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一文了解陶瓷注射成型技术

日期: 2018-12-25
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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,它是一种近净尺寸陶瓷可塑成型方法,是当今国际上发展最快、应用最广的陶瓷零部件精密制造技术。

一文了解陶瓷注射成型技术

 

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陶瓷注射成型技术原理

陶瓷注射成型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。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:

1、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。

2、这种混合热熔体在模具中冷凝固化。

3、成型后的坯体制品被顶出而脱模。

 

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陶瓷注射成型技术和工艺优势

1、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;

2、由于流动充模,使生坯密度均匀;

3、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;

4、无须机械加工或只需微量加工,降低制备成本;

5、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。

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陶瓷注射成型技术发展历程

1、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。

220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。

3、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。

4、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。

但是,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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注射成型过程中缺陷分析

注射成型过程中由于工艺参数控制不当,或者是喂料本身缺陷,以及模具设计不合理等因素,容易造成诸如欠注、断裂、孔洞、变形、毛边等各种缺陷。结合具体过程,对常见的注射缺陷进行分析,并加以控制,以提高生产率和喂料的利用率。

1、欠注缺陷,指喂料在充模过程中不能充满整个模腔,如图所示。一般在刚开始注射时产生,可能是由喂料温度或模具温度过低、加料量不足、喂料粘度过大等因素引起的。通过增加预塑时间升高喂料温度、升高模具温度、加大进料量、升高注射温度降低喂料粘度等措施可以消除此缺陷。

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2、断裂缺陷断裂,如图所示。一般发生在脱模中,往往是脆断。主要是因为模具温度太低,或者是保压和冷却时间过长,使得坯体温度大幅下降,引起的收缩太大使坯体紧紧箍在下部凸模上,在模具顶出机构的强烈冲击下,很容易引起脆断。通过适当升高模温以及减少保压和冷却时间,在脱模过程中可以避免断裂。

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3、孔洞缺陷,孔洞,指在生坯的横截面上可以发现的孔隙。有的是一个近圆形的小孔,有的就发展为几乎贯穿生坯坯体的中心通孔,这是常见的缺陷,注射成型样品不同部位产生的气孔的原因也不一样。

一般中部产生的气孔较小,原因可能是喂料本身混合不充分并夹有气体、注射温度太高造成粉末同粘结剂分离。相应可通过调整喂料质量,降低模温和注射温度等措施消除。而底部产生的气孔较大,有的甚至是周身或半周身通孔。产生这样孔洞的原因主要是注射时底部排气不充分而使样品夹入气体。因为样品上部壁薄而底部壁厚,注射过程中流动性喂料在注射压力下从上向下流动冲模,当喂料流体到达底部时,空腔截面面积突然变大,喂料会沿内侧经样品最底面渐进冲模,这样一来最后被冲模的地方不是空腔最底面,而是薄壁和厚壁的接合处。因此模具上开在底面的排气孔并不能充分排气,使得气体聚集,形成比较大的孔洞。  

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陶瓷注射成型技术的应用

目前,陶瓷注射成型技术开始向精密化发展,研究与开发的重点由过去的高温非氧化物陶瓷(如氮化硅、碳化硅)扩展为氧化物陶瓷(如氧化锆、氧化铝)、功能陶瓷、生物陶瓷产品,种类越来越多,其主要应用领域如下。

1、光通讯用精密陶瓷部件

主要有光纤连接器用氧化锆多晶陶瓷插芯和陶瓷套管。因为其尺寸小、精度高、内孔直径只有125微米,因此只能采用注射成型。目前光纤连接器所需陶瓷插芯和陶瓷套管主要由中国制造,包括广东潮州三环和湖南正阳公司,而日本京瓷、东陶、Adamand等国外公司生产的产品在不断减少。

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光纤连接器用陶瓷插芯与套管

2、生物陶瓷制品

主要包括人造陶瓷牙齿、种植牙陶瓷固定螺杆、人工关节、固定牙冠套、牙齿正畸用陶瓷托槽等,如图3所示。据世界卫生组织统计,牙齿畸形并发率约为49%,在美国50-60%的家庭都会进行牙齿正畸,必须配带牙齿矫形托槽。采用陶瓷注射成型生产的该类产品尺寸精度高且性能良好,在国内的市场前景开阔。

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生物陶瓷制品

3 、文化生活用陶瓷

陶瓷粉末注射成型已成功用于陶瓷表壳、表链的制备,如香奈儿国际品牌陶瓷表和瑞士雷达永不磨损高档手表的表壳和表链。近几年高档手机的外壳和按键也采用陶瓷注射成型,均采用耐磨ZrO2陶瓷材料,抛光后表面粗糙度控制在30 nm左右。

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陶瓷表壳、表链、手机盖板、外壳

4 、电子用精密陶瓷部件

IT和电子行业中,元器件散热需要用到风扇,风扇中马达若采用陶瓷轴承即可减少噪音,又可延长寿命,比金属轴承具有更大优越性。ZrO2Si3N4陶瓷不仅耐磨性好,断裂韧性高,而且具有一定的自润滑性,因此是制造陶瓷轴承的理想候选材料。

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电子用精密陶瓷部件

5、 机电工业用精密陶瓷部件

包括各种氧化铝(Al2O3)体系绝缘陶瓷零部件,如集成电路封装管壳;电真空开关陶瓷管;微波炉中磁控管用绝缘陶瓷等;图示为英国摩根公司生产的直接驱动马达陶瓷部件,以及磁盘驱动部件等。

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机电工业用精密陶瓷部件

6、 透明氧化铝陶瓷产品

许多透明氧化铝陶瓷产品已采用注射成型技术制备,包括牙齿矫正用透明陶瓷托槽、陶瓷金属卤化物灯泡内的透明陶瓷电弧发光管、以及集实用与美观于一体的半透明氧化铝陶瓷杯。

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透明氧化铝陶瓷产品

7、 精密机械与微型陶瓷部件

随着精密机械和微电子工业的发展,对小型和微型精密陶瓷零部件的需求不断增加,包括陶瓷注射成型(CIM)制备的轴和小齿轮行星齿轮变速器、陶瓷螺杆和行星齿轮、以及微型氧化锆陶瓷滑动轴承,其外径只有1.5 mm

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精密机械与微型陶瓷部件

8 、医疗器械用陶瓷部件

目前,在医疗领域陶瓷注射成型技术也得到了越来越多的应用。采用陶瓷注射成型工艺制作陶瓷手术刀等多种医疗器械,具有抗菌、耐腐蚀、不易被玷污等传统金属器械所不具备的优点。

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医疗器械用陶瓷手术刀等零部件

9 、纺织机械用耐磨陶瓷件

纺织工业中目前使用大量耐磨陶瓷件,主要有纺纱用导丝轮、拉线轮等各种产品,大多采用高硬度的氧化铝(Al2O3)和韧性好耐磨性好的氧化锆(ZrO2),以及氮化硅和碳化硅陶瓷材料。这些产品形状复杂、尺寸精度高,因此广泛采用陶瓷精密注射成型制备技术。

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纺织机械耐磨陶瓷零部件

10 、环保、化工、冶金用陶瓷喷嘴

喷嘴外形复杂,内设小孔,要求耐磨、耐腐蚀、耐高温,采用氧化锆(ZrO2)和碳化硅(SiC)氮化硅(Si3N4)粉末可一次注射成型制备性能优良形状各异的陶瓷喷嘴。

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注射成型各种陶瓷喷嘴

陶瓷注射成型技术作为一种新兴的精密制造技术,有着其不可比拟的独特优势。特别是近年来全球范围内产业化的不断扩大,更加充分证明CIM技术诱人的发展前景。陶瓷材料优异的物理化学性能和精密注射成型的有机结合,必将使CIM技术在航空航天、国防军事以及医疗器械等高科技领域发挥越来越重要的作用,成为国内外精密陶瓷零部件中最有优势的先进制备技术。

 

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