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氧化铝陶瓷注射成型工艺的关键要点
2021年03月22日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:370
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氧化铝是目前工业上被应用最广泛的特种陶瓷材料之一,不仅价廉易得,具有高的机械特性和高的电绝缘性与低的介电损耗等特点,因此在航天航空、机械、电子、电力、汽车、化工、医学等领域应用十分广泛。

不过氧化铝陶瓷本身硬度高、脆性大的特点导致它很难被切削加工——换句话说,氧化铝异形间的成型及精度控制都具备相当的难度,尤其是微型结构件(毫米级),大多成型方法几乎都无能为力。

不过车到山前必有路,陶瓷注射成型(Ceramic Injection Molding,CIM)技术的出现与发展为氧化铝陶瓷成型开辟了新道路。通过注射成型制备的产品,不仅尺寸精确可控,而且可实现大批量生产,无需或只需少量的机械加工,大大降低了陶瓷的生产成本。

氧化铝异形件

一、工艺流程

CIM主要包括喂料制备、注射成型、脱脂和烧结四个阶段。其基本过程为在氧化铝陶瓷粉末中加入粘结剂,并使其混合均匀,形成具有粘塑性的喂料,在加热状态下,利用注射成型机将喂料注入模具模腔内冷凝成型,经过脱脂工艺去除粘结剂后,便可用于烧结。

注射成型工艺流程

总的来讲,氧化铝陶瓷注射成型的原理与工艺并不复杂,因此在制造业中很受欢迎。尤其是发动机、燃气轮机和火箭发动机等需要形状复杂、精度高、耐高温、硬度高零部件的领域,更是很早就开始这方面的应用——如1931年时,德国Siemens Halske公司将氧化铝陶瓷应用于火花塞材料;1942年时日本将氧化铝陶瓷应用于军用航空飞机的火花塞上。

二、工艺要点

不过要想通过注射成型工艺得到品质上乘的氧化铝件,有许多地方需要注意,比如说注射和脱模等过程就受到众多因素的制约,因此控制注射中的各项关键参数的变化是该领域的重点研究内容。

1.粉末的选择和优化

目前,对氧化铝陶瓷材料的研究集中在两大类,一类集中在α-Al2O3γ-Al2O3以及两者不同比例的结合上,研究发现不同结构的Al2O3粉末混合比,引起注射成型粘结剂比例、喂料流动性、产品收缩率和晶界扩散有较大差别。另一类是氧化铝为基掺杂其它陶瓷或金属材料所制备的复合材料,在氧化铝中掺杂Cr3C2SiC、Ti、WC、ZrO2Al、MgO的复合陶瓷材料,可增强位错并抑制晶粒生长,利于晶粒细化,改善产品的力学性能。

对粉末选备的另一个研究领域是粉末平均粒度、松装密度、粉末形状、比表面积、颗粒间隙对喂料流动性能和产品质量的影响。粉末作为注射成形的主要原材料,最重要的要求是粒径细小,形状规则。粒径小的粉末在注射成形时流动性好,填充量大,烧结收缩率低。

2.粘结剂

①粘结剂的选配:粘结剂体系的选配是氧化铝陶瓷注射成型中的核心环节,它不仅直接影响喂料的注射性能,而且决定了脱脂方法,影响产品最终性能。粘结剂体系在注射成型过程中有两个基本功能:首先是保证喂料具有良好的流动性;其次是保证坯体强度。

氧化铝陶瓷注射成型常用粘结剂组分和相应的脱脂方法

表面活性剂的影响根据流变学理论,表面活性剂在很大程度上控制着陶瓷喂料的性质,喂料的稳定性将随陶瓷颗粒表面的吸收层增厚而增加。在氧化铝陶瓷的注射成型工艺中,表面活性剂的用量会随着粘结剂其他组分的不同而发生改变,其含量多为1%5%之间。理论上,表面活性剂对任意组分的粘结剂存在一个最佳值,含量过少,颗粒表面的吸附层不够厚,将影响喂料的流动性能含量过多,加热时粘结剂组分的挥发使成型坯体产生空洞,降低其致密性

混料及流变性能的研究:混料是喂料制备关键的一个环节,混料方式、时间和放料顺序都会影响喂料的流变性能和后期产品的质量。Wen-ChengJ研究了混料顺序与氧化铝陶瓷成品性能之间的相互关系表明,先添加聚丙烯能够更好预热氧化铝粉末,提高混合的动力,利于产品的成型。

3.注射工艺

注射成型工艺控制不当会使产品形成众多缺陷,而这些缺陷直到脱脂和烧结后才能被发现,所以控制和优化注射工艺参数对提高成品率和材料的利用率至关重要。刘烨等在利用有限元对注射过程进行数值模拟时发现,注射速度和模具温度是氧化铝陶瓷微齿轮注射成形的关键工艺参数,但注射温度对注射过程影响较少。

4.脱脂工艺

脱脂过程是注射成型工艺中耗时最长的一道工序,也是质量控制最为关键的一道工序,脱脂不当会造成众多的制品缺陷。大量的研究工作表明:脱脂工艺和粘结剂的添加密不可分,粘结剂的不同,采用的脱脂方式也有所区别

资料来源:

氧化铝陶瓷注射成型研究进展,彭和,蒋显全,李婧,白雪飞。

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