陶瓷注射成型技术

陶瓷注射成型

刘明亮

（武汉理工大学材料学院武汉市湖北省430000）

摘要：陶瓷注射成型是一种近净尺寸陶瓷可塑成型方法，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。详细阐述了陶瓷注射成型技术的关健因素，重点介绍了粘结剂、注射成型及脱脂等关健工艺及其研究现状，并在此基础上评价和展望了该技术的发展前景。

关键词：陶瓷注射成型；粘结剂；脱脂；现状

Ceramic Injection Molding

Liu mingliang

Abstract: Ceramic injection molding (CIM) is a near-net-shape forming process for fabricating ceramic components, which is extensively used in fabricating parts with high precision and complex shape and received great attention now. In this paper, the key steps of CIM are detailedly reviewed. Their research status and the techno1ogies involved including binder，injection process，debinding and so on are discussed. At last, the development of injection molding technology is also evaluated.

Keywords:ceramic injection molding; binder; debinding; status

20世纪以来，特别是二次世界大战以后，随着原子能工业的兴起和电子工业的迅速发展，对于材料的高温、高耐磨、多功能等性能要求越来越苛刻，而先进的工程陶瓷所具有的优点基本上能满足上述的苛刻条件。如：高性能结构陶瓷以其优异的耐高温、高强度、耐磨损与耐腐蚀等优良性能，被作为陶瓷发动机零部件的候选材料; 还有许多高导热性、绝缘性能良好、光学性能优良的功能陶瓷，在信息转换、存储、传递和处理方面，应用日益广泛。在未来的产业领域中，工程陶瓷将更广泛的取代现代金属材料，成为材料科学中的重要角色。

在陶瓷材料的制备工艺过程中，成形过程是一个重要环节。成形过程就是将分散体系（粉料、塑性物料、浆料）转变成为具有一定几何形状和强度的块体，也称素坯。由于陶瓷材料本身固有的脆性和一些特殊陶瓷材料的高硬度，如采用传统粉末冶金工艺，即先将粉末压制成形，再进行机械加工的方法，成本高且难以制备体积微小、形状复杂、尺寸精度高的陶瓷零部件，而采用注射成形技术，由于坯体的成形形状接近制品的最终形状，使这一问题得到了解决。特别是对于尺寸精度高、复杂形状陶瓷制品的大批量生产来说，陶瓷的注射成形(Ceramic injection molding，CIM) 更有着显著的优势，它可一次性成形复杂形状制品，产品尺寸精度高，无需机械加工或只需微量加工，易于实现生产自动化且产品性能优异。

陶瓷注射成型技术(CIM)类似于20世纪70年代发展起来的金属注射成型(MIM)技术，它们均是粉末注射成型(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,2]。

1 CIM流程路线及技术特点

1.1 注射成型工艺路线

CIM成型的制造过程如图1 所示，主要包括4 个环节: ①注射喂料的制备，将合适的有机载体(具有不同性质和功能的有机物) 与陶瓷粉末在一定温度下混炼、干燥、造粒，得到注射用喂料；②注射成型，混炼后的注射混合料于注射成型机内被加热转变为粘稠性熔体，在一定的温度和压力下高速注入金属模具内，冷却固化为所需形状的坯体，然后脱模；③脱脂，通过加热或其他物理化学方法，将注射成型坯体内的有机物排除；④烧结，脱脂后的陶瓷素坯在高温下致密化烧结，获得所需外观形状、尺寸精度和显微结构的致密陶瓷部件。

1.2 CIM 的技术特点

从技术特点来说，陶瓷粉末注射成形和金属粉末注射成形类似，这一技术很大程度地提高了形状复杂产品成形的精度和可靠性，注射成形技术与其它成形方法的比较见表1[3]。

表1 CIM 与其它成形方法比较

成型方法成型材料制品形状

制品尺寸（cm）

生产效率技术要点直径厚度

注射

粉末+ 有机材料(10~

25%)

非常复杂30~0.5 3.0~1 大量生产脂添加剂选择，脱

机械压制

粉末+ 有机材料( 4~

8%) 简单20~1.0 0.8~1.0

间歇、自动大

量生产

颗粒调整

冷等静压

粉末+ 有机材料( 3~

8%) 较复杂柱状球

状

150~ 3 150~ 1. 9

干式大流量生

产

颗粒调整、磨具设计

粉浆浇注粉末+ 各种材料+ 水相当复杂150~ 20 3. 0~ 0. 3 间歇式控制粒度、调整粉浆

刮片

粉末+ 各种材料+ 有

机溶剂简单200~ 15 0.2~0.003 自动大量生产

粒度分布，粉浆调

整，有机物选择

挤压粉末+ 有机材料+ 水棒状管状30~ 20 2. 5~0. 01 连续大量生产添加剂选择

综合国内外文献及研究生产现状和趋势，我们可以归纳出陶瓷注射成形工艺的主要特点是:

(1) 可自由地直接制备几何形状复杂的制品。

(2) 成形周期短，仅为浇注、热压成形时间的几十分之一至几百分之一，坯件的强度高，可自动化生产，生产过程中的管理和控制也很方便，适宜大批量生产。

(3) 由于粘结剂有较好的流动性，注射成形坯件的致密度相当均匀。

(4) 由于粉末和粘结剂的混合很均匀，粉末之间的间隙很小，烧结过程中的收缩特性基本一致，所以制备各部位密度均匀，几何尺寸精度高。