陶瓷注射成型技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

陶瓷注射成型技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

1鑄造型技術(shù)陶瓷注射是現(xiàn)代粉末注射技術(shù)的一個(gè)分支，它起源于20世紀(jì)20年代的熱壓鎖制造技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)加入一定量的聚合物及添加劑組元，賦予金屬粉末、陶瓷粉末跟聚合物相似的流動(dòng)性，采用注射成型技術(shù)根據(jù)需要制成各種形狀的材料制品，從而解決了復(fù)雜形狀制品成型難問(wèn)題，一直是粉末冶金學(xué)科、無(wú)機(jī)非金屬學(xué)科及其他相關(guān)學(xué)科的研究熱點(diǎn)。2精密陶瓷注射成型技術(shù)CIM基本的工藝過(guò)程大致可分為五步：粉末/粘結(jié)劑混合，注射成形，脫脂，燒結(jié)和后續(xù)加工。其工藝流程如圖1所示。陶瓷注射成型技術(shù)能以低成本生產(chǎn)大批量復(fù)雜形狀的高性能零件，具有很多特殊的技術(shù)和工藝優(yōu)勢(shì)：與傳統(tǒng)陶瓷成型技術(shù)相比，CIM工藝的原材料利用率高，可快速自動(dòng)地進(jìn)行批量生產(chǎn)，可制備體積小、形狀復(fù)雜、尺寸精度高的異形件，而且由于流動(dòng)沖模，使生坯密度均勻，燒結(jié)產(chǎn)品性能優(yōu)越，在一定程度上克服了傳統(tǒng)干壓法成型產(chǎn)品存在的密度、組織和性能不均的現(xiàn)象；與注漿技術(shù)相比，注射成型技術(shù)提高了零件精度，避免了漿料成分偏析的問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率。此外由于注射成型是一種近凈成型工藝，不需后續(xù)加工或只需微量加工，大大降低了生產(chǎn)成本。特別是對(duì)于陶瓷材料，由于陶瓷固有的脆性和高硬度，使得其機(jī)械加工成本很高，在傳統(tǒng)工藝中通常占整個(gè)陶瓷制備成本的30%一50%。因此陶瓷注射成型技術(shù)被認(rèn)為是當(dāng)前最熱門(mén)的精密陶瓷零部件成型技術(shù)，有廣泛的應(yīng)用前景。但注射成型粉末良好的流動(dòng)性是以加入大量有機(jī)粘結(jié)劑為基礎(chǔ)的，這樣才能實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜零件的成型，所以燒結(jié)前粘結(jié)劑的脫除是整個(gè)工藝中最困難最重要的環(huán)節(jié)，需要很長(zhǎng)時(shí)間。且粘結(jié)劑選擇依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)，無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和穩(wěn)定的脫脂控制。另外適合CIM的微細(xì)粉生產(chǎn)成本高，在小批量生產(chǎn)形狀簡(jiǎn)單零件方面不經(jīng)濟(jì)，受脫脂限制也無(wú)法制備厚壁的大零件。這些都限制了CIM技術(shù)的應(yīng)用。3cim技術(shù)的關(guān)鍵3.1后序混合成分配比喂料是粉末和粘結(jié)劑的混合物。注射工藝要求注射料有良好的流動(dòng)性，這就須選擇符合要求的粉末和適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑體系，按一定的裝載量配比，在一定的溫度下采用適當(dāng)?shù)姆椒ɑ炀毘删鶆虻淖⑸涑尚臀沽?，這樣才能保證后序工藝的順利進(jìn)行，其產(chǎn)品才有可能從實(shí)驗(yàn)室走向高技術(shù)市場(chǎng)。所以喂料制備在整個(gè)工序中非常關(guān)鍵。3.1.1近球形粉末由于CIM產(chǎn)品燒結(jié)后尺寸收縮很大，為防止變形和控制尺寸精度，必須提高喂料中粉末的裝載量，這就須選擇具有極限填充密度的粉末。一般球形或近球形粉末較理想，但球形粉末間嚙合力差，易造成脫脂中的變形，所以就提高裝載量和維持產(chǎn)品形狀而言，CIM粉末形狀的選擇往往是矛盾的。另外一影響因素是粉末粒度，通常要求越細(xì)越好，一方面提高極限填充密度，另一方面可增加燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，降低燒結(jié)溫度。但過(guò)細(xì)的粉有高的比表面積，顆粒間易團(tuán)聚，使得粉末和粘結(jié)劑難以混勻，喂料粘度較大。一般采用混料時(shí)加大剪切力分散團(tuán)聚和加入分散劑包覆顆粒表面的方法消除此不利因素。3.1.2粘結(jié)劑的性能要求粘結(jié)劑的選擇和制備是CIM技術(shù)的核心和關(guān)鍵，每次CIM工藝的突破和進(jìn)展都伴隨著新粘結(jié)體系的誕生。為了賦予粉末良好的流動(dòng)性并能在成形后和脫脂期間維持坯體形狀，粘結(jié)劑本身必須具有好的高溫流動(dòng)性和低溫時(shí)較高的強(qiáng)度，能很好地潤(rùn)濕粉末，有較高的導(dǎo)熱性和較低的熱膨脹系數(shù)，并由多組分有機(jī)物組成。此外粘結(jié)劑還必須具有無(wú)毒害，無(wú)污染，不揮發(fā)，不吸潮，循環(huán)加熱性能不變化等。目前，粘結(jié)劑體系根據(jù)粘結(jié)劑組元和性質(zhì)主要可分為熱塑性體系、熱固性體系、凝膠體系和水溶性體系等，這幾種體系的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。3.1.3混合過(guò)程的流變學(xué)表征盡管喂料的制備很關(guān)鍵，但由于其在比較簡(jiǎn)單的設(shè)備中完成，因而被想當(dāng)然認(rèn)為是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程．人們普遍認(rèn)為，只有足夠的時(shí)間混合，均勻性總會(huì)達(dá)到，但混料過(guò)程在本質(zhì)上是非常難于分析的。據(jù)Lacey分析，混合過(guò)程的機(jī)制有三種：(1)擴(kuò)散混合機(jī)制：(2)層流混合機(jī)制；(3)分散混合機(jī)制。對(duì)選定的混合技術(shù)，起主要作用的是混合速率、溫度和時(shí)間。時(shí)間對(duì)混合狀態(tài)的影響表述為：X———混合狀態(tài)函數(shù)，T———混合時(shí)間，C———常數(shù)但如果混合速度和溫度太低，無(wú)論多長(zhǎng)時(shí)間喂料也無(wú)法均勻，因喂料將在不均勻的水平上達(dá)到平衡，即存在臨界剪切狀態(tài)。分散本身是隨機(jī)的過(guò)程，需建立統(tǒng)計(jì)方法評(píng)價(jià)其均勻性。實(shí)際操作中，評(píng)價(jià)主要依賴(lài)于物料特性的連續(xù)測(cè)量。如對(duì)混合過(guò)程中扭矩變化的測(cè)量，以及用SEM觀察的方法。喂料粘度的評(píng)價(jià)表征是CIM的流變學(xué)所要解決的問(wèn)題。CIM工藝涉及到物料體系和狀態(tài)，可能是純粘性的，也可能是粘彈性、粘塑性的，故變形的動(dòng)過(guò)程很復(fù)雜，可能既有瞬時(shí)變形，也有對(duì)時(shí)間依存關(guān)系的蠕變。事實(shí)上，流變性能的分析和研究對(duì)組織結(jié)構(gòu)理想和均勻喂料的獲得、工藝的優(yōu)化、制品及模具的涉及都有非常重要的意義。3.2cim的模具設(shè)計(jì)注射成型工藝控制不當(dāng)可能使產(chǎn)品形成很多缺陷，如裂紋、孔隙、焊縫、分層、粉末和粘結(jié)劑分離等，而這些缺陷直到脫脂和燒結(jié)后才能被發(fā)現(xiàn)。CIM常使用多模腔模具，各模腔之間尺寸不一，加上模腔使用中的磨損，都將導(dǎo)致零件尺寸大小不一。此外注射返回料的使用會(huì)影響粘度和流變性。所以控制和優(yōu)化注射溫度、模具溫度、注射壓力、保壓時(shí)間等成型參數(shù)對(duì)減少生坯重量波動(dòng)，防止注射料中各組分的分離和偏析，提高產(chǎn)品成品率和材料的利用率至關(guān)重要。CLM技術(shù)的模具設(shè)計(jì)主要考慮注射成形時(shí)喂料在模腔中的流動(dòng)控制。因?yàn)镃IM產(chǎn)品大部分是形狀復(fù)雜，精度要求高的小尺寸零件，這就需要對(duì)進(jìn)料口的位置、流道長(zhǎng)短、排氣孔的位置等進(jìn)行周密地設(shè)計(jì)和安排。當(dāng)然模具設(shè)計(jì)要求對(duì)喂料流變性質(zhì)、模腔內(nèi)溫度和殘余應(yīng)力分布有清除的了解，另外計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在粉末注射成型模具設(shè)計(jì)方面將發(fā)揮重要的作用。3.3注射成型工藝脫脂是通過(guò)加熱及其他物理方法將成型體內(nèi)的有機(jī)物排除并產(chǎn)生少量燒結(jié)的過(guò)程。與配料、成型、燒結(jié)及陶瓷部件的后加工過(guò)程相比，脫脂是注射成型中最困難和最重要的因素。脫脂過(guò)程不正確的工藝方式和參數(shù)使產(chǎn)品收縮不一致，導(dǎo)致變形、開(kāi)裂、應(yīng)力和夾雜。脫脂對(duì)其后燒結(jié)也很重要，在脫脂過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋和變形不能通過(guò)燒結(jié)來(lái)彌補(bǔ)。粘結(jié)劑和脫脂是聯(lián)系在一起的，粘結(jié)劑決定脫脂方式。目前的脫脂工藝除了傳統(tǒng)的熱脫脂、溶劑脫脂外，還有最近幾年發(fā)展起來(lái)的催化脫脂以及水基萃取脫脂。表2對(duì)常見(jiàn)的各種脫脂工藝進(jìn)行了比較3.4c2m燒結(jié)技術(shù)由于陶瓷注射成型坯中含有因脫脂留下孔隙，所以在燒結(jié)時(shí)產(chǎn)品收縮率較大，通常達(dá)13%一15%。由此可見(jiàn)，C1M燒結(jié)技術(shù)的研究重點(diǎn)是燒結(jié)尺寸精度控制。此外燒結(jié)設(shè)備也是燒結(jié)技術(shù)的關(guān)鍵，德國(guó)CRE鄄MER公司針對(duì)Metamold脫脂法制備了一種連續(xù)脫脂燒結(jié)爐實(shí)現(xiàn)了脫脂、燒結(jié)一體化，從而縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。4新型注射成型技術(shù)隨著CIM技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)化程度的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域也得到了很大的擴(kuò)展，隨之而來(lái)的是新型注射成型技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，包括粉末共注技術(shù)，低壓注射成型技術(shù)和微粉注射成型技術(shù)等。4.1雙料筒注射成型零件的工藝過(guò)程粉末共注成型技術(shù)(PCM)是粉末注射成型的—種新發(fā)展。此技術(shù)使用雙料筒注射成型機(jī)把兩種不同的粉末/粘結(jié)劑混合料相繼注入模腔。這種工藝使得表面處理在注射成型時(shí)完成而不是在制備成品之后再進(jìn)行。能把產(chǎn)品的制備和表面處理在—道工序中完成，其本身從技術(shù)和口經(jīng)濟(jì)的角度考慮就有很大的吸引力。圖3是雙料筒注射成型設(shè)備共注成型零件的過(guò)程示意圖。在工序的三個(gè)階段，喂料相繼從兩個(gè)料筒中注射出來(lái)。A1階段，A料筒中的喂料被注入模腔并形成注射實(shí)體的表面層。在B階段，調(diào)整關(guān)閉閥門(mén)的位置使得B料筒的喂料能被注射出來(lái)以形成注射實(shí)體的核心，同時(shí)將作為表面層的喂料擠壓到模具空腔的周邊。然后在A2階段中打開(kāi)通向A料筒的閥門(mén)進(jìn)行短暫注射以便在澆口出將表面層補(bǔ)充完整。最后保壓、冷卻、脫模。通過(guò)改變從兩個(gè)料筒注入喂料的比例，可以調(diào)節(jié)注射工件中核心部分和表面層的比例，得到理想的表面覆蓋層厚度。4.2低壓注射優(yōu)缺點(diǎn)就注射工藝本身而言，低壓注射過(guò)程要優(yōu)于高壓注射。一般粘度在1.5-4.0Pas之間的喂料可以由0.8Mpa的壓縮空氣完成沖模過(guò)程，這樣就可以去掉傳統(tǒng)設(shè)備中的液壓系統(tǒng)，注射活塞和連桿系統(tǒng)等。由此可見(jiàn)，低壓注射優(yōu)點(diǎn)在于注射生坯中低壓力梯度，模具磨損小，喂料不粘模，避免注射活塞磨損帶來(lái)的喂料污染以及粉末/粘結(jié)劑不分離等；此外還有低能量消耗，設(shè)備尺寸小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。圖3是—個(gè)低壓注射成型設(shè)備的示意圖。4.3微粉末注射成型主要適應(yīng)低碳經(jīng)濟(jì)要求的制造材料隨著信息時(shí)代的到來(lái)，微系統(tǒng)技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品將顯得非常重要。在過(guò)去10年里，擁有毫米級(jí)以下可大量重復(fù)生產(chǎn)特征的復(fù)雜微零件產(chǎn)品急劇增加，這些產(chǎn)品在信息技術(shù)領(lǐng)域和微工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前的微零件制造方法只適合于生產(chǎn)半導(dǎo)體硅，塑料，有限的幾種金屬和二元合金等。這些材料還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足許多特殊性能的要求，包括高強(qiáng)度和硬度，或壓電性能，磁性能和電化學(xué)性能等，所以需要擴(kuò)展原材料的來(lái)源和種類(lèi)。此外微系統(tǒng)的商業(yè)化要求適合大批量生產(chǎn)的微零件制造技術(shù)。微粉末注射成型就是能滿(mǎn)足以上要求的新型零件制造技術(shù)，它有著跟—般粉末注射成型同樣的優(yōu)越性，如材料性能可以設(shè)計(jì)、適合批量生產(chǎn)，而且金屬粉末和陶瓷粉末都可以適用于uPIM技術(shù)。脫脂時(shí)間主要由零件的尺寸決定，在—般的粉末注射工藝中，脫脂耗時(shí)最長(zhǎng)。對(duì)于uPIM，產(chǎn)品的尺寸一般小于lmm，相對(duì)而言脫脂時(shí)間就大大減少。但由于零件太小，所用的粘結(jié)劑須具有足夠的強(qiáng)度以便能保證脫模和后處理的順利進(jìn)行，脫脂過(guò)程中維持零件外形并在燒結(jié)過(guò)程中保證均勻收縮。所用的粉末粒徑大小至少要比零件最小內(nèi)部尺寸小—個(gè)數(shù)量級(jí)。據(jù)報(bào)道，用uPIM技術(shù)已成型出100um大小的微零件。5cim用于精密陶瓷等行業(yè)最熱