氧化鋁陶瓷注射成型工藝要點

氧化鋁是目前工業(yè)上被應(yīng)用最廣泛的特種陶瓷材料之一，不僅價廉易得，具有高的機(jī)械特性和高的電絕緣性與低的介電損耗等特點，因此在航天航空、機(jī)械、電子、電力、汽車、化工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

不過氧化鋁陶瓷本身硬度高、脆性大的特點導(dǎo)致它很難被切削加工——換句話說，氧化鋁異形間的成型及精度控制都具備相當(dāng)?shù)碾y度，尤其是微型結(jié)構(gòu)件（毫米級），大多成型方法幾乎都無能為力。

不過車到山前必有路，陶瓷注射成型（CeramicInjectionMolding，CIM）技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展為氧化鋁陶瓷成型開辟了新道路。通過注射成型制備的產(chǎn)品，不僅尺寸精確可控，而且可實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，無需或只需少量的機(jī)械加工，大大降低了陶瓷的生產(chǎn)成本。

一、工藝流程
CIM主要包括喂料制備、注射成型、脫脂和燒結(jié)四個階段。其基本過程為在氧化鋁陶瓷粉末中加入粘結(jié)劑，并使其混合均勻，形成具有粘塑性的喂料，在加熱狀態(tài)下，利用注射成型機(jī)將喂料注入模具模腔內(nèi)冷凝成型，經(jīng)過脫脂工藝去除粘結(jié)劑后，便可用于燒結(jié)。

注射成型工藝流程

總的來講，氧化鋁陶瓷注射成型的原理與工藝并不復(fù)雜，因此在制造業(yè)中很受歡迎。尤其是發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和火箭發(fā)動機(jī)等需要形狀復(fù)雜、精度高、耐高溫、硬度高零部件的領(lǐng)域，更是很早就開始這方面的應(yīng)用——如1931年時，德國SiemensHalske公司將氧化鋁陶瓷應(yīng)用于火花塞材料；1942年時日本將氧化鋁陶瓷應(yīng)用于軍用航空飛機(jī)的火花塞上。

二、工藝要點
不過要想通過注射成型工藝得到品質(zhì)上乘的氧化鋁件，有許多地方需要注意，比如說注射和脫模等過程就受到眾多因素的制約，因此控制注射中的各項關(guān)鍵參數(shù)的變化是該領(lǐng)域的重點研究內(nèi)容。
1.粉末的選擇和優(yōu)化
目前，對氧化鋁陶瓷材料的研究集中在兩大類，一類集中在α-Al2O3、γ-Al2O3以及兩者不同比例的結(jié)合上，研究發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的Al2O3粉末混合比，引起注射成型粘結(jié)劑比例、喂料流動性、產(chǎn)品收縮率和晶界擴(kuò)散有較大差別。另一類是氧化鋁為基摻雜其它陶瓷或金屬材料所制備的復(fù)合材料，在氧化鋁中摻雜Cr3C2、SiC、Ti、WC、ZrO2、Al、MgO的復(fù)合陶瓷材料，可增強(qiáng)位錯并抑制晶粒生長，利于晶粒細(xì)化，改善產(chǎn)品的力學(xué)性能。
對粉末選備的另一個研究領(lǐng)域是粉末平均粒度、松裝密度、粉末形狀、比表面積、顆粒間隙對喂料流動性能和產(chǎn)品質(zhì)量的影響。粉末作為注射成形的主要原材料，最重要的要求是粒徑細(xì)小，形狀規(guī)則。粒徑小的粉末在注射成形時流動性好，填充量大，燒結(jié)收縮率低。
2.粘結(jié)劑
①粘結(jié)劑的選配：粘結(jié)劑體系的選配是氧化鋁陶瓷注射成型中的核心環(huán)節(jié)，它不僅直接影響喂料的注射性能，而且決定了脫脂方法，影響產(chǎn)品最終性能。粘結(jié)劑體系在注射成型過程中有兩個基本功能：首先是保證喂料具有良好的流動性；其次是保證坯體強(qiáng)度。

氧化鋁陶瓷注射成型常用粘結(jié)劑組分和相應(yīng)的脫脂方法

②表面活性劑的影響：根據(jù)流變學(xué)理論，表面活性劑在很大程度上控制著陶瓷喂料的性質(zhì)，喂料的穩(wěn)定性將隨陶瓷顆粒表面的吸收層增厚而增加。在氧化鋁陶瓷的注射成型工藝中，表面活性劑的用量會隨著粘結(jié)劑其他組分的不同而發(fā)生改變，其含量多為1%到5%之間。理論上，表面活性劑對任意組分的粘結(jié)劑存在一個最佳值，若含量過少，顆粒表面的吸附層不夠厚，將影響喂料的流動性能；若含量過多，加熱時粘結(jié)劑組分的揮發(fā)會使成型坯體產(chǎn)生空洞，降低其致密性。
③混料及流變性能的研究：混料是喂料制備關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，混料方式、時間和放料順序都會影響喂料的流變性能和后期產(chǎn)品的質(zhì)量。Wen-ChengJ研究了混料順序與氧化鋁陶瓷成品性能之間的相互關(guān)系表明，先添加聚丙烯能夠更好地預(yù)熱氧化鋁粉末，提高混合的動力，利于產(chǎn)品的成型。

3.注射工藝
注射成型工藝控制不當(dāng)會使產(chǎn)品形成眾多缺陷，而這些缺陷直到脫脂和燒結(jié)后才能被發(fā)現(xiàn)，所以控制和優(yōu)化注射工藝參數(shù)對提高成品率和材料的利用率至關(guān)重要。劉燁等在利用有限元對注射過程進(jìn)行數(shù)值模擬時發(fā)現(xiàn)，注射速度和模具溫度是氧化鋁陶瓷微齒輪注射成形的關(guān)鍵工藝參數(shù)，但注射溫度對注射過程影響較少。

4.脫脂工藝
脫脂過程是注射成型工藝中耗時最長的一道工序，也是質(zhì)量控制最為關(guān)鍵的一道工序，脫脂不當(dāng)會造成眾多的制品缺陷。大量的研究工作表明：脫脂工藝和粘結(jié)劑的添加密不可分，粘結(jié)劑的不同，采用的脫脂方式也有所區(qū)別。