉料会从缝隙里挤出来，形成飞边。
这里有个小技巧：间隙设计要考虑粉料的粒度分布。细粉多的料，间隙要偏小；粗粉多的料，间隙可以适当放大。我在做纳米氧化锆时，间隙只留了0.02mm，效果很好。
3.2 装粉方式——均匀是王道
装粉不均匀，压出来的坯体密度就不均匀。密度不均匀，烧结后变形、开裂的概率就大大增加。
3.2.1 手动装粉 vs 自动装粉
小批量试制，手动装粉也能凑合。但批量生产，我强烈建议用自动装粉机。为什么？
- 手动装粉：每次装粉量波动大，粉料在模腔里分布不均匀。我见过有人用手抖一下，结果坯体一边密度高一边密度低，烧结后直接弯成香蕉状。
- 自动装粉：装粉量稳定，粉料通过振动或刮板均匀填充。我常用的方法是「振动+刮板」组合，先振动让粉料自然流动，再用刮板刮平。
3.2.2 装粉高度——别小看这个参数
装粉高度决定了压缩比。氧化锆粉料的压缩比一般在2.5-3.5之间。举个例子：你要压一个10mm厚的坯体，装粉高度就要控制在25-35mm。
我的经验：装粉高度宁高勿低。高了可以多压一点，低了压出来的坯体厚度不够，那就废了。我一般会留5%-10%的余量。
3.2.3 粉料预处理——别直接倒进去
粉料在运输和储存过程中会结块。直接装粉，结块会导致局部密度异常。我建议：
- 过筛：用40-60目筛网过一遍，打散结块。
- 造粒：如果粉料流动性差，可以加粘结剂造粒。
- 除静电：用离子风枪吹一下，减少粉料吸附。
3.3 压制压力与保压时间——密度均匀的关键
压制压力决定了坯体的密度，保压时间决定了密度的均匀性。这两个参数，我调试了不下100次才摸透。
3.3.1 压制压力怎么选？
氧化锆的压制压力，一般在100-200MPa之间。具体选多少，要看粉料的特性：
| 粉料类型 | 推荐压力（MPa） | 坯体密度（g/cm³） | 备注 |
|---|---|---|---|
| 3Y-TZP（纳米级） | 150-200 | 3.0-3.2 | 压力过高易分层 |
| 8Y-CSZ（微米级） | 100-150 | 2.8-3.0 | 压力过低密度不足 |
| 复合氧化锆（含Al₂O₃） | 120-180 | 2.9-3.1 | 根据Al₂O₃含量调整 |
我个人的习惯是：先做压力-密度曲线。取5-6个压力点，每个点压3个坯体，测密度，画曲线。找到密度趋于稳定的那个压力点，那就是最佳压力。
3.3.2 保压时间——别急着松手
保压时间太短，压力传递不均匀，坯体内部密度差异大。保压时间太长，效率低，而且可能引起弹性后效。
我一般这样定保压时间：
- 薄壁件（厚度＜5mm）：保压10-20秒
- 中等厚度（5-15mm）：保压20-40秒
- 厚壁件（＞15mm）：保压40-60秒
注意：保压时间不是越长越好。我曾经做过一个实验，保压60秒和保压120秒，坯体密度几乎没有变化，但120秒的坯体出现了微裂纹。所以，找到那个「刚刚好」的时间点就行。
3.3.3 加压方式——慢工出细活
我建议采用分段加压的方式：
- 预压：施加20-30%的压力，保持5秒，排出空气。
- 主压：缓慢升至目标压力，保持保压时间。
- 卸压：分2-3次卸压，每次间隔3-5秒。
为什么要分段？因为快速加压会导致粉料中的空气来不及排出，形成气孔。卸压太快，坯体会因为弹性后效而开裂。我见过有人一次性卸压，坯体直接「嘭」的一声裂成两半。
3.4 常见缺陷及对策——实战中的坑
干压成型最常见的缺陷就是分层和裂纹。这两个问题，我踩过的坑比你们走过的路还多。
3.4.1 分层——最头疼的问题
分层，说白了就是坯体内部出现层状裂纹。为什么会这样？
- 原因1：压力传递不均匀。粉料在模腔里，靠近冲头的部分先受压，密度高；远离冲头的部分后受压，密度低。两层之间应力集中，就分层了。
- 原因2：粉料流动性差。粉料在模腔里填充不均匀，局部密度差异大。
- 原因3：脱模方式不对。脱模时受力不均，把坯体拉裂了。
对策：
- 采用双向加压：上下冲头同时加压，压力传递更均匀。
- 改善粉料流动性：造粒、加润滑剂、控制湿度。
- 优化脱模方式：用顶出式脱模，避免拉裂。
避坑指南：我曾经做过一批直径50mm、厚度20mm的圆片，总是分层。后来发现是粉料湿度太高，导致流动性差。把湿度从3%降到1.5%，分层问题就解决了。所以，别忽视粉料湿度这个细节。
3.4.2 裂纹——从表面到内部
裂纹分表面裂纹和内部裂纹。表面裂纹容易发现，内部裂纹要用超声波或染色法才能检测出来。
表面裂纹的原因：
- 模具表面粗糙度不够，坯体脱模时被刮伤。
- 脱模锥度太小，脱模阻力大。
- 卸压太快，弹性后效导致表面开裂。
内部裂纹的原因：
- 粉料中有硬团聚体，局部应力集中。
- 保压时间不足，内部密度不均匀。
- 模具间隙不合理，粉料流动受阻。
对策：
- 模具表面抛光至Ra ≤ 0.2μm，必要时镀铬或镀类金刚石膜。
- 脱模锥度调整到0.5°-1°，并涂脱模剂。
- 卸压速度控制在5-10秒内完成，分2-3次卸压。
- 粉料过筛，去除硬团聚体。
3.4.3 密度不均匀——隐形杀手
密度不均匀不会直接导致废品，但烧结后变形、开裂的概率会大大增加。怎么判断密度是否均匀？
我常用的方法是切片法：把坯体切成几片，分别测密度。如果各片密度差异超过0.05g/cm³，那就要调整工艺了。
我的经验：密度不均匀，90%的原因是装粉不均匀。所以，先把装粉环节搞定，密度问题就解决了一大半。
3.5 实战案例——一个圆片的诞生
说了这么多理论，咱们来一个实战案例。假设你要压一个直径30mm、厚度5mm的氧化锆圆片。
步骤1：模具设计
- 阴模内径：30.2mm（留0.2mm烧结余量）
- 脱模锥度：单边0.5°
- 冲头与阴模间隙：0.03mm
- 模具材料：阴模Cr12MoV，冲头YG8
步骤2：装粉
- 装粉高度：15mm（压缩比按3:1计算）
- 装粉方式：振动+刮板
- 粉料预处理：过60目筛，湿度控制在1.5%
步骤3：压制
- 预压：50MPa，保持5秒
- 主压：150MPa，保持20秒
- 卸压：分3次，每次间隔3秒
步骤4：脱模
- 顶出式脱模，速度控制在5mm/s
- 脱模后检查坯体表面，无裂纹、无分层
这样压出来的坯体，密度一般在3.1g/cm³左右，烧结后可以达到6.0g/cm³以上。我按这个参数做过几百批，良品率稳定在95%以上。
最后说一句：干压成型，说白了就是「模具+粉料+压力」三者的平衡。模具设计好了，粉料处理好了，压力参数调好了，坯体质量自然就上来了。别指望一步到位，多试几次，找到最适合你那个料和那个模具的参数。