陶瓷注射成型技术样本.docx

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陶瓷注射成型技术样本

陶瓷注射成型

刘明亮

（武汉理工大学材料学院武汉市湖北省430000）

摘要：

陶瓷注射成型是一种近净尺寸陶瓷可塑成型办法，是当今国际上发展最快、应用最广陶瓷零部件精密制造技术。

详细阐述了陶瓷注射成型技术关健因素，重点简介了粘结剂、注射成型及脱脂等关健工艺及其研究现状，并在此基本上评价和展望了该技术发展前景。

核心词：

陶瓷注射成型；粘结剂；脱脂；现状

CeramicInjectionMolding

Liumingliang

Abstract：

Ceramicinjectionmolding（CIM）isanear-net-shapeformingprocessforfabricatingceramiccomponents，whichisextensivelyusedinfabricatingpartswithhighprecisionandcomplexshapeandreceivedgreatattentionnow.Inthispaper，thekeystepsofCIMaredetailedlyreviewed.Theirresearchstatusandthetechno1ogiesinvolvedincludingbinder，injectionprocess，debindingandsoonarediscussed.Atlast，thedevelopmentofinjectionmoldingtechnologyisalsoevaluated.

Keywords:

ceramicinjectionmolding；binder；debinding；status

20世纪以来，特别是二次世界大战后来，随着原子能工业兴起和电子工业迅速发展，对于材料高温、高耐磨、多功能等性能规定越来越苛刻，而先进工程陶瓷所具备长处基本上能满足上述苛刻条件。

如：

高性能构造陶瓷以其优秀耐高温、高强度、耐磨损与耐腐蚀等优良性能，被作为陶瓷发动机零部件候选材料；尚有许多高导热性、绝缘性能良好、光学性能优良功能陶瓷，在信息转换、存储、传递和解决方面，应用日益广泛。

在将来产业领域中，工程陶瓷将更广泛取代当代金属材料，成为材料科学中重要角色。

在陶瓷材料制备工艺过程中，成形过程是一种重要环节。

成形过程就是将分散体系（粉料、塑性物料、浆料）转变成为具备一定几何形状和强度块体，也称素坯。

由于陶瓷材料自身固有脆性和某些特殊陶瓷材料高硬度，如采用老式粉末冶金工艺，即先将粉末压制成形，再进行机械加工办法，成本高且难以制备体积微小、形状复杂、尺寸精度高陶瓷零部件，而采用注射成形技术，由于坯体成形形状接近制品最后形状，使这一问题得到理解决。

特别是对于尺寸精度高、复杂形状陶瓷制品大批量生产来说，陶瓷注射成形（Ceramicinjectionmolding，CIM）更有着明显优势，它可一次性成形复杂形状制品，产品尺寸精度高，无需机械加工或只需微量加工，易于实现生产自动化且产品性能优秀。

陶瓷注射成型技术（CIM）类似于20世纪70年代发展起来金属注射成型（MIM）技术，它们均是粉末注射成型（PIM）技术重要分支，均是在聚合物注射成型技术比较成熟基本上发展而来，是当今国际上发展最快、应用最广陶瓷零部件精密制造技术[l,2]。

1CIM流程路线及技术特点

1.1注射成型工艺路线

CIM成型制造过程如图1所示，重要涉及4个环节：

①注射喂料制备，将适当有机载体（具备不同性质和功能有机物）与陶瓷粉末在一定温度下混炼、干燥、造粒，得到注射用喂料；②注射成型，混炼后注射混合料于注射成型机内被加热转变为粘稠性熔体，在一定温度和压力下高速注入金属模具内，冷却固化为所需形状坯体，然后脱模；③脱脂，通过加热或其她物理化学办法，将注射成型坯体内有机物排除；④烧结，脱脂后陶瓷素坯在高温下致密化烧结，获得所需外观形状、尺寸精度和显微构造致密陶瓷部件。

后续加工

图1CIM成型制造过程

1.2CIM技术特点

从技术特点来说，陶瓷粉末注射成形和金属粉末注射成形类似，这一技术很大限度地提高了形状复杂产品成形精度和可靠性，注射成形技术与其他成形办法比较见表1[3]。

表1CIM与其他成形办法比较

成型办法

成型材料

制品形状

制品尺寸（cm）

生产效率

技术要点

直径

厚度

注射

粉末+有机材料（10~25%）

非常复杂

30~0.5

3.0~1

大量生产脂

添加剂选取，脱

机械压制

粉末+有机材料（4~8%）

简朴

20~1.0

0.8~1.0

间歇、自动大量生产

颗粒调节

冷等静压

粉末+有机材料（3~8%）

较复杂柱状球状

150~3

150~1.9

干式大流量生产

颗粒调节、磨具设计

粉浆浇注

粉末+各种材料+水

相称复杂

150~20

3.0~0.3

间歇式

控制粒度、调节粉浆

刮片

粉末+各种材料+有机溶剂

简朴

200~15

0.2~0.003

自动大量生产

粒度分布，粉浆调节，有机物选取

挤压

粉末+有机材料+水

棒状管状

30~20

2.5~0.01

持续大量生产

添加剂选取

综合国内外文献及研究生产现状和趋势，咱们可以归纳出陶瓷注射成形工艺重要特点是:

（1）可自由地直接制备几何形状复杂制品。

（2）成形周期短，仅为浇注、热压成形时间几十分之一至几百分之一，坯件强度高，可自动化生产，生产过程中管理和控制也很以便，适当大批量生产。

（3）由于粘结剂有较好流动性，注射成形坯件致密度相称均匀。

（4）由于粉末和粘结剂混合很均匀，粉末之间间隙很小，烧结过程中收缩特性基本一致，因此制备各部位密度均匀，几何尺寸精度高。

2CIM工艺概述

2.1原料

（1）CIM中粉末选用

价廉质优粉末是CIM工艺核心，所选用陶瓷粉末特性，如颗粒形貌、大小、分布及比表面积等对整个工艺过程有很大影响。

普通来说，满足注射成形条件抱负陶瓷粉末应有如下特点：

a.粉末以球形或近球形为主，以提高填充密度，进而提高装载量，减少产品收缩率；b.粒度分布较宽，平均粒径小，普通要不大于1µm，有助于迅速烧结；c.粉末不结块团聚；d.粉末间有足够摩擦，以避免变形，普通来说，自然坡度角应不不大于55°；e.表面干净，不会与粘结剂发生化学反映，无毒害，低成本。

近年来，随着制粉工艺改进，CIM用原料粉末性能也得到改进，如采用较细粉末，则烧结零件颗粒构造细化，零件表面粗糙度也明显改进，可省去精加工，进而大大减少成本。

（2）粘结剂选用[4]

粘结剂和粉末均匀混合，可提高粉末流动性，能使粉末填充成预期形状，因而，粘结剂成分及配备是注射成形核心之一。

惯用粘结剂普通是有机物，依照需要可以是液态、固态或糊膏状，按其成分作用可分为增塑剂、粘接剂、润滑剂、辅助剂。

以上选取，除了考虑成形性、热稳定性、保形性和脱脂性外，还必要考虑残碳、原料成分氧化和变质等问题。

为获得良好注射流动性和均匀坯体，粘结剂组元间必要有良好相容性，有机物与陶瓷粉料间润湿性也是非常重要，这样才干获得均匀、无空隙、无缺陷混合物熔体与成形体。

表2列出了陶瓷注射成形中惯用粘结剂体系重要成分及其优缺陷比较[5,6]。

表2各种粘结剂体系重要组元及其优缺陷比较

体系

重要组元

长处

缺陷

热塑性体系

石蜡、聚乙烯、聚丙烯

合用性好、流动性好、易于成型、粉末装载量高、注射过程易控制

脱脂时间长、工艺较复杂

热固性体系

环氧树脂、苯酚树脂

注射坯强度高、脱脂速度快

注射过程不易控制、合用性差、缺陷多

凝胶体系

甲基纤维素、水、甘油、硼酸

有机物少、脱脂速度快

生坯强度低、脱脂困难

水溶性体系

纤维素醚、琼脂

脱脂速度快

粉末装载量小

2.2混料[7]

注射成形前，必要将陶瓷粉末与粘结剂充分混合均匀，选定粘结剂配方后，应将添加量限制在所需最低限度。

其添加量视原料粉末比表面积和粒度分布而定，如氧化铝需加40vol%左右，氧化锆则需50vol%以上。

混合顺序是先加入熔点高、粒径大粘结剂混合，溶化，再依次加上熔点低成分，并加上粉体，最后加增塑剂，普通要混匀30分钟以上。

可以通过粘性扭矩变化拟定混料时间，粘性扭矩值稳定期，混料也就均匀了。

混合普通采用加压混合机，有三种形式混合器，涉及间歇操作轧制机和Banbury混合料机，以及半持续操作挤压机，挤压机分为单螺杆或双螺杆式，而后者更有效，混料时可加热。

2.3注射成型

注射成型工艺[8,9,10]，也是整个工序核心因素之一，如果控制不当就会使产品形成诸多缺陷，如裂纹、孔隙、焊缝、分层、粉末和粘结剂分离等，而这些缺陷直到脱脂和烧结后才干被发现。

因此控制和优化注射温度、模具温度、注射压力、保压时间等成型参数对减少生坯重量波动，防止注射料中各组分分离和偏析，提高产品成品率和材料运用率至关重要。

如WenjeaJ.Tseng等[11]研究表白:

注射压力、注射温度及注射速度等对产品缺陷和力学性能均有直接影响。

注射过程是指把计量室中预塑好喂料熔体注人到模具型腔里面去过程。

这是喂料熔体通过喷嘴、流道和浇口向模腔流动过程。

从工艺流程上看可分为2个阶段:

注射阶段和保压阶段，这两个阶段虽都属于熔体流动过程，但流动条件却有较大区别。

注射阶段是从螺杆推动熔体开始到熔体布满型腔为止。

此时，在螺杆头部对熔体所设定压强（即注射压力）和螺杆推动熔体速度（即注射速度）是注射成型核心参数。

在注射阶段，必要建立足够速度和压力才干保证熔体布满模腔。

如果注射压力调节过低会导致模腔压力局限性，熔体不能布满模腔;反之，如果调节过高，则会导致制品溢边、胀模等不良现象。

保压阶段是从熔体布满模腔开始到浇口冻封为止。

注射阶段完毕后，必要继续保持注射压力，维持熔体外缩流动，始终持续到浇口冻封为止。

因而保压阶段在保压压力作用下，模腔中熔体将得到冷却补缩和进一步压缩和增密。

如果保压压力局限性，则会导致模腔压力过低。

保压时间会影响熔体倒流，保压时间越短则模腔压力减少得越快，最后使模腔压力越低。

WeiW.C.J.研究表白，高保压压力（≧70MPa）和长保压时间对于成型坯体性质和坯体表面质量均更为有利。

料筒与喷嘴温度设定与控制对注射成型质量也有着重要影响。

料筒温度是指料筒表面加热温度。

依照注射物料在料筒内塑化机理分3段加热：

第一段：

固体输送段，是接近料口处，温度要低些，有冷却水冷却防止物料架桥，保证较高固体输送效率；第二段：

压缩段，是物料处在压缩状态并逐渐地熔融，温度设定比第一段要高20—25℃；第三段：

计量段，是物料全熔融阶段，预塑开始时，这一段相应于螺杆计量段，在预塑终结后形成计量室储存塑化好物料。

普通来讲，第三段温度比第二段要高20~25℃，以保证物料处在熔融状态。

微注射成型（MicroInjectionMolding）是近几年发展起来新技术[12]。

由于构造陶瓷具备优秀力学、化学和耐高温特性，在微电子产业和微机电系统（MEMS）中许多微型部件（几十微米至1000μm）需采用构造陶瓷材料。

相对于其他微加工技术，采用微注射成形将陶瓷或金属粉末一次成形得到各种形状坯件，制导致本较低，效率高，因而已经成为最有应用前景一种先进微成型制造技术。

当前，某些氧化铝、氧化锆、氮化硅、锆钛酸铅、钛酸钡、羟基磷灰石以及氮化铝微型陶瓷部件已由低压微注射成型法制成，其成形温度为60～100℃，注射压力为3～5MPa；有些微型陶瓷零部件已进入实际应用，图2为微注射成型法制备各种微型陶瓷零部件[13]。

图2微注射