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結(jié)構(gòu)陶瓷注射成型技術(shù)

前,結(jié)構(gòu)陶瓷主要使用在高技術(shù)和尖端工業(yè),如微電子、核反應(yīng)堆、航天、磁流體發(fā)電、人工骨和人工關(guān)節(jié)等方面。結(jié)構(gòu)陶瓷在制造工藝上,應(yīng)當滿足以下三方面的要求。
        結(jié)構(gòu)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),能精確控制化學組成和具有優(yōu)異熱電和物理性能的新型陶瓷。目前,結(jié)構(gòu)陶瓷主要使用在高技術(shù)和工業(yè),如微電子、核反應(yīng)堆、航天、磁流體發(fā)電、人工骨和人工關(guān)節(jié)等方面。結(jié)構(gòu)陶瓷在制造工藝上,應(yīng)當滿足以下三方面的要求。
結(jié)構(gòu)陶瓷
       ①精選的原料要選用高純度的,顆粒應(yīng)盡可能的細;

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

       ③精確的形狀和尺寸。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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)過原料配制、坯料成型和窯爐燒成三道工序制成;而結(jié)構(gòu)陶瓷大多采用粉末燒結(jié)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,如汽車發(fā)動機中的增壓器轉(zhuǎn)子,骨骼、牙齒等生物陶瓷制品,在成型燒結(jié)以后即為成品,無需再加工。為了滿足這一要求,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(jié)構(gòu)陶瓷制品,取得了滿意的效果。

        陶瓷注射成型技術(shù),是在陶瓷粉料中加入熱塑性樹脂、熱固性樹脂,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(nèi),冷卻固化即成。常用的熱塑性樹脂有聚乙烯、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(shè)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。其類型根據(jù)增塑裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同,可以分為柱塞式和并聯(lián)螺旋槳式。近年來,一般認為后者優(yōu)點較多。

       注射成型機是以電子、電源控制裝置為中樞,在驅(qū)動油壓裝置的同時使增塑裝置、合模裝置順次工作。其工作程序是:陶瓷原料由漏斗放入,進入缸體,原料在送人缸體端部的同時,進行熔化、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。國外先進的控制系統(tǒng)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(shè)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(shè)計應(yīng)當符合陶瓷一高分子系統(tǒng)的流動特性。為了減少成型體的收縮,避免模具體內(nèi)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(cè)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(nèi)的壓力傳感器進行細致的管理。此外,模具上應(yīng)有冷卻槽,可以冷卻和加熱,依靠溫度調(diào)節(jié)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,不剩碳渣地進行脫脂也是一個重要課題。

       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(nèi)混合大量的陶瓷粉末。為了改進注塑成型條件,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。但過高將使成型性能變差。為改進混煉坯料的流動性,應(yīng)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性,需添加適當?shù)脑鏊軇┖蜐櫥瑒?br />
         陶瓷原料的粒度一般為1μm,加入粘結(jié)劑(或稱為添加劑),經(jīng)充分混合、攪拌。注射成型的工藝流程見下圖。
  在攪拌過程中,陶瓷粉末被粘結(jié)劑潤濕和包復,全部成為均勻的復合物才可進行注射成型。且需要冷卻、干燥、粉碎后,才獲得適合注射成型機漏斗進料的顆粒。

         整個工藝中應(yīng)注意和掌握的技術(shù)問題有以下四個方面。

         1、原料的流動性

         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(jié)劑組成。粘結(jié)劑在脫脂工序中去掉,因此添加量以最低限度為宜,但應(yīng)注意若添加量不足會影響成型效果。此外,陶瓷顆粒的流動性在粒度越小、形狀越偏離球形時越差。因此,應(yīng)用盡可能簡便的方法對流動性進行測試。

         2、成型條件產(chǎn)生的缺陷

       成型條件如果不正確,會產(chǎn)生各種缺陷。其中最關(guān)鍵的是熔焊線條,若成型體帶有通孔或盲孔,則容易出現(xiàn)這種缺陷。因此,必需注意模具的設(shè)計,特別是開口的類型、位置、大小及個數(shù)。同時應(yīng)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(shè)自適應(yīng)控制器,進行細微的控制。

       3、脫脂

       本工序又稱去掉粘結(jié)劑,通常升溫速度為3~5℃/b,約進行5~10日,但在0.5MPa壓力的保護氣氛下進行時,40小時可結(jié)束脫脂。

       4、燒結(jié)

       熱工等參數(shù)可根據(jù)陶瓷的種類而定。燒結(jié)中的線收縮率約為15-20%,形狀比較復雜或壁較厚的工作,容易在燒結(jié)中產(chǎn)生裂紋,應(yīng)注意防止。

       三、添加劑

        這是注射成型技術(shù)中最重要的問題之一。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,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(jié)劑。

        2、流動性:注射成型要求在高壓下的流動性。使用樹脂系粘結(jié)劑注射效果良好,原因是使用樹脂系的時候,應(yīng)當注意保持粘度和緩慢地進行注射。

       3、膨脹與收縮:由于注射成型使用了大量的粘結(jié)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,可以選用石臘一類膨脹—收縮小的物質(zhì)作添加劑。這類物質(zhì)要比松香等非結(jié)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(nèi)燃機的點火塞。以后在小型復雜的零件中相繼用于生產(chǎn)。近年來,人們積極從事各種耐熱、耐磨損零件的開發(fā)研究,例如,柴油發(fā)動機的渦流腔機頭已經(jīng)實現(xiàn)陶瓷化,就是采用注射成型技術(shù)制造的。

 
       日本東京大學生產(chǎn)技術(shù)研究所試驗成功了只用水進行的“冷凍注射成型法”。這是利用水具有的流動性和凍結(jié)性來實現(xiàn)陶瓷的固體化和脫模。在預(yù)先冷卻到-5~10℃的模具內(nèi)填充0~5℃左右的坯料,填充的同時坯料從內(nèi)壁面凍結(jié),當內(nèi)部凍結(jié)達到脫模強度時,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,因此無需長時間的脫脂工序,所以能夠大大地;縮短生產(chǎn)時間,從而為降低成本、增加產(chǎn)量創(chuàng)造了有利條件。
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本文“結(jié)構(gòu)陶瓷注射成型技術(shù)”由科眾陶瓷編輯整理,修訂時間:2019-07-23 09:44:04
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