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TECHNICAL ARTICLES先進(jìn)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(jié)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(duì)尺寸精度高、形狀復(fù)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(shì)。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(jī)械、能源、光通訊、生命醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
圖1 陶瓷注射成型示意圖
一、陶瓷粉末注射成型的技術(shù)特點(diǎn)
從技術(shù)特點(diǎn)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(fù)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(diǎn)如下:
①成型過程具有機(jī)械化和自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高、成型周期短、坯體強(qiáng)度高,生產(chǎn)過程中的管理和控制也很方便,易于實(shí)現(xiàn)大批量、規(guī)?;a(chǎn);
②可近凈成型各種幾何形狀復(fù)雜的及有特殊要求的小型陶瓷零部件,使燒結(jié)后的陶瓷產(chǎn)品無需進(jìn)行機(jī)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(jié)劑較多,需先經(jīng)過低溫脫脂工藝,才能進(jìn)而高溫?zé)Y(jié),對(duì)于厚度大的制品,脫脂時(shí)間可能長達(dá)100-200小時(shí)。
④成型時(shí),陶瓷粉末和粘結(jié)劑的混合均勻,后期燒結(jié)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(gè)環(huán)節(jié):
1、注射喂料的制備
將合適的有機(jī)載體(具有不同性質(zhì)和功能的有機(jī)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(tuán)聚、潔凈無雜質(zhì)等,還希望陶瓷粉末能滿足注射成型對(duì)熔體流變性能的要求,提高成型過程的穩(wěn)定性,且要對(duì)陶瓷粉末的粒度分布進(jìn)行優(yōu)化,提高固相體積分?jǐn)?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(jī)內(nèi)被加熱轉(zhuǎn)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(xué)方法,將注射成型坯體內(nèi)的有機(jī)物排除;脫脂工藝是陶瓷注射成型工藝中極為關(guān)鍵的一環(huán),其耗時(shí)較長。
隨著粘結(jié)劑體系的增加和改進(jìn),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(jié)
脫脂后陶瓷素坯在高溫下致密化燒結(jié),獲得所需外觀形狀、尺寸精度和顯微結(jié)構(gòu)的致密陶瓷部件。
燒結(jié)速度與粘性流動(dòng)、凝結(jié)、容積擴(kuò)散、表面擴(kuò)散等有關(guān)。顆粒的直徑越小、熔融粘度越低,且表面張力越大,燒結(jié)速度就越快。而且燒結(jié)后,制品一般會(huì)有約13-20%的收縮率。
三、陶瓷粉末注射成型工藝的應(yīng)用
1、高溫?zé)釞C(jī)陶瓷部件
主要是發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子和燃?xì)廨啓C(jī)陶瓷葉片等熱機(jī)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(xué)用生物陶瓷制品
包括外科機(jī)械用各種陶瓷器件、陶瓷關(guān)節(jié)、牙齒矯正用透明陶瓷槽、牙齒修復(fù)用陶瓷螺桿和牙樁等,這些產(chǎn)品尺寸小、形狀復(fù)雜、精度高。
圖3 陶瓷關(guān)節(jié)
4、電子機(jī)械用零部件
半導(dǎo)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(dòng)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(xué)致過敏的缺點(diǎn)。
圖4陶瓷手表
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