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氧化鋁陶瓷的注射成形技術
發布日期：[2023/10/26]
氧化鋁陶瓷亦稱精密陶瓷、特種陶瓷、或高技術陶瓷。它是采用高度精選的原料，按照特殊的制造工藝生產，能精確控制化學組成和具有優異性能的陶瓷。目前，氧化鋁陶瓷主要使用在高技術和尖端工業，如微電子、核反應堆、航天、磁流體發電、人工骨和人工關節等方面。氧化鋁陶瓷在制造工藝上，應當滿足以下三方面的要求。①精選的原料要選用高純度的，顆粒應盡可能的細；②嚴格控制化學成分。制造過程中要防止雜質混入和成分本身的揮發，對燒結件的顆粒度、界面、氣孔等要嚴格控制，以達到質量穩定和具有再現性；③精確的形狀和尺寸。氧化鋁陶瓷制件一般不經加工，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。普通陶瓷經過原料配制、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法制造。在成形技術方面，由于陶瓷的硬度極高，難于切割加工，特別對于形狀復雜的非對型制品，如汽車發動機中的增壓器轉子，骨骼、牙齒等生物陶瓷制品，在成形燒結以后即為成品，無需再加工。為了滿足這一要求，人們模仿高分子材料工業的注射成形技術生產塑料零件的方法，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，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，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％。這一技術很大程度地提高了形狀復雜產品成形的精度和可靠性。
一、注射成形設備
注射成形機一般由增塑裝置(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。其類型根據增塑裝置內部結構的不同，可以分為柱塞式和并聯螺旋槳式。近年來，一般認為后者優點較多。
注射成形機是以電子、電源控制裝置為中樞，在驅動油壓裝置的同時使增塑裝置、合模裝置順次工作。其工作程序是：陶瓷原料由漏斗放入，進入缸體，原料在送人缸體端部的同時，進行熔化、攪拌，經缸體端部的噴嘴注射至金屬模具的型腔中獲得坯件。國外先進的控制系統采用屏幕顯示方式(如利用示波管、等離子、電致發光、液晶)，以及設計圖形控制臺方式或二者組合的復合控制臺方式。
模具材料一般采用高潔度、耐磨性、耐腐蝕性均優良的合金鋼。模具設計應當符合陶瓷一高分子系統的流動特性。為了減少成形體的收縮，避免模具體內空氣卷入成形體，因此模具要考慮控制放出口。在環狀制品上，柵的對側易產生熔合紋，所以也要注意柵的位置。為了使注塑條件最優化，需要依靠模具、料筒等的溫度管理和模具內的壓力傳感器進行細致的管理。此外，模具上應有冷卻槽，可以冷卻和加熱，依靠溫度調節器使模具溫度保持恒定，對提高成形體的精度很有效。由于原料中要大量使用有機材料，為了不使毛坯產生熱裂，不剩碳渣地進行脫脂也是一個重要課題。
二、工藝
陶瓷的注塑成形原理和塑料的注塑成形基本相同。只是塑料內混合大量的陶瓷粉末。為了改進注塑成形條件，必須選擇與使用原料匹配的有機材料，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。但過高將使成形性能變差。為改進混煉坯料的流動性，應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性，需添加適當的增塑劑和潤滑劑。
陶瓷原料的粒度一般為1μm，加入粘結劑(或稱為添加劑)，經充分混合、攪拌。注射成形的工藝流程見下圖。
在攪拌過程中，陶瓷粉末被粘結劑潤濕和包復，全部成為均勻的復合物才可進行注射成形。且需要冷卻、干燥、粉碎后，才獲得適合注射成形機漏斗進料的顆粒。
整個工藝中應注意和掌握的技術問題有以下四個方面。
1、原料的流動性
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％的粘結劑組成。粘結劑在脫脂工序中去掉，因此添加量以最低限度為宜，但應注意若添加量不足會影響成形效果。此外，陶瓷顆粒的流動性在粒度越小、形狀越偏離球形時越差。因此，應用盡可能簡便的方法對流動性進行測試。
2、成形條件產生的缺陷
成形條件如果不正確，會產生各種缺陷。其中最關鍵的是熔焊線條，若成形體帶有通孔或盲孔，則容易出現這種缺陷。因此，必需注意模具的設計，特別是開口的類型、位置、大小及個數。同時應注意注射成形的注射溫度和速度間的平衡。
此外，為了避免發生表面粗糙、裂紋、長條痕、變形等缺陷。在成形困難的情況下，可在注射成形機中裝設自適應控制器，進行細微的控制。
3、脫脂
本工序又稱去掉粘結劑，通常升溫速度為3~5℃/b，約進行5～10日，但在0.5MPa壓力的保護氣氛下進行時，40小時可結束脫脂。
4、燒結
熱工等參數可根據陶瓷的種類而定。燒結中的線收縮率約為15-20％，形狀比較復雜或壁較厚的工作，容易在燒結中產生裂紋，應注意防止。
三、添加劑
這是注射成形技術中最重要的問題之一。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、流動性、膠溶性、強度、收縮；擠壓要求可塑性、膠溶性、強度、潤滑；冷等靜壓(橡膠模壓)要求潤滑、制粒性、強度；機械壓制要求潤滑制粒性、強度、脫模等。同時，對于不同的制品也要選用不同的粘接劑。
注射成形技術對添加劑的要求如下。
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，這對減少生產周期和產品成本均有利。特別是有利于以后去掉粘結劑。
2、流動性：注射成形要求在高壓下的流動性。使用樹脂系粘結劑注射效果良好，原因是使用樹脂系的時候，應當注意保持粘度和緩慢地進行注射。
3、膨脹與收縮：由于注射成形使用了大量的粘結劑，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-收縮小的物質作添加劑。這類物質要比松香等非結晶物質的膨脹--收縮影響小。
注射成形技術，日本早在五十年代曾采用A12O3陶瓷作內燃機的點火塞。以后在小型復雜的零件中相繼用于生產。近年來，人們積極從事各種耐熱、耐磨損零件的開發研究，例如，柴油發動機的渦流腔機頭已經實現陶瓷化，就是采用注射成形技術制造的。
據報道，不久前，日本東京大學生產技術研究所試驗成功了只用水進行的"冷凍注射成形法"。這是利用水具有的流動性和凍結性來實現陶瓷的固體化和脫模。在預先冷卻到-5～10℃的模具內填充0～5℃左右的坯料，填充的同時坯料從內壁面凍結，當內部凍結達到脫模強度時，毛坯即可以模中取出。由于不必象前述那樣使用大量有機添加劑，因此無需長時間的脫脂工序，所以能夠大大地；縮短生產時間，從而為降低成本、增加產量創造了有利條件。
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