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氧化鋁陶瓷的注射成形技術(shù)
發(fā)布日期：[2023/10/26]
氧化鋁陶瓷亦稱精密陶瓷、特種陶瓷、或高技術(shù)陶瓷。它是采用高度精選的原料，按照特殊的制造工藝生產(chǎn)，能精確控制化學(xué)組成和具有優(yōu)異性能的陶瓷。目前，氧化鋁陶瓷主要使用在高技術(shù)和尖端工業(yè)，如微電子、核反應(yīng)堆、航天、磁流體發(fā)電、人工骨和人工關(guān)節(jié)等方面。氧化鋁陶瓷在制造工藝上，應(yīng)當(dāng)滿足以下三方面的要求。①精選的原料要選用高純度的，顆粒應(yīng)盡可能的細(xì)；②嚴(yán)格控制化學(xué)成分。制造過(guò)程中要防止雜質(zhì)混入和成分本身的揮發(fā)，對(duì)燒結(jié)件的顆粒度、界面、氣孔等要嚴(yán)格控制，以達(dá)到質(zhì)量穩(wěn)定和具有再現(xiàn)性；③精確的形狀和尺寸。氧化鋁陶瓷制件一般不經(jīng)加工，直接使用，特別是陶瓷電子器件要求較高的精度。
氧化鋁陶瓷和普通陶瓷在成分和制造工藝上都有很大的差別。普通陶瓷經(jīng)過(guò)原料配制、坯料成形和窯爐燒成三道工序制成；而氧化鋁陶瓷大多采用粉末燒結(jié)法制造。在成形技術(shù)方面，由于陶瓷的硬度極高，難于切割加工，特別對(duì)于形狀復(fù)雜的非對(duì)型制品，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的增壓器轉(zhuǎn)子，骨骼、牙齒等生物陶瓷制品，在成形燒結(jié)以后即為成品，無(wú)需再加工。為了滿足這一要求，人們模仿高分子材料工業(yè)的注射成形技術(shù)生產(chǎn)塑料零件的方法，加工氧化鋁陶瓷制品，取得了滿意的效果。
陶瓷注射成形技術(shù)，是在陶瓷粉料中加入熱塑性樹(shù)脂、熱固性樹(shù)脂，增塑劑和減摩劑，使陶瓷粉料成為粘性彈體，然后將加熱混煉后的料漿從噴口射入金屬模內(nèi)，冷卻固化即成。常用的熱塑性樹(shù)脂有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯，加入量為10-30％。這一技術(shù)很大程度地提高了形狀復(fù)雜產(chǎn)品成形的精度和可靠性。
一、注射成形設(shè)備
注射成形機(jī)一般由增塑裝置(或注射裝置)、合模裝置、油壓裝置以及電子、電源控制裝置組成。其類型根據(jù)增塑裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，可以分為柱塞式和并聯(lián)螺旋槳式。近年來(lái)，一般認(rèn)為后者優(yōu)點(diǎn)較多。
注射成形機(jī)是以電子、電源控制裝置為中樞，在驅(qū)動(dòng)油壓裝置的同時(shí)使增塑裝置、合模裝置順次工作。其工作程序是：陶瓷原料由漏斗放入，進(jìn)入缸體，原料在送人缸體端部的同時(shí)，進(jìn)行熔化、攪拌，經(jīng)缸體端部的噴嘴注射至金屬模具的型腔中獲得坯件。國(guó)外先進(jìn)的控制系統(tǒng)采用屏幕顯示方式(如利用示波管、等離子、電致發(fā)光、液晶)，以及設(shè)計(jì)圖形控制臺(tái)方式或二者組合的復(fù)合控制臺(tái)方式。
模具材料一般采用高潔度、耐磨性、耐腐蝕性均優(yōu)良的合金鋼。模具設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)符合陶瓷一高分子系統(tǒng)的流動(dòng)特性。為了減少成形體的收縮，避免模具體內(nèi)空氣卷入成形體，因此模具要考慮控制放出口。在環(huán)狀制品上，柵的對(duì)側(cè)易產(chǎn)生熔合紋，所以也要注意柵的位置。為了使注塑條件最優(yōu)化，需要依靠模具、料筒等的溫度管理和模具內(nèi)的壓力傳感器進(jìn)行細(xì)致的管理。此外，模具上應(yīng)有冷卻槽，可以冷卻和加熱，依靠溫度調(diào)節(jié)器使模具溫度保持恒定，對(duì)提高成形體的精度很有效。由于原料中要大量使用有機(jī)材料，為了不使毛坯產(chǎn)生熱裂，不剩碳渣地進(jìn)行脫脂也是一個(gè)重要課題。
二、工藝
陶瓷的注塑成形原理和塑料的注塑成形基本相同。只是塑料內(nèi)混合大量的陶瓷粉末。為了改進(jìn)注塑成形條件，必須選擇與使用原料匹配的有機(jī)材料，并要選定添加量。為了獲得致密又均勻的注塑成形體，陶瓷粉末的濃度要高些。但過(guò)高將使成形性能變差。為改進(jìn)混煉坯料的流動(dòng)性，應(yīng)降低分散劑高分子系的粘度。作為前處理很重要的是提高陶瓷粉末的分散性，為了提高高分子的流動(dòng)性，需添加適當(dāng)?shù)脑鏊軇┖蜐?rùn)滑劑。
陶瓷原料的粒度一般為1μm，加入粘結(jié)劑(或稱為添加劑)，經(jīng)充分混合、攪拌。注射成形的工藝流程見(jiàn)下圖。
在攪拌過(guò)程中，陶瓷粉末被粘結(jié)劑潤(rùn)濕和包復(fù)，全部成為均勻的復(fù)合物才可進(jìn)行注射成形。且需要冷卻、干燥、粉碎后，才獲得適合注射成形機(jī)漏斗進(jìn)料的顆粒。
整個(gè)工藝中應(yīng)注意和掌握的技術(shù)問(wèn)題有以下四個(gè)方面。
1、原料的流動(dòng)性
注射成形所用的陶瓷顆粒一般由80-90％(重要比，下同)的粉末和10～20％的粘結(jié)劑組成。粘結(jié)劑在脫脂工序中去掉，因此添加量以最低限度為宜，但應(yīng)注意若添加量不足會(huì)影響成形效果。此外，陶瓷顆粒的流動(dòng)性在粒度越小、形狀越偏離球形時(shí)越差。因此，應(yīng)用盡可能簡(jiǎn)便的方法對(duì)流動(dòng)性進(jìn)行測(cè)試。
2、成形條件產(chǎn)生的缺陷
成形條件如果不正確，會(huì)產(chǎn)生各種缺陷。其中最關(guān)鍵的是熔焊線條，若成形體帶有通孔或盲孔，則容易出現(xiàn)這種缺陷。因此，必需注意模具的設(shè)計(jì)，特別是開(kāi)口的類型、位置、大小及個(gè)數(shù)。同時(shí)應(yīng)注意注射成形的注射溫度和速度間的平衡。
此外，為了避免發(fā)生表面粗糙、裂紋、長(zhǎng)條痕、變形等缺陷。在成形困難的情況下，可在注射成形機(jī)中裝設(shè)自適應(yīng)控制器，進(jìn)行細(xì)微的控制。
3、脫脂
本工序又稱去掉粘結(jié)劑，通常升溫速度為3~5℃/b，約進(jìn)行5～10日，但在0.5MPa壓力的保護(hù)氣氛下進(jìn)行時(shí)，40小時(shí)可結(jié)束脫脂。
4、燒結(jié)
熱工等參數(shù)可根據(jù)陶瓷的種類而定。燒結(jié)中的線收縮率約為15-20％，形狀比較復(fù)雜或壁較厚的工作，容易在燒結(jié)中產(chǎn)生裂紋，應(yīng)注意防止。
三、添加劑
這是注射成形技術(shù)中最重要的問(wèn)題之一。不同成形方法所需的添加劑特性也不同。如注射成形要求脫脂、流動(dòng)性、膠溶性、強(qiáng)度、收縮；擠壓要求可塑性、膠溶性、強(qiáng)度、潤(rùn)滑；冷等靜壓(橡膠模壓)要求潤(rùn)滑、制粒性、強(qiáng)度；機(jī)械壓制要求潤(rùn)滑制粒性、強(qiáng)度、脫模等。同時(shí)，對(duì)于不同的制品也要選用不同的粘接劑。
注射成形技術(shù)對(duì)添加劑的要求如下。
1、膠溶性：各種成形方法都盡量采用較少的添加劑為宜，可以采用解膠性(膠溶性)添加劑，這對(duì)減少生產(chǎn)周期和產(chǎn)品成本均有利。特別是有利于以后去掉粘結(jié)劑。
2、流動(dòng)性：注射成形要求在高壓下的流動(dòng)性。使用樹(shù)脂系粘結(jié)劑注射效果良好，原因是使用樹(shù)脂系的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)注意保持粘度和緩慢地進(jìn)行注射。
3、膨脹與收縮：由于注射成形使用了大量的粘結(jié)劑，致使毛坯收縮大，影響尺寸精度和幾何形狀，并容易形成氣孔。因此，可以選用石臘一類膨脹-收縮小的物質(zhì)作添加劑。這類物質(zhì)要比松香等非結(jié)晶物質(zhì)的膨脹--收縮影響小。
注射成形技術(shù)，日本早在五十年代曾采用A12O3陶瓷作內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火塞。以后在小型復(fù)雜的零件中相繼用于生產(chǎn)。近年來(lái)，人們積極從事各種耐熱、耐磨損零件的開(kāi)發(fā)研究，例如，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的渦流腔機(jī)頭已經(jīng)實(shí)現(xiàn)陶瓷化，就是采用注射成形技術(shù)制造的。
據(jù)報(bào)道，不久前，日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所試驗(yàn)成功了只用水進(jìn)行的"冷凍注射成形法"。這是利用水具有的流動(dòng)性和凍結(jié)性來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷的固體化和脫模。在預(yù)先冷卻到-5～10℃的模具內(nèi)填充0～5℃左右的坯料，填充的同時(shí)坯料從內(nèi)壁面凍結(jié)，當(dāng)內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)達(dá)到脫模強(qiáng)度時(shí)，毛坯即可以模中取出。由于不必象前述那樣使用大量有機(jī)添加劑，因此無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間的脫脂工序，所以能夠大大地；縮短生產(chǎn)時(shí)間，從而為降低成本、增加產(chǎn)量創(chuàng)造了有利條件。
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