氧化鋯微小孔注射成形研究

王翠鳳，簡(jiǎn)佑澤

（1.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福州350003；2.高雄應(yīng)用科技大學(xué)模具工程系，臺(tái)灣 高雄80706）

0 引言

帶微孔的光纖連接器陶瓷套筒、水刀噴嘴及LCD點(diǎn)膠噴嘴等陶瓷零件尺寸小、精度高，不適合用傳統(tǒng)粉末冶金工藝制作，而陶瓷注射成形可近凈成形各種復(fù)雜形狀及微結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到微米等級(jí)的陶瓷零部件［1－2］，機(jī)械化和自動(dòng)化程度高，成形出的陶瓷產(chǎn)品具有極高的密度和表面光潔度等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的陶瓷零部件精密制造技術(shù)［3］。

氧化鋯陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐磨損、化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性好等優(yōu)異性能，近年來(lái)，在能源、航天、機(jī)械、化工、電子、半導(dǎo)體、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用得到迅速發(fā)展［4－5］。通訊行業(yè)用的光纖連接器套筒、生醫(yī)領(lǐng)域應(yīng)用的陶瓷牙樁、模具行業(yè)應(yīng)用的陶瓷凸模等均為添加部分氧化釔（Y2O3）作為穩(wěn)定劑的四方多晶氧化鋯（Y－TZP）典型產(chǎn)品。

實(shí)驗(yàn)采用包銅絲注射成形工藝，制備帶有微孔的Y－TZP陶瓷零件，以脫銅燒結(jié)后試樣的硬度、孔隙率、脫銅率等為目標(biāo)值，研究銅絲直徑、脫銅溫度等最佳參數(shù)。通過(guò)帶微孔Y－TZP陶瓷零件成形工藝參數(shù)的研究，制備出高質(zhì)量的微孔陶瓷產(chǎn)品，以替代進(jìn)口光纖連接器套筒等微孔陶瓷產(chǎn)品。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

選用含有5.2wt%氧化釔（Y2O3）的四方相多晶體氧化鋯粉末（Y－TZP），粉末粒徑為0.6μm左右。由于粒徑較小，顆粒間的范德瓦爾力增加，顆粒容易團(tuán)聚。添加硬脂酸（SA）作為分散劑［6］，在1 mol Y－TZP粉末中添加0.025mol硬脂酸分散劑［7］，再加入丙酮球磨72h、80℃干燥24h、搗碎、過(guò)篩，完成分散劑包覆氧化鋯粉末的制作。由于陶瓷材料本身無(wú)黏性及流動(dòng)性，在Y－TZP粉末（裝載量為50%）中添加5.60wt%石蠟（PW）、2.77 wt%聚丙烯（PP）與4.83wt%SA作為黏接劑進(jìn)行混煉?；鞜捄笕〕鲈跀D出機(jī)中造粒，制成長(zhǎng)度約2～3mm，直徑為2mm的喂料顆粒，如圖1所示。

圖1 混煉造粒后注射成形混合料

實(shí)驗(yàn)使用Wittmann Battenfeld公司M50微量注射機(jī)。由于陶瓷零件內(nèi)孔直徑小，如圖2所示，注射成形時(shí)熔體沖擊力容易使細(xì)小的型芯彎曲；零件長(zhǎng)徑比大于10︰1，脫模困難；另外陶瓷材料熔點(diǎn)高、硬度高，呈硬質(zhì)相彌散分布在熔體材料中，對(duì)型芯磨耗大。本實(shí)驗(yàn)采用Φ0.3mm、Φ0.5mm和Φ0.7mm銅絲作為嵌件注射成形，再利用陶瓷材料燒結(jié)溫度大于銅熔點(diǎn)溫度，進(jìn)行脫銅去除銅芯。在大氣燒結(jié)爐中，以2℃／min和5℃／min升溫速度，分別升溫至1 083℃、1 183℃、1 283℃、1 383℃脫銅，保溫5h，最后在1 450℃燒結(jié)成成品。

圖2 陶瓷零件產(chǎn)品圖

1.2 材料表征

在MVK－H1型維氏硬度儀上測(cè)試燒結(jié)體顯微硬度，載荷4.9N、保壓時(shí)間15s。利用阿基米德原理依據(jù)ASTM－C373標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定燒結(jié)體的孔隙率。采用分析天平測(cè)量質(zhì)量，計(jì)算脫銅率。用掃描電鏡（SEM）觀察氧化鋯的晶粒、晶界及孔隙等顯微組織，測(cè)量燒結(jié)前后微孔尺寸，計(jì)算收縮率，同時(shí)利用能譜儀（EDS）對(duì)材料進(jìn)行元素分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 升溫速率分析

實(shí)驗(yàn)先以5℃／min升溫速率，在銅熔點(diǎn)溫度1 083℃進(jìn)行脫銅，銅絲并未完全脫去，試樣表面存在明顯裂痕；在1 183℃脫銅溫度下，試樣有翹曲變形并在熔接痕處破裂。主要原因是溫度升高時(shí)，熱應(yīng)力和銅絲熱膨脹造成氧化鋯坯的破裂。溫度不變，改變升溫速率為2℃／min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試樣無(wú)翹曲變形。1 283℃脫銅溫度，5℃／min升溫速率下脫銅，試樣側(cè)面有微裂紋。改變升溫速率為2℃／min，試樣沒(méi)有發(fā)現(xiàn)破裂。

2.2 硬度分析

按照距離試樣中心孔的遠(yuǎn)近，每個(gè)試樣選取3個(gè)點(diǎn)，共9組試樣測(cè)量維氏硬度，取平均值，結(jié)果如表1所示?？讖涧?.3mm試樣，由于銅絲比較細(xì)，熔體沖刷壓力使銅絲偏心，試樣壁厚不均，保壓階段收縮不均勻，另外試樣在脫脂、燒結(jié)過(guò)程，黏接劑裂解揮發(fā)產(chǎn)生孔洞也不均勻，所以內(nèi)孔周邊與外徑周邊的硬度相差較大。

表1 試樣燒結(jié)后的維氏硬度

2.3 收縮率分析

燒結(jié)后試樣經(jīng)SEM拍攝、測(cè)量計(jì)算內(nèi)孔和外徑收縮率結(jié)果如表2所示。喂料內(nèi)有機(jī)高分子材料在脫脂及脫銅時(shí)高溫裂解揮發(fā)，所以試樣收縮。收縮率的大小與黏結(jié)劑的多少、類型及脫脂升溫速率和溫度等有關(guān)。

表2 試樣燒結(jié)后的收縮率

2.4 孔隙率分析

由燒結(jié)體密度和孔隙率表3可知，燒結(jié)體密度接近氧化鋯理論密度7.5g／cm，其中孔徑Ф0.5 mm的試樣相對(duì)密度最高，達(dá)到98.80%。根據(jù)脆性材料Duckworth公式，隨著孔隙率的增加或密度的降低，金屬陶瓷材料的強(qiáng)度呈幾何指數(shù)下降［8］。所以孔隙率最小的孔徑Ф0.5mm試樣，強(qiáng)度最高。

表3 燒結(jié)體密度和孔隙率

2.5 燒結(jié)件的顯微結(jié)構(gòu)

觀察圖3燒結(jié)后的SEM形貌，顆粒間結(jié)合緊密，沒(méi)有明顯的孔洞，表明燒結(jié)后試樣致密性好。用截取法根據(jù)ASTM T112標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范測(cè)量燒結(jié)體晶粒尺寸平均為0.45μm，但是存在個(gè)別大尺寸的晶粒，根據(jù)Hall－Petch公式，晶粒越小則硬度越高，燒結(jié)體中個(gè)別大尺寸晶粒的存在可能大幅降低陶瓷材料的強(qiáng)度。

圖3 燒結(jié)后的SEM形貌

2.6 脫銅率分析

脫銅率計(jì)算結(jié)果如表4所示，1 083℃下，脫銅效率很低；1 183℃下，孔徑Ф0.7mm脫銅率達(dá)到85.33%，還是不能滿足要求；1 283℃脫銅溫度下，所有試樣脫銅率接近和達(dá)到100%。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)脫銅效果，對(duì)1 283℃Ф0.5mm試樣進(jìn)行SEM－EDS成分分析，得到微孔周邊區(qū)域成分含量：鋯元素72.51wt%、氧元素27.49wt%；距離微孔遠(yuǎn)一些的區(qū)域其成分含量為鋯元素72.82wt%、氧元素27.18wt%；距離微孔更遠(yuǎn)一些區(qū)域，鋯含量72.84wt%、氧含量27.16wt%?？梢?jiàn)試樣為氧化鋯材料，成分均勻，不含有碳、銅等成分，脫銅充分，另外黏結(jié)劑選擇合理。在1 383℃下，雖然所有試樣脫銅率都達(dá)到了100%，但是，熱應(yīng)力超過(guò)了材料承受強(qiáng)度極限，在試樣熔接痕處發(fā)生破裂。因此脫銅溫度設(shè)定在1 283℃左右為最佳脫銅溫度，最佳脫銅直徑為Φ0.5mm。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）在5℃／min升溫速度時(shí)，發(fā)現(xiàn)氧化鋯坯燒結(jié)后存在明顯龜裂，所以設(shè)定升溫速度為2℃／min。

（2）在1 083℃和1 183℃時(shí)，脫銅率比較低；在1 383℃時(shí)，雖然脫銅率達(dá)到100%，但是應(yīng)力和熱膨脹導(dǎo)致試樣在熔接痕處破裂。1 283℃時(shí)，孔徑Ф0.3mm脫銅率接近98.97%，而Φ0.5mm及Φ0.7mm試樣脫銅率達(dá)到100%，SEM－EDS進(jìn)一步分析Φ0.5mm試樣，未檢測(cè)出孔洞周邊以及孔洞內(nèi)部含有銅成分，因此最佳脫銅溫度設(shè)定在1 283℃，最佳脫銅直徑為Φ0.5mm。

表4 不同溫度及孔徑下脫銅率

（3）Φ0.3、Φ0.5、Φ0.7mm 試樣的孔徑收縮率平均為18.03%、16.34%、18.81%。

（4）試樣燒結(jié)后孔隙度在1.2%～2.6%之間，試樣組織致密，孔隙率小，充分顯示注射成形陶瓷材料致密性比較高的優(yōu)勢(shì)。

4 展望

未來(lái)實(shí)驗(yàn)方向擬在銅芯軸表面鍍一層立方氮化硼或其他硬質(zhì)材料，用脫銅的方式將硬質(zhì)材料鍍覆在內(nèi)孔表面以增強(qiáng)陶瓷零件內(nèi)孔的耐磨性；另外，進(jìn)一步縮小內(nèi)孔直徑并改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)，解決注射成形過(guò)程中微孔偏心的問(wèn)題；嘗試用其他低熔點(diǎn)且不揮發(fā)的芯軸材料取代銅，以延長(zhǎng)燒結(jié)爐的壽命。

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