结构陶瓷注射成型技术

        结构陶瓷又叫精密陶瓷、特种陶瓷或高技术陶瓷。它是采用高度精选的原料，按照特殊的制造工艺生产，能精确控制化学组成和具有优异热电和物理性能的新型陶瓷。目前，结构陶瓷主要使用在高技术和工业，如微电子、核反应堆、航天、磁流体发电、人工骨和人工关节等方面。结构陶瓷在制造工艺上，应当满足以下三方面的要求。        ①精选的原料要选用高纯度的，颗粒应尽可能的细；

       ②严格控制化学成分。制造过程中要防止杂质混入和成分本身的挥发，对烧结件的颗粒度、界面、气孔等要严格控制，以达到质量稳定和具有再现性；

       ③精确的形状和尺寸。结构陶瓷制件一般不经加工，直接使用，特别是陶瓷电子器件要求较高的精度。

       结构陶瓷和普通陶瓷在成分和制造工艺上都有很大的差别。普通陶瓷经过原料配制、坯料成型和窑炉烧成三道工序制成；而结构陶瓷大多采用粉末烧结法制造。在成型技术方面，由于陶瓷的硬度极高，难于切割加工，特别对于形状复杂的非对型制品，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，无需再加工。为了满足这一要求，人们模仿高分子材料工业的注射成型技术生产塑料零件的方法，加工结构陶瓷制品，取得了满意的效果。

        陶瓷注射成型技术，是在陶瓷粉料中加入热塑性树脂、热固性树脂，增塑剂和减摩剂，使陶瓷粉料成为粘性弹体，然后将加热混炼后的料浆从喷口射入金属模内，冷却固化即成。常用的热塑性树脂有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯，加入量为10-30％。这一技术很大程度地提高了形状复杂产品成型的精度和可靠性。

         一、注射成型设备

       注射成型机一般由增塑装置(或注射装置)、合模装置、油压装置以及电子、电源控制装置组成。其类型根据增塑装置内部结构的不同，可以分为柱塞式和并联螺旋桨式。近年来，一般认为后者优点较多。

       注射成型机是以电子、电源控制装置为中枢，在驱动油压装置的同时使增塑装置、合模装置顺次工作。其工作程序是：陶瓷原料由漏斗放入，进入缸体，原料在送人缸体端部的同时，进行熔化、搅拌，经缸体端部的喷嘴注射至金属模具的型腔中获得坯件。国外先进的控制系统采用屏幕显示方式(如利用示波管、等离子、电致发光、液晶)，以及设计图形控制台方式或二者组合的复合控制台方式。

       模具材料一般采用高洁度、耐磨性、耐腐蚀性均优良的合金钢。模具设计应当符合陶瓷一高分子系统的流动特性。为了减少成型体的收缩，避免模具体内空气卷入成型体，因此模具要考虑控制放出口。在环状制品上，栅的对侧易产生熔合纹，所以也要注意栅的位置。为了使注塑条件最优化，需要依靠模具、料筒等的温度管理和模具内的压力传感器进行细致的管理。此外，模具上应有冷却槽，可以冷却和加热，依靠温度调节器使模具温度保持恒定，对提高成型体的精度很有效。由于原料中要大量使用有机材料，为了不使毛坯产生热裂，不剩碳渣地进行脱脂也是一个重要课题。

       二、工艺

       陶瓷的注塑成型原理和塑料的注塑成型基本相同。只是塑料内混合大量的陶瓷粉末。为了改进注塑成型条件，必须选择与使用原料匹配的有机材料，并要选定添加量。为了获得致密又均匀的注塑成型体，陶瓷粉末的浓度要高些。但过高将使成型性能变差。为改进混炼坯料的流动性，应降低分散剂高分子系的粘度。作为前处理很重要的是提高陶瓷粉末的分散性，为了提高高分子的流动性，需添加适当的增塑剂和润滑剂。

         陶瓷原料的粒度一般为1μm，加入粘结剂(或称为添加剂)，经充分混合、搅拌。注射成型的工艺流程见下图。
  在搅拌过程中，陶瓷粉末被粘结剂润湿和包复，全部成为均匀的复合物才可进行注射成型。且需要冷却、干燥、粉碎后，才获得适合注射成型机漏斗进料的颗粒。

         整个工艺中应注意和掌握的技术问题有以下四个方面。

         1、原料的流动性

         注射成型所用的陶瓷颗粒一般由80-90％(重要比，下同)的粉末和10～20％的粘结剂组成。粘结剂在脱脂工序中去掉，因此添加量以最低限度为宜，但应注意若添加量不足会影响成型效果。此外，陶瓷颗粒的流动性在粒度越小、形状越偏离球形时越差。因此，应用尽可能简便的方法对流动性进行测试。

         2、成型条件产生的缺陷

       成型条件如果不正确，会产生各种缺陷。其中最关键的是熔焊线条，若成型体带有通孔或盲孔，则容易出现这种缺陷。因此，必需注意模具的设计，特别是开口的类型、位置、大小及个数。同时应注意注射成型的注射温度和速度间的平衡。

       此外，为了避免发生表面粗糙、裂纹、长条痕、变形等缺陷。在成型困难的情况下，可在注射成型机中装设自适应控制器，进行细微的控制。

       3、脱脂

       本工序又称去掉粘结剂，通常升温速度为3~5℃/b，约进行5～10日，但在0.5MPa压力的保护气氛下进行时，40小时可结束脱脂。

       4、烧结

       热工等参数可根据陶瓷的种类而定。烧结中的线收缩率约为15-20％，形状比较复杂或壁较厚的工作，容易在烧结中产生裂纹，应注意防止。

       三、添加剂

        这是注射成型技术中最重要的问题之一。不同成型方法所需的添加剂特性也不同。如注射成型要求脱脂、流动性、胶溶性、强度、收缩；挤压要求可塑性、胶溶性、强度、润滑；冷等静压(橡胶模压)要求润滑、制粒性、强度；机械压制要求润滑制粒性、强度、脱模等。同时，对于不同的制品也要选用不同的粘接剂。

       注射成型技术对添加剂的要求如下。

       1、胶溶性：各种成型方法都尽量采用较少的添加剂为宜，可以采用解胶性(胶溶性)添加剂，这对减少生产周期和产品成本均有利。特别是有利于以后去掉粘结剂。

        2、流动性：注射成型要求在高压下的流动性。使用树脂系粘结剂注射效果良好，原因是使用树脂系的时候，应当注意保持粘度和缓慢地进行注射。

       3、膨胀与收缩：由于注射成型使用了大量的粘结剂，致使毛坯收缩大，影响尺寸精度和几何形状，并容易形成气孔。因此，可以选用石腊一类膨胀—收缩小的物质作添加剂。这类物质要比松香等非结晶物质的膨胀——收缩影响小。

       注射成型技术，日本早在五十年代曾采用氧化铝块陶瓷作内燃机的点火塞。以后在小型复杂的零件中相继用于生产。近年来，人们积极从事各种耐热、耐磨损零件的开发研究，例如，柴油发动机的涡流腔机头已经实现陶瓷化，就是采用注射成型技术制造的。

 
       日本东京大学生产技术研究所试验成功了只用水进行的“冷冻注射成型法”。这是利用水具有的流动性和冻结性来实现陶瓷的固体化和脱模。在预先冷却到-5～10℃的模具内填充0～5℃左右的坯料，填充的同时坯料从内壁面冻结，当内部冻结达到脱模强度时，毛坯即可以模中取出。由于不必象前述那样使用大量有机添加剂，因此无需长时间的脱脂工序，所以能够大大地；缩短生产时间，从而为降低成本、增加产量创造了有利条件。
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