陶瓷注射成型技术

▪ 到20世纪80年代，硬质合金、陶瓷领域基础研究的发展和突破，如超细 粉制备、先进陶瓷增韧理论和技术的发展，使该工艺制备的材料性能较 50年代有很大的提高，促使PIM成为比较成熟的复杂形状制品的制备成 型技术。
▪ 陶瓷粉末注射成型产品全球销售收入从80年代末的4500万美元到90年代 末的4.2亿美元，并以每年20%~25%的速度增长，预计到2010年将达到 24亿美元。
系
水、甘油、
硼酸
生坯强度低、脱 脂困难
水溶性 纤维素醚、 脱脂速度快 体系 琼脂
粉末装载量小
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热塑性粘结剂系统
▪ 热塑性系统是在粘结剂系统里引入了热塑性聚合物，加热时 热塑性聚合物在链长方向上以单一基团重复排列而不交叉。 其粘度可根据聚合物分子量的大小，分布以及成型温度来调 节。此类聚合物很多，常见的有：石蜡（PW）、聚乙烯 （PE）、聚丙烯（PP）、无规聚丙烯（APP）、聚苯乙烯 （PS）、聚甲基丙烯酸脂（PMMA）、乙烯醋酸乙烯脂共 聚物（EVA）、乙烯丙烯酸乙脂共聚物（EEA）。为了提高 固相装载量，一般引入增塑剂，润湿剂和表面活性剂，如邻 苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二辛酯、 硬脂酸、辛酸、微晶石蜡、钛酸脂、硅烷。由于这些热塑性 系统的粘结剂流动性较好，并能选择其分子量的大小及分布 来调节其脱脂阶段的热降解性故得到广泛应用。
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注射成型粘结剂体系
▪ 注射成型中的粘结剂有两个基本的功能。首先在注 射成型阶段能够和粉末均匀混合，加热后能够使得 粉末具有良好的流动性；其次，粘结剂能够在注射 成型后和脱脂期间起到维持坯体形状的作用。可以 说，粘结剂是粉末注射成型技术中的核心和关键， 每次注射成型工艺的提高和突破都伴随着新粘结体 系的诞生。在CIM中，由于粉末粒度比金属粉末注 射成型中的细小，粉末本身的流动性差，粉末和粘 结剂混合后粉末之间的间隙极小，造成脱脂困难， 这就对粘结剂提出了更苛刻的要求。因此，作为陶 瓷注射成型粘结剂，必须具备以下条件：
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陶瓷粉末注射成型技术概况
▪ 粉末注射成型源于20世纪20年代的一种热压铸成型技术，当时已用于生 产汽车火花塞等产品。
▪ 20世纪50年代，用环氧树脂作粘结剂试制了大量的硬质合金、难熔金属、 陶瓷等，预示着此技术在应用中的地位。但因理论欠缺，加之制粉、成 型和烧结等技术存在一系列不足，离应用的距离还比较远。
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陶瓷注射成型技术
陶瓷部件的注射成型是利用塑性材料在压 力下的注射成型原理的一种成型原理。在 成型过程中需要将热塑性材料混合在一起。
陶瓷注射成型工艺主要有三个环节构成： 第一：热塑性材料与陶瓷粉体混合成热熔体，然后注射进入相对 冷的模具中。 第二：这种混合热熔体在模具中冷凝固化。 第三：成型后的坯体制品被顶出而脱模。
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各种粘结剂体系的优缺点比较
体系 主要组元 优点
缺点
热塑性 石蜡、聚乙 适用性好、流动性好、易 脱脂时间长、工 体系 烯、聚丙烯 于成型、粉末装载量高、 艺较复杂
注射过程易控制
热固性 环氧树脂、 注Fra Baidu bibliotek坯的强度高、脱脂速 注射过程不易控
体系 苯酚树脂 度快
制、适用性差、
缺陷多
凝胶体 甲基纤维素、有机物少、脱脂速度快
1) 粉末应专门配制，以求高的极限填充密度和低的成本； 2) 2) 粉末不结块团聚； 3) 3) 粉末形状主要为球形； 4) 4) 粉末间有足够的摩擦力以避免粘结剂脱出后坯件变
形或塌陷，在大多数情况下，自然坡度角应大于55°； 5) 5) 为利于快速烧结，应具有小的平均粒度，一般要
求小于1μm； 6) 6) 粉末本身致密，无内孔隙； 7) 7) 粉末的表面清洁，不会与粘结剂发生化学反应。
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陶瓷注射成型粘结剂必须具备的条件
（1）好的流动特性。对注射成型粘度要适中，粘度太高，粉料不能在粘 结剂中有效分散，不仅混练困难，而且很难得到混合均匀的坯料，容易产 生成型缺陷；粘度太低，会造成陶瓷粉体和粘结剂的分层。另外粘度不能 随温度的波动太大，否则会产生缺陷。 （2）粘结剂必须能很好地润湿粉体，并对粉体有效好的粘附作用。通常 为了改善粘结剂的润湿性能，要加入一些表面活性物质，减少混合物的粘 度，增加其流动性。同时，粘结剂通过润湿颗粒以产生毛细管力吸附颗粒， 保持坯体不变形。为了保证坯料的稳定性，粉体相对于粘结剂应是惰性的。 （3）粘结剂由多组份有机物组成。单一有机粘结剂很难满足流动性要求， 且多组份中的某一组份被脱脂移出后，形成开口气孔，有利于剩余的粘结 剂的排除。实践证明，多组份比单一组成粘结剂的脱脂速度要快得多缺陷 少得多。当然多组份粘结剂的有机聚合物之间是相容的。 （4）粘结剂具有较高的导热性和较低的热膨胀系数。这样不仅避免因热 应力而产生缺陷，且可以减少坯体所受热冲击，减少缺陷。 （5）此外，粘结剂还必须具有无毒害，无污染，不挥发，不吸潮，循环 加热性能不变化等。
每年垄断了全球数亿美元的市场 ▪ 美国已实现氧化锆理发推剪的生产和发动机中氮化硅零部件
的应用等 ▪ 在国内中南工业大学粉末冶金国家重点实验室开发出精密双
螺旋混练机陶瓷内衬和具有双螺纹的陶瓷喷嘴等 ;而华中科 技大学材料学院应用CIM技术成功开发出氧化锆氧传感器.
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陶瓷粉末注射成型基本工艺流程图
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注射成型技术对陶瓷粉末的要求
▪ 只有美国,欧洲和日本的PIM产业发展比较成熟，而韩国、新加坡、中国、 中国台湾地区、印度等地均建有PIM生产厂，但产值尚小，正蓄势待发。
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陶瓷粉末注射成型技术应用
随着CIM技术的快速发展，其已在一些方面得到了应用 ▪ 瑞士三分之一的手表表壳采用CIM技术生产，材料是称永不
磨损的陶瓷材料氧化锆 ▪ 日本已将内孔直径为0.015mm的氧化锆光纤接头实现产业化，
4.2陶瓷注射成型技术
陶瓷注射成型（Ceramic Injection Molding, 简称CIM）是近代粉 末注射成型(Powder Injection Molding，简称PIM)技术的一个分 支，具有很多特殊的技术和工艺优势：可快速而自动地进行批量 生产，且对其工艺过程可以进行精确的控制；由于流动充模，使 生坯密度均匀；由于高压注射，使得混料中粉末含量大幅提高， 减少烧结产品的收缩，使产品尺寸精确可控，公差可达±0.1%～ 0.2%，性能优越；无须机械加工或只需微量加工，降低制备成本； 可成型复杂形状的，带有横孔、斜孔、凹凸面、螺纹、薄壁、难 以切削加工的陶瓷异形件，有着广泛的应用前景。