注射成型氧化铝陶瓷工艺研究

研究与开发　文章编号：１００１—９６４３（２００７）０５—００１４－０５　注射成型氧化铝陶瓷工艺研究　雅菁，刘志锋，赵丹，周彩楼，辛颖，刘超　（天津城市建设学院，　天津　３００３８４）　

【摘要】：研究了氧化铝陶瓷注射成型工艺过程，包　括粘结剂的选择、粉末装载量的确定及热脱脂工艺的研究。　探讨了注射压力、注射温度和模具温度等注射成型工艺参　数对试样性能的影响，得到了一条优化的氯化铝注射成型　工艺路线。　【关键词】：氯化铝，注射成型，粘结利，睨脂　

引言　陶瓷注射成型技术（Ｃｅｒａｍｉｃｓ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　Ｍｏｌｄｉｎｇ　简称ＣＩＭ）类似于７０年代发展起来的金属注射成型　（Ｍｅｔａｌｓ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　Ｍｏｌｄｉｎｇ简称ＭＩＭ）技术，它们　均是粉末注射成型（Ｐｏｗｄｅｒｓ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　Ｍｏｌｄｉｎｇ简称　ＰＩＭ）技术的主要分支，均是在聚合物注射成型技术比较　成熟的基础上发展而来的，是当今国际上发展最快、应　用最广的陶瓷零部件精密制造技术ｌ】　］。其突出的优点包　括［３－４］：（１）成型过程机械化和自动化程度高；（２）可净近　成型各种复杂形状的陶瓷零部件，使烧结后的陶瓷产品无　需进行机加工或少加工，从而减少昂贵的陶瓷加工成本；　（３）成型出的陶瓷产品具有极高的尺寸精度和表面光洁度。　陶瓷注射成型技术以其独特的优势已在高精度和高附加　值的新产品制造上显示出无比强大的生命力，解决丁，后　续机加工问题，成为精密陶瓷成型技术的一颗新星。　目前，氧化铝陶瓷以其独特的优势在高技术和尖端　工业，如做电子、核反应堆、磁流体发电、航天、人工　骨和人工关节等方面越来越得到广泛的应用。这些氧化　铝陶瓷和普通陶瓷在成分和制造工艺上都有着很大的差　别，特别是在成型技术方面，由于氧化铝陶瓷的硬度高，　难于切割加工，尤其对于形状复杂的氧化铝制品，如汽　车发动机中的增压器转子，骨骼、牙齿等生物陶瓷制品，　在成型烧结以后即为成品，无须再加工，而传统成型技　术（如干压、等静压等）后续机加工大，难以满足这一　苛刻要求。　陶瓷注射成型主要包括以下四个方面：配料及混炼、　注射成型、脱脂和烧结Ｉ４】。其中前三个是陶瓷注射成型工　艺所特有的。由于在陶瓷注射成型中陶瓷粉末细小且形　状不规则，其工艺参数的控制相比金属注射成型而言需　更为精细。除了烧结工序外，粘结剂、喂料混炼、注射　成型、脱脂等各道工序都与传统陶瓷粉末干压成型有着　很大的差异，研究了氧化铝陶瓷注射成型工艺过程及主　

收稿日期　基金项目　作者蔺介　

ｆ４　ｆ中国陶瓷ｌ　ＣＨＩＮＡ　ＣＥＲＡＭＩＣＳ　Ｉ　２００７（４３）第５期　

要工艺参数的影响。　１　实验过程　

１．１原料　氧化铝陶瓷粉（Ａ１　Ｏ　，分析纯）；液体石蜡（Ｐｗ，　化学纯）；聚丙烯（ＰＰ，化学纯）；硬脂酸（ＳＡ，化学纯）。　１．２实验过程　将称量好的ＰＰ加热到１９０℃左右，使其由白色粒　状变为无色的稠状物质；在加入ＳＡ，加热温度控制在　１７０℃左　待其溶解后冷却一段时间加入ＰＷ，继续加热，　温度控制在１５０。Ｃ左右，直至全部混合，呈白色粘稠状物　质。将Ａ１，Ｏ，粉缓慢加入到上述粘结剂中，用搅拌机搅拌　均匀，每次加入粉末为整个总量的１／４左右；待充分混　合后，将混合料在烘箱中静置２４ｈ，同时保持一定的真空　度使混合料中的气体排出；充分陈腐后，将混合料在挤　出机中练泥造粒。最终将混合料制成长约３　５ｒａｍ，直径　约２ｒａｍ的条状，得到适合注射成型的粒状喂料。注射成　型在宁波海天集团生产的ＨＴＦ８６Ｘ２型注射成型机上完　成。采用热脱脂工艺对试样进行脱脂，最后将脱脂坯置　于硅钼棒高温电炉中，空气气氖中于１５５０￣Ｃ烧结成成品。　１．３测试与表征　用排水法测量样品的密度；喂料的差热一热重曲线　在ＬＣＴ一２差热天平上完成；将试样切割成２５ｒａｍ×５ｒａｍ　Ｘ　２．５ｒａｍ的试条，用三点弯曲法测抗弯强度。　２结果与讨论　

２．１粘结剂的选取　在陶瓷注射成型中，粘结剂具有两个基本的功能：　首先，在注射成型阶段能够和粉末均匀混合，降低粉末　的粘度，使粉末具有良好的流动性，成为适合于注射成　型的喂料；其次，粘结剂能够在注射成型后和脱脂期间　起到维持坯体形状的作用，使产品在烧结前具有完整合　适的形状。陶瓷注射成型所用粘结剂的选择主要考虑以　下四点：（１）体系内的相容性；（２）注射悬浮体流变学　特性；（３）脱模性和生坯强度；（４）脱脂特性。根据这　些原则，粘结剂多选择热塑性多组元体系，即由流动性　好的低熔点组元和高分子聚合物组元组成。有机粘结剂　与陶瓷粉体混炼后的结合强度主要取决于热塑性高聚物，　脱脂特性亦可由耐热性好的高聚物调节，可塑性和润滑　剂则可改善体系流动性及脱模性能；表面活性剂具有综　合调节作用［５－７］。　目前，石蜡一聚烯烃粘结剂体系已广泛应用于科研　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第５期　中国陶瓷　和生产实践。因为石蜡基粘结剂的流变性能好，注射工　艺范围宽。实验中选用石蜡即以软化温度点低、流动性　好的Ｐｗ作为主要填充物；高分子聚合物ＰＰ熔点较高，　可作为骨架材料以保证生坯具有足够的强度；以少量的　ＳＡ作为表面活性剂或润滑剂不仅可以在粘结剂和粉末　颗粒之间起桥梁作用，防止两相分离，保证混料的均匀，　而且可以在粉末颗粒之间、粉末颗粒与模壁之间起到润　滑的作用，从而达到预计的效果。　在陶瓷注射成型中聚合物粘结剂之间或是聚合物与　增塑剂之间的相容性都是必要的，若有机载体之间相容　性差，则不能有效的降低混合物的粘度，注射成型冷却　过程中有机物产生大量偏析以及粘结剂与模具分离，不　能获得组分均匀的成型坯体。　高分子物质共混的过程实际上是分子链问相互扩散　的过程，受到分子链问作用力的制约。内聚能密度（△　Ｅ／Ｖ）是分子链问作用力大小的量度，但由于高分子不　能汽化而无法直接测量内聚能密度，因而常用溶度参数ｄ，　即内聚能密度的开方（△Ｅ／Ｖ）　来表示分子链问作用　力的大小，ｄ值越接近，相容性越好，即△ｄ越小，相容　性越好［Ｓｌ。　表１　粘结剂组分的溶度参数（单位：（Ｊ·ｃｍＩ。）　）　粘结剂组分　ｌ　ＰＰ　ｌ　ＰＷ　ｌ　ｓＡ　鎏痊叁墼ｌ垒ｌ　ｌ　：　Ｑ　ｌ　２：　Ｑ　ｌ　２：墨２　表ｌ为所用粘结剂组分的溶度参数值，由表中数据　可知组元之间的溶度参数差为：　ＰＰ与Ｐｗ之间溶度参数差为：　△ｄ．＝８．１０－７．８０＝０．３０（Ｊ－Ｃ１Ｔ１０）　ＰＰ与ＳＡ之问溶度参数差为：　△ｄ　＝８．１０－７．８７＝０．２３（Ｊ·Ｃ１Ｔ１　）　Ｐｗ与ＳＡ之间溶度参数差为：　△ｄ，＝７．８７－７．８０＝０．０７（Ｊ·Ｃ１ＴＩ　）　：　根据相容性原则判断准则：△ｄ＜０．７相容性好，△　ｄ＞ｌ不相容［８１。可见，ＰＰ，Ｐｗ与ＳＡ之间相容性都非常好。　２．２喂料及粘结剂配方的确定　在Ａ１　Ｏ　陶瓷注射成型过程中，为了确保粉末具有　良好的流动性，而且在脱脂期间能够维持坯体基本形状，　需在喂料里加入一定数量的粘结剂，通过实验发现粘结　剂含量一般在３０ｗｔ％以上。表２给出了实验中典型的　Ａ１　Ｏ　陶瓷注射成型用喂料的组分。　按照表２中的配方制备Ａ１　Ｏ　陶瓷喂料，然后注射　样品（注射温度为ｌ８０℃、注射压力为ｌｌ０ＭＰａ），采用３．４　中的脱脂工艺进行热脱脂，再将脱脂坯烧结成成品。仅　从烧后样品外观看ｌ　试样表面光滑平整；２　试样表面略　有气泡；而３　试样表面有少量开裂现象。　体积密度及强度测试结果（见表３）表明，烧后ｌ　试样比２　、３　试样密度及强度值较高，其原因可能是ｌ　试样中Ａ１　Ｏ　含量较多，且粘结剂能够与Ａ１　Ｏ　粉末均匀　混合，当粘结剂完全脱除后，坯体中Ａ１，Ｏ　颗粒能够紧密　堆积，形成的结构缺陷少，故体积密度较大、强度值较高。　而在３　试样中，在粘结剂中作为主要填充物的石蜡较少，　故喂料的流动性较差，混料时Ａ１　Ｏ　陶瓷颗粒分散得相对　不是很均匀，在一定程度上引起了缺陷的产生，使得试　样的密度和强度值较低。　２．３注射参数的选择　注射成型工艺也是整个工序的关键因素之一，如果　控制不当就会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。所以控制和优化注射温度、模具温度、　注射压力和保压时问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。　注射过程是指把计量室中预塑好的喂料熔体注入到　模具型腔里面去的过程。这是喂料熔体经过喷嘴、流道　和浇口向模腔流动的过程。从工艺流程上看可分为两个　阶段：注射阶段和保压阶段，这两个阶段虽都属于熔体　流动过程，但流动条件却有较大区别。　注射阶段是从螺杆推进熔体开始到熔体充满型腔为　止。此时，在螺杆头部对熔体所设定的压强（即注射压力）　和螺杆推进熔体的速度（即注射速度）是注射成型的关　键参数。　注射压力是指注射时料筒内前端熔料所受的最高　压力，而非注射系统油压的最高压力。注射压力与油压　的关系是反比于螺杆横截面积与射料缸面积之比。目前　注射压力尚无可用的计算公式，通常认为注射压力在　２０　２００ＭＰａ之间，要根据的具体的材料而定。显然，注　射压力过小会影响冲模过程的完成，引起欠注；增大压　力有利于冲模的流动过程，但是有可能使坏体内部的残　余应力过大，引起断裂或飞边。　表４为不同注射压力下Ａ１，Ｏ　陶瓷的外观、体积密　度和强度值，其中注射温度为ｌ８０℃。当注射压力过小时，　试样虽已能成型，但较为松软；而压力过大时，内部会　出现气孔等缺陷；当注射压力达到１４０ＭＰａ的时候，试　

表２　注射成型喂料组成　编号　氧化铝／ｗｔ％　粘结￣／ｗｔ％　粘结剂　聚丙烯／ｗｔ％　石蜡／ｗｔ￣／ｏ　硬脂酸／ｗｃｏ／０　１　７０　３０　２０　７９　１　２讦　６０　４０　２０　７９　１　３　６０　４０　６７　２２　１１　

中国陶瓷Ｉ　ＣＨＩＮＡ　ＣＥＲＡＭＩＣＳ　Ｉ　２００７（４３）第５期Ｉ　１５　

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