結構陶瓷注射成型技術(shù)

        結構陶瓷又叫精密陶瓷、特種陶瓷或高技術(shù)陶瓷。它是采用高度精選的原料，按照特殊的制造工藝生產(chǎn)，能精確控制化學(xué)組成和具有優(yōu)異熱電和物理性能的新型陶瓷。目前，結構陶瓷主要使用在高技術(shù)和工業(yè)，如微電子、核反應堆、航天、磁流體發(fā)電、人工骨和人工關(guān)節等方面。結構陶瓷在制造工藝上，應當滿(mǎn)足以下三方面的要求。        ①精選的原料要選用高純度的，顆粒應盡可能的細；

       ②嚴格控制化學(xué)成分。制造過(guò)程中要防止雜質(zhì)混入和成分本身的揮發(fā)，對燒結件的顆粒度、界面、氣孔等要嚴格控制，以達到質(zhì)量穩定和具有再現性；

       ③精確的形狀和尺寸。結構陶瓷制件一般不經(jīng)加工，直接使用，特別是陶瓷電子器件要求較高的精度。

       結構陶瓷和普通陶瓷在成分和制造工藝上都有很大的差別。普通陶瓷經(jīng)過(guò)原料配制、坯料成型和窯爐燒成三道工序制成；而結構陶瓷大多采用粉末燒結法制造。在成型技術(shù)方面，由于陶瓷的硬度極高，難于切割加工，特別對于形狀復雜的非對型制品，如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機中的增壓器轉子，骨骼、牙齒等生物陶瓷制品，在成型燒結以后即為成品，無(wú)需再加工。為了滿(mǎn)足這一要求，人們模仿高分子材料工業(yè)的注射成型技術(shù)生產(chǎn)塑料零件的方法，加工結構陶瓷制品，取得了滿(mǎn)意的效果。

        陶瓷注射成型技術(shù)，是在陶瓷粉料中加入熱塑性樹(shù)脂、熱固性樹(shù)脂，增塑劑和減摩劑，使陶瓷粉料成為粘性彈體，然后將加熱混煉后的料漿從噴口射入金屬模內，冷卻固化即成。常用的熱塑性樹(shù)脂有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯，加入量為10-30％。這一技術(shù)很大程度地提高了形狀復雜產(chǎn)品成型的精度和可靠性。

         一、注射成型設備

       注射成型機一般由增塑裝置(或注射裝置)、合模裝置、油壓裝置以及電子、電源控制裝置組成。其類(lèi)型根據增塑裝置內部結構的不同，可以分為柱塞式和并聯(lián)螺旋槳式。近年來(lái)，一般認為后者優(yōu)點(diǎn)較多。

       注射成型機是以電子、電源控制裝置為中樞，在驅動(dòng)油壓裝置的同時(shí)使增塑裝置、合模裝置順次工作。其工作程序是：陶瓷原料由漏斗放入，進(jìn)入缸體，原料在送人缸體端部的同時(shí)，進(jìn)行熔化、攪拌，經(jīng)缸體端部的噴嘴注射至金屬模具的型腔中獲得坯件。國外先進(jìn)的控制系統采用屏幕顯示方式(如利用示波管、等離子、電致發(fā)光、液晶)，以及設計圖形控制臺方式或二者組合的復合控制臺方式。

       模具材料一般采用高潔度、耐磨性、耐腐蝕性均優(yōu)良的合金鋼。模具設計應當符合陶瓷一高分子系統的流動(dòng)特性。為了減少成型體的收縮，避免模具體內空氣卷入成型體，因此模具要考慮控制放出口。在環(huán)狀制品上，柵的對側易產(chǎn)生熔合紋，所以也要注意柵的位置。為了使注塑條件最優(yōu)化，需要依靠模具、料筒等的溫度管理和模具內的壓力傳感器進(jìn)行細致的管理。此外，模具上應有冷卻槽，可以冷卻和加熱，依靠溫度調節器使模具溫度保持恒定，對提高成型體的精度很有效。由于原料中要大量使用有機材料，為了不使毛坯產(chǎn)生熱裂，不剩碳渣地進(jìn)行脫脂也是一個(gè)重要課題。

       二、工藝

       陶瓷的注塑成型原理和塑料的注塑成型基本相同。只是塑料內混合大量的陶瓷粉末。為了改進(jìn)注塑成型條件，必須選擇與使用原料匹配的有機材料，并要選定添加量。為了獲得致密又均勻的注塑成型體，陶瓷粉末的濃度要高些。但過(guò)高將使成型性能變差。為改進(jìn)混煉坯料的流動(dòng)性，應降低分散劑高分子系的粘度。作為前處理很重要的是提高陶瓷粉末的分散性，為了提高高分子的流動(dòng)性，需添加適當的增塑劑和潤滑劑。

         陶瓷原料的粒度一般為1μm，加入粘結劑(或稱(chēng)為添加劑)，經(jīng)充分混合、攪拌。注射成型的工藝流程見(jiàn)下圖。
  在攪拌過(guò)程中，陶瓷粉末被粘結劑潤濕和包復，全部成為均勻的復合物才可進(jìn)行注射成型。且需要冷卻、干燥、粉碎后，才獲得適合注射成型機漏斗進(jìn)料的顆粒。

         整個(gè)工藝中應注意和掌握的技術(shù)問(wèn)題有以下四個(gè)方面。

         1、原料的流動(dòng)性

         注射成型所用的陶瓷顆粒一般由80-90％(重要比，下同)的粉末和10～20％的粘結劑組成。粘結劑在脫脂工序中去掉，因此添加量以最低限度為宜，但應注意若添加量不足會(huì )影響成型效果。此外，陶瓷顆粒的流動(dòng)性在粒度越小、形狀越偏離球形時(shí)越差。因此，應用盡可能簡(jiǎn)便的方法對流動(dòng)性進(jìn)行測試。

         2、成型條件產(chǎn)生的缺陷

       成型條件如果不正確，會(huì )產(chǎn)生各種缺陷。其中最關(guān)鍵的是熔焊線(xiàn)條，若成型體帶有通孔或盲孔，則容易出現這種缺陷。因此，必需注意模具的設計，特別是開(kāi)口的類(lèi)型、位置、大小及個(gè)數。同時(shí)應注意注射成型的注射溫度和速度間的平衡。

       此外，為了避免發(fā)生表面粗糙、裂紋、長(cháng)條痕、變形等缺陷。在成型困難的情況下，可在注射成型機中裝設自適應控制器，進(jìn)行細微的控制。

       3、脫脂

       本工序又稱(chēng)去掉粘結劑，通常升溫速度為3~5℃/b，約進(jìn)行5～10日，但在0.5MPa壓力的保護氣氛下進(jìn)行時(shí)，40小時(shí)可結束脫脂。

       4、燒結

       熱工等參數可根據陶瓷的種類(lèi)而定。燒結中的線(xiàn)收縮率約為15-20％，形狀比較復雜或壁較厚的工作，容易在燒結中產(chǎn)生裂紋，應注意防止。

       三、添加劑

        這是注射成型技術(shù)中最重要的問(wèn)題之一。不同成型方法所需的添加劑特性也不同。如注射成型要求脫脂、流動(dòng)性、膠溶性、強度、收縮；擠壓要求可塑性、膠溶性、強度、潤滑；冷等靜壓(橡膠模壓)要求潤滑、制粒性、強度；機械壓制要求潤滑制粒性、強度、脫模等。同時(shí)，對于不同的制品也要選用不同的粘接劑。

       注射成型技術(shù)對添加劑的要求如下。

       1、膠溶性：各種成型方法都盡量采用較少的添加劑為宜，可以采用解膠性(膠溶性)添加劑，這對減少生產(chǎn)周期和產(chǎn)品成本均有利。特別是有利于以后去掉粘結劑。

        2、流動(dòng)性：注射成型要求在高壓下的流動(dòng)性。使用樹(shù)脂系粘結劑注射效果良好，原因是使用樹(shù)脂系的時(shí)候，應當注意保持粘度和緩慢地進(jìn)行注射。

       3、膨脹與收縮：由于注射成型使用了大量的粘結劑，致使毛坯收縮大，影響尺寸精度和幾何形狀，并容易形成氣孔。因此，可以選用石臘一類(lèi)膨脹—收縮小的物質(zhì)作添加劑。這類(lèi)物質(zhì)要比松香等非結晶物質(zhì)的膨脹——收縮影響小。

       注射成型技術(shù)，日本早在五十年代曾采用氧化鋁塊陶瓷作內燃機的點(diǎn)火塞。以后在小型復雜的零件中相繼用于生產(chǎn)。近年來(lái)，人們積極從事各種耐熱、耐磨損零件的開(kāi)發(fā)研究，例如，柴油發(fā)動(dòng)機的渦流腔機頭已經(jīng)實(shí)現陶瓷化，就是采用注射成型技術(shù)制造的。

 
       日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所試驗成功了只用水進(jìn)行的“冷凍注射成型法”。這是利用水具有的流動(dòng)性和凍結性來(lái)實(shí)現陶瓷的固體化和脫模。在預先冷卻到-5～10℃的模具內填充0～5℃左右的坯料，填充的同時(shí)坯料從內壁面凍結，當內部?jì)鼋Y達到脫模強度時(shí)，毛坯即可以模中取出。由于不必象前述那樣使用大量有機添加劑，因此無(wú)需長(cháng)時(shí)間的脫脂工序，所以能夠大大地；縮短生產(chǎn)時(shí)間，從而為降低成本、增加產(chǎn)量創(chuàng )造了有利條件。
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