陶瓷粉末成形技术

陶瓷注射成形技术
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摘要：本文重点介绍了陶瓷注射成形技术的基本工艺过程及最近发展概况;并论了陶瓷注射成形技术的发展趋势。

关键词：陶瓷注射成形脱脂
●引言
陶瓷注射成形技术（ceramics injection molding, CIM）类似于二十世纪七十年代发展起来的金属注射成形（MIM）技术，它们均是粉末注射成形（PIM）技术的主要分支，都是在聚合物注射成形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、应用最广泛的陶瓷零部件精密制造技术。

其突出的优点包括：1、成形过程借些化合自动化程度高；2、可近净成形各种复杂形状的陶瓷零部件，是烧结后的陶瓷产品无需进行加工或少加工，从而降低了昂贵的陶瓷加工成本；3、成形出的陶瓷产品具有极高的尺寸精度和表面光洁度。

因此，陶瓷注射成形成为现有陶瓷成形技术中高精度和高效率的成形方法之一。

注射成形是将陶瓷粉和有机粘结剂混合后，加热混练并制成粒状粉料，经注射成形机，在130-300摄氏度下注射到金属模腔内，冷却后粘结剂固化成形，脱模取出。

陶瓷粉末注射成形是指选择符合要求的陶瓷粉末和适当的粘接剂体系, 按照一定的配比在一定温度下采用适当的方法混练成均匀的注射成形喂料, 喂料经过制粒后在注射机上注射进人特殊加工的模具来成形所需形状的注射坯, 将制得生坯以一定的脱脂方式脱去粘接剂后经烧结致密化成最终制品。

注射成形可以分为两大类方法、低压注射成形(LPIM)，此类注射成形技术所用粘接剂主要为石蜡基混合物水基粘接剂系统；2、高压注射成形技术(HPIM)，所用粘接剂主要是热塑性聚合物。

最近出现一种新型的微粉末注射成形技术(UPIM)，此技术是在过去10年中大量毫米级的复杂零件急剧增加的情况下出现的，据文献[1]利用该技术可以成形100微米大小的微零件。

●工艺流程
陶瓷注射过程，首先是喂料设备，即将可烧结的陶瓷粉料与合适的有机载体按一定配比在一定温度下均匀混合，然后干燥、造粒；而后进行注射成形，即喂料在料筒内加热到熔融态，在一定温度和压力下高速注入模具内，达到完好的充模和脱模；随后进行脱脂，即通过加热或其他物理、化学方法将其性体内的有机物排除；脱脂后的胚体即可在高温下致密化烧结，烧结所得到的胚体可以进行后续加工。

概括起来主要包括以下四个阶段：配料及混炼、注射、脱脂和烧结。

其中前三个阶段是陶瓷注射成形技术所特有的，因此与陶瓷注射成形有关的研究也主要围绕这三个阶段进行。

图1 陶瓷粉末注射成形工艺流程图
注射成形具有成形复杂形状的产品、制品精度高、无需机械加工或只需微量加工、易于实现生产自动化和产品性能优异的特点而且还有产品表面光洁度好、生产成本较低、坯体的密度和强度较高等特点。

成形的关键因素
1.陶瓷粉末
CIM中选用的陶瓷粉末的粒度分布、比表面积、颗粒大小以及形状对CIM整个工艺过程都有着十分显著影响。

一般说来，CIM对陶瓷粉体的要求如下[2]:
(1)粉体应专门配制，以达到高的极限填充密度和低的成本;
(2)粉末不结块、团聚;
(3)粉末形状主要为球形;
(4)粉末间有足够的摩擦力以避免粘接剂脱出后坯体变形或散塌，在大多数情
况下，自然坡度角应大于 55°;
(5)为利于快速烧结，应具有小的平均粒度，一般要求小于1微米;
(6)粉末本身致密，无内孔隙;粉末的表面清洁，不会与粘接剂发生化学反应。

2.拈接剂
粘接剂在陶瓷注射成形中起着十分重要的作用，它对成形工艺的成功与否是至关重要，直接影响着粉料的流变性、成形性、脱脂过程、产品尺寸精度等。

CIM首先要求粘接剂与陶瓷粉末有较好的浸润性，使得陶瓷粉末在注射成形阶段能够和粉末均匀混合，降低粉末的粘度(最好为假塑性流体)，使得粉末具有良好的流动性，成为适合注射成形的喂料; 其次，粘接剂能够在注射成形后和脱脂前起到维持坯体形状的作用，使产品在烧结前具有完整合适的形状。

而且为了避免产品中出现缺陷，还要求粘接剂具有较高的导热系数和较低的热膨胀系数; CIM所用粘接剂往往是多组元的粘接剂体系，这就要求各个粘接剂之间要有较好的相溶性【3】。

根据粘接剂的组元和性质主要分为: 热塑性体系、热固体体系、凝胶体系和水溶性体系。

3.脱脂方法
脱脂过程是陶瓷粉末注射成形工艺中的关键环节;由于目前CIM中主要使用热塑性粘接剂，主要脱脂方法有:
(1)直接热脱脂法：热脱脂是最常用的脱脂方式,其原理基于有机物分子的挥发
和裂解；
(2)有机溶剂脱脂[4]：溶剂脱脂又叫溶解萃取脱脂。

溶解萃取脱脂包括溶剂蒸气
脱脂和高压脱脂。

溶剂脱脂是利用溶剂选择性地溶解脱除坯块中的粘结剂组元,以达到比热脱脂更好的精度；
(3)超临界萃取脱脂[5]：超临界流体萃取是近年来迅速发展的一种新型分离技术,
流体是指处于临界温度Tc 具有工艺简单、操作方便等优点。

所谓超临界CO
2
与临界压力Pc以上的流体,兼有气液两相的双重特性: 既具有与液体接近的密度,使其具有与液体相当的溶解能力,又具有与气体接近的粘度和扩散系数,使其具有良好的传质传热性能。

另外超临界流体对物质溶解能力有较强的选择性,因此利用超临界流体可在物质中选择性地萃取其中某一组分。

此外,CO
无毒、不易燃,能出色代替许多有毒、有害、易挥发燃烧的有机溶剂；
2
(4)虹吸脱脂[6]：虹吸脱脂是指将成形坯放置于一个多孔基板或多孔粉坯上,将成
形坯加热到粘结剂的粘度足够低,能够发生毛细流动的程度,粘结剂将在毛
细力的作用下被吸出成形坯并且流入吸料中。

对于虹吸脱脂,吸料粉末的直径要小于成形隙率要高,并且应该与成形坯不发生反应；
(5)催化脱脂[7]：催化脱脂是最近发展起来的一种脱脂工艺,首先由德国著名的化
工公司BASF公司开发。

其原理是利用一种催化剂把有机载体分子解聚为较小的可挥发的分子,这些分子比其它脱脂过程中的有机载体分子有较高的蒸气压,能迅速扩散出坯体。

一般催化脱脂工艺所采用的粘结剂体系是由聚醛树脂和起稳定作用的添加剂组成[8]；
(6)水基萃取脱脂[9]：水基萃取脱脂是在萃取脱脂工艺基础上,经过改进而发展起
来的一种新型的脱脂方法。

水基萃取脱脂的有机粘结剂分为两部分，溶于水的主粘结剂和不溶于水的辅助粘结剂, 所以水基萃取脱脂有一些独特的要求和特点，水溶性粘结剂和不溶性粘结剂在液体状态下能完全混溶,形成均匀的异相溶液(溶液虽是均匀的,但仍是两相),混溶过程特别迅速,在不需要太多能量下30 min内就可以完成。

●发展趋势
粘接剂是陶瓷注射成形的核心，人们对此进行了较为深人的研究;主要围绕着改善喂料流变性能减少脱脂变形和缩短脱脂时间等方面展开;目前比较先进的粘接剂是聚醛树脂和水溶性粘接剂。

德国BASF公司和荷兰的ECN公司各自独立地开发出一种由蜡和聚醛聚合物组成的新型粘接剂，它不但使生坯强度高而且脱脂时间可缩短为2.5小时，它的重要成分聚醛聚合物能在一种气态催化剂的作用下很容易分解成气态的单体，而坯体不产生缺陷;这是一种较为先进的脱脂方法，脱脂速度快，能连续化生产。

另外，水溶性粘接剂也是粘接发展的一个新趋势，成本低、脱脂时间短、效率高。

●最新进展
注射成形的优点是可成型形状复杂的部件，并且具有很高的尺寸精度和均匀的显微结构;缺点是模具设计加工成本和有机物脱脂过程的成本较高。

最近国内外的注射成形主要是围绕着此类问题进行研究，目前注射成形的新进展主要有: (1)水溶液注射成形[10]
水溶液注射成形(Aqueous Injection Molding)采用水溶性的聚合物作为有机载体，附加以分散剂、润滑剂、水等，常用的有机载体有琼脂和琼脂糖，它们通过温度变化来凝固成形。

此法的有机载体不用脱脂，降低了陶瓷注射成形的成本。

AIM技术可以更容易地实现自动控制，与传统的注射成形方法相比降低了成本。

(2)气体辅助注射成形[11]
气体辅助注射成形(Gas-assist cal Ceramic injection)是将气体引人聚合物溶体中，使成形更容易进行，常用来成形中空的器件。

此种方法的优点是:可以避免定向行为的产生，使成形体具有更大的尺寸稳定性，降低了内应力和内部的翅曲，提高了注射效率。

与传统方法相比可以得到更薄的管壁，可以降低原料物料消耗，此方法生产的产品抗弯强度是传统方法的2倍，而且薄壁减少了脱脂时间。

此方面的优点在参考文献[12]、[13]中均有提及。

缺点:浆料的热性能及工艺过程不易控制。

●结束语
陶瓷注射成形作为一种近代成形技术，有着传统成形工艺无法比拟的优越性，在近十几年里已经得到了飞速的发展，无论是在基础理论方面还是在实践应用方面都取得了一定的进展，逐渐成为精密陶瓷等行业最热门的成形技术。

今后，应加强陶瓷注射成形相关技术（如超细粉制备、计算机模拟等技术）的不断研究与开发，特别是工艺本身的不断更新和突破，从而达到提高胚体质量、减少脱脂时间、减少操作工序及适应环保要求的目的，是陶瓷注射成形技术扩展新的应用领域并驱动新的市场。

相信在未来几十年里，信息化、商业化程度的加剧必将带动陶瓷注射成形技术产业化程度加深，使其成为精密零件制造业的支柱。

参考文献
[1] Z. Y. Liu, N. H. Loh, S. B. Tor, et al. Binder System for Micropowder Injection Molding Materials Letters 2001, 48: 31-38
[2] 林健凉, 曲选辉, 范景莲等. 陶瓷粉末注射成形中的关键影响因素. 硬质合金. 2001.
02
[3] 谢志鹏, 杨金龙, 黄勇. 陶瓷注射成型的研究——有机载体的选择及相溶性研究. 硅酸盐通. 1998. 03
[4] Kenneth P. Johnson process for fabricating parts from particulate material[P]. US Pat, 4765950. 1988
[5] 吴音, 司文捷, 金元生, 等. 陶瓷注射成型的一种新的脱脂方法——超临界流体脱脂. 稀有金属材料与工程, 2003, 32(1)
[6] Mutsuddy B C. Non-oxide technical and engineering ceramic[M]. eds. London Elsevier Applied Science: Hampshire, 1986. 1397
[7] 彭先明. 金属注射成型及其在欧洲的新发展[J]. 粉末冶金技术, 1998, 16(2):126
[8] Rak Z S. New trends in powder injection moulding[J]. Ceram Forum Int/Ber DKG, 1998, 75 (9):19
[9] 李益云. 当代金属的注射成型技术[J]. 粉末冶金工业, 2000, 10(1):14
[10] Millan A J, Bravo M. Rheological Characterizetion of AL2O3 Slips for Aqueous Low Pressure Injection Molding. British ceramic transactions. 2000. 99(2) [11]W Michaell, M Koch, C Hopmann. New Perspectives for Ceramic Injection Molding with Gas Injection Advanced Engineering materials. 2000, 2(12): 827-832
[12]W Michaell, M Koch, C Hopmann. New Oppottunities by Gas-Assisted. Powder Injection Moulding(GAPIM). 2'nd European symposium on Powder Injection Molding Oct 2000, Munich, Germany, 85-88
[13]Uwe Haupt, Hartmut Walcher. Hollow Parts Made by Gas Assisted. Powder Injection Moulding. 151-160
参考文献[8]
NEW TRENDS IN POWDER INJECTION MOULDING
Powder injection moulding (PIM) is a rapidly growing technology for producing complex geometry, net shaped components from ceramics, metals, hard metals, and intermetallics. The shaping of ceramic powders using injection moulding has a highly creative aspect with regard to the complexity of the structural parts. This permits the most near-net shaping possible. Therefore, costly finishing of the sintered components can be reduced to a minimum or totally eliminated. This potential for
ceramic injection moulding (CIM) has led in the recent past to intensified international research and development activities. A number of new binder systems have been developed, i.e., polyacetate based, PEG-polymer based, acrylic-polymer based, agarose- based, etc. The development in the area of new binder composition was in parallel assisted by a significant improvement in debinding processes. New debinding systems have been developed, i.e., computer assisted thermal debinding, extraction debinding, catalytic debinding, or even freeze drying or microwave assisted drying, which significantly shortened the debinding time from days to hours and lowered the emission of undesirable volatile organic by-products to a minimum. The formation of defects during the debinding process was also practically eliminated.
粉末注射成形新趋势
粉末注射成形是一种快速发展的用于生产复杂的几何图形、网状陶瓷、金属和硬质合金。

粉末注射成形可以利用设计出的符合要求的模型来成形为复杂的结构。

这使得最近净成形加工成为可能。

因此，对烧结成分的昂贵处理可以减少到最低甚至不用处理。

粉末注射成形在这方面的潜力使得最近国际上对其进行大量的研究和开发，如开发了大量新的粘结剂等。

粘结剂领域的迅速发展与脱脂过程优化研究是同时进行的。

新的脱脂系统已经被开发出来，其包括计算机辅助热脱脂，脱脂提取，催化脱脂，甚至冻结干燥或微波辅助干燥等，其中冻结干燥和微波辅助干燥可以将脱脂时间从几天减小到几小时，并且还将副产物中的难挥发性的有机废气减小到了最低，在脱脂过程中也几乎不产生的缺陷。

外文文献没有关键词。