結(jié)構(gòu)陶瓷又叫精密陶瓷、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)異熱電和物理性能的新型陶瓷。目前,結(jié)構(gòu)陶瓷主要使用在高技術(shù)和工業(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。結(jié)構(gòu)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。結(jié)構(gòu)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。
結(jié)構(gòu)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)過原料配制、坯料成型和窯爐燒成三道工序制成;而結(jié)構(gòu)陶瓷大多采用粉末燒結(jié)法制造。在成型技術(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,在成型燒結(jié)以后即為成品,無需再加工。為了滿足這一要求,人們模仿高分子材料工業(yè)的注射成型技術(shù)生產(chǎn)塑料零件的方法,加工結(jié)構(gòu)陶瓷制品,取得了滿意的效果。
陶瓷注射成型技術(shù),是在陶瓷粉料中加入熱塑性樹脂、熱固性樹脂,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)品成型的精度和可靠性。
一、注射成型設(shè)備
注射成型機(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,一般認(rèn)為后者優(yōu)點(diǎn)較多。
注射成型機(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。為了減少成型體的收縮,避免模具體內(nèi)空氣卷入成型體,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)提高成型體的精度很有效。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
陶瓷的注塑成型原理和塑料的注塑成型基本相同。只是塑料內(nèi)混合大量的陶瓷粉末。為了改進(jìn)注塑成型條件,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型體,陶瓷粉末的濃度要高些。但過高將使成型性能變差。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。注射成型的工藝流程見下圖。
在攪拌過程中,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)行注射成型。且需要冷卻、干燥、粉碎后,才獲得適合注射成型機(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)問題有以下四個(gè)方面。
1、原料的流動(dòng)性
注射成型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)影響成型效果。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、成型條件產(chǎn)生的缺陷
成型條件如果不正確,會(huì)產(chǎn)生各種缺陷。其中最關(guān)鍵的是熔焊線條,若成型體帶有通孔或盲孔,則容易出現(xiàn)這種缺陷。因此,必需注意模具的設(shè)計(jì),特別是開口的類型、位置、大小及個(gè)數(shù)。同時(shí)應(yīng)注意注射成型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。在成型困難的情況下,可在注射成型機(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
這是注射成型技術(shù)中最重要的問題之一。不同成型方法所需的添加劑特性也不同。如注射成型要求脫脂、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。
注射成型技術(shù)對(duì)添加劑的要求如下。
1、膠溶性:各種成型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:注射成型要求在高壓下的流動(dòng)性。使用樹脂系粘結(jié)劑注射效果良好,原因是使用樹脂系的時(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:由于注射成型使用了大量的粘結(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。
注射成型技術(shù),日本早在五十年代曾采用氧化鋁塊陶瓷作內(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,人們積極從事各種耐熱、耐磨損零件的開發(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,就是采用注射成型技術(shù)制造的。
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“冷凍注射成型法”。這是利用水具有的流動(dòng)性和凍結(jié)性來實(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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②嚴(yán)格控制化學(xué)成分。制造過程中要防止雜質(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。結(jié)構(gòu)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。
結(jié)構(gòu)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)過原料配制、坯料成型和窯爐燒成三道工序制成;而結(jié)構(gòu)陶瓷大多采用粉末燒結(jié)法制造。在成型技術(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,在成型燒結(jié)以后即為成品,無需再加工。為了滿足這一要求,人們模仿高分子材料工業(yè)的注射成型技術(shù)生產(chǎn)塑料零件的方法,加工結(jié)構(gòu)陶瓷制品,取得了滿意的效果。
陶瓷注射成型技術(shù),是在陶瓷粉料中加入熱塑性樹脂、熱固性樹脂,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)品成型的精度和可靠性。
一、注射成型設(shè)備
注射成型機(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,一般認(rèn)為后者優(yōu)點(diǎn)較多。
注射成型機(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。為了減少成型體的收縮,避免模具體內(nèi)空氣卷入成型體,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)提高成型體的精度很有效。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
陶瓷的注塑成型原理和塑料的注塑成型基本相同。只是塑料內(nèi)混合大量的陶瓷粉末。為了改進(jìn)注塑成型條件,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型體,陶瓷粉末的濃度要高些。但過高將使成型性能變差。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。注射成型的工藝流程見下圖。
在攪拌過程中,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)行注射成型。且需要冷卻、干燥、粉碎后,才獲得適合注射成型機(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)問題有以下四個(gè)方面。
1、原料的流動(dòng)性
注射成型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)影響成型效果。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、成型條件產(chǎn)生的缺陷
成型條件如果不正確,會(huì)產(chǎn)生各種缺陷。其中最關(guān)鍵的是熔焊線條,若成型體帶有通孔或盲孔,則容易出現(xiàn)這種缺陷。因此,必需注意模具的設(shè)計(jì),特別是開口的類型、位置、大小及個(gè)數(shù)。同時(shí)應(yīng)注意注射成型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。在成型困難的情況下,可在注射成型機(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
這是注射成型技術(shù)中最重要的問題之一。不同成型方法所需的添加劑特性也不同。如注射成型要求脫脂、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。
注射成型技術(shù)對(duì)添加劑的要求如下。
1、膠溶性:各種成型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:注射成型要求在高壓下的流動(dòng)性。使用樹脂系粘結(jié)劑注射效果良好,原因是使用樹脂系的時(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:由于注射成型使用了大量的粘結(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。
注射成型技術(shù),日本早在五十年代曾采用氧化鋁塊陶瓷作內(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,人們積極從事各種耐熱、耐磨損零件的開發(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,就是采用注射成型技術(shù)制造的。
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“冷凍注射成型法”。這是利用水具有的流動(dòng)性和凍結(jié)性來實(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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氧化鋁陶瓷生產(chǎn)工藝中的質(zhì)量控制方法
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本文“結(jié)構(gòu)陶瓷注射成型技術(shù)”由科眾陶瓷編輯整理,修訂時(shí)間:2019-07-23 09:44:04
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