先进制造：陶瓷注射成型技术正在兴起

陶瓷注射成型技术的应用

随着CIM技术的快速发展，陶瓷注射成型制品已在多个领域得到应用

1. 瑞士手表表壳有三分之一是采用陶瓷粉末注射成型技术生产的，材质是氧化锆——一种永不磨损的陶瓷材料。
2. 日本已实现工业化生产内孔直径为0.015mm的氧化锆光纤连接器。
3. 美国已实现氧化锆理发器的生产和氮化硅部件在发动机上的应用。
4. 中南工业大学粉末冶金国家重点实验室研制出精密双螺旋混合器陶瓷内衬、双螺纹陶瓷喷嘴；华中科技大学材料学院利用CIM技术成功研制出氧化锆传感器。

陶瓷注射成型基本工艺流程图

粉体、粘结剂、分散剂、润滑剂——混合——脱气造粒——注塑——脱脂——烧结——产品检测

陶瓷注射成型技术对陶瓷粉末的要求

1. 粉末需专门配制，以提高极限填充密度和降低成本；
2. 粉末不结块；
3. 粉末形状以球形为主；
4. 粉末间有足够的摩擦力，避免脱除粘结剂后坯料变形或塌陷，多数情况下自然倾斜角应大于55°；
5. 为了便于快速烧结，其平均粒径应较小，一般小于1μm；
6. 粉末本身致密，无内部孔隙；
7. 粉末表面洁净，不会与粘合剂发生化学反应。

注塑成型粘合剂体系

注塑成型中的粘合剂有两个基本作用。

首先，在注塑阶段能够使粉末混合均匀，并且粉末加热后能够具有良好的流动性；

其次，粘合剂可以在注塑后以及脱脂过程中保持坯体的形状。

可以说，粘结剂是粉末注射成型技术中的核心和关键，每一次注射成型工艺的改进和突破都伴随着新的粘结体系的诞生。在CIM中，由于粉末粒径较金属粉末注射成型较小，粉末本身的流动性较差，混合后粉末与粘结剂之间的间隙很小，导致脱脂困难，这就对粘结剂提出了更为苛刻的要求。因此，作为陶瓷注射成型粘结剂，必须满足以下条件：

1、流动性好。注射成型的粘度要适中，粘度过高，粉料不能有效地分散在粘结剂中，不仅混合困难，而且难以得到混合均匀的坯料，易产生成型缺陷；粘度过低，会造成陶瓷粉料与粘结剂的分层，而且粘度不能随温度波动太大，否则会产生缺陷。

2、粘结剂必须能很好地润湿粉体，对粉体有良好的粘结作用。通常为了提高粘结剂的润湿性能，应加入一些表面活性物质，以降低混合料的粘度，增加其流动性。同时粘结剂对颗粒有润湿作用，产生毛细力使颗粒吸附，使坯体不变形。为保证坯料的稳定性，粉体相对于粘结剂应呈惰性。

3、粘结剂是由多组份有机物组成，单一有机粘结剂很难满足流动性要求，而其中一种组份脱脂掉后，形成开放孔隙，有利于剩余粘结剂的排除。实践证明，多组份粘结剂的脱脂速度比单组份粘结剂快得多，缺陷也少得多。当然，有机聚合物与多组份粘结剂是相容的。

4、粘结剂具有较高的热导率，较低的热膨胀系数。这样不仅避免了由于热应力而引起的缺陷，而且减轻了对坯体的热冲击，减少了缺陷的产生。

5、另外，粘结剂还必须无毒、无污染、不挥发、不吸湿，循环加热性能不发生变化。

各种粘合剂体系优缺点比较

CIM 中几种常见的绑定由

近年来国际上各种陶瓷粉末注射成型中常用的最典型的粘结剂，由表可知，CIM所用的粘结剂主要属于热塑性多元体系。

CIM 混合物的制备

混合料是粉末和粘合剂的混合物。在整个注塑过程中，粉末和聚合物粘合剂混合物的制备是最重要的步骤之一。该工艺要求混合料具有良好的均匀性、良好的流变性能和良好的脱脂特性。

对于所选用的混合工艺，主要作用是混合速率、温度和时间的匹配。然而，如果混合速率和温度太低，无论混合时间多长，都无法达到均匀的效果。

PIM的流变问题主要是对混合料粘度的评价和表征。

注塑成型

注射成型的目的是得到所需形状、无缺陷、颗粒排列均匀的CIM成型体。配制好的混合料一般可注入普通塑料注射成型机，也可注入专用粉末注射机。成型工艺参数一般包括注射温度、注射压力、注射速度、保压压力、保压冷却时间和模具温度等。如果工艺参数控制不当，很容易产生各种缺陷。注射缺陷在后续工序中无法消除，因此必须严格控制这一工序，这对提高产品成品率和材料利用率至关重要。

氧化锆注塑件

陶瓷注射成型工艺缺陷的控制

注塑过程中缺陷的控制可以从两个方面考虑：一方面是成型温度、压力与时间的关系设定；另一方面是填充时混合料在模腔内的流动情况。由于CIM产品大多为形状复杂、精度要求高的小型零件，混合料在模腔内的流动涉及到模具设计问题，包括进料口的位置、流道的长度、排气孔的位置等，这需要对混合料的流动性能、模腔内的温度、残余应力的分布等参数有清晰的了解。

陶瓷烧结

烧结过程主要是为了控制陶瓷的晶粒尺寸长大，获得所需的相材料，保证烧结密度高、致密的陶瓷烧结体。

烧结工艺两个重要参数：烧结温度和烧结时间

新型陶瓷注射成型工艺

粉末共注射成型（PCM）是粉末注射成型的新发展。该技术采用双筒注塑机将两种不同的粉末/粘合剂混合物依次注射到模腔中。该工艺允许在注塑过程中进行表面处理，而不是在成品制备完成后进行。产品的制备和表面处理可以在一个过程中完成，这本身从技术和经济角度来看非常有吸引力。

低压注塑技术，就注射工艺本身而言，低压注射工艺优于高压注射。一般粘度在1.5-4.0Pa.s之间的物料的加料，用0.8Mpa的压缩空气即可完成，省去了传统设备中的液压系统、注射活塞和连杆系统。可见低压注射的优点是注射坯内压力梯度小，模具磨损小，加料不粘模，避免了注射活塞磨损造成的加料污染，粉末/粘结剂不会分离。另外，还有能耗低、设备体积小、结构简单、成本低等优点。