先進陶瓷注射成型工藝

先進陶瓷注射成型工藝

陶瓷注射成型（Ceramic Injection Molding，簡稱CIM）是將聚合物注射成型方法與陶瓷制備工藝相結合而發展起來的一種制備陶瓷零部件的新工藝。特別是對尺寸精度高、形狀復雜的陶瓷制品的大批量生產，采用陶瓷粉末注射成型有優勢。目前，陶瓷注射成型已廣泛用于各種陶瓷粉料和各種工程陶瓷制品的成型，通過該工藝制備的各種精密陶瓷零部件，已用于航空、汽車、機械、能源、光通訊、生命醫學等領域。

圖1 陶瓷注射成型示意圖

一、陶瓷粉末注射成型的技術特點

從技術特點來說，陶瓷粉末注射成型和金屬粉末注射成型類似，理論上任何形式的陶瓷粉末原料，如ZrO2、Al2O3、Si3N4等，都能利用CIM工藝制造形狀復雜、精度高的產品其基本工藝過程

陶瓷粉末注射成型工藝的主要特點如下：

①成型過程具有機械化和自動化程度高、生產效率高、成型周期短、坯體強度高，生產過程中的管理和控制也很方便，易于實現大批量、規模化生產；

②可近凈成型各種幾何形狀復雜的及有特殊要求的小型陶瓷零部件，使燒結后的陶瓷產品無需進行機加工或少加工，從而減少昂貴的陶瓷加工成本；

③注射成型過程中加入的粘結劑較多，需先經過低溫脫脂工藝，才能進而高溫燒結，對于厚度大的制品，脫脂時間可能長達100-200小時。

④成型時，陶瓷粉末和粘結劑的混合均勻，后期燒結其收縮一致，得到的陶瓷制品各部位密度均勻，因而這類產品具有*的尺寸精度和表面光潔度。

二、陶瓷粉末注射成型工藝環節

包括4個環節：

1、注射喂料的制備

將合適的有機載體（具有不同性質和功能的有機物）與陶瓷粉末在一定溫度下混煉、干燥、造粒，得到注射用喂料；

粉末注射成型不僅要求粉末無團聚、潔凈無雜質等，還希望陶瓷粉末能滿足注射成型對熔體流變性能的要求，提高成型過程的穩定性，且要對陶瓷粉末的粒度分布進行優化，提高固相體積分數或降低懸浮體粘度。

2、注射成型

混煉后的注射混合料于注射成型機內被加熱轉變為黏稠性熔體，在一定的溫度和壓力下高速注入金屬模具內，冷卻固化為所需形狀的坯體，然后脫模。

3、脫脂

通過加熱或其他物理化學方法，將注射成型坯體內的有機物排除；脫脂工藝是陶瓷注射成型工藝中極為關鍵的一環，其耗時較長。

隨著粘結劑體系的增加和改進，形成了多種新的CIM脫脂方法，包括溶劑脫脂、虹吸脫脂、催化脫脂、水基萃取脫脂、超臨界萃取脫脂、微波脫脂等。

4、燒結

脫脂后陶瓷素坯在高溫下致密化燒結，獲得所需外觀形狀、尺寸精度和顯微結構的致密陶瓷部件。

燒結速度與粘性流動、凝結、容積擴散、表面擴散等有關。顆粒的直徑越小、熔融粘度越低，且表面張力越大，燒結速度就越快。而且燒結后，制品一般會有約13-20%的收縮率。

三、陶瓷粉末注射成型工藝的應用

1、高溫熱機陶瓷部件

主要是發動機渦輪轉子和燃氣輪機陶瓷葉片等熱機陶瓷部件，材料通常為氮化硅或碳化硅等耐高溫的陶瓷。

2、光通訊用精密陶瓷件

光纖連接器用四方氧化鋯陶瓷插芯和氧化鋯陶瓷套筒。

圖2 氧化鋯陶瓷插芯 

3、醫學用生物陶瓷制品

包括外科機械用各種陶瓷器件、陶瓷關節、牙齒矯正用透明陶瓷槽、牙齒修復用陶瓷螺桿和牙樁等，這些產品尺寸小、形狀復雜、精度高。 

圖3 陶瓷關節

4、電子機械用零部件

半導體和電子行業廣泛使用的各種Al2O3體系絕緣陶瓷零部件、小型精密陶瓷滑動軸承、各種陶瓷噴嘴等。

5、現代生活用陶瓷制品

有耐磨陶瓷表殼與表鏈、耐磨損的陶瓷推剪、陶瓷刀等，克服了金屬易氧化和產生化學致過敏的缺點。

圖4陶瓷手表