一文了解陶瓷粉末成型機(jī)

來源：鑫臺(tái)銘時(shí)間：2020-04-02 11:34瀏覽次數(shù)：- | 分享加入收藏

精密陶瓷是近三十年材料科學(xué)領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來的一大分支。但陶瓷材料本身固有的高硬度、低韌性使其不能進(jìn)行普通的變形加工，機(jī)械加工也很困難。常規(guī)的粉末冶金工藝已不能滿足要求，而注射成型工藝在很大程度上解決了這個(gè)問題。

陶瓷粉末成型機(jī)（簡稱CIM）是近代粉末注射成型技術(shù)的一個(gè)分支，是從現(xiàn)代粉末注射成型技術(shù)中發(fā)展起來的一項(xiàng)新型成型技術(shù)，它具有一次性成型復(fù)雜形狀制品、產(chǎn)品尺寸精度高、無需機(jī)械加工或只需微量加工、易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化和產(chǎn)品性能優(yōu)異的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)粉末冶金工藝的不足。

1、陶瓷粉末成型機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

從技術(shù)特點(diǎn)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，都能利用CIM工藝制造形狀復(fù)雜、精度高的產(chǎn)品。

綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)及研究生產(chǎn)現(xiàn)狀和趨勢(shì)，可以歸納出陶瓷粉末注射成型工藝的主要特點(diǎn)如下：

(1)可自由地直接制造幾何形狀復(fù)雜的制品。

(2)成型周期短，僅為澆注、熱壓成型時(shí)間的幾十分之一至幾百分之一，坯件的強(qiáng)度高，可自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中的管理和控制也很方便，適宜大批量生產(chǎn)。

(3)由于粘結(jié)劑有較好的流動(dòng)性，注射成型坯件的致密度相當(dāng)均勻。

(4)由于注射成型加入的粘結(jié)劑較多，故脫脂時(shí)間長，尤其是厚度大的制品，脫脂時(shí)間可能長達(dá)100-200小時(shí)。

(5)由于粉末和粘結(jié)劑的混合很均勻，粉末之間的間隙很小，燒結(jié)過程中的收縮特性基本一致，所以制品各部位密度均勻，幾何尺寸精度高。

2. 陶瓷粉末成型機(jī)工藝的幾大要素

2.1 原料粉末的選用

價(jià)廉質(zhì)優(yōu)的粉末是CMI工藝的關(guān)鍵因素之一，所選用的陶瓷粉末的物理化學(xué)特性，如顆粒形貌、大小、分布及比表面積等對(duì)混合熔體的流變性能有很大的影響，陶瓷粉末的特性對(duì)注射成型熔體的影響主要體現(xiàn)在固相體積分?jǐn)?shù)、粉末粒徑和粒度分布幾個(gè)方面。

綜合考慮，除了一般粉末注射成型對(duì)原料粉末所要求的如粉末無團(tuán)聚、潔凈無雜質(zhì)等要求外，CMI對(duì)粉末的性能還有一些特殊要求，理想的陶瓷粉末應(yīng)能滿足注射成型對(duì)熔體流變性能的要求，提高成型過程的穩(wěn)定性，且要對(duì)陶瓷粉末的粒度分布進(jìn)行優(yōu)化，提高固相體積分?jǐn)?shù)或降低懸浮體粘度。

2.2 粘結(jié)劑的選用

粘結(jié)劑是CMI技術(shù)中的核心和關(guān)鍵。

粘結(jié)劑和粉末的均勻混合，可提高粉末流動(dòng)性，能使粉末填充成預(yù)期形狀，它對(duì)整個(gè)工藝有重要影響，因此粘結(jié)劑的成分及配置是注射成型中最保密的技術(shù)訣竅，這方面申請(qǐng)的專利也最多。CIM用粘結(jié)劑須具備以下性能：

(1)流動(dòng)特性：流動(dòng)性的好壞與粘結(jié)劑的分子量大小和分布有關(guān)，一般低分子量的粘結(jié)劑粘度較低，流動(dòng)性好，而高分子量粘結(jié)劑粘度較高，流動(dòng)性較差。一般我們認(rèn)為，注射成型溫度下粘結(jié)劑的粘度要小于0.1Pa.s，且粘度隨溫度的波動(dòng)不能太大。

(2)粘結(jié)劑與粉末的關(guān)系：粘結(jié)劑必須能很好地潤濕粉體，并對(duì)粉體有較好的黏附作用，粘結(jié)劑與粉體的潤濕角要小，通常為了改善粘結(jié)劑的潤濕性能，要加入一些表面活性劑，如硬脂酸鹽、鈦酸鹽等。同時(shí)粘結(jié)劑通過潤濕顆粒產(chǎn)生毛細(xì)管力吸附顆粒，保持坯體不變形。此外，粘結(jié)劑相對(duì)于粉末來說應(yīng)是惰性的。

(3)粘結(jié)劑由多組分有機(jī)物組成：為滿足喂料的流動(dòng)性要求，單一品種的有機(jī)粘結(jié)劑很難達(dá)到，且多組分有機(jī)聚合物組成的粘結(jié)劑對(duì)脫脂更為有利，同時(shí)粘結(jié)劑各組元有機(jī)聚合物之間的相容性要好。

(4)粘結(jié)劑具有較高的導(dǎo)熱性和較低的熱膨脹系數(shù)：較高的導(dǎo)熱性能在較大的區(qū)域內(nèi)把熱能散開，避免因熱應(yīng)力而產(chǎn)生缺陷，而較低的熱膨脹系數(shù)可減少坯體所受熱沖擊，減少缺陷。

此外，粘結(jié)劑還必須具有無毒害、不污染環(huán)境、不揮發(fā)、不吸潮、循環(huán)加熱性能不變化等。

2.3 混料過程

注射成型前，必須將陶瓷粉末與粘結(jié)劑充分混合均勻，選定粘結(jié)劑配方后，應(yīng)將添加量限制在所需的最低限度。

混合順序是先加入熔點(diǎn)高、粒徑大的粘結(jié)劑混合，溶化，再依次加上熔點(diǎn)低的成分，并加上粉體，最后加增塑劑，一般要混勻30分鐘以上。

有三種混合器適合制備用于陶瓷注射成型的混合物，間歇操作的是軋制機(jī)和Banbury密煉機(jī)，而擠壓機(jī)是半連續(xù)操作的。擠壓機(jī)一般為單螺桿式或雙螺桿式，而后者更有效。許多螺桿擠壓機(jī)的顯著特點(diǎn)就是流道的幾何結(jié)構(gòu)的多樣性和變化，這是為了避免出現(xiàn)物料中有未被混合的情況。

2.4 注射成型過程

注射成形是指將粒料用注射成型機(jī)加熱軟化后注入模具，在模具中冷卻重新固化而制得所需形狀的工藝過程。 注射成型機(jī)由注射裝置、合模裝置(模具安裝部分)、液壓裝置和電氣控制裝置所組成。

注射成型陶瓷材料要求注射機(jī)的相應(yīng)零部件能耐磨損，特別是注射機(jī)的螺桿、止回閥和料筒。

2.5 脫脂過程

燒結(jié)前需進(jìn)行脫脂，脫脂即將注射成型中的粘結(jié)劑組元用物理或化學(xué)的方法脫除的過程，它是陶瓷注射成型工藝過程中耗時(shí)最長的一步，也是極為關(guān)鍵的一步。

隨著粘結(jié)劑體系的增加和改進(jìn)，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。

2.6 燒結(jié)過程

脫脂結(jié)束后，脫脂尺寸與預(yù)制件幾乎沒有什么不同，即為多孔質(zhì)成形體，密度較低，因此需通過高溫?zé)Y(jié)來獲得高性能致密制品。粉末冶金中的各種燒結(jié)法及致密化措施均適用于CIM中。燒結(jié)速度與黏性流動(dòng)、凝結(jié)、容積擴(kuò)散、表面擴(kuò)散等有關(guān)。粒子的直徑越小、熔融粘度越低，且表面張力越大，燒結(jié)速度就越快。而且燒結(jié)后，制品一般會(huì)有約13-20%的收縮率。

3. 陶瓷粉末成型機(jī)工藝的應(yīng)用

（一）航航空航天工業(yè) 典型產(chǎn)品主要包括：渦輪轉(zhuǎn)子、葉片、飛機(jī)宇航器軸承、配套件火箭鼻錐等。

（二）汽車業(yè) 典型產(chǎn)品主要包括：火花塞、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、閥門、活塞、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子、噴嘴等。

（三）電子業(yè) 典型產(chǎn)品主要包括：光導(dǎo)纖維導(dǎo)管、集成電路基板、電阻器、發(fā)熱元件等。

（四）醫(yī)療 典型產(chǎn)品主要包括：人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工牙床、牙托、醫(yī)用刀具等。

（五）日用品 典型產(chǎn)品主要包括：手表表殼、理發(fā)推剪、絕緣體、彈簧等。

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