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氧化铝陶瓷介绍(3)--氧化铝陶瓷的注射成形技术

发布日期:[2006-06-02]    共阅[4859]次
    氧化铝陶瓷亦称精密陶瓷、特种陶瓷、或高技术陶瓷。它是采用高度精选的原料,按照特殊的制造工艺生产,能精确控制化学组成和具有优异性能的陶瓷。目前,氧化铝陶瓷主要使用在高技术和尖端工业,如微电子、核反应堆、航天、磁流体发电、人工骨和人工关节等方面。氧化铝陶瓷在制造工艺上,应当满足以下三方面的要求。①精选的原料要选用高纯度的,颗粒应尽可能的细;②严格控制化学成分。制造过程中要防止杂质混入和成分本身的挥发,对烧结件的颗粒度、界面、气孔等要严格控制,以达到质量稳定和具有再现性;③精确的形状和尺寸。氧化铝陶瓷制件一般不经加工,直接使用,特别是陶瓷电子器件要求较高的精度。
氧化铝陶瓷和普通陶瓷在成分和制造工艺上都有很大的差别。普通陶瓷经过原料配制、坯料成形和窑炉烧成三道工序制成;而氧化铝陶瓷大多采用粉末烧结法制造。在成形技术方面,由于陶瓷的硬度极高,难于切割加工,特别对于形状复杂的非对型制品,如汽车发动机中的增压器转子,骨骼、牙齿等生物陶瓷制品,在成形烧结以后即为成品,无需再加工。为了满足这一要求,人们模仿高分子材料工业的注射成形技术生产塑料零件的方法,加工氧化铝陶瓷制品,取得了满意的效果。
陶瓷注射成形技术,是在陶瓷粉料中加入热塑性树脂、热固性树脂,增塑剂和减摩剂,使陶瓷粉料成为粘性弹体,然后将加热混炼后的料浆从喷口射入金属模内,冷却固化即成。常用的热塑性树脂有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯,加入量为10-30%。这一技术很大程度地提高了形状复杂产品成形的精度和可靠性。
一、注射成形设备
注射成形机一般由增塑装置(或注射装置)、合模装置、油压装置以及电子、电源控制装置组成。其类型根据增塑装置内部结构的不同,可以分为柱塞式和并联螺旋桨式。近年来,一般认为后者优点较多。
注射成形机是以电子、电源控制装置为中枢,在驱动油压装置的同时使增塑装置、合模装置顺次工作。其工作程序是:陶瓷原料由漏斗放入,进入缸体,原料在送人缸体端部的同时,进行熔化、搅拌,经缸体端部的喷嘴注射至金属模具的型腔中获得坯件。国外先进的控制系统采用屏幕显示方式(如利用示波管、等离子、电致发光、液晶),以及设计图形控制台方式或二者组合的复合控制台方式。
模具材料一般采用高洁度、耐磨性、耐腐蚀性均优良的合金钢。模具设计应当符合陶瓷一高分子系统的流动特性。为了减少成形体的收缩,避免模具体内空气卷入成形体,因此模具要考虑控制放出口。在环状制品上,栅的对侧易产生熔合纹,所以也要注意栅的位置。为了使注塑条件最优化,需要依靠模具、料筒等的温度管理和模具内的压力传感器进行细致的管理。此外,模具上应有冷却槽,可以冷却和加热,依靠温度调节器使模具温度保持恒定,对提高成形体的精度很有效。由于原料中要大量使用有机材料,为了不使毛坯产生热裂,不剩碳渣地进行脱脂也是一个重要课题。
二、工艺
陶瓷的注塑成形原理和塑料的注塑成形基本相同。只是塑料内混合大量的陶瓷粉末。为了改进注塑成形条件,必须选择与使用原料匹配的有机材料,并要选定添加量。为了获得致密又均匀的注塑成形体,陶瓷粉末的浓度要高些。但过高将使成形性能变差。为改进混炼坯料的流动性,应降低分散剂高分子系的粘度。作为前处理很重要的是提高陶瓷粉末的分散性,为了提高高分子的流动性,需添加适当的增塑剂和润滑剂。
陶瓷原料的粒度一般为1μm,加入粘结剂(或称为添加剂),经充分混合、搅拌。注射成形的工艺流程见下图。
在搅拌过程中,陶瓷粉末被粘结剂润湿和包复,全部成为均匀的复合物才可进行注射成形。且需要冷却、干燥、粉碎后,才获得适合注射成形机漏斗进料的颗粒。
整个工艺中应注意和掌握的技术问题有以下四个方面。
1、原料的流动性
注射成形所用的陶瓷颗粒一般由80-90%(重要比,下同)的粉末和10~20%的粘结剂组成。粘结剂在脱脂工序中去掉,因此添加量以最低限度为宜,但应注意若添加量不足会影响成形效果。此外,陶瓷颗粒的流动性在粒度越小、形状越偏离球形时越差。因此,应用尽可能简便的方法对流动性进行测试。
2、成形条件产生的缺陷
成形条件如果不正确,会产生各种缺陷。其中最关键的是熔焊线条,若成形体带有通孔或盲孔,则容易出现这种缺陷。因此,必需注意模具的设计,特别是开口的类型、位置、大小及个数。同时应注意注射成形的注射温度和速度间的平衡。
此外,为了避免发生表面粗糙、裂纹、长条痕、变形等缺陷。在成形困难的情况下,可在注射成形机中装设自适应控制器,进行细微的控制。
3、脱脂
本工序又称去掉粘结剂,通常升温速度为3~5℃/b,约进行5~10日,但在0.5MPa压力的保护气氛下进行时,40小时可结束脱脂。
4、烧结
热工等参数可根据陶瓷的种类而定。烧结中的线收缩率约为15-20%,形状比较复杂或壁较厚的工作,容易在烧结中产生裂纹,应注意防止。
三、添加剂
这是注射成形技术中最重要的问题之一。不同成形方法所需的添加剂特性也不同。如注射成形要求脱脂、流动性、胶溶性、强度、收缩;挤压要求可塑性、胶溶性、强度、润滑;冷等静压(橡胶模压)要求润滑、制粒性、强度;机械压制要求润滑制粒性、强度、脱模等。同时,对于不同的制品也要选用不同的粘接剂。
注射成形技术对添加剂的要求如下。
1、胶溶性:各种成形方法都尽量采用较少的添加剂为宜,可以采用解胶性(胶溶性)添加剂,这对减少生产周期和产品成本均有利。特别是有利于以后去掉粘结剂。
2、流动性:注射成形要求在高压下的流动性。使用树脂系粘结剂注射效果良好,原因是使用树脂系的时候,应当注意保持粘度和缓慢地进行注射。
3、膨胀与收缩:由于注射成形使用了大量的粘结剂,致使毛坯收缩大,影响尺寸精度和几何形状,并容易形成气孔。因此,可以选用石腊一类膨胀—收缩小的物质作添加剂。这类物质要比松香等非结晶物质的膨胀——收缩影响小。
注射成形技术,日本早在五十年代曾采用A12O3陶瓷作内燃机的点火塞。以后在小型复杂的零件中相继用于生产。近年来,人们积极从事各种耐热、耐磨损零件的开发研究,例如,柴油发动机的涡流腔机头已经实现陶瓷化,就是采用注射成形技术制造的。
据报道,不久前,日本东京大学生产技术研究所试验成功了只用水进行的“冷冻注射成形法”。这是利用水具有的流动性和冻结性来实现陶瓷的固体化和脱模。在预先冷却到-5~10℃的模具内填充0~5℃左右的坯料,填充的同时坯料从内壁面冻结,当内部冻结达到脱模强度时,毛坯即可以模中取出。由于不必象前述那样使用大量有机添加剂,因此无需长时间的脱脂工序,所以能够大大地;缩短生产时间,从而为降低成本、增加产量创造了有利条件。
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