陶瓷注射成型(Ceramic Injection Molding,簡稱CIM)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。類似于20世紀70年代發展起來的金屬注射成型(MIM)技術,它們均是粉末注射成型(PIM)技術的主要分支,均是在聚合物注射成型技術比較成熟的基礎上發展而來的。對尺寸精度高、形狀復雜的陶瓷制品的大批量生產,采用陶瓷粉末成型最有優勢。
①成型過程具有機械化和自動化程度高、生產效率高、成型周期短、坯件強度高等特點,并且其工藝過程可以精確控制(程序控制),易于實現大批量、規模化生產;
②可近凈成型各種幾何形狀復雜的及有特殊要求的小型陶瓷零部件,使燒結后的陶瓷產品無需進行機加工或少加工,以此減少昂貴的陶瓷加工成本;
③成型出的陶瓷產品具有極高的尺寸精度和表面光潔度。
不足之處:一次性設備投資與加工成本高,僅適合于大批量生產采用。
陶瓷精密注射成型的制造過程如圖1,主要包括以下4個環節:
喂料是粉末和粘結劑的混合物。注射工藝要求注射喂料有良好的流動性,這就須選擇符合要求的粉末和適當的粘結劑體系,按一定的裝載量配比,在一定的溫度下采用適當的方法混煉成均勻的注射成型喂料,這樣才能保證后序工藝的順利進行,其產品才有可能從實驗室走向高技術市場。所以喂料制備在整個工序中非常關鍵。
注射成型工藝控制不當可能使產品形成很多缺陷,如裂紋、孔隙、焊縫、分層、粉末和粘結劑分離等,而這些缺陷知道脫脂和燒結后才能被發現。CIM常使用多模腔模具,各模腔之間尺寸不一,加上模腔使用中的磨損,都將導致零部件尺寸大小不一。此外注射返回料的使用會影響粘度和流變性。所以控制和優化注射溫度、模具溫度、注射壓力、保壓時間等成型參數對減少生坯重量波動,防止注射料中各組分的分離和偏析,提高產品成品率和材料的利用率至關重要。
CIM技術的模具設計主要考慮注射成形時喂料在模腔中的流動控制。因為CIM產品大部分是形狀復雜,精度要求高的小尺寸零件,這就需要對進料口的位置、流道長短、排氣孔的位置等進行周密地設計和安排。當然模具設計要求對喂料流變性質、模腔內溫度和殘余應力分布有清楚的了解,另外計算機模擬技術在粉末注射成型模具設計方面將發揮重要的作用。
脫脂是通過加熱及其他物理方法將成型體內的有機物排除并產生少量燒結的過程。與配料、成型、燒結及陶瓷部件的后加工過程相比,脫脂是注射成型中最困難和最重要的因素。脫脂過程不正確的工藝方式和參數使產品收縮不一致,導致變形、開裂、應力和夾雜。脫脂對其后燒結也很重要,在脫脂過程中產生的裂紋和變形不能通過燒結來彌補。粘結劑和脫脂是聯系在一起的粘結劑決定脫脂方式。目前的脫脂工藝除了傳統的熱脫脂、溶劑脫脂外,還有近幾年發展起來的催化脫脂以及水基萃取脫脂。
脫脂后的陶瓷素坯在高溫下致密化燒結,獲得所需外觀形狀、尺寸精度和顯微結構的致密陶瓷部件。由于陶瓷注射成型坯中含有因脫脂留下孔隙,所以在燒結時產品收縮率較大,通常達13%-15%。由此可見,CIM技術的研究重點是燒結尺寸精度控制。此外燒結設備也是燒結技術的關鍵。
目前,注射成型技術已應用于各種高性能陶瓷產品的制備。如生物醫學領域用陶瓷醫療器械、牙齒矯正和修復用的陶瓷托槽與陶瓷牙樁等;光通訊用的氧化鋯陶瓷插芯和陶瓷套筒;半導體和電子工業中使用的氧化鋁絕緣陶瓷零部件,如集成電路高封裝管殼、小型真空開關陶瓷管殼小型陶瓷滑動軸芯;現代生活及制表業中使用的陶瓷刀、陶瓷表鏈及陶瓷表殼等。