單軸模壓(uniaxial die pressing)
想想阿斯匹靈藥片或硬幣是怎麼做的:把量好的一小撮粉倒進一個孔,再用上下兩個沖頭把它壓扁。單軸模壓就是把這件事用在陶瓷粉末上。你把可自由流動的顆粒填進堅硬的鋼模穴,沿單一軸向在兩個沖頭之間擠壓,直到鬆散的粉末變成一個可以拿起來的固體形狀。這是賦予陶瓷粉末幾何形狀最快、最便宜、最自動化的方法,所以你牆上的磁磚、切削刀具上的刀片、火星塞裡的白色坯體,幾乎全是這樣做出來的。
實際上填進去的並不是原始的細粉——那種粉既不好流動也不好堆積——而是噴霧乾燥造粒的顆粒:由許多顆粒靠幾個百分比有機黏結劑黏成的柔軟小球,因此能像沙子一樣倒進模穴。當沖頭下壓、壓力升到大約 20 到 150 MPa 時,緻密化分階段發生:顆粒先滑動、重排,接著在接觸點變形、破碎,最後原生顆粒卡進更緊的堆積。生坯密度通常升到理論密度的約 50 到 60 percent。單動壓製只有上沖頭移動;雙動壓製則上下沖頭一起向內合攏,讓壓實在深度方向更均勻。
此法的長處是產量與簡單形狀上的精度——扁圓片、環、短圓柱、平板——以每秒數件的速度壓製並嚴控厚度。它的限制也很誠實而重要。又高又薄的零件(高的長徑比)很難做,因為壓力越過模壁後到不了遠端;尖銳的內部特徵與倒鉤無法成形;而且讓填料變容易的那個模壁摩擦,會留下密度梯度,後續燒成只能概括承受。你壓進去的任何不均勻,燒結後都會以翹曲與裂紋的形式繼承回來。
要做一片氧化鋁切削刀片,作業員把固定體積的噴霧乾燥 Al2O3 顆粒倒進方形模穴,上下沖頭在不到一秒內合攏到約 100 MPa,壓好的方片以理論密度的約 55 percent 頂出——這個生坯已強到可以拿取,卻仍充滿必須靠燒成去除的氣孔。
填料、沿單軸擠壓、頂出:對簡單扁平形狀又快又準,但形狀與均勻性都受剛性模具所限。
壓製不會混合也不會癒合——它只是把你倒進去的東西重新排列。粉末裡一顆硬團聚體或一塊外來物,就會變成壓製件裡的缺陷;而模壁摩擦保證密度永遠不會完全均勻。