陶瓷部件的精密注射成型技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

謝志鵬，宋 明，劉 偉

陶瓷部件的精密注射成型技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

謝志鵬1，宋 明2，劉 偉1

（1.清華大學(xué)材料學(xué)院，新型陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院研究生院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

就陶瓷注射成型工藝和近年來常用到的脫脂技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了概述。此外，全面綜述了陶瓷注射成型在光通訊、生物醫(yī)療、電子汽車、現(xiàn)代工業(yè)、文化生活等各領(lǐng)域里的應(yīng)用。最后，對(duì)陶瓷注射成型的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析與展望。

陶瓷部件；注射成型；脫脂技術(shù)；產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

0 引 言

陶瓷注射成型(Ceramic Injection Molding，簡(jiǎn)稱CIM) 是將聚合物注射成型方法與陶瓷制備工藝相結(jié)合而發(fā)展起來的一種制備陶瓷零部件的新工藝。 特別是對(duì)于尺寸精度高、形狀復(fù)雜的陶瓷制品大批量生產(chǎn)，采用陶瓷粉末注射成型具有巨大優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)陶瓷成型工藝相比較，該工藝有自動(dòng)化與機(jī)械化程度高、坯體強(qiáng)度和密度高、可凈成型復(fù)雜形狀的陶瓷零部件、以及尺寸精度和表面光潔度高等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]。早在二十世紀(jì)八十年代，伴隨著陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)研制和渦輪轉(zhuǎn)子及葉片等高溫陶瓷部件制備的需求，美國(guó)貝特爾紀(jì)念協(xié)會(huì)組織了世界上近四十余家研究機(jī)構(gòu)和公司，制定了“陶瓷注射成型”研發(fā)計(jì)劃，美國(guó)、英國(guó)、日本、瑞典、德國(guó)等國(guó)家的許多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)及美國(guó)福特汽車等大公司都參與這一研究計(jì)劃。由于陶瓷注射成型涉及到許多學(xué)科領(lǐng)域，如高分子化學(xué)，粉體科學(xué)、陶瓷工藝學(xué)、模具設(shè)計(jì)等，所以參與陶瓷注射成型技術(shù)開發(fā)與研究的公司既有陶瓷公司也有化學(xué)公司；如日本東芝陶瓷公司，采用注射成型技術(shù)制備的Si3N4渦輪轉(zhuǎn)子等精密陶瓷部件在日本和美國(guó)已經(jīng)用于賽車和軍用裝甲車[2]。而德國(guó)著名的巴斯夫化學(xué)公司，已研發(fā)出高效催化脫脂技術(shù)和相應(yīng)的陶瓷注射喂料。國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)也對(duì)陶瓷注射成型較早的開展了研究工作[3]。

近年來，陶瓷注射成型已經(jīng)廣泛用于各種陶瓷粉料和各種形狀陶瓷零部件的制備。生產(chǎn)的零部件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用與航空航天、汽車、光通訊、生物醫(yī)療、文化生活、機(jī)械化工、新能源等領(lǐng)域。并且伴隨光通訊發(fā)展對(duì)光纖連接器用氧化鋯陶瓷插芯和套筒及生物陶瓷制品的需求，進(jìn)一步推動(dòng)了國(guó)際國(guó)內(nèi)陶瓷注射成型的產(chǎn)業(yè)化。

1 陶瓷注射成型工藝

1.1 陶瓷注射成型工藝流程

陶瓷注射成型制備工藝流程如圖1所示。主要包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：首先是注射喂料的制備，將陶瓷粉與合適的有機(jī)載體按一定的比例在一定的溫度下進(jìn)行混煉，然后干燥、造粒；再把注射喂料加入注射機(jī)內(nèi)在一定的溫度和壓力下注入模具內(nèi)并冷卻固化成型，隨后通過加熱或者其他物理化學(xué)方法排除坯體內(nèi)的有機(jī)物，最后燒結(jié)致密化得到各種陶瓷產(chǎn)品[4]。

1.2 陶瓷注射成型脫脂方法

熱脫脂屬于發(fā)展較早且應(yīng)用最廣泛的脫脂工藝，它特別適合截面尺寸比較小的精密陶瓷部件。但是其脫脂速率非常緩慢，脫脂時(shí)間很長(zhǎng)[5]；尤其是對(duì)于厚壁的陶瓷部件，熱脫脂很容易產(chǎn)生鼓泡、腫脹、變形等缺陷，導(dǎo)致陶瓷部件尺寸受到限制，一般控制到10 mm以內(nèi)。而近些年研發(fā)的微波加熱脫脂由于是體積性加熱，加熱過程快且均勻，時(shí)間只需要常規(guī)脫脂的一半[6,7]。

溶劑萃取脫脂最早由美國(guó)AMAX Metal Injection Molding公司發(fā)明[8]。該脫脂方法使用的粘結(jié)劑體系由兩部分組成的，第一部分有機(jī)物(如石蠟、植物油等)能在某些有機(jī)烷烴溶劑中(如丙酮、三氯乙烷)溶解；另一部分是不溶于有機(jī)溶劑的高分子。該工藝大大縮短了脫脂時(shí)間，但是由于使用的溶劑大部分是有一定毒性，因此不利于環(huán)保，且后期溶劑的處理使得成本大大增加[9]。

圖1 CIM工藝流程圖Fig.1 CIM process

水萃取脫脂是基于溶劑萃取脫脂原理而開發(fā)出的一種新的脫脂方法。其最早由美國(guó)Thermal Precision Technology公司開發(fā)并應(yīng)用到結(jié)構(gòu)陶瓷粉末注射成型的[10]。該方法所用的粘結(jié)劑體系，一部分是水溶性的高聚物如聚乙二醇(PEG)、聚環(huán)氧乙烷(PEO)以及纖維素和纖維素衍生出的瓊脂糖等[11,12]，另一部分是不溶于水的熱塑性樹脂。該工藝脫脂速度快、時(shí)間短、無污染。

催化脫脂首先是由德國(guó)著名的 BASF 化工公司開發(fā)的[13]，其原理是利用硝酸、草酸等催化劑把聚甲醛等有機(jī)載體大分子分解為較小的可揮發(fā)的分子能迅速地在坯體中擴(kuò)散，這樣粘結(jié)劑直接由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)小分子，脫脂快速且陶瓷坯體不易產(chǎn)生缺陷和變形。該技術(shù)對(duì)于制備大尺寸和形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)陶瓷部件具有優(yōu)勢(shì)。

2 陶瓷注射成型的發(fā)展與應(yīng)用

從八十年發(fā)動(dòng)機(jī)用陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子和葉片等高溫部件的研制到二十一世紀(jì)初光纖連接器用陶瓷插芯的開發(fā)，陶瓷注射成型在過去二十幾年發(fā)展中日趨完善。美國(guó)、歐州、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家不斷開發(fā)出注射成型用新的粘結(jié)劑體系和脫脂新工藝，提高脫脂效率和產(chǎn)品尺寸，如溶劑萃取脫脂，催化脫脂等。亞洲國(guó)家和地區(qū)的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)陶瓷注射成型和金屬粉末注射成型技術(shù)的研究日益增多，產(chǎn)業(yè)化也快速推進(jìn)。目前，陶瓷注射成型技術(shù)開始向精密化發(fā)展，研究與開發(fā)的重點(diǎn)由過去的高溫非氧化物陶瓷(如氮化硅、碳化硅)擴(kuò)展為氧化物陶瓷(如氧化鋯、氧化鋁)、功能陶瓷、生物陶瓷產(chǎn)品，種類越來越多，其主要應(yīng)用領(lǐng)域如下。

2.1 光通訊用精密陶瓷部件

主要有光纖連接器用氧化鋯多晶陶瓷插芯和陶瓷套管，如圖2所示。因?yàn)槠涑叽缧　⒕雀?、?nèi)孔直徑只有125微米，因此只能采用注射成型。目前光纖連接器所需陶瓷插芯和陶瓷套管主要由中國(guó)制造，包括廣東潮州三環(huán)和湖南正陽公司，而日本京瓷、東陶、Adamand等國(guó)外公司生產(chǎn)的產(chǎn)品在不斷減少。

2.2 生物陶瓷制品

主要包括人造陶瓷牙齒、種植牙陶瓷固定螺桿、人工關(guān)節(jié)、固定牙冠套、牙齒正畸用陶瓷托槽等，如圖3所示。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，牙齒畸形并發(fā)率約為49%，在美國(guó)50-60%的家庭都會(huì)進(jìn)行牙齒正畸，必須配帶牙齒矯形托槽。采用陶瓷注射成型生產(chǎn)的該類產(chǎn)品尺寸精度高且性能良好，在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)前景開闊。

2.3 文化生活用陶瓷

陶瓷粉末注射成型已成功用于陶瓷表殼、表鏈的制備，如香奈兒國(guó)際品牌陶瓷表和瑞士“雷達(dá)”永不磨損高檔手表的表殼和表鏈。近幾年高檔手機(jī)的外殼和按鍵也采用陶瓷注射成型，均采用耐磨ZrO2陶瓷材料，拋光后表面粗糙度控制在30 nm左右，如圖4所示。

圖2 光纖連接器用陶瓷插芯與套管Fig.2 Ceramic ferrules and sleeves for optical fiber connector

圖3 生物陶瓷制品Fig.3 Bio ceramic products

圖4 陶瓷表殼、表鏈、手機(jī)蓋板、外殼Fig.4 Ceramic watch case, watch band, mobile phone cover and case

2.4 電子用精密陶瓷部件

在IT和電子行業(yè)中，元器件散熱需要用到風(fēng)扇，風(fēng)扇中馬達(dá)若采用陶瓷軸承即可減少噪音，又可延長(zhǎng)壽命，比金屬軸承具有更大優(yōu)越性。ZrO2和Si3N4陶瓷不僅耐磨性好，斷裂韌性高，而且具有一定的自潤(rùn)滑性，因此是制造陶瓷軸承的理想候選材料，如圖5所示。

2.5 機(jī)電工業(yè)用精密陶瓷部件

包括各種氧化鋁(Al2O3)體系絕緣陶瓷零部件，如集成電路封裝管殼；電真空開關(guān)陶瓷管；微波爐中磁控管用絕緣陶瓷等；圖6示出英國(guó)摩根公司生產(chǎn)的直接驅(qū)動(dòng)馬達(dá)陶瓷部件，以及磁盤驅(qū)動(dòng)部件等。

2.6 透明氧化鋁陶瓷產(chǎn)品

許多透明氧化鋁陶瓷產(chǎn)品已采用注射成型技術(shù)制備，包括牙齒矯正用透明陶瓷托槽、陶瓷金屬鹵化物燈泡內(nèi)的透明陶瓷電弧發(fā)光管、以及集實(shí)用與美觀于一體的半透明氧化鋁陶瓷杯，如圖7所示。

2.7 精密機(jī)械與微型陶瓷部件

隨著精密機(jī)械和微電子工業(yè)的發(fā)展，對(duì)小型和微型精密陶瓷零部件的需求不斷增加，包括陶瓷注射成型(CIM)制備的軸和小齒輪行星齒輪變速器、陶瓷螺桿和行星齒輪、以及微型氧化鋯陶瓷滑動(dòng)軸承，其外徑只有1.5 mm，如圖8所示。

2.8 醫(yī)療器械用陶瓷部件

目前，在醫(yī)療領(lǐng)域陶瓷注射成型技術(shù)也得到了越來越多的應(yīng)用。采用陶瓷注射成型工藝制作陶瓷手術(shù)刀等多種醫(yī)療器械(如圖9所示)，具有抗菌、耐腐蝕、不易被玷污等傳統(tǒng)金屬器械所不具備的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 電子用精密陶瓷部件Fig.5 Precision ceramic components for electronic applications

圖6 機(jī)電工業(yè)用精密陶瓷部件Fig.6 Precision ceramic components for mechanical and electrical applications

圖7 透明氧化鋁陶瓷產(chǎn)品Fig.7 Transparent alumina ceramic products

2.9 紡織機(jī)械用耐磨陶瓷件

紡織工業(yè)中目前使用大量耐磨陶瓷件，主要有紡紗用導(dǎo)絲輪、拉線輪等各種產(chǎn)品，大多采用高硬度的氧化鋁(Al2O3)和韌性好耐磨性好的氧化鋯(ZrO2)，以及氮化硅和碳化硅陶瓷材料。這些產(chǎn)品形狀復(fù)雜、尺寸精度高，因此廣泛采用陶瓷精密注射成型制備技術(shù)。像德國(guó)賽瑯泰克公司生產(chǎn)的紡織陶瓷耐磨零部件得到廣泛的應(yīng)用，如圖10所示。

圖8 精密機(jī)械與微型陶瓷部件Fig.8 Precision machinery and micro ceramic components

圖9 醫(yī)療器械用陶瓷手術(shù)刀等零部件Fig.9 Ceramic scalpels and other medical components

圖10 紡織機(jī)械耐磨陶瓷零部件Fig.10 Wear-resistant ceramic components for textile machinery

圖11 注射成型各種陶瓷噴嘴Fig.11 Injection-molded ceramic nozzles

2.10 環(huán)保、化工、冶金用陶瓷噴嘴

噴嘴外形復(fù)雜，內(nèi)設(shè)小孔，要求耐磨、耐腐蝕、耐高溫，采用氧化鋯(ZrO2)和碳化硅(SiC)氮化硅(Si3N4)粉末可一次注射成型制備性能優(yōu)良形狀各異的陶瓷噴嘴，如圖11所示。

3 總結(jié)及展望

通過二十多年的研究與技術(shù)開發(fā)，陶瓷注射成型已成為一類最有應(yīng)用價(jià)值的精密陶瓷零部件的制備技術(shù)，并且獲得越來越多的應(yīng)用。然而由于陶瓷注射成型工藝環(huán)節(jié)多，特別是脫脂過程容易產(chǎn)生缺陷，此外模具制備周期較長(zhǎng)；因此今后尚需研究和解決的問題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)陶瓷粉末顆粒在有機(jī)載體中的分散研究，包括顆粒表面改性技術(shù)；

(2)喂料注射充模過程的計(jì)算機(jī)模擬及工藝參數(shù)的優(yōu)化；

(3)高效脫脂方法及設(shè)備的開發(fā)，希望在無缺陷的前提下加快粘結(jié)劑的脫除；

(4)降低模具制造成本及周期；

(5)提升大尺寸陶瓷部件的成型能力。

隨著上述幾方面問題的解決與陶瓷注射成型技術(shù)的進(jìn)一步完善，可以預(yù)測(cè)，陶瓷注射成型的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)大；它必將成為一種高效率、低成本、適合于高質(zhì)量精密陶瓷產(chǎn)品的制備技術(shù)，從而在現(xiàn)代陶瓷工業(yè)中占有重要地位。

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Precision Injection Molding Technology and Industrial Application of Ceramic Parts

XIE ZhiPeng1, SONG Ming2, Liu Wei1
(1. State Key Laboratory of New Ceramic and Fine Technology, School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Graduate School of Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

This paper has reviewed the development tendency of ceramic injection molding technology and its widely-used debinding techniques. In addition, a comprehensive review has been given of the application of ceramic injection molding in the fields of optical communication, bio medicine, automotive electronics, modern industry, and cultural life. Finally, the prospects for the future development of ceramic injection molding are predicted.

ceramic parts; njection molding; debinding technology; industrial application

TQ174.6+2

A

1006-2874(2015)01-0031-06

10.13958/j.cnki.ztcg.2015.01.008

2014-10-21。

2014-10-26。

謝志鵬，男，教授。

Received date: 2014-10-21. Revised date: 2014-10-26.

Correspondent author:XIE Zhipeng, male, Professor.

E-mail:xzp@mail.tsinghua.edu.cn