陶瓷注射成型注射和脱脂工艺关键参数的控制

王鹤錕 ，雅 菁，周彩楼，赵 巍，李军伟，陈 亮

(天津城市建设学院 材料科学与工程系，天津 300384)

近年来，众多的精细陶瓷以其独特的优势在高技术和尖端工业，如微电子、核反应堆、磁流体发电、航天和人工骨等方面得到了越来越广泛的应用．这些陶瓷和普通陶瓷在成分和制造工艺上都有着很大的差别，特别是在成型技术方面，要求其在成型烧结后即为成品，无需再加工．采用传统成型技术(如干压、等静压等)的制品后续机加工量大，难以满足尺寸精度的苛刻要求．

陶瓷注射成型(ceramics injection molding，简称CIM)是一种近净尺寸成型技术，具有制品无需机加工(或少加工)、尺寸精度高、机械化和自动化程度高等优点，已在高精度和高附加值的新产品制造上显示出无比强大的生命力，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之一[1-5]．陶瓷注射成型工艺主要包括以下四个环节：配料及混炼、注射成型、脱脂和烧结[4-6]．其中注射和脱脂是陶瓷注射成型的关键环节，这两个环节控制不当会导致坯体各种缺陷的产生，直接影响坯体的外观和物理性能，因此必须加以深入研究．

1 实验过程

本实验采用质量分数为 95%的氧化铝粉，以石蜡(PW)、聚丙烯(PP)为主黏结剂，辅助黏结剂有硬脂酸(SA)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)等，其中氧化铝的固含量为 62 vol%，黏结剂质量比为 PW∶PP∶DBP∶SA=70∶10∶10∶10．先将 Al2O3粉末和黏结剂按一定配比在双辊混炼机上加热混炼，混合均匀后的喂料在注射成型机上注射成 25 mm×5 mm×2.5 mm 的试条，随后进行脱脂，烧结．用日本 SEiKO TG/TA6300作喂料的 DTA/TG分析；用 JSM-6700F场发射扫描电镜观察注射坯体脱脂前后的微观形貌；用三点弯曲法测注射坯体和烧结试样的抗弯强度．

2 结果与讨论

2.1 注射过程参数的控制

坯体在注射过程中容易产生缺陷，如欠注、孔洞、凹陷、断裂、密度梯度等．对于合适的喂料，注射过程缺陷的产生原因主要来自注射过程工艺参数的影响[7-10]．实验表明：注射温度和注射压力对试条外观和物理性能有较大的影响．

2.1.1 注射温度

根据 Hammond[11]的研究，对于石蜡-聚烯烃黏结剂体系，通常注射温度为 60～200 ℃．注射温度太低则导致流动性变差，易造成充模不满．温度过高，有机物的挥发会夹杂在喂料中，形成气孔缺陷或凹陷、鼓泡．本实验注射压力固定在 50 MPa，注射温度为90～110 ℃，坯体无法注满；120～140 ℃时，坯体外观完整，表面光洁，无缺陷；150 ℃时坯体有凹陷，如图1所示．不同注射温度对注射坯体物理性质的影响见表1所示．

图1 注射坯体形貌

表1 注射温度对坯体物理性能的影响

从表1中可以看出，在120～140 ℃范围内，注射温度对坯体的密度和抗弯强度影响不大，但在 150 ℃和 160 ℃时，注射坯体密度和抗弯强度偏低，其原因为温度过高导致低熔点有机物挥发严重，进而在坯体内部造成结构不致密．

2.1.2 注射压力

当注射温度在 130 ℃时，注射压力从 30 MPa到140 MPa变化，较小的注射压力会使注模欠注；当注射压力在50～110 MPa时，注射后的试条外观平整光洁，注射坯体的物理性能如表2所示；当注射压力高于 110 MPa时，会使素坯内产生过大的残余应力，并容易产生喷射而引起焊纹和气泡．

表2 注射压力对坯体物理性能的影响

从表2可以看出，在充模完全的前提下，注射压力对成型坯体的密度影响很小．这是因为在氧化铝粉体和有机物的混合喂料中，一部分有机物包裹在氧化铝粉体颗粒表面，一部分有机物小分子进入到高分子长链中使其缠绕性减小，宏观上弹性较小，并且有机载体呈连续相分布，固体颗粒间无空隙，故混合喂料几乎不具有弹性或较大的压缩性．因此，增大注射压力对压缩熔体、提高密度没有明显的作用．注射坯体的抗弯强度随注射压力的降低而有所减小，是因为在注射过程中，特别是在冷却过程中，坯体内部容易形成较大的残余应力和应力集中．因此，在保证充模完整的情况下应尽量减小注射压力．

2.1.3 其它参数的影响

除了注射温度和注射压力，其他参数如注射速度、保压压力等对成型过程也有一定的影响．

当注射温度为 130 ℃，注射压力为 50 MPa，保压压力从 5 MPa到 30 MPa变化时，低于 5 MPa，注射坯体会存在注射不满现象；高于 20 MPa，会产生溢边，影响尺寸精度，并且会造成脱模困难．所以，保压压力定为10 MPa较适宜．

当注射温度为 130 ℃，注射压力为 50 MPa，保压压力为10 MPa，注射速度从20 g/s到80 g/s变化时，低于 20 g/s，注射坯体会出现分层的现象；高于60 g/s，会因为排气不足而使生坯中产生气孔，甚至会出现喷射现象，带来表面焊纹等缺陷．所以，注射速度定为50 g/s较适宜．

2.2 脱脂过程升温制度的控制

图2 喂料DTA/TG曲线

一些研究表明：在石蜡基多组元黏结剂的热脱脂工艺中，极易产生翘曲、膨胀、鼓泡等缺陷[12-13]，因此，要按照喂料的DTA/TG曲线(见图2)，制定合理的脱脂制度．喂料的 DTA/TG曲线可粗略的分成三个阶段：①室温～200 ℃；②200～420 ℃；③420～500 ℃．阶段①失重很少，但DTA曲线大约在60 ℃和140 ℃有两个吸热峰，分别是 PW 和 SA的熔融．由于 PW的熔融软化，坯体容易造成塌陷，小分子的挥发还未在坯体内形成气孔和通道，所以升温不能过快，脱脂速率定为 20 ℃/h，并保温 2 h．从阶段②的 DTA曲线两个大的重叠的放热峰可以看出，黏结剂的热分解和挥发都集中在这个阶段，失重也最剧烈，在200～300 ℃之间，失重与 PW 的排除密切相关，失重百分比和 PW 的初始含量基本相同，质量分数约为10%，除此之外，还包括低分子量聚合物的挥发．此温度段 TG线斜率大，升温非常缓慢，升温速率定为10 ℃/h，并保温 1 h．在 300～420 ℃之间，失重和 PP的裂解有关，此时曲线变缓，而且坯体内部已形成部分气孔通道，有机物的热分解和挥发速度可以适当加快，升温速度定为 15 ℃/h，并保温 1 h．阶段③和剩余黏结剂的脱除有关，由于此时坯体内气体排出的通道已完全打开，以较快的速度即 25 ℃/h升温，并保温1 h．按此脱脂制度脱脂(见图3)，脱脂后的试样外观完好，如图4所示．

图3 热脱脂制度

图4 脱脂后样品的外观形貌

注射坯体脱脂前后断面的 SEM 照片如图5所示．从图中可以看出，在注射坯体中，有机黏结剂均匀地包裹颗粒．采用此脱脂制度后，由于有机黏结剂的脱除，在试样内形成了气孔，这些气孔细小，分散均匀，进一步表明此脱脂制度较合理，同时也为获得高质量的注射陶瓷制品打下了基础．脱脂后的样品经1 600 ℃烧成后，密度及强度值较高，分别达到3.7 g·cm-3和 315 MPa．

图5 注射坯体脱脂前后断面的SEM照片

3 结 论

(1)注射时各参数的选取对坯体外观和物理性质都有影响，其中注射温度和注射压力影响较大．本黏结剂体系合适的注射温度为 120～140 ℃，注射压力为 50 MPa．

(2)根据喂料 DTA/TGA 曲线，氧化铝注射料脱脂过程可分为3个阶段，在失重大的温度区间必须尽量降低升温速率．

［1］ REED J S. Principles of ceramic processing[M]. New York：John Wiley & Sons，1995．

［2］ 谢志鹏，罗杰盛，李建保. 陶瓷注射成型研究进展[J].陶瓷科学与艺术，2003，5(2)：16-18．

［3］ 冯江涛，夏 风，肖建中. 陶瓷注射成型技术及其新进展[J]. 中国陶瓷，2003，39(2)：34-38．

［4］ 雅 菁，刘志锋，周彩楼，等. 陶瓷注射成型的关键技术及其研究现状[J]. 材料导报，2007，21(1)：63-67．

［5］ 王霖林，杨现锋，张振庭，等. 陶瓷注射成型热脱脂与水基脱脂的机理研究[J]. 稀有金属材料与工程，2007，36(1)：330-333．

［6］ 李忠权，周朝阳. 陶瓷注射成型黏结剂现状及发展趋势[J]. 陶瓷工程，2001，6(3)：39-42．

［7］ GUESS M B，WATANABE L G，BECK M，et al. The effect of silane coupling agents on the bond strength of a polycrystalline ceramic brackets[J]. Clin Orthod，1988，22：788-792．

［8］ UEMATSU K. Characterization of macrostructure of injection-molded green body by liquid immersion method[J]. Eur Ceram Soc，1997，17：177-181．

［9］ NOGEIRA E，EDIRISINGHE M. Fabrication of engineering ceramics by injection moulding a suspension with optimum powder properties[J]. Mater Sci，1993，28：167-174．

［10］ LIN S T. Interaction between binder and powder in injection moulding of alumina[J]. Mater Sci，1994，29：5.207-5.212．

［11］ HAMMOND P，EVANS J. The injection molding of ceramics[J]. Mater Sci Lett，1991，10：294-296．

［12］ PAUL C，MICHAEL C. Theoretical models for binder burnout[J]. Am Ceram Soc，1990，73：575-579．

［13］ OMAR M A，IBRAHIM R，SIDIK M I，et al. Rapid debinding of 316l stainless steel injection moulded component[J]. Mater Process Technol，2003，140：397-400．