先进陶瓷注射成型工艺

先进陶瓷注射成型工艺

陶瓷注射成型（Ceramic Injection Molding，简称CIM）是将聚合物注射成型方法与陶瓷制备工艺相结合而发展起来的一种制备陶瓷零部件的新工艺。特别是对尺寸精度高、形状复杂的陶瓷制品的大批量生产，采用陶瓷粉末注射成型有优势。目前，陶瓷注射成型已广泛用于各种陶瓷粉料和各种工程陶瓷制品的成型，通过该工艺制备的各种精密陶瓷零部件，已用于航空、汽车、机械、能源、光通讯、生命医学等领域。

图1 陶瓷注射成型示意图

一、陶瓷粉末注射成型的技术特点

从技术特点来说，陶瓷粉末注射成型和金属粉末注射成型类似，理论上任何形式的陶瓷粉末原料，如ZrO2、Al2O3、Si3N4等，都能利用CIM工艺制造形状复杂、精度高的产品其基本工艺过程

陶瓷粉末注射成型工艺的主要特点如下：

①成型过程具有机械化和自动化程度高、生产效率高、成型周期短、坯体强度高，生产过程中的管理和控制也很方便，易于实现大批量、规模化生产；

②可近净成型各种几何形状复杂的及有特殊要求的小型陶瓷零部件，使烧结后的陶瓷产品无需进行机加工或少加工，从而减少昂贵的陶瓷加工成本；

③注射成型过程中加入的粘结剂较多，需先经过低温脱脂工艺，才能进而高温烧结，对于厚度大的制品，脱脂时间可能长达100-200小时。

④成型时，陶瓷粉末和粘结剂的混合均匀，后期烧结其收缩一致，得到的陶瓷制品各部位密度均匀，因而这类产品具有*的尺寸精度和表面光洁度。

二、陶瓷粉末注射成型工艺环节

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；

粉末注射成型不仅要求粉末无团聚、洁净无杂质等，还希望陶瓷粉末能满足注射成型对熔体流变性能的要求，提高成型过程的稳定性，且要对陶瓷粉末的粒度分布进行优化，提高固相体积分数或降低悬浮体粘度。

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黏稠性熔体，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；脱脂工艺是陶瓷注射成型工艺中极为关键的一环，其耗时较长。

随着粘结剂体系的增加和改进，形成了多种新的CIM脱脂方法，包括溶剂脱脂、虹吸脱脂、催化脱脂、水基萃取脱脂、超临界萃取脱脂、微波脱脂等。

4、烧结

脱脂后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。

烧结速度与粘性流动、凝结、容积扩散、表面扩散等有关。颗粒的直径越小、熔融粘度越低，且表面张力越大，烧结速度就越快。而且烧结后，制品一般会有约13-20%的收缩率。

三、陶瓷粉末注射成型工艺的应用

1、高温热机陶瓷部件

主要是发动机涡轮转子和燃气轮机陶瓷叶片等热机陶瓷部件，材料通常为氮化硅或碳化硅等耐高温的陶瓷。

2、光通讯用精密陶瓷件

光纤连接器用四方氧化锆陶瓷插芯和氧化锆陶瓷套筒。

图2 氧化锆陶瓷插芯 

3、医学用生物陶瓷制品

包括外科机械用各种陶瓷器件、陶瓷关节、牙齿矫正用透明陶瓷槽、牙齿修复用陶瓷螺杆和牙桩等，这些产品尺寸小、形状复杂、精度高。

图3 陶瓷关节

4、电子机械用零部件

半导体和电子行业广泛使用的各种Al2O3体系绝缘陶瓷零部件、小型精密陶瓷滑动轴承、各种陶瓷喷嘴等。

5、现代生活用陶瓷制品

有耐磨陶瓷表壳与表链、耐磨损的陶瓷推剪、陶瓷刀等，克服了金属易氧化和产生化学致过敏的缺点。

图4陶瓷手表