一文了解陶瓷注射成型工藝

陶瓷注射成型（簡稱CIM）是將聚合物注射成型方法與陶瓷制備工藝相結(jié)合而發(fā)展起來的一種制備陶瓷零部件的新工藝。目前，陶瓷注射成型工藝發(fā)展迅速、用途廣泛，制備的各種產(chǎn)品已用于航空航天工業(yè)、電子業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生業(yè)、機械行業(yè)等領域。
注射成型典型產(chǎn)品和應用領域
其基本工藝過程可分為4個階段：喂料制備、注射成型、脫脂和燒結(jié)。與傳統(tǒng)的干壓成型技術相比，注射成型法有以下優(yōu)勢：（1）成型過程自動化程度高，可大批量生產(chǎn)形狀復雜、尺寸精度高、體積小的陶瓷部件；（2）成型的陶瓷生坯結(jié)構(gòu)密實，質(zhì)量分布均勻，最終燒結(jié)后的性能也優(yōu)于傳統(tǒng)成型；（3）注射成型是一種近凈尺寸成型工藝，生產(chǎn)出的產(chǎn)品具有極高的尺寸精度和表面光潔度，無需（或只需微量）后續(xù)加工，大幅降低了生產(chǎn)成本。

陶瓷注射成型工藝流程

喂料制備
喂料是通過捏合、均勻攪拌、擠壓等方法，在一定的溫度下將粉體與粘結(jié)劑混煉成均勻的、穩(wěn)定的懸浮體，喂料的制備在整個陶瓷注射成型過程中占據(jù)著很重要的位置。粉末具有固含量高、流動性好、成分均勻的特性，在注射成型過程中能生成完整的、沒有缺陷的生坯。相反，如生坯成分不均勻或有缺陷，則燒結(jié)的成品會影響產(chǎn)品的性能。
將陶瓷粉體和粘結(jié)劑混合，是注射成型工藝的第一步，這一過程依賴于陶瓷粉體與粘結(jié)劑之間的潤濕能力和外加機械力的作用。由于在混料過程中所產(chǎn)生的缺陷，無法通過后續(xù)的工藝消除，因此混料階段也是決定注射成型質(zhì)量的關鍵。混煉過程最主要的缺陷是混合料的不均勻，包括粉體與粘結(jié)劑分離和顆粒粒徑造成的粉末在粘結(jié)劑中偏析，都會影響最終陶瓷件的密度降低和結(jié)構(gòu)變形。
注射成型
注射工藝包括注射、保壓和冷卻定型三個階段，即先將粉料加熱軟化后注入模具內(nèi)，在模具內(nèi)保壓一段時間，最后冷卻制備出所需形狀坯體件的過程。注射工藝過程中每個階段都至關重要，控制不當會使得陶瓷件形成裂紋、分層、粉體和有機粘結(jié)劑分離等眾多缺陷。因此，只有控制和優(yōu)化注射成型工藝參數(shù)才能提高產(chǎn)品的性能，降低成本。
脫脂
脫脂是指將坯體中含有的有機物質(zhì)通過加熱或脫脂劑萃取等方法將成型體內(nèi)的添加劑脫除，使坯體內(nèi)部成多孔結(jié)構(gòu)，為燒結(jié)工作提供條件。脫脂環(huán)節(jié)是整個注射工藝中最難控制，最易造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷的環(huán)節(jié)。
近年來，人們成功的研究出很多新型的脫脂方法，并且得到了快速的發(fā)展和應用，如熱脫脂、溶劑萃取脫脂、水萃取脫脂和催化脫脂等。熱脫脂為陶瓷注射成型中最常用的方法，其所需設備較少、工藝簡單、生產(chǎn)成本低，適合精密陶瓷部件，但脫脂所需時間長、反應慢，尤其是對于厚壁的陶瓷部件，熱脫脂很容易產(chǎn)生鼓泡、腫脹、變形等缺陷，導致陶瓷部件尺寸受到限制，一般控制到10mm以內(nèi)。溶劑萃取脫脂工藝大大縮短了脫脂時間，但是由于使用的溶劑大部分有一定毒性，因此不利于環(huán)保，且后期溶劑的處理使得成本大大增加。水萃取脫脂是基于溶劑萃取脫脂原理而開發(fā)出的一種新的脫脂方法，該工藝脫脂速率高，產(chǎn)品易保形，對環(huán)境不產(chǎn)生污染，但其對粘結(jié)劑有特殊的要求，一般的粘結(jié)劑不適合。催化脫脂快速且陶瓷坯體不易產(chǎn)生缺陷和變形，對于制備大尺寸和形狀復雜的的結(jié)構(gòu)陶瓷部件具有優(yōu)勢。
燒結(jié)
燒結(jié)是粉體在高溫高壓條件下結(jié)合成一體的過程，在高溫高壓條件下粉體之間的顆粒相互接觸生成燒結(jié)頸，并且不斷傳質(zhì)變大，直至陶瓷內(nèi)的孔隙被完全排除。由于燒結(jié)致密化過程是依靠物質(zhì)的傳遞和遷移實現(xiàn)的，因此必須存在某種化學梯度才能推動物質(zhì)的遷移，由于粉體顆粒尺寸小、比表面積大，其具有較高的表面能，而燒結(jié)是一個自發(fā)的不可逆的過程，系統(tǒng)表面能降低是推動燒結(jié)進行的基本動力，所以燒結(jié)的結(jié)果是粉末顆粒之間發(fā)生粘結(jié)，使燒結(jié)制品的強度和密度增加。
燒結(jié)初期晶粒生長與致密化幾乎同時進行，較小的顆粒使致密化從較低的溫度開始，而較大的起始粒徑使燒結(jié)體獲得較高的致密化速率；燒結(jié)中后期晶粒生長伴隨了燒結(jié)的全過程，晶粒生長不僅影響致密化，而且對制品顯微結(jié)構(gòu)的發(fā)展產(chǎn)生影響。因此，為了得到標準偏差較小的燒結(jié)密度較高的制品，在燒結(jié)過程中應該設置適當?shù)纳郎厮俾屎偷葴責Y(jié)速度，嚴格控制在燒結(jié)后期出現(xiàn)的溫度波動，以及保證爐膛分布均勻，在陶瓷粉末注射成型過程中，燒結(jié)時一般采用致密化燒結(jié)法，通過增加燒結(jié)壓力及減少陶瓷粉體粒徑的方法來優(yōu)化燒結(jié)工藝。