一文了解陶瓷注射成型技術

2019-02-23

陶瓷注射成型(Ceramic Injection Molding, 簡稱CIM)是近代粉末注射成型(Powder Injection Molding,簡稱PIM)技術的一個分支,它是一種近凈尺寸陶瓷可塑成型方法,是當今國際上發展最快、應用最廣的陶瓷零部件精密制造技術。

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陶瓷注射成型技術原理

陶瓷注射成型是將聚合物注射成型方法與陶瓷制備工藝相結合而發展起來的一種制備陶瓷零部件的新工藝。在成型過程中需要將熱塑性材料混合在一起。

陶瓷注射成型工藝主要有三個環節構成:

1、熱塑性材料與陶瓷粉體混合成熱熔體,然后注射進入相對冷的模具中。

2、這種混合熱熔體在模具中冷凝固化。

3、成型后的坯體制品被頂出而脫模。

 

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陶瓷注射成型技術和工藝優勢

1、可快速而自動地進行批量生產,且對其工藝過程可以進行精確的控制;

2、由于流動充模,使生坯密度均勻;

3、由于高壓注射,使得混料中粉末含量大幅提高,減少燒結產品的收縮,使產品尺寸精確可控,公差可達±0.1%~0.2%,性能優越;

4、無須機械加工或只需微量加工,降低制備成本;

5、可成型復雜形狀的,帶有橫孔、斜孔、凹凸面、螺紋、薄壁、難以切削加工的陶瓷異形件,有著廣泛的應用前景。


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陶瓷注射成型技術發展歷程

1、粉末注射成型源于20世紀20年代的一種熱壓鑄成型技術,當時已用于生產汽車火花塞等產品。

2、20世紀50年代,用環氧樹脂作粘結劑試制了大量的硬質合金、難熔金屬、陶瓷等,預示著此技術在應用中的地位。但因理論欠缺,加之制粉、成型和燒結等技術存在一系列不足,離應用的距離還比較遠。

3、到20世紀80年代,硬質合金、陶瓷領域基礎研究的發展和突破,如超細粉制備、先進陶瓷增韌理論和技術的發展,使該工藝制備的材料性能較50年代有很大的提高,促使PIM成為比較成熟的復雜形狀制品的制備成型技術。

4、陶瓷粉末注射成型產品全球銷售收入從80年代末的4500萬美元到90年代末的4.2億美元,并以每年20%~25%的速度增長。

但是,只有美國,歐洲和日本的PIM產業發展比較成熟,而韓國、新加坡、中國、中國臺灣地區、印度等地均建有PIM生產廠,但產值尚小,正蓄勢待發。

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注射成型過程中缺陷分析

注射成型過程中由于工藝參數控制不當,或者是喂料本身缺陷,以及模具設計不合理等因素,容易造成諸如欠注、斷裂、孔洞、變形、毛邊等各種缺陷。結合具體過程,對常見的注射缺陷進行分析,并加以控制,以提高生產率和喂料的利用率。

1、欠注缺陷,指喂料在充模過程中不能充滿整個模腔,如圖所示。一般在剛開始注射時產生,可能是由喂料溫度或模具溫度過低、加料量不足、喂料粘度過大等因素引起的。通過增加預塑時間升高喂料溫度、升高模具溫度、加大進料量、升高注射溫度降低喂料粘度等措施可以消除此缺陷。

2、斷裂缺陷斷裂,如圖所示。一般發生在脫模中,往往是脆斷。主要是因為模具溫度太低,或者是保壓和冷卻時間過長,使得坯體溫度大幅下降,引起的收縮太大使坯體緊緊箍在下部凸模上,在模具頂出機構的強烈沖擊下,很容易引起脆斷。通過適當升高模溫以及減少保壓和冷卻時間,在脫模過程中可以避免斷裂。

3、孔洞缺陷,孔洞,指在生坯的橫截面上可以發現的孔隙。有的是一個近圓形的小孔,有的就發展為幾乎貫穿生坯坯體的中心通孔,這是常見的缺陷,注射成型樣品不同部位產生的氣孔的原因也不一樣。

一般中部產生的氣孔較小,原因可能是喂料本身混合不充分并夾有氣體、注射溫度太高造成粉末同粘結劑分離。相應可通過調整喂料質量,降低模溫和注射溫度等措施消除。而底部產生的氣孔較大,有的甚至是周身或半周身通孔。產生這樣孔洞的原因主要是注射時底部排氣不充分而使樣品夾入氣體。因為樣品上部壁薄而底部壁厚,注射過程中流動性喂料在注射壓力下從上向下流動沖模,當喂料流體到達底部時,空腔截面面積突然變大,喂料會沿內側經樣品最底面漸進沖模,這樣一來最后被沖模的地方不是空腔最底面,而是薄壁和厚壁的接合處。因此模具上開在底面的排氣孔并不能充分排氣,使得氣體聚集,形成比較大的孔洞。  

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陶瓷注射成型技術的應用

目前,陶瓷注射成型技術開始向精密化發展,研究與開發的重點由過去的高溫非氧化物陶瓷(如氮化硅、碳化硅)擴展為氧化物陶瓷(如氧化鋯、氧化鋁)、功能陶瓷、生物陶瓷產品,種類越來越多,其主要應用領域如下。

1、光通訊用精密陶瓷部件

主要有光纖連接器用氧化鋯多晶陶瓷插芯和陶瓷套管。因為其尺寸小、精度高、內孔直徑只有125微米,因此只能采用注射成型。目前光纖連接器所需陶瓷插芯和陶瓷套管主要由中國制造,包括廣東潮州三環和湖南正陽公司,而日本京瓷、東陶、Adamand等國外公司生產的產品在不斷減少。

光纖連接器用陶瓷插芯與套管

2、生物陶瓷制品

主要包括人造陶瓷牙齒、種植牙陶瓷固定螺桿、人工關節、固定牙冠套、牙齒正畸用陶瓷托槽等,如圖3所示。據世界衛生組織統計,牙齒畸形并發率約為49%,在美國50-60%的家庭都會進行牙齒正畸,必須配帶牙齒矯形托槽。采用陶瓷注射成型生產的該類產品尺寸精度高且性能良好,在國內的市場前景開闊。

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殼、表鏈的制備,如香奈兒國際品牌陶瓷表和瑞士“雷達”永不磨損高檔手表的表殼和表鏈。近幾年高檔手機的外殼和按鍵也采用陶瓷注射成型,均采用耐磨ZrO2陶瓷材料,拋光后表面粗糙度控制在30 nm左右。

陶瓷表殼、表鏈、手機蓋板、外殼

4 、電子用精密陶瓷部件

在IT和電子行業中,元器件散熱需要用到風扇,風扇中馬達若采用陶瓷軸承即可減少噪音,又可延長壽命,比金屬軸承具有更大優越性。ZrO2和Si3N4陶瓷不僅耐磨性好,斷裂韌性高,而且具有一定的自潤滑性,因此是制造陶瓷軸承的理想候選材料。

電子用精密陶瓷部件

5、 機電工業用精密陶瓷部件

包括各種氧化鋁(Al2O3)體系絕緣陶瓷零部件,如集成電路封裝管殼;電真空開關陶瓷管;微波爐中磁控管用絕緣陶瓷等;圖示為英國摩根公司生產的直接驅動馬達陶瓷部件,以及磁盤驅動部件等。

機電工業用精密陶瓷部件

6、 透明氧化鋁陶瓷產品

許多透明氧化鋁陶瓷產品已采用注射成型技術制備,包括牙齒矯正用透明陶瓷托槽、陶瓷金屬鹵化物燈泡內的透明陶瓷電弧發光管、以及集實用與美觀于一體的半透明氧化鋁陶瓷杯。

透明氧化鋁陶瓷產品

7、 精密機械與微型陶瓷部件

隨著精密機械和微電子工業的發展,對小型和微型精密陶瓷零部件的需求不斷增加,包括陶瓷注射成型(CIM)制備的軸和小齒輪行星齒輪變速器、陶瓷螺桿和行星齒輪、以及微型氧化鋯陶瓷滑動軸承,其外徑只有1.5 mm。

精密機械與微型陶瓷部件

8 、醫療器械用陶瓷部件

目前,在醫療領域陶瓷注射成型技術也得到了越來越多的應用。采用陶瓷注射成型工藝制作陶瓷手術刀等多種醫療器械,具有抗菌、耐腐蝕、不易被玷污等傳統金屬器械所不具備的優點。

醫療器械用陶瓷手術刀等零部件

9 、紡織機械用耐磨陶瓷件

紡織工業中目前使用大量耐磨陶瓷件,主要有紡紗用導絲輪、拉線輪等各種產品,大多采用高硬度的氧化鋁(Al2O3)和韌性好耐磨性好的氧化鋯(ZrO2),以及氮化硅和碳化硅陶瓷材料。這些產品形狀復雜、尺寸精度高,因此廣泛采用陶瓷精密注射成型制備技術。

紡織機械耐磨陶瓷零部件

10 、環保、化工、冶金用陶瓷噴嘴

噴嘴外形復雜,內設小孔,要求耐磨、耐腐蝕、耐高溫,采用氧化鋯(ZrO2)和碳化硅(SiC)氮化硅(Si3N4)粉末可一次注射成型制備性能優良形狀各異的陶瓷噴嘴。

注射成型各種陶瓷噴嘴

陶瓷注射成型技術作為一種新興的精密制造技術,有著其不可比擬的獨特優勢。特別是近年來全球范圍內產業化的不斷擴大,更加充分證明CIM技術誘人的發展前景。陶瓷材料優異的物理化學性能和精密注射成型的有機結合,必將使CIM技術在航空航天、國防軍事以及醫療器械等高科技領域發揮越來越重要的作用,成為國內外精密陶瓷零部件中最有優勢的先進制備技術。


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