陶瓷注射成型技术的应用与发展

陶瓷注射成型技术的应用与发展

1铸造型技术陶瓷注射是现代粉末注射技术的一个分支，它起源于20世纪20年代的热压锁制造技术。该技术通过加入一定量的聚合物及添加剂组元，赋予金属粉末、陶瓷粉末跟聚合物相似的流动性，采用注射成型技术根据需要制成各种形状的材料制品，从而解决了复杂形状制品成型难问题，一直是粉末冶金学科、无机非金属学科及其他相关学科的研究热点。2精密陶瓷注射成型技术CIM基本的工艺过程大致可分为五步：粉末/粘结剂混合，注射成形，脱脂，烧结和后续加工。其工艺流程如图1所示。陶瓷注射成型技术能以低成本生产大批量复杂形状的高性能零件，具有很多特殊的技术和工艺优势：与传统陶瓷成型技术相比，CIM工艺的原材料利用率高，可快速自动地进行批量生产，可制备体积小、形状复杂、尺寸精度高的异形件，而且由于流动冲模，使生坯密度均匀，烧结产品性能优越，在一定程度上克服了传统干压法成型产品存在的密度、组织和性能不均的现象；与注浆技术相比，注射成型技术提高了零件精度，避免了浆料成分偏析的问题，提高了生产效率。此外由于注射成型是一种近净成型工艺，不需后续加工或只需微量加工，大大降低了生产成本。特别是对于陶瓷材料，由于陶瓷固有的脆性和高硬度，使得其机械加工成本很高，在传统工艺中通常占整个陶瓷制备成本的30%一50%。因此陶瓷注射成型技术被认为是当前最热门的精密陶瓷零部件成型技术，有广泛的应用前景。但注射成型粉末良好的流动性是以加入大量有机粘结剂为基础的，这样才能实现形状复杂零件的成型，所以烧结前粘结剂的脱除是整个工艺中最困难最重要的环节，需要很长时间。且粘结剂选择依赖经验，无统一标准和稳定的脱脂控制。另外适合CIM的微细粉生产成本高，在小批量生产形状简单零件方面不经济，受脱脂限制也无法制备厚壁的大零件。这些都限制了CIM技术的应用。3cim技术的关键3.1后序混合成分配比喂料是粉末和粘结剂的混合物。注射工艺要求注射料有良好的流动性，这就须选择符合要求的粉末和适当的粘结剂体系，按一定的装载量配比，在一定的温度下采用适当的方法混练成均匀的注射成型喂料，这样才能保证后序工艺的顺利进行，其产品才有可能从实验室走向高技术市场。所以喂料制备在整个工序中非常关键。3.1.1近球形粉末由于CIM产品烧结后尺寸收缩很大，为防止变形和控制尺寸精度，必须提高喂料中粉末的装载量，这就须选择具有极限填充密度的粉末。一般球形或近球形粉末较理想，但球形粉末间啮合力差，易造成脱脂中的变形，所以就提高装载量和维持产品形状而言，CIM粉末形状的选择往往是矛盾的。另外一影响因素是粉末粒度，通常要求越细越好，一方面提高极限填充密度，另一方面可增加烧结驱动力，降低烧结温度。但过细的粉有高的比表面积，颗粒间易团聚，使得粉末和粘结剂难以混匀，喂料粘度较大。一般采用混料时加大剪切力分散团聚和加入分散剂包覆颗粒表面的方法消除此不利因素。3.1.2粘结剂的性能要求粘结剂的选择和制备是CIM技术的核心和关键，每次CIM工艺的突破和进展都伴随着新粘结体系的诞生。为了赋予粉末良好的流动性并能在成形后和脱脂期间维持坯体形状，粘结剂本身必须具有好的高温流动性和低温时较高的强度，能很好地润湿粉末，有较高的导热性和较低的热膨胀系数，并由多组分有机物组成。此外粘结剂还必须具有无毒害，无污染，不挥发，不吸潮，循环加热性能不变化等。目前，粘结剂体系根据粘结剂组元和性质主要可分为热塑性体系、热固性体系、凝胶体系和水溶性体系等，这几种体系的优缺点对比见表1。3.1.3混合过程的流变学表征尽管喂料的制备很关键，但由于其在比较简单的设备中完成，因而被想当然认为是一个简单的过程．人们普遍认为，只有足够的时间混合，均匀性总会达到，但混料过程在本质上是非常难于分析的。据Lacey分析，混合过程的机制有三种：(1)扩散混合机制：(2)层流混合机制；(3)分散混合机制。对选定的混合技术，起主要作用的是混合速率、温度和时间。时间对混合状态的影响表述为：X———混合状态函数，T———混合时间，C———常数但如果混合速度和温度太低，无论多长时间喂料也无法均匀，因喂料将在不均匀的水平上达到平衡，即存在临界剪切状态。分散本身是随机的过程，需建立统计方法评价其均匀性。实际操作中，评价主要依赖于物料特性的连续测量。如对混合过程中扭矩变化的测量，以及用SEM观察的方法。喂料粘度的评价表征是CIM的流变学所要解决的问题。CIM工艺涉及到物料体系和状态，可能是纯粘性的，也可能是粘弹性、粘塑性的，故变形的动过程很复杂，可能既有瞬时变形，也有对时间依存关系的蠕变。事实上，流变性能的分析和研究对组织结构理想和均匀喂料的获得、工艺的优化、制品及模具的涉及都有非常重要的意义。3.2cim的模具设计注射成型工艺控制不当可能使产品形成很多缺陷，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能被发现。CIM常使用多模腔模具，各模腔之间尺寸不一，加上模腔使用中的磨损，都将导致零件尺寸大小不一。此外注射返回料的使用会影响粘度和流变性。所以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的分离和偏析，提高产品成品率和材料的利用率至关重要。CLM技术的模具设计主要考虑注射成形时喂料在模腔中的流动控制。因为CIM产品大部分是形状复杂，精度要求高的小尺寸零件，这就需要对进料口的位置、流道长短、排气孔的位置等进行周密地设计和安排。当然模具设计要求对喂料流变性质、模腔内温度和残余应力分布有清除的了解，另外计算机模拟技术在粉末注射成型模具设计方面将发挥重要的作用。3.3注射成型工艺脱脂是通过加热及其他物理方法将成型体内的有机物排除并产生少量烧结的过程。与配料、成型、烧结及陶瓷部件的后加工过程相比，脱脂是注射成型中最困难和最重要的因素。脱脂过程不正确的工艺方式和参数使产品收缩不一致，导致变形、开裂、应力和夹杂。脱脂对其后烧结也很重要，在脱脂过程中产生的裂纹和变形不能通过烧结来弥补。粘结剂和脱脂是联系在一起的，粘结剂决定脱脂方式。目前的脱脂工艺除了传统的热脱脂、溶剂脱脂外，还有最近几年发展起来的催化脱脂以及水基萃取脱脂。表2对常见的各种脱脂工艺进行了比较3.4c2m烧结技术由于陶瓷注射成型坯中含有因脱脂留下孔隙，所以在烧结时产品收缩率较大，通常达13%一15%。由此可见，C1M烧结技术的研究重点是烧结尺寸精度控制。此外烧结设备也是烧结技术的关键，德国CRE鄄MER公司针对Metamold脱脂法制备了一种连续脱脂烧结炉实现了脱脂、烧结一体化，从而缩短了生产周期，降低了生产成本。4新型注射成型技术随着CIM技术的飞速发展，产业化程度的不断提高，其应用领域也得到了很大的扩展，随之而来的是新型注射成型技术的产生和发展，包括粉末共注技术，低压注射成型技术和微粉注射成型技术等。4.1双料筒注射成型零件的工艺过程粉末共注成型技术(PCM)是粉末注射成型的—种新发展。此技术使用双料筒注射成型机把两种不同的粉末/粘结剂混合料相继注入模腔。这种工艺使得表面处理在注射成型时完成而不是在制备成品之后再进行。能把产品的制备和表面处理在—道工序中完成，其本身从技术和口经济的角度考虑就有很大的吸引力。图3是双料筒注射成型设备共注成型零件的过程示意图。在工序的三个阶段，喂料相继从两个料筒中注射出来。A1阶段，A料筒中的喂料被注入模腔并形成注射实体的表面层。在B阶段，调整关闭阀门的位置使得B料筒的喂料能被注射出来以形成注射实体的核心，同时将作为表面层的喂料挤压到模具空腔的周边。然后在A2阶段中打开通向A料筒的阀门进行短暂注射以便在浇口出将表面层补充完整。最后保压、冷却、脱模。通过改变从两个料筒注入喂料的比例，可以调节注射工件中核心部分和表面层的比例，得到理想的表面覆盖层厚度。4.2低压注射优缺点就注射工艺本身而言，低压注射过程要优于高压注射。一般粘度在1.5-4.0Pas之间的喂料可以由0.8Mpa的压缩空气完成冲模过程，这样就可以去掉传统设备中的液压系统，注射活塞和连杆系统等。由此可见，低压注射优点在于注射生坯中低压力梯度，模具磨损小，喂料不粘模，避免注射活塞磨损带来的喂料污染以及粉末/粘结剂不分离等；此外还有低能量消耗，设备尺寸小结构简单，成本低。图3是—个低压注射成型设备的示意图。4.3微粉末注射成型主要适应低碳经济要求的制造材料随着信息时代的到来，微系统技术及相关产品将显得非常重要。在过去10年里，拥有毫米级以下可大量重复生产特征的复杂微零件产品急剧增加，这些产品在信息技术领域和微工程领域有着广泛的应用前景。目前的微零件制造方法只适合于生产半导体硅，塑料，有限的几种金属和二元合金等。这些材料还远不能满足许多特殊性能的要求，包括高强度和硬度，或压电性能，磁性能和电化学性能等，所以需要扩展原材料的来源和种类。此外微系统的商业化要求适合大批量生产的微零件制造技术。微粉末注射成型就是能满足以上要求的新型零件制造技术，它有着跟—般粉末注射成型同样的优越性，如材料性能可以设计、适合批量生产，而且金属粉末和陶瓷粉末都可以适用于uPIM技术。脱脂时间主要由零件的尺寸决定，在—般的粉末注射工艺中，脱脂耗时最长。对于uPIM，产品的尺寸一般小于lmm，相对而言脱脂时间就大大减少。但由于零件太小，所用的粘结剂须具有足够的强度以便能保证脱模和后处理的顺利进行，脱脂过程中维持零件外形并在烧结过程中保证均匀收缩。所用的粉末粒径大小至少要比零件最小内部尺寸小—个数量级。据报道，用uPIM技术已成型出100um大小的微零件。5cim用于精密陶瓷等行业最热