陶瓷注射成型注射和脫脂工藝關(guān)鍵參數(shù)的控制

王鶴錕 ，雅 菁，周彩樓，趙 巍，李軍偉，陳 亮

(天津城市建設(shè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程系，天津 300384)

近年來，眾多的精細(xì)陶瓷以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在高技術(shù)和尖端工業(yè)，如微電子、核反應(yīng)堆、磁流體發(fā)電、航天和人工骨等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用．這些陶瓷和普通陶瓷在成分和制造工藝上都有著很大的差別，特別是在成型技術(shù)方面，要求其在成型燒結(jié)后即為成品，無需再加工．采用傳統(tǒng)成型技術(shù)(如干壓、等靜壓等)的制品后續(xù)機(jī)加工量大，難以滿足尺寸精度的苛刻要求．

陶瓷注射成型(ceramics injection molding，簡(jiǎn)稱CIM)是一種近凈尺寸成型技術(shù)，具有制品無需機(jī)加工(或少加工)、尺寸精度高、機(jī)械化和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已在高精度和高附加值的新產(chǎn)品制造上顯示出無比強(qiáng)大的生命力，是當(dāng)今國際上發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的陶瓷零部件精密制造技術(shù)之一[1-5]．陶瓷注射成型工藝主要包括以下四個(gè)環(huán)節(jié)：配料及混煉、注射成型、脫脂和燒結(jié)[4-6]．其中注射和脫脂是陶瓷注射成型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這兩個(gè)環(huán)節(jié)控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致坯體各種缺陷的產(chǎn)生，直接影響坯體的外觀和物理性能，因此必須加以深入研究．

1 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 95%的氧化鋁粉，以石蠟(PW)、聚丙烯(PP)為主黏結(jié)劑，輔助黏結(jié)劑有硬脂酸(SA)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)等，其中氧化鋁的固含量為 62 vol%，黏結(jié)劑質(zhì)量比為 PW∶PP∶DBP∶SA=70∶10∶10∶10．先將 Al2O3粉末和黏結(jié)劑按一定配比在雙輥混煉機(jī)上加熱混煉，混合均勻后的喂料在注射成型機(jī)上注射成 25 mm×5 mm×2.5 mm 的試條，隨后進(jìn)行脫脂，燒結(jié)．用日本 SEiKO TG/TA6300作喂料的 DTA/TG分析；用 JSM-6700F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察注射坯體脫脂前后的微觀形貌；用三點(diǎn)彎曲法測(cè)注射坯體和燒結(jié)試樣的抗彎強(qiáng)度．

2 結(jié)果與討論

2.1 注射過程參數(shù)的控制

坯體在注射過程中容易產(chǎn)生缺陷，如欠注、孔洞、凹陷、斷裂、密度梯度等．對(duì)于合適的喂料，注射過程缺陷的產(chǎn)生原因主要來自注射過程工藝參數(shù)的影響[7-10]．實(shí)驗(yàn)表明：注射溫度和注射壓力對(duì)試條外觀和物理性能有較大的影響．

2.1.1 注射溫度

根據(jù) Hammond[11]的研究，對(duì)于石蠟-聚烯烴黏結(jié)劑體系，通常注射溫度為 60～200 ℃．注射溫度太低則導(dǎo)致流動(dòng)性變差，易造成充模不滿．溫度過高，有機(jī)物的揮發(fā)會(huì)夾雜在喂料中，形成氣孔缺陷或凹陷、鼓泡．本實(shí)驗(yàn)注射壓力固定在 50 MPa，注射溫度為90～110 ℃，坯體無法注滿；120～140 ℃時(shí)，坯體外觀完整，表面光潔，無缺陷；150 ℃時(shí)坯體有凹陷，如圖1所示．不同注射溫度對(duì)注射坯體物理性質(zhì)的影響見表1所示．

圖1 注射坯體形貌

表1 注射溫度對(duì)坯體物理性能的影響

從表1中可以看出，在120～140 ℃范圍內(nèi)，注射溫度對(duì)坯體的密度和抗彎強(qiáng)度影響不大，但在 150 ℃和 160 ℃時(shí)，注射坯體密度和抗彎強(qiáng)度偏低，其原因?yàn)闇囟冗^高導(dǎo)致低熔點(diǎn)有機(jī)物揮發(fā)嚴(yán)重，進(jìn)而在坯體內(nèi)部造成結(jié)構(gòu)不致密．

2.1.2 注射壓力

當(dāng)注射溫度在 130 ℃時(shí)，注射壓力從 30 MPa到140 MPa變化，較小的注射壓力會(huì)使注模欠注；當(dāng)注射壓力在50～110 MPa時(shí)，注射后的試條外觀平整光潔，注射坯體的物理性能如表2所示；當(dāng)注射壓力高于 110 MPa時(shí)，會(huì)使素坯內(nèi)產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力，并容易產(chǎn)生噴射而引起焊紋和氣泡．

表2 注射壓力對(duì)坯體物理性能的影響

從表2可以看出，在充模完全的前提下，注射壓力對(duì)成型坯體的密度影響很?。@是因?yàn)樵谘趸X粉體和有機(jī)物的混合喂料中，一部分有機(jī)物包裹在氧化鋁粉體顆粒表面，一部分有機(jī)物小分子進(jìn)入到高分子長鏈中使其纏繞性減小，宏觀上彈性較小，并且有機(jī)載體呈連續(xù)相分布，固體顆粒間無空隙，故混合喂料幾乎不具有彈性或較大的壓縮性．因此，增大注射壓力對(duì)壓縮熔體、提高密度沒有明顯的作用．注射坯體的抗彎強(qiáng)度隨注射壓力的降低而有所減小，是因?yàn)樵谧⑸溥^程中，特別是在冷卻過程中，坯體內(nèi)部容易形成較大的殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中．因此，在保證充模完整的情況下應(yīng)盡量減小注射壓力．

2.1.3 其它參數(shù)的影響

除了注射溫度和注射壓力，其他參數(shù)如注射速度、保壓壓力等對(duì)成型過程也有一定的影響．

當(dāng)注射溫度為 130 ℃，注射壓力為 50 MPa，保壓壓力從 5 MPa到 30 MPa變化時(shí)，低于 5 MPa，注射坯體會(huì)存在注射不滿現(xiàn)象；高于 20 MPa，會(huì)產(chǎn)生溢邊，影響尺寸精度，并且會(huì)造成脫模困難．所以，保壓壓力定為10 MPa較適宜．

當(dāng)注射溫度為 130 ℃，注射壓力為 50 MPa，保壓壓力為10 MPa，注射速度從20 g/s到80 g/s變化時(shí)，低于 20 g/s，注射坯體會(huì)出現(xiàn)分層的現(xiàn)象；高于60 g/s，會(huì)因?yàn)榕艢獠蛔愣股髦挟a(chǎn)生氣孔，甚至?xí)霈F(xiàn)噴射現(xiàn)象，帶來表面焊紋等缺陷．所以，注射速度定為50 g/s較適宜．

2.2 脫脂過程升溫制度的控制

圖2 喂料DTA/TG曲線

一些研究表明：在石蠟基多組元黏結(jié)劑的熱脫脂工藝中，極易產(chǎn)生翹曲、膨脹、鼓泡等缺陷[12-13]，因此，要按照喂料的DTA/TG曲線(見圖2)，制定合理的脫脂制度．喂料的 DTA/TG曲線可粗略的分成三個(gè)階段：①室溫～200 ℃；②200～420 ℃；③420～500 ℃．階段①失重很少，但DTA曲線大約在60 ℃和140 ℃有兩個(gè)吸熱峰，分別是 PW 和 SA的熔融．由于 PW的熔融軟化，坯體容易造成塌陷，小分子的揮發(fā)還未在坯體內(nèi)形成氣孔和通道，所以升溫不能過快，脫脂速率定為 20 ℃/h，并保溫 2 h．從階段②的 DTA曲線兩個(gè)大的重疊的放熱峰可以看出，黏結(jié)劑的熱分解和揮發(fā)都集中在這個(gè)階段，失重也最劇烈，在200～300 ℃之間，失重與 PW 的排除密切相關(guān)，失重百分比和 PW 的初始含量基本相同，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%，除此之外，還包括低分子量聚合物的揮發(fā)．此溫度段 TG線斜率大，升溫非常緩慢，升溫速率定為10 ℃/h，并保溫 1 h．在 300～420 ℃之間，失重和 PP的裂解有關(guān)，此時(shí)曲線變緩，而且坯體內(nèi)部已形成部分氣孔通道，有機(jī)物的熱分解和揮發(fā)速度可以適當(dāng)加快，升溫速度定為 15 ℃/h，并保溫 1 h．階段③和剩余黏結(jié)劑的脫除有關(guān)，由于此時(shí)坯體內(nèi)氣體排出的通道已完全打開，以較快的速度即 25 ℃/h升溫，并保溫1 h．按此脫脂制度脫脂(見圖3)，脫脂后的試樣外觀完好，如圖4所示．

圖3 熱脫脂制度

圖4 脫脂后樣品的外觀形貌

注射坯體脫脂前后斷面的 SEM 照片如圖5所示．從圖中可以看出，在注射坯體中，有機(jī)黏結(jié)劑均勻地包裹顆粒．采用此脫脂制度后，由于有機(jī)黏結(jié)劑的脫除，在試樣內(nèi)形成了氣孔，這些氣孔細(xì)小，分散均勻，進(jìn)一步表明此脫脂制度較合理，同時(shí)也為獲得高質(zhì)量的注射陶瓷制品打下了基礎(chǔ)．脫脂后的樣品經(jīng)1 600 ℃燒成后，密度及強(qiáng)度值較高，分別達(dá)到3.7 g·cm-3和 315 MPa．

圖5 注射坯體脫脂前后斷面的SEM照片

3 結(jié) 論

(1)注射時(shí)各參數(shù)的選取對(duì)坯體外觀和物理性質(zhì)都有影響，其中注射溫度和注射壓力影響較大．本黏結(jié)劑體系合適的注射溫度為 120～140 ℃，注射壓力為 50 MPa．

(2)根據(jù)喂料 DTA/TGA 曲線，氧化鋁注射料脫脂過程可分為3個(gè)階段，在失重大的溫度區(qū)間必須盡量降低升溫速率．

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