陶瓷粉末注射成型

精密陶瓷是近三十年材料科学领域中迅速发展起来的一大分支。但陶瓷材料本身固有的高硬度、低韧性使其不能进行普通的变形加工,机械加工也很困难。常规的粉末冶金工艺已不能满足要求,而注射成型工艺在很大程度上解决了这个问题。

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timg.jpg精密陶瓷是近三十年材料科学领域中迅速发展起来的一大分支。但陶瓷材料本身固有的高硬度、低韧性使其不能进行普通的变形加工,机械加工也很困难。常规的粉末冶金工艺已不能满足要求,而注射成型工艺在很大程度上解决了这个问题。

 

陶瓷粉末注射成型(简称CIM)是近代粉末注射成型技术的一个分支,是从现代粉末注射成型技术中发展起来的一项新型成型技术,它具有一次性成型复杂形状制品、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和产品性能优异的特点,弥补了传统粉末冶金工艺的不足。

 

陶瓷粉末注射成型的技术特点:

从技术特点来说,陶瓷粉末注射成型和金属粉末注射成型类似,理论上任何形式的陶瓷粉末原料,都能利用CIM工艺制造形状复杂、精度高的产品。

 

陶瓷粉末注射成型工艺的主要特点如下:

(1)可自由地直接制备几何形状复杂的制品。

(2)成形周期短,仅为浇注、热压成型时间的几十分之一至几百分之一,坯件的强度高,可自动化生产,生产过程中的管理和控制也很方便,适宜大批量生产。

(3)由于粘结剂有较好的流动性,注射成型坯件的致密度相当均匀。

(4)由于注射成型加入的粘结剂较多,故脱脂时间长,尤其是厚度大的制品,脱脂时间可能长达100-200小时。

(5)由于粉末和粘结剂的混合很均匀,粉末之间的间隙很小,烧结过程中的收缩特性基本一致,所以制品各部位密度均匀,几何尺寸精度高。

 

陶瓷粉末注射成型工艺的几大要素:

1)原料粉末的选用

价廉质优的粉末是CMI工艺的关键因素之一,所选用的陶瓷粉末的物理化学特性,如颗粒形貌、大小、分布及比表面积等对混合熔体的流变性能有很大的影响,陶瓷粉末的特性对注射成型熔体的影响主要体现在固相体积分数、粉末粒径和粒度分布几个方面。

综合考虑,除了一般粉末注射成型对原料粉末所要求的如粉末无团聚、洁净无杂质等要求外,CMI对粉末的性能还有一些特殊要求,理想的陶瓷粉末应能满足注射成型对熔体流变性能的要求,提高成型过程的稳定性,且要对陶瓷粉末的粒度分布进行优化,提高固相体积分数或降低悬浮体粘度。

 

2)粘结剂的选用

粘结剂是CMI技术中的核心和关键。

粘结剂和粉末的均匀混合,可提高粉末流动性,能使粉末填充成预期形状,它对整个工艺有重要影响,因此粘结剂的成分及配置是注射成型中最保密的技术诀窍。CIM用粘结剂须具备以下性能:

(1)流动特性:流动性的好坏与粘结剂的分子量大小和分布有关,一般低分子量的粘结剂粘度较低,流动性好,而高分子量粘结剂粘度较高,流动性较差。一般我们认为,注射成型温度下粘结剂的粘度要小于0.1Pa·s,且粘度随温度的波动不能太大。

(2)粘结剂与粉末的关系:粘结剂必须能很好地润湿粉体,并对粉体有较好的粘附作用,粘结剂与粉体的润湿角要小,通常为了改善粘结剂的润湿性能,要加入一些表面活性剂,如硬脂酸盐、钛酸盐等。同时粘结剂通过润湿颗粒产生毛细管力吸附颗粒,保持坯体不变形。此外,粘结剂相对于粉末来说应是惰性的。

(3)粘结剂由多组分有机物组成:为满足喂料的流动性要求,单一品种的有机粘结剂很难达到,且多组分有机聚合物组成的粘结剂对脱脂更为有利,同时粘结剂各组元有机聚合物之间的相容性要好。

(4)粘结剂具有较高的导热性和较低的热膨胀系数:较高的导热性能在较大的区域内把热能散开,避免因热应力而产生缺陷,而较低的热膨胀系数可减少坯体所受热冲击,减少缺陷。

此外,粘结剂还必须具有无毒害、不污染环境、不挥发、不吸潮、循环加热性能不变化等。

 

3)混料过程

注射成型前,必须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的最低限度。

混合顺序是先加入熔点高、粒径大的粘结剂混合,溶化,再依次加上熔点低的成分,并加上粉体,最后加增塑剂,一般要混匀30分钟以上。

有三种混合器适合制备用于陶瓷注射成型的混合物,间歇操作的是轧制机和密炼机,而挤压机是半连续操作的。挤压机一般为单螺杆式或双螺杆式,而后者更有效。许多螺杆挤压机的显著特点就是流道的几何结构的多样性和变化,这是为了避免出现物料中有未被混合的情况。

 

 

4)注射成型过程

注射成型是指将粒料用注射成型机加热软化后注入模具,在模具中冷却重新固化而制得所需形状的工艺过程。

注射成型机由注射装置、合模装置(模具安装部分)、液压装置和电气控制装置所组成。注射成型陶瓷材料要求注射机的相应零部件能耐磨损,特别是注射机的螺杆、止回阀和料筒。

 

5)脱脂过程

烧结前需进行脱脂,脱脂即将注射成型中的粘结剂组元用物理或化学的方法脱除的过程,它是陶瓷注射成型工艺过程中耗时最长的一步,也是极为关键的一步。

随着粘结剂体系的增加和改进,形成了多种新的CIM脱脂方法,包括溶剂脱脂、虹吸脱脂、催化脱脂、水基萃取脱脂、超临界萃取脱脂、微波脱脂等。

 

6)烧结过程

脱脂结束后,脱脂尺寸与预制件几乎没有什么不同,即为多孔质成形体,密度较低,因此需通过高温烧结来获得高性能致密制品。粉末冶金中的各种烧结法及致密化措施均适用于CIM中。烧结速度与粘性流动、凝结、容积扩散、表面扩散等有关。粒子的直径越小、熔融粘度越低,且表面张力越大,烧结速度就越快。而且烧结后,制品一般会有约13-20%的收缩率。

 

陶瓷粉末注射成型工艺的应用

1航空航天工业

典型产品主要包括:涡轮转子、叶片、飞机宇航器轴承、配套件火箭鼻锥等。

 

2汽车业

典型产品主要包括:火花塞、汽车发动机、阀门、活塞、涡轮增压器转子、喷嘴等。

 

 

3电子业

典型产品主要包括:光导纤维导管、集成电路基板、电阻器、发热元件等。

 

4医疗

典型产品主要包括:人工骨、人工关节、人工牙床、牙托、医用刀具等。

 

5日用品

典型产品主要包括:手表表壳、理发推剪、绝缘体、弹簧等。