一种粉末原料制造球形体的方法 【技术领域】
本发明涉及金属、陶瓷粉末制造工件或制品的方法领域。主要适用于制造硬质合金球、陶瓷球等制品。尤其适用于制造轴承用高致密、显微结构均匀的陶瓷球。同时适用于制造高质量的硬质合金阀球、陶瓷阀球，以及精密测量领域使用的高硬度、高耐磨的陶瓷球、硬质合金球。
背景技术
由粉末原料制造球形体的工艺由来已久，例如食品行业的汤圆、医药行业的药丸、粉磨、油漆等行业所使用的研磨介质球等其制造方法也属此类范畴。通常采用以下几种方法生产：
a.揉搓法，即做成泥团人工揉搓。此方法生产的球性能最差，已很少采用。
b.切断模压法，即把泥团经挤出机挤出定长切断，放入两个半圆球模中模压(压力很低，一般≤30MPa)，例如专利JP63-222805，该法只能生产φ30mm以上大球，国内多为手工模压且多为乡镇小企业生产后自身使用或用于化工行业作为沸石、催化剂载体、陶瓷、耐火材料行业球磨粉料用，该法生产的球耐磨性很差。
c.金属模压法，该法由于受压制原理的限制，只能生产出类球体的产品。球形较上述两种方法相差很多。产品多用于球磨介质。
d.注浆法，该法用两个半球形石膏模注浆(上模开一个注浆口)产品球形较好，但是留有注浆“尾巴”和接缝环，每只球要人工修坯，生产效率较低，占用场地大，生产周期长(一般3～5天注浆一次)。
e.干袋等静压法，该法是所有方法中最先进，最易实现自动化的一种生产球形体的方法。缺点是压力低(一般为50MPa)，产品也是一种类球体。
f.中国专利CN97100450.1所述方法是用弹性材料做成大半个球形的软膜，向软膜中加入粉末原料加盖密封等静压(CIP)处理，只能生产大球，也不是完整的球形。
上述传统方法生产的类球体如图1a、图1b、图1c、图1d、图1e所示。
上述诸方法只能生产大球，对小于φ3mm的球都难以生产。小球的生产多采用中药丸式的滚球法生产，该法生产的素坯球体密度低，球径分布大。
上述方法中大多要加入大量水分、有机粘结剂，这就造成素坯在干燥时易开裂和不“洁净”。由于压制压力较低，坯体密度低，烧结后毛坯气孔多、强度、硬度都很低。这些方法生产的球体不适用于轴承球。
【发明内容】
本发明的目地就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可加工小球径、高致密产品，且产品球形好的粉末原料制造球形体的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种粉末原料制造球形体的方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤：首先制造成型球体的弹性软模，其方法是先制做金属“母”模，再浇注或热压翻制成弹性软模；其次是将预制配方的粉末原料装入模具，经真空密封在等静压(CIP)缸中压制成素坯球(高温烧制前的坯体)，最后将素坯球经高温致密化处理；得到的毛坯球圆度尺寸精度取决于模具制造精度，致密度、显微结构取决于配方和烧结工艺条件的控制。
所述的弹性软模的制造方法是，采用两块同样外形尺寸(圆形或方形或其它任意的几何形状)的金属板并紧(或一块厚金属板)，按一定尺寸钻若干个孔(或规则地、或不规则地)形成蜂窝状，孔的大小按所要求制造的球经大小而定，可大至设备所容许的尺寸，可小至现有钢球的尺寸，孔的数量依孔大小和板的面积可无限多；分开并紧的两块互成镜像的金属板(或从一块厚金属板中间线切割分成两块互成镜像的蜂窝状金属板)，用钢球(或其它材质的球如硬质合金、陶瓷球等)镶进(采用预紧挤压方式)金属板圆孔中并露出半球，球与圆孔缝隙成紧密接触，依次镶满两块金属板，分别形成互成镜像的“左”模和“右”模，并分别给“左”“右”模做外圈以适合翻制弹性模具；采用上述方法制做的金属模，作为母模，并翻制具有一定弹性的橡胶、塑胶模，例如聚胺脂一类的弹性软模具，同样形成互成镜像的“左”“右”模，如图2所示，其方法与现行浇注、热压等橡塑产品的生产方法相同，见“《化工产品手册》，橡胶和橡胶制品，化学工业部北京橡胶工业研究设计院编，化学工业出版社”和“《电子陶瓷工艺基础》史荫庭编，上海科学技术出版社，P75”，表1所列四大类材料可供选择，其中以聚胺脂的各项性能最佳，天然橡胶性价比最好。
表1.几种CIP弹性软模具材料特性比较 性能 天然橡胶 氯丁橡胶 PVC塑料 聚胺脂抗拉强度MPa 20.5 13.5 20.5 27.5硬度HSA 30～90 40～90 65～72 50～98抗断裂性能 良 良 中 良耐磨性 优 良 差 优回弹能力 优 良 差 良耐压性 良 良 良 良耐油性 差 良 良 优
所述的素坯球的制备方法是，将事先配制好的粉末体原料，装入两只互为镜像的弹性软模中并压实、刮平，加入至少2粒以上定位球，“左”、“右”镜像模合并，用食品行业通用的包装方式，将镜像软模真空密封包装，称其为“干、湿”复合模(图3)，放入现行使用的冷等静压装置(CIP)中压制成型，压力一般为50～300MPa；除去真空包装，打开镜像模，出模，素坯球成型完毕，其尺寸精度与模具制作精度和加入粉料量的准确性有关；素坯球成型尺寸范围：φ1.3～60.0mm；成型后的素坯球密度可达理论密度的55％以上。
所述的高温致密化处理工艺为，出模后的素坯球装于烧结设备中，视不同材质、配方其烧结工艺参数为1000～2000℃，压力为真空至200MPa，气氛可以是真空、氩气、氮气、氢气等，烧结时间视球坯尺寸大小及装炉量而定1～30小时；出炉后的毛坯球其致密度可达理论密度的95％以上。
所述的磨削加工工艺为，采用传统的钢球磨加工装置，将烧结好的球坯置于下磨盘的沟槽中，上盘加压，压力为0～10MPa，转速10转/分～100转/分，加入研磨料其硬度Hv≥1500，如SiC、Al2O3、BC4、立方BN、金刚石等，粒度100～1000目。抛光料可加入Cr2O3、Fe2O3、稀土氧化物、Al2O3等超细粉，粒度≤100μm，所述的抛光料还包括H2O2或CrO3溶液。加工的球体尺寸范围：φ0.5～47.63mm，圆度(球直径变动量、球形误差)范围：0.08～5μm，表面粗糙度范围：0.010～0.150um，精度等级达G3～G200(GB/T308-2002，ISO3290-1998)。
中国专利CN97100450.1所述模具制造方法是制造大半个球形模具并留有装料口，装料后要加盖密封，其球形并不完整，虽然避免了钢模压制形成的环带(如图1.c)但是球上留有“盖子”的痕迹，即“帽子”。(如图1.d、e所示)，因此成型出的球并不是真正的球形，小于φ3mm的球“盖子”就无法加工，更谈不上生产效率了，该方法只能生产大于φ5mm的成品球，(其实施例中压好的最小球坯是φ7.3～7.9mm，按20％烧结收缩毛坯球经在φ5.8～6.3mm，磨加工后球径在φ5.5～6.0mm之间)。
本发明的优点在于利用互为镜像的软模可以成型出真正的球形，素坯上只留下一条线状接缝的痕迹(见图4a)，而且可以成型小于φ3mm，至φ1.3mm的微型素坯球，其成品尺寸可小于φ0.8mm。
【附图说明】
图1为现有技术生产的类球体产品的结构示意图；
图2为本发明互为镜像的弹性软模的结构示意图；
图3为本发明干、湿复合模的结构示意图；
图4为本发明生产的球形体产品及废品球的结构示意图。
【具体实施方式】
实施例1
一种Si3N4陶瓷球的制造方法，该方法包括以下工艺步骤：
将两块100mm×100mm×20mm的钢板两面磨平后，并紧在一起，钻φ10mm孔10～30只，分开两块钢板，分别将10～30只φ10mm钢球镶进钢板中，并露出半个钢球，加一个100mm×100mm×50mm内正方形外圈，用于翻制橡塑软模。
现行Si3N4陶瓷生产所使用的各种配方的粉末原料都适用于本发明的模具来制造球型体，例如：反应烧结采用硅粉(Si)，反应烧结重烧结采用硅粉并添加三氧化二亿(Y2O3)等稀土氧化物和三氧化二铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)等碱土氧化物，无压烧结、气压烧结、热等静压烧结采用氮化硅粉并添加三氧化二亿(Y2O3)等稀土氧化物和三氧化二铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)等碱土氧化物，添加的量根据材料的具体要求而定，粉末原料无须加粘结剂，经予造粒过30～100目筛子，装入图2所示的模具中并压实、刮平，加入至少2粒以上定位球，“左”、“右”镜像模合并，用食品行业通用的包装方式，将镜像软模真空密封包装，称其为“干、湿”复合模(图3)，放入现行使用的冷等静压装置(CIP)中压制成型，压力为150～200MPa，介质可以是油或水。除去真空包装，打开镜像模，素坯球成型完毕，其尺寸精度与模具制作精度和加入粉料量的准确性有关。
A.定量装料对球径大小的影响
以φ10mm素坯球为例，设生坯密度为1.700g/cm3，则所需原料重量为0.8897g，
①若以+10％的粉末重量误差装填料，则球径为φ10.32mm。
②若以+5％的粉末重量误差装填料，则球径为φ10.16mm。
③因此做φ10mm球装料重量误差必须控制在10％以内。球径之间误差则小于0.32mm。
B.模具设计和精度对球椭圆度的影响
模具设计和精度是指半球模腔的尺寸精度，半球模腔偏小，CIP成型出球成扁椭圆形(见图4b)，若半球模腔偏大，CIP成型出的球成为长椭圆形(见图4c)。因此设计加工的半球模腔应是正好的半圆。采用复合模即要求精确定位，否则球形将出现偏差、错位(见图4d)。应用多点精密定位技术较好地解决了这一问题。仍以φ10mm球为例，如果模腔深度为5.1mm则压出的球为长椭圆形，长短径相差0.2mm。如果模腔深度为4.9mm则压出的球为扁椭圆形，长短径相差0.2mm。因此模腔半径应略大于实际球半径一点。
出模后的素坯球装于Si3N4陶瓷常用的烧结设备中，可以是常压(氮)、气压(0.1至10MPa氮气)、热等静压(100至200MPa的氩加氮或纯氮)。
其烧结工艺参数为1300～2000℃，烧结时间视球坯尺寸大小及装炉量而定1～30小时，出炉后的毛坯球其致密度可达理论密度的95％以上，典型的可达99.5％。
采用现行的钢球磨加工装置，将烧结好的Si3N4陶瓷球坯置于下磨盘的沟槽中，上盘加压，压力为1～5MPa，转速为20～70转/分，加入研磨料其硬度Hv≥2200，如BC4、BN、金刚石等，粒度100～1000目。抛光料可加入Cr2O3、Fe2O3、稀土氧化物，Al2O3等超细粉，粒度≤100μm。磨削液为水基硬磨液，抛光液为水基软磨液。也可以直接用H2O2、、CrO3等作为抛光液而无须加入抛光料。加工好的球体精度大于G200级(圆度5μm，粗糙度0.15μm)，典型的可达G3级(圆度＜0.08μm，粗糙度＜0.008μm)。
本实施例制造的Si3N4陶瓷毛坯球可用于研磨介质。
本实施例制造的高致密、显微结构均匀的G3～G16 Si3N4陶瓷球适用于轴承。
本实施例制造的普通材质G16～G200Si3N4陶瓷球适用于测量、阀门。
实施例2
一种硬质合金球的制造方法，该方法包括以下工艺步骤：
将两块φ100mm×20mm的钢板两面磨平后，并紧在一起，钻φ2mm孔100～300只，分开两块钢板，分别将100～300只φ2mm钢球镶进钢板中，并露出半个钢球，加一个φ100mm×50mm内圆形外圈，用于翻制橡塑软模。
现行硬质合金生产所使用的各种配方的粉末原料都适用于本发明的模具来制造球型体，例如：YG3、YG6、YG8等，粉末原料无须加粘结剂，经予造粒过30～100目筛子，装入图2所示的模具中并压实、刮平，加入至少2粒以上定位球，“左”、“右”镜像模合并，用食品行业通用的包装方式，将镜像软模真空密封包装，称其为“干、湿”复合模(图3)，放入现行使用的冷等静压装置(CIP)中压制成型，压力为100～200MPa，介质可以是油或水。除去真空包装，打开镜像模，素坯球成型完毕，其尺寸精度与模具制作精度和加入粉料量的准确性有关。
出模后的素坯球装于硬质合金常用的烧结设备中，可以是真空、氢气氛、气压(氩、氮)、热等静压(100至200MPa的氩加氮或纯氮)。其烧结工艺参数为1000～1500℃，烧结时间视球坯尺寸大小及装炉量而定1～10小时，出炉后的毛坯球其致密度可达理论密度的95％以上，典型的可达99.5％。
采用现行的钢球磨加工装置，将烧结好的硬质合金球坯置于下磨盘的沟槽中，上盘加压，压力为1～10MPa，转速为40～100转/分，加入研磨料其硬度Hv≥2200，如BC4、BN、金刚石等，粒度100～1000目。抛光料可加入Cr2O3、Fe2O3、稀土氧化物，Al2O3等超细粉，粒度≤100μm。磨削液为水基硬磨液，抛光液为水基软磨液。加工好的球体精度大于G200级(圆度5μm，粗糙度0.15μm)，典型的可达G16级(圆度＜0.4μm，粗糙度＜0.025μm)。
本实施例制造的硬质合金毛坯球可用于研磨介质。
本实施例制造的G16～G60硬质合金球适用于圆珠笔芯。
本实施例制造的G16～G200硬质合金球适用于测量、阀门。
实施例3
一种ZrO2陶瓷球的制造方法，该方法包括以下工艺步骤：
将一块φ100mm×40mm的钢板磨平后，钻φ20mm孔5～10只，将钢板线切割成两块相同厚度的园板，分别将5～10只φ20mm钢球镶进钢板中，并露出半个钢球，加一个φ100mm×50mm内圆形外圈，用于翻制橡塑软模。
现行ZrO2陶瓷生产所使用的各种配方的粉末原料都适用于本发明的模具来制造球型体，例如：3％、8％三氧化二亿(Y2O3)稳定剂的ZrO2粉等(氧化钙也可用于稳定剂)，粉末原料无须加粘结剂，经予造粒过30～100目筛子，装入图2所示的模具中并压实、刮平，加入至少2粒以上定位球，“左”、“右”镜像模合并，用食品行业通用的包装方式，将镜像软模真空密封包装，称其为“干、湿”复合模(图3)，放入现行使用的冷等静压装置(CIP)中压制成型，压力为150～200MPa，介质可以是油或水。除去真空包装，打开镜像模，素坯球成型完毕，其尺寸精度与模具制作精度和加入粉料量的准确性有关。
出模后的素坯球装于ZrO2陶瓷常用的烧结设备中，可以是空气氛、气压(氩)、热等静压(100至200MPa的氩)。其烧结工艺参数为1400～1700℃，烧结时间视球坯尺寸大小及装炉量而定1～20小时，出炉后的毛坯球其致密度可达理论密度的95％以上，典型的可达99.5％。
采用现行的钢球磨加工装置，将烧结好的硬质合金球坯置于下磨盘的沟槽中，上盘加压，压力为1～10MPa，转速为20～100转/分，加入研磨料其硬度Hv≥2200，如BC4、BN、金刚石等，粒度100～1000目。抛光料可加入Cr2O3、Fe2O3、稀土氧化物，Al2O3等超细粉，粒度≤100μm。磨削液为水基硬磨液，抛光液为水基软磨液。加工好的球体精度大于G200级(圆度5μm，粗糙度0.15μm)，典型的可达G5级(圆度＜0.13μm，粗糙度＜0.014μm)。
本实施例制造的ZrO2陶瓷毛坯球可用于研磨介质。
本实施例制造的G5～G28 ZrO2陶瓷球适用于轴承。
本实施例制造的G16～G200 ZrO2球适用于测量、阀门。
实施例4
一种SiC陶瓷球的制造方法，该方法包括以下工艺步骤：
将一块φ100mm×40mm的钢板磨平后，钻φ20mm孔5～10只，将钢板线切割成两块相同厚度的园板，分别将5～10只φ20mm钢球镶进钢板中，并露出半个钢球，加一个φ100mm×50mm内圆形外圈，用于翻制橡塑软模。
现行SiC陶瓷生产所使用的各种配方的粉末原料都适用于本发明的模具来制造球型体，例如：添加三氧化二亿(Y2O3)等稀土氧化物和三氧化二铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)等碱土氧化物的液相烧结SiC粉，添加B、C的固相烧结SiC粉以及添加C的反应烧结Si粉。粉末原料无须加粘结剂，经予造粒过30～-100目筛子，装入图2所示的模具中并压实、刮平，加入至少2粒以上定位球，“左”、“右”镜像模合并，用食品行业通用的包装方式，将镜像软模真空密封包装，称其为“干、湿”复合模(图3)，放入现行使用的冷等静压装置(CIP)中压制成型，压力为150～200MPa，介质可以是油或水。除去真空包装，打开镜像模，素坯球成型完毕，其尺寸精度与模具制作精度和加入粉料量的准确性有关。
出模后的素坯球装于SiC陶瓷常用的烧结设备中，可以是真空、气压(氩)、热等静压(100至200MPa的氩)。其烧结工艺参数为2000～2200℃，烧结时间视球坯尺寸大小及装炉量而定1～20小时，出炉后的毛坯球其致密度可达理论密度的95％以上，典型的可达99.5％。
采用现行的钢球磨加工装置，将烧结好的硬质合金球坯置于下磨盘的沟槽中，上盘加压，压力为0.05～1MPa，转速为20～50转/分，加入研磨料其硬度Hv≥2200，如BC4、BN、金刚石等，粒度100～1000目。抛光料可加入Cr2O3、Fe2O3、稀土氧化物，Al2O3等超细粉，粒度≤100μm，磨削液为水基硬磨液，抛光液为水基软磨液。也可以直接用H2O2、、CrO3等作为抛光液而无须加入抛光料。加工好的球体精度大于G200级(圆度5μm，粗糙度0.15μm)，典型的可达G5级(圆度＜0.13μm，粗糙度＜0.014μm)。
本实施例制造的SiC陶瓷毛坯球可用于研磨介质。
本实施例制造的G5～G28 SiC陶瓷球适用于轴承。
本实施例制造的G16～G200 SiC陶瓷球适用于测量、阀门。
实施例5
一种Al2O3陶瓷球的制造方法，该方法包括以下工艺步骤：
将两块φ100mm×20mm的钢板两面磨平后，并紧在一起，钻φ2mm孔100～300只，分开两块钢板，分别将100～300只φ2mm钢球镶进钢板中，并露出半个钢球，加一个φ100mm×50mm内圆形外圈，用于翻制橡塑软模。
现行Al2O3陶瓷生产所使用的各种配方的粉末原料都适用于本发明的模具来制造球型体，例如：“90”、“95”、“99”瓷等，粉末原料无须加粘结剂，经予造粒过30～100目筛子，装入图2所示的模具中并压实、刮平，加入至少2粒以上定位球，“左”、“右”镜像模合并，用食品行业通用的包装方式，将镜像软模真空密封包装，称其为“干、湿”复合模(图3)，放入现行使用的冷等静压装置(CIP)中压制成型，压力为150～200MPa，介质可以是油或水。除去真空包装，打开镜像模，素坯球成型完毕，其尺寸精度与模具制作精度和加入粉料量的准确性有关。
出模后的素坯球装于Al2O3陶瓷常用的烧结设备中，可以是空气氛、氢气氛、气压(氩)、热等静压(100至200MPa的氩)。其烧结工艺参数为1600～2000℃，烧结时间视球坯尺寸大小及装炉量而定1～20小时，出炉后的毛坯球其致密度可达理论密度的95％以上，典型的可达99.5％。
采用现行的钢球磨加工装置，将烧结好的硬质合金球坯置于下磨盘的沟槽中，上盘加压，压力为0.1～1MPa，转速为20～50转/分，加入研磨料其硬度Hv≥2200，如BC4、BN、金刚石等，粒度100～1000目。抛光料可加入Cr2O3、Fe2O3、稀土氧化物，等超细粉，粒度≤100μm。磨削液为水基硬磨液，抛光液为水基软磨液。加工好的球体精度大于G200级(圆度5μm，粗糙度0.15μm)，典型的可达G16级(圆度＜0.4μm，粗糙度＜0.025μm)。
本实施例制造的Al2O3陶瓷毛坯球可用于研磨介质。
本实施例制造的G16～G60 Al2O3陶瓷球适用于圆珠笔芯。
本实施例制造的G16～G200 Al2O3陶瓷球适用于测量、阀门。