陶瓷注射成型技術的應用與發(fā)展

陶瓷注射成型技術的應用與發(fā)展

1鑄造型技術陶瓷注射是現(xiàn)代粉末注射技術的一個分支，它起源于20世紀20年代的熱壓鎖制造技術。該技術通過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性，采用注射成型技術根據(jù)需要制成各種形狀的材料制品，從而解決了復雜形狀制品成型難問題，一直是粉末冶金學科、無機非金屬學科及其他相關學科的研究熱點。2精密陶瓷注射成型技術CIM基本的工藝過程大致可分為五步：粉末/粘結劑混合，注射成形，脫脂，燒結和后續(xù)加工。其工藝流程如圖1所示。陶瓷注射成型技術能以低成本生產(chǎn)大批量復雜形狀的高性能零件，具有很多特殊的技術和工藝優(yōu)勢：與傳統(tǒng)陶瓷成型技術相比，CIM工藝的原材料利用率高，可快速自動地進行批量生產(chǎn)，可制備體積小、形狀復雜、尺寸精度高的異形件，而且由于流動沖模，使生坯密度均勻，燒結產(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；與注漿技術相比，注射成型技術提高了零件精度，避免了漿料成分偏析的問題，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。特別是對于陶瓷材料，由于陶瓷固有的脆性和高硬度，使得其機械加工成本很高，在傳統(tǒng)工藝中通常占整個陶瓷制備成本的30%一50%。因此陶瓷注射成型技術被認為是當前最熱門的精密陶瓷零部件成型技術，有廣泛的應用前景。但注射成型粉末良好的流動性是以加入大量有機粘結劑為基礎的，這樣才能實現(xiàn)形狀復雜零件的成型，所以燒結前粘結劑的脫除是整個工藝中最困難最重要的環(huán)節(jié)，需要很長時間。且粘結劑選擇依賴經(jīng)驗，無統(tǒng)一標準和穩(wěn)定的脫脂控制。另外適合CIM的微細粉生產(chǎn)成本高，在小批量生產(chǎn)形狀簡單零件方面不經(jīng)濟，受脫脂限制也無法制備厚壁的大零件。這些都限制了CIM技術的應用。3cim技術的關鍵3.1后序混合成分配比喂料是粉末和粘結劑的混合物。注射工藝要求注射料有良好的流動性，這就須選擇符合要求的粉末和適當?shù)恼辰Y劑體系，按一定的裝載量配比，在一定的溫度下采用適當?shù)姆椒ɑ炀毘删鶆虻淖⑸涑尚臀沽希@樣才能保證后序工藝的順利進行，其產(chǎn)品才有可能從實驗室走向高技術市場。所以喂料制備在整個工序中非常關鍵。3.1.1近球形粉末由于CIM產(chǎn)品燒結后尺寸收縮很大，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，通常要求越細越好，一方面提高極限填充密度，另一方面可增加燒結驅動力，降低燒結溫度。但過細的粉有高的比表面積，顆粒間易團聚，使得粉末和粘結劑難以混勻，喂料粘度較大。一般采用混料時加大剪切力分散團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粘結劑的性能要求粘結劑的選擇和制備是CIM技術的核心和關鍵，每次CIM工藝的突破和進展都伴隨著新粘結體系的誕生。為了賦予粉末良好的流動性并能在成形后和脫脂期間維持坯體形狀，粘結劑本身必須具有好的高溫流動性和低溫時較高的強度，能很好地潤濕粉末，有較高的導熱性和較低的熱膨脹系數(shù)，并由多組分有機物組成。此外粘結劑還必須具有無毒害，無污染，不揮發(fā)，不吸潮，循環(huán)加熱性能不變化等。目前，粘結劑體系根據(jù)粘結劑組元和性質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)缺點對比見表1。3.1.3混合過程的流變學表征盡管喂料的制備很關鍵，但由于其在比較簡單的設備中完成，因而被想當然認為是一個簡單的過程．人們普遍認為，只有足夠的時間混合，均勻性總會達到，但混料過程在本質上是非常難于分析的。據(jù)Lacey分析，混合過程的機制有三種：(1)擴散混合機制：(2)層流混合機制；(3)分散混合機制。對選定的混合技術，起主要作用的是混合速率、溫度和時間。時間對混合狀態(tài)的影響表述為：X———混合狀態(tài)函數(shù)，T———混合時間，C———常數(shù)但如果混合速度和溫度太低，無論多長時間喂料也無法均勻，因喂料將在不均勻的水平上達到平衡，即存在臨界剪切狀態(tài)。分散本身是隨機的過程，需建立統(tǒng)計方法評價其均勻性。實際操作中，評價主要依賴于物料特性的連續(xù)測量。如對混合過程中扭矩變化的測量，以及用SEM觀察的方法。喂料粘度的評價表征是CIM的流變學所要解決的問題。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，故變形的動過程很復雜，可能既有瞬時變形，也有對時間依存關系的蠕變。事實上，流變性能的分析和研究對組織結構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的模具設計注射成型工藝控制不當可能使產(chǎn)品形成很多缺陷，如裂紋、孔隙、焊縫、分層、粉末和粘結劑分離等，而這些缺陷直到脫脂和燒結后才能被發(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，都將導致零件尺寸大小不一。此外注射返回料的使用會影響粘度和流變性。所以控制和優(yōu)化注射溫度、模具溫度、注射壓力、保壓時間等成型參數(shù)對減少生坯重量波動，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重要。CLM技術的模具設計主要考慮注射成形時喂料在模腔中的流動控制。因為CIM產(chǎn)品大部分是形狀復雜，精度要求高的小尺寸零件，這就需要對進料口的位置、流道長短、排氣孔的位置等進行周密地設計和安排。當然模具設計要求對喂料流變性質、模腔內(nèi)溫度和殘余應力分布有清除的了解，另外計算機模擬技術在粉末注射成型模具設計方面將發(fā)揮重要的作用。3.3注射成型工藝脫脂是通過加熱及其他物理方法將成型體內(nèi)的有機物排除并產(chǎn)生少量燒結的過程。與配料、成型、燒結及陶瓷部件的后加工過程相比，脫脂是注射成型中最困難和最重要的因素。脫脂過程不正確的工藝方式和參數(shù)使產(chǎn)品收縮不一致，導致變形、開裂、應力和夾雜。脫脂對其后燒結也很重要，在脫脂過程中產(chǎn)生的裂紋和變形不能通過燒結來彌補。粘結劑和脫脂是聯(lián)系在一起的，粘結劑決定脫脂方式。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)展起來的催化脫脂以及水基萃取脫脂。表2對常見的各種脫脂工藝進行了比較3.4c2m燒結技術由于陶瓷注射成型坯中含有因脫脂留下孔隙，所以在燒結時產(chǎn)品收縮率較大，通常達13%一15%。由此可見，C1M燒結技術的研究重點是燒結尺寸精度控制。此外燒結設備也是燒結技術的關鍵，德國CRE鄄MER公司針對Metamold脫脂法制備了一種連續(xù)脫脂燒結爐實現(xiàn)了脫脂、燒結一體化，從而縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。4新型注射成型技術隨著CIM技術的飛速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)化程度的不斷提高，其應用領域也得到了很大的擴展，隨之而來的是新型注射成型技術的產(chǎn)生和發(fā)展，包括粉末共注技術，低壓注射成型技術和微粉注射成型技術等。4.1雙料筒注射成型零件的工藝過程粉末共注成型技術(PCM)是粉末注射成型的—種新發(fā)展。此技術使用雙料筒注射成型機把兩種不同的粉末/粘結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完成而不是在制備成品之后再進行。能把產(chǎn)品的制備和表面處理在—道工序中完成，其本身從技術和口經(jīng)濟的角度考慮就有很大的吸引力。圖3是雙料筒注射成型設備共注成型零件的過程示意圖。在工序的三個階段，喂料相繼從兩個料筒中注射出來。A1階段，A料筒中的喂料被注入模腔并形成注射實體的表面層。在B階段，調(diào)整關閉閥門的位置使得B料筒的喂料能被注射出來以形成注射實體的核心，同時將作為表面層的喂料擠壓到模具空腔的周邊。然后在A2階段中打開通向A料筒的閥門進行短暫注射以便在澆口出將表面層補充完整。最后保壓、冷卻、脫模。通過改變從兩個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)缺點就注射工藝本身而言，低壓注射過程要優(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程，這樣就可以去掉傳統(tǒng)設備中的液壓系統(tǒng)，注射活塞和連桿系統(tǒng)等。由此可見，低壓注射優(yōu)點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的喂料污染以及粉末/粘結劑不分離等；此外還有低能量消耗，設備尺寸小結構簡單，成本低。圖3是—個低壓注射成型設備的示意圖。4.3微粉末注射成型主要適應低碳經(jīng)濟要求的制造材料隨著信息時代的到來，微系統(tǒng)技術及相關產(chǎn)品將顯得非常重要。在過去10年里，擁有毫米級以下可大量重復生產(chǎn)特征的復雜微零件產(chǎn)品急劇增加，這些產(chǎn)品在信息技術領域和微工程領域有著廣泛的應用前景。目前的微零件制造方法只適合于生產(chǎn)半導體硅，塑料，有限的幾種金屬和二元合金等。這些材料還遠不能滿足許多特殊性能的要求，包括高強度和硬度，或壓電性能，磁性能和電化學性能等，所以需要擴展原材料的來源和種類。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。微粉末注射成型就是能滿足以上要求的新型零件制造技術，它有著跟—般粉末注射成型同樣的優(yōu)越性，如材料性能可以設計、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。脫脂時間主要由零件的尺寸決定，在—般的粉末注射工藝中，脫脂耗時最長。對于uPIM，產(chǎn)品的尺寸一般小于lmm，相對而言脫脂時間就大大減少。但由于零件太小，所用的粘結劑須具有足夠的強度以便能保證脫模和后處理的順利進行，脫脂過程中維持零件外形并在燒結過程中保證均勻收縮。所用的粉末粒徑大小至少要比零件最小內(nèi)部尺寸小—個數(shù)量級。據(jù)報道，用uPIM技術已成型出100um大小的微零件。5cim用于精密陶瓷等行業(yè)最熱