精密陶瓷射出成型制程技术简介

精密陶瓷射出成型制程技術簡介

一.前言

1.定義

2.特點:耐腐蝕,耐磨,耐高溫,絕緣,比重輕,隔熱,無磁,

人畜無害,耐低溫,熱膨脹系數可控制等.

3.主要分類:

碳化硅(S i C)=→非常高的硬度與熱傳性.

氮化硅(S i3N4)=→良好的高溫強度與韌性.

氧化鋁(A l2O3),氧化鋯(Z r O2),

4.射出成型

二.制程流程

1.陶瓷粉末原料

1.1粉體對產品性能影響

➢堆積密度

➢粒徑大小

➢粒徑分布

➢雜質成分

➢比表面積

➢顆粒外觀形狀

1.2粉體的選擇

a.日本第一稀元素化學工業株式會社的H S Y-3.0(見圖2,3)

b.T o s o h C e r a m i c s株式會社的T Z-3Y S(見圖4,5)

由粒徑分布可知:T o s o h C e r a m i c s的T Z-3Y S氧化鋯陶瓷粉體較細,凝團的程度可以藉由長時間的球磨處理加

以降低,但仍然無法完全消除所有的凝團.

如果氧化鋯陶瓷粉體的顆粒愈細,所需有機結合劑的添加量必須愈高,由初步實驗結果可以知道,日本的粉體

都可以作為陶瓷射出成型的原料,但是T o s o h C e r a m i c s

的T Z-3Y S粉體較細,所添加有機結合劑的量大,燒結后

的尺寸收縮量較大,尺寸控制精度較不容易達到,但繞結

后材料性質較佳.

2.結合劑

適當含量的粉體對成型很重要,一般控制在40-60%,

不同固含量對粘度的影響(見圖6).

2.1有機添加劑種類:

➢主結合劑:P E,P P,P S,P V A(聚乙烯醇),P V B(聚乙烯縮丁醛)➢次結合劑:蜡,礦物油

➢可塑劑:少量添加,可以增加粉未及結合劑在混合后的流動性,降低粘度.

➢表面濕潤劑:少量添加,可以改善粉未和結合劑在混合期間

的濕潤特性,增強其結合性.

2.2結合劑選擇的基本考量:

➢低粘度

➢射出溫度範圍內粘度變化不大

➢燒結后可以完全燒除或可經由溶劑完全萃取無殘留物

➢在脫脂過程初期仍可維持相當的生胚強度

➢在射出冷卻易凝固

➢不會造成粘模

➢不會與粉未起反應

2.3多成份結合劑

➢針對脫脂過程,可使胚件結合劑逐漸燒除避免胚件變形或崩裂,影響精度.

➢結合劑的混合:須均勻分散,避免凝團,e g:P E,P P,P S

➢結合劑的量

2.4結合劑與粉未相容性

3.混練與造粒

3.1混練的作用:將陶瓷粉未與結合劑均勻混合在一起,使

粉未顆粒因結合劑的緣故,產生濕潤現象

並均勻分布於粉未周圍,使得整個混合料

具有良好的可塑性.

3.2混練設備:

批式混練機(S i g m a或Z形葉片雙軸混練機)

雙行星式行走混練機

雙螺杆擠出機

3.3混練步驟:

➢將結合劑熔化

➢將粉未整批或分批加入混練機,以機械剪

力將陶瓷粉體分散於結合劑中.

3.4造粒目的:控制射出粒的形狀及尺寸,避免射出成型時進

料口發生射出料架橋現象,使陶瓷具有良好的

流動性與充填性,以控制射出品質能夠穩定.

3.5造粒方式:擠出造粒和粉碎造粒

4.射出成型

4.1成型設備:推杆式(P l u n g e r-T y p e)

螺杆式(S c r e w-T y p e)(見圖7)

4.2模具及制程參數:

➢模具內部寬度變化盡量避免太大,減少射料

壓力集中情形,工件肉厚變化量最好控制在

3:1之內.

➢避免采用大小不同的模穴.

➢注口直徑較噴嘴大0.08公分,注口和襯間有

5度的斜率,以利脫料.

➢流道,較適當的形狀為圓形,而且流道不可太長.

➢澆口,口徑較大較好.

➢澆口位置,放在射出工件的最薄部位,避免放在模具的上端或下端,且應選擇平行於模具較長

的部位.

➢料溫

➢射壓,盡量降低.

➢模溫

5.脫脂制程

5.1脫脂(D e b i n d i n g,D e w a x i n g)制程是將射出生胚內的

結合劑,藉熱分解法或溶劑萃取法移除之.陶瓷生胚一

般以熱脫脂方式在大氣中或保護氣體下進行,而溶劑

脫脂在金屬射出成型中已相當普遍.

5.2脫脂過程

➢多段脫脂設計.

➢將生胚埋於粉末(e g碳,N i)床(p o w e r b e d)中進

行脫脂作業,藉由粉末的毛細管現象將結合劑

於低溫熔融狀態下吸出,避免氣化造成內應力

再升高溫度,將殘留的主干高分子結合劑快速

氣化,降低脫脂變形可能.

➢溶劑脫脂.

5.3制程參數對脫脂結果的影響

➢升溫速率,結合劑開始熔融前,升溫速率可較快

熔融后必須緩慢升溫,最后再以較快的升溫速率

將高熔點的結合劑除去.

➢持溫溫度

➢持溫時間

➢降溫速率

➢鋪粉種類

6.燒結制程

6.1燒結是胚體經高溫加熱,使其致密化的過程,主要是排

除粉末顆粒間的孔隙,達到致密化.

6.2燒結的評估:密度及收縮率

6.3影響繞結性質的因素:

➢粒度分布:粒度愈小,表面積愈大,易燒結.

➢充填密度:顆粒堆積密度愈高,愈易繞結.

➢燒結溫度及時間

➢升降溫速率

➢燒結氣氛:高壓氣中燒結,胚體不易破裂.

三.結論

1.陶瓷射出成型優缺點

優點:

➢可制作形狀復雜的工件

➢工件尺寸精度控制佳

➢可以自動化大量生產