先進陶瓷注射成型工藝

先進陶瓷注射成型工藝

陶瓷注射成型（Ceramic Injection Molding，簡稱CIM）是將聚合物注射成型方法與陶瓷制備工藝相結合而發(fā)展起來的一種制備陶瓷零部件的新工藝。特別是對尺寸精度高、形狀復雜的陶瓷制品的大批量生產(chǎn)，采用陶瓷粉末注射成型有優(yōu)勢。目前，陶瓷注射成型已廣泛用于各種陶瓷粉料和各種工程陶瓷制品的成型，通過該工藝制備的各種精密陶瓷零部件，已用于航空、汽車、機械、能源、光通訊、生命醫(yī)學等領域。

圖1 陶瓷注射成型示意圖

一、陶瓷粉末注射成型的技術特點

從技術特點來說，陶瓷粉末注射成型和金屬粉末注射成型類似，理論上任何形式的陶瓷粉末原料，如ZrO2、Al2O3、Si3N4等，都能利用CIM工藝制造形狀復雜、精度高的產(chǎn)品其基本工藝過程

陶瓷粉末注射成型工藝的主要特點如下：

①成型過程具有機械化和自動化程度高、生產(chǎn)效率高、成型周期短、坯體強度高，生產(chǎn)過程中的管理和控制也很方便，易于實現(xiàn)大批量、規(guī)模化生產(chǎn)；

②可近凈成型各種幾何形狀復雜的及有特殊要求的小型陶瓷零部件，使燒結后的陶瓷產(chǎn)品無需進行機加工或少加工，從而減少昂貴的陶瓷加工成本；

③注射成型過程中加入的粘結劑較多，需先經(jīng)過低溫脫脂工藝，才能進而高溫燒結，對于厚度大的制品，脫脂時間可能長達100-200小時。

④成型時，陶瓷粉末和粘結劑的混合均勻，后期燒結其收縮一致，得到的陶瓷制品各部位密度均勻，因而這類產(chǎn)品具有*的尺寸精度和表面光潔度。

二、陶瓷粉末注射成型工藝環(huán)節(jié)

包括4個環(huán)節(jié)：

1、注射喂料的制備

將合適的有機載體（具有不同性質(zhì)和功能的有機物）與陶瓷粉末在一定溫度下混煉、干燥、造粒，得到注射用喂料；

粉末注射成型不僅要求粉末無團聚、潔凈無雜質(zhì)等，還希望陶瓷粉末能滿足注射成型對熔體流變性能的要求，提高成型過程的穩(wěn)定性，且要對陶瓷粉末的粒度分布進行優(yōu)化，提高固相體積分數(shù)或降低懸浮體粘度。

2、注射成型

混煉后的注射混合料于注射成型機內(nèi)被加熱轉變?yōu)轲こ硇匀垠w，在一定的溫度和壓力下高速注入金屬模具內(nèi)，冷卻固化為所需形狀的坯體，然后脫模。

3、脫脂

通過加熱或其他物理化學方法，將注射成型坯體內(nèi)的有機物排除；脫脂工藝是陶瓷注射成型工藝中極為關鍵的一環(huán)，其耗時較長。

隨著粘結劑體系的增加和改進，形成了多種新的CIM脫脂方法，包括溶劑脫脂、虹吸脫脂、催化脫脂、水基萃取脫脂、超臨界萃取脫脂、微波脫脂等。

4、燒結

脫脂后陶瓷素坯在高溫下致密化燒結，獲得所需外觀形狀、尺寸精度和顯微結構的致密陶瓷部件。

燒結速度與粘性流動、凝結、容積擴散、表面擴散等有關。顆粒的直徑越小、熔融粘度越低，且表面張力越大，燒結速度就越快。而且燒結后，制品一般會有約13-20%的收縮率。

三、陶瓷粉末注射成型工藝的應用

1、高溫熱機陶瓷部件

主要是發(fā)動機渦輪轉子和燃氣輪機陶瓷葉片等熱機陶瓷部件，材料通常為氮化硅或碳化硅等耐高溫的陶瓷。

2、光通訊用精密陶瓷件

光纖連接器用四方氧化鋯陶瓷插芯和氧化鋯陶瓷套筒。

圖2 氧化鋯陶瓷插芯 

3、醫(yī)學用生物陶瓷制品

包括外科機械用各種陶瓷器件、陶瓷關節(jié)、牙齒矯正用透明陶瓷槽、牙齒修復用陶瓷螺桿和牙樁等，這些產(chǎn)品尺寸小、形狀復雜、精度高。

圖3 陶瓷關節(jié)

4、電子機械用零部件

半導體和電子行業(yè)廣泛使用的各種Al2O3體系絕緣陶瓷零部件、小型精密陶瓷滑動軸承、各種陶瓷噴嘴等。

5、現(xiàn)代生活用陶瓷制品

有耐磨陶瓷表殼與表鏈、耐磨損的陶瓷推剪、陶瓷刀等，克服了金屬易氧化和產(chǎn)生化學致過敏的缺點。

圖4陶瓷手表