一文了解陶瓷注射成型技術(shù)
陶瓷注射成型（Ceramic Injection Molding, 簡(jiǎn)稱(chēng)CIM）是近代粉末注射成型(Powder Injection Molding，簡(jiǎn)稱(chēng)PIM)技術(shù)的一個(gè)分支，它是一種近凈尺寸陶瓷可塑成型方法，是當今國際上發(fā)展最快、應用最廣的陶瓷零部件精密制造技術(shù)。
1 陶瓷注射成型技術(shù)原理 陶瓷注射成型是將聚合物注射成型方法與陶瓷制備工藝相結合而發(fā)展起來(lái)的一種制備陶瓷零部件的新工藝。在成型過(guò)程中需要將熱塑性材料混合在一起。 陶瓷注射成型工藝主要有三個(gè)環(huán)節構成： 1、熱塑性材料與陶瓷粉體混合成熱熔體，然后注射進(jìn)入相對冷的模具中。 2、這種混合熱熔體在模具中冷凝固化。 3、成型后的坯體制品被頂出而脫模。 2 陶瓷注射成型技術(shù)和工藝優(yōu)勢 1、可快速而自動(dòng)地進(jìn)行批量生產(chǎn)，且對其工藝過(guò)程可以進(jìn)行精確的控制； 2、由于流動(dòng)充模，使生坯密度均勻； 3、由于高壓注射，使得混料中粉末含量大幅提高，減少燒結產(chǎn)品的收縮，使產(chǎn)品尺寸精確可控，公差可達±0.1%～0.2%，性能優(yōu)越； 4、無(wú)須機械加工或只需微量加工，降低制備成本； 5、可成型復雜形狀的，帶有橫孔、斜孔、凹凸面、螺紋、薄壁、難以切削加工的陶瓷異形件，有著(zhù)廣泛的應用前景。 3 陶瓷注射成型技術(shù)發(fā)展歷程 1、粉末注射成型源于20世紀20年代的一種熱壓鑄成型技術(shù)，當時(shí)已用于生產(chǎn)汽車(chē)火花塞等產(chǎn)品。 2、20世紀50年代，用環(huán)氧樹(shù)脂作粘結劑試制了大量的硬質(zhì)合金、難熔金屬、陶瓷等，預示著(zhù)此技術(shù)在應用中的地位。但因理論欠缺，加之制粉、成型和燒結等技術(shù)存在一系列不足，離應用的距離還比較遠。 3、到20世紀80年代，硬質(zhì)合金、陶瓷領(lǐng)域基礎研究的發(fā)展和突破，如超細粉制備、先進(jìn)陶瓷增韌理論和技術(shù)的發(fā)展，使該工藝制備的材料性能較50年代有很大的提高，促使PIM成為比較成熟的復雜形狀制品的制備成型技術(shù)。 4、陶瓷粉末注射成型產(chǎn)品全球銷(xiāo)售收入從80年代末的4500萬(wàn)美元到90年代末的4.2億美元，并以每年20%~25%的速度增長(cháng)。 但是，只有美國,歐洲和日本的PIM產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較成熟，而韓國、新加坡、中國、中國臺灣地區、印度等地均建有PIM生產(chǎn)廠(chǎng)，但產(chǎn)值尚小，正蓄勢待發(fā)。 4 注射成型過(guò)程中缺陷分析 注射成型過(guò)程中由于工藝參數控制不當，或者是喂料本身缺陷，以及模具設計不合理等因素，容易造成諸如欠注、斷裂、孔洞、變形、毛邊等各種缺陷。結合具體過(guò)程，對常見(jiàn)的注射缺陷進(jìn)行分析，并加以控制，以提高生產(chǎn)率和喂料的利用率。 1、欠注缺陷，指喂料在充模過(guò)程中不能充滿(mǎn)整個(gè)模腔，如圖所示。一般在剛開(kāi)始注射時(shí)產(chǎn)生，可能是由喂料溫度或模具溫度過(guò)低、加料量不足、喂料粘度過(guò)大等因素引起的。通過(guò)增加預塑時(shí)間升高喂料溫度、升高模具溫度、加大進(jìn)料量、升高注射溫度降低喂料粘度等措施可以消除此缺陷。 2、斷裂缺陷斷裂，如圖所示。一般發(fā)生在脫模中，往往是脆斷。主要是因為模具溫度太低，或者是保壓和冷卻時(shí)間過(guò)長(cháng)，使得坯體溫度大幅下降，引起的收縮太大使坯體緊緊箍在下部凸模上，在模具頂出機構的強烈沖擊下，很容易引起脆斷。通過(guò)適當升高模溫以及減少保壓和冷卻時(shí)間，在脫模過(guò)程中可以避免斷裂。 3、孔洞缺陷，孔洞，指在生坯的橫截面上可以發(fā)現的孔隙。有的是一個(gè)近圓形的小孔，有的就發(fā)展為幾乎貫穿生坯坯體的中心通孔，這是常見(jiàn)的缺陷，注射成型樣品不同部位產(chǎn)生的氣孔的原因也不一樣。 一般中部產(chǎn)生的氣孔較小，原因可能是喂料本身混合不充分并夾有氣體、注射溫度太高造成粉末同粘結劑分離。相應可通過(guò)調整喂料質(zhì)量，降低模溫和注射溫度等措施消除。而底部產(chǎn)生的氣孔較大，有的甚至是周身或半周身通孔。產(chǎn)生這樣孔洞的原因主要是注射時(shí)底部排氣不充分而使樣品夾入氣體。因為樣品上部壁薄而底部壁厚，注射過(guò)程中流動(dòng)性喂料在注射壓力下從上向下流動(dòng)沖模，當喂料流體到達底部時(shí)，空腔截面面積突然變大，喂料會(huì )沿內側經(jīng)樣品最底面漸進(jìn)沖模，這樣一來(lái)最后被沖模的地方不是空腔最底面，而是薄壁和厚壁的接合處。因此模具上開(kāi)在底面的排氣孔并不能充分排氣，使得氣體聚集，形成比較大的孔洞。 5 陶瓷注射成型技術(shù)的應用 目前，陶瓷注射成型技術(shù)開(kāi)始向精密化發(fā)展，研究與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)由過(guò)去的高溫非氧化物陶瓷(如氮化硅、碳化硅)擴展為氧化物陶瓷(如氧化鋯、氧化鋁)、功能陶瓷、生物陶瓷產(chǎn)品，種類(lèi)越來(lái)越多，其主要應用領(lǐng)域如下。 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。因為其尺寸小、精度高、內孔直徑只有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制造，包括廣東潮州三環(huán)和湖南正陽(yáng)公司，而日本京瓷、東陶、Adamand等國外公司生產(chǎn)的產(chǎn)品在不斷減少。 光纖連接器用陶瓷插芯與套管 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、固定牙冠套、牙齒正畸用陶瓷托槽等，如圖3所示。據世界衛生組織統計，牙齒畸形并發(fā)率約為49%，在美國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(lèi)產(chǎn)品尺寸精度高且性能良好，在國內的市場(chǎng)前景開(kāi)闊。 生物陶瓷制品 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，如香奈兒國際品牌陶瓷表和瑞士“雷達”永不磨損高檔手表的表殼和表鏈。近幾年高檔手機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。 陶瓷表殼、表鏈、手機蓋板、外殼 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)扇中馬達若采用陶瓷軸承即可減少噪音，又可延長(cháng)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滑性，因此是制造陶瓷軸承的理想候選材料。 電子用精密陶瓷部件 5、 機電工業(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(kāi)關(guān)陶瓷管；微波爐中磁控管用絕緣陶瓷等；圖示為英國摩根公司生產(chǎn)的直接驅動(dòng)馬達陶瓷部件，以及磁盤(pán)驅動(dòng)部件等。 機電工業(yè)用精密陶瓷部件 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的透明陶瓷電弧發(fā)光管、以及集實(shí)用與美觀(guān)于一體的半透明氧化鋁陶瓷杯。 透明氧化鋁陶瓷產(chǎn)品 7、 精密機械與微型陶瓷部件 隨著(zhù)精密機械和微電子工業(yè)的發(fā)展，對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。 精密機械與微型陶瓷部件 8 、醫療器械用陶瓷部件 目前，在醫療領(lǐng)域陶瓷注射成型技術(shù)也得到了越來(lái)越多的應用。采用陶瓷注射成型工藝制作陶瓷手術(shù)刀等多種醫療器械，具有抗菌、耐腐蝕、不易被玷污等傳統金屬器械所不具備的優(yōu)點(diǎn)。 醫療器械用陶瓷手術(shù)刀等零部件 9 、紡織機械用耐磨陶瓷件 紡織工業(yè)中目前使用大量耐磨陶瓷件，主要有紡紗用導絲輪、拉線(xiàn)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)。 紡織機械耐磨陶瓷零部件 10 、環(huán)保、化工、冶金用陶瓷噴嘴 噴嘴外形復雜，內設小孔，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。 注射成型各種陶瓷噴嘴 陶瓷注射成型技術(shù)作為一種新興的精密制造技術(shù)，有著(zhù)其不可比擬的獨特優(yōu)勢。特別是近年來(lái)全球范圍內產(chǎn)業(yè)化的不斷擴大，更加充分證明CIM技術(shù)誘人的發(fā)展前景。陶瓷材料優(yōu)異的物理化學(xué)性能和精密注射成型的有機結合，必將使CIM技術(shù)在航空航天、國防軍事以及醫療器械等高科技領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，成為國內外精密陶瓷零部件中最有優(yōu)勢的先進(jìn)制備技術(shù)。
一文了解陶瓷注射成型技術(shù)
陶瓷注射成型（Ceramic Injection Molding, 簡(jiǎn)稱(chēng)CIM）是近代粉末注射成型(Powder Injection Molding，簡(jiǎn)稱(chēng)PIM)技術(shù)的一個(gè)分支，它是一種近凈尺寸陶瓷可塑成型方法，是當今國際上發(fā)展最快、應用最廣的陶瓷零部件精密制造技術(shù)。
1 陶瓷注射成型技術(shù)原理 陶瓷注射成型是將聚合物注射成型方法與陶瓷制備工藝相結合而發(fā)展起來(lái)的一種制備陶瓷零部件的新工藝。在成型過(guò)程中需要將熱塑性材料混合在一起。 陶瓷注射成型工藝主要有三個(gè)環(huán)節構成： 1、熱塑性材料與陶瓷粉體混合成熱熔體，然后注射進(jìn)入相對冷的模具中。 2、這種混合熱熔體在模具中冷凝固化。 3、成型后的坯體制品被頂出而脫模。 2 陶瓷注射成型技術(shù)和工藝優(yōu)勢 1、可快速而自動(dòng)地進(jìn)行批量生產(chǎn)，且對其工藝過(guò)程可以進(jìn)行精確的控制； 2、由于流動(dòng)充模，使生坯密度均勻； 3、由于高壓注射，使得混料中粉末含量大幅提高，減少燒結產(chǎn)品的收縮，使產(chǎn)品尺寸精確可控，公差可達±0.1%～0.2%，性能優(yōu)越； 4、無(wú)須機械加工或只需微量加工，降低制備成本； 5、可成型復雜形狀的，帶有橫孔、斜孔、凹凸面、螺紋、薄壁、難以切削加工的陶瓷異形件，有著(zhù)廣泛的應用前景。 3 陶瓷注射成型技術(shù)發(fā)展歷程 1、粉末注射成型源于20世紀20年代的一種熱壓鑄成型技術(shù)，當時(shí)已用于生產(chǎn)汽車(chē)火花塞等產(chǎn)品。 2、20世紀50年代，用環(huán)氧樹(shù)脂作粘結劑試制了大量的硬質(zhì)合金、難熔金屬、陶瓷等，預示著(zhù)此技術(shù)在應用中的地位。但因理論欠缺，加之制粉、成型和燒結等技術(shù)存在一系列不足，離應用的距離還比較遠。 3、到20世紀80年代，硬質(zhì)合金、陶瓷領(lǐng)域基礎研究的發(fā)展和突破，如超細粉制備、先進(jìn)陶瓷增韌理論和技術(shù)的發(fā)展，使該工藝制備的材料性能較50年代有很大的提高，促使PIM成為比較成熟的復雜形狀制品的制備成型技術(shù)。 4、陶瓷粉末注射成型產(chǎn)品全球銷(xiāo)售收入從80年代末的4500萬(wàn)美元到90年代末的4.2億美元，并以每年20%~25%的速度增長(cháng)。 但是，只有美國,歐洲和日本的PIM產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較成熟，而韓國、新加坡、中國、中國臺灣地區、印度等地均建有PIM生產(chǎn)廠(chǎng)，但產(chǎn)值尚小，正蓄勢待發(fā)。 4 注射成型過(guò)程中缺陷分析 注射成型過(guò)程中由于工藝參數控制不當，或者是喂料本身缺陷，以及模具設計不合理等因素，容易造成諸如欠注、斷裂、孔洞、變形、毛邊等各種缺陷。結合具體過(guò)程，對常見(jiàn)的注射缺陷進(jìn)行分析，并加以控制，以提高生產(chǎn)率和喂料的利用率。 1、欠注缺陷，指喂料在充模過(guò)程中不能充滿(mǎn)整個(gè)模腔，如圖所示。一般在剛開(kāi)始注射時(shí)產(chǎn)生，可能是由喂料溫度或模具溫度過(guò)低、加料量不足、喂料粘度過(guò)大等因素引起的。通過(guò)增加預塑時(shí)間升高喂料溫度、升高模具溫度、加大進(jìn)料量、升高注射溫度降低喂料粘度等措施可以消除此缺陷。 2、斷裂缺陷斷裂，如圖所示。一般發(fā)生在脫模中，往往是脆斷。主要是因為模具溫度太低，或者是保壓和冷卻時(shí)間過(guò)長(cháng)，使得坯體溫度大幅下降，引起的收縮太大使坯體緊緊箍在下部凸模上，在模具頂出機構的強烈沖擊下，很容易引起脆斷。通過(guò)適當升高模溫以及減少保壓和冷卻時(shí)間，在脫模過(guò)程中可以避免斷裂。 3、孔洞缺陷，孔洞，指在生坯的橫截面上可以發(fā)現的孔隙。有的是一個(gè)近圓形的小孔，有的就發(fā)展為幾乎貫穿生坯坯體的中心通孔，這是常見(jiàn)的缺陷，注射成型樣品不同部位產(chǎn)生的氣孔的原因也不一樣。 一般中部產(chǎn)生的氣孔較小，原因可能是喂料本身混合不充分并夾有氣體、注射溫度太高造成粉末同粘結劑分離。相應可通過(guò)調整喂料質(zhì)量，降低模溫和注射溫度等措施消除。而底部產(chǎn)生的氣孔較大，有的甚至是周身或半周身通孔。產(chǎn)生這樣孔洞的原因主要是注射時(shí)底部排氣不充分而使樣品夾入氣體。因為樣品上部壁薄而底部壁厚，注射過(guò)程中流動(dòng)性喂料在注射壓力下從上向下流動(dòng)沖模，當喂料流體到達底部時(shí)，空腔截面面積突然變大，喂料會(huì )沿內側經(jīng)樣品最底面漸進(jìn)沖模，這樣一來(lái)最后被沖模的地方不是空腔最底面，而是薄壁和厚壁的接合處。因此模具上開(kāi)在底面的排氣孔并不能充分排氣，使得氣體聚集，形成比較大的孔洞。 5 陶瓷注射成型技術(shù)的應用 目前，陶瓷注射成型技術(shù)開(kāi)始向精密化發(fā)展，研究與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)由過(guò)去的高溫非氧化物陶瓷(如氮化硅、碳化硅)擴展為氧化物陶瓷(如氧化鋯、氧化鋁)、功能陶瓷、生物陶瓷產(chǎn)品，種類(lèi)越來(lái)越多，其主要應用領(lǐng)域如下。 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。因為其尺寸小、精度高、內孔直徑只有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制造，包括廣東潮州三環(huán)和湖南正陽(yáng)公司，而日本京瓷、東陶、Adamand等國外公司生產(chǎn)的產(chǎn)品在不斷減少。 光纖連接器用陶瓷插芯與套管 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、固定牙冠套、牙齒正畸用陶瓷托槽等，如圖3所示。據世界衛生組織統計，牙齒畸形并發(fā)率約為49%，在美國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(lèi)產(chǎn)品尺寸精度高且性能良好，在國內的市場(chǎng)前景開(kāi)闊。 生物陶瓷制品 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，如香奈兒國際品牌陶瓷表和瑞士“雷達”永不磨損高檔手表的表殼和表鏈。近幾年高檔手機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。 陶瓷表殼、表鏈、手機蓋板、外殼 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)扇中馬達若采用陶瓷軸承即可減少噪音，又可延長(cháng)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滑性，因此是制造陶瓷軸承的理想候選材料。 電子用精密陶瓷部件 5、 機電工業(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(kāi)關(guān)陶瓷管；微波爐中磁控管用絕緣陶瓷等；圖示為英國摩根公司生產(chǎn)的直接驅動(dòng)馬達陶瓷部件，以及磁盤(pán)驅動(dòng)部件等。 機電工業(yè)用精密陶瓷部件 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的透明陶瓷電弧發(fā)光管、以及集實(shí)用與美觀(guān)于一體的半透明氧化鋁陶瓷杯。 透明氧化鋁陶瓷產(chǎn)品 7、 精密機械與微型陶瓷部件 隨著(zhù)精密機械和微電子工業(yè)的發(fā)展，對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。 精密機械與微型陶瓷部件 8 、醫療器械用陶瓷部件 目前，在醫療領(lǐng)域陶瓷注射成型技術(shù)也得到了越來(lái)越多的應用。采用陶瓷注射成型工藝制作陶瓷手術(shù)刀等多種醫療器械，具有抗菌、耐腐蝕、不易被玷污等傳統金屬器械所不具備的優(yōu)點(diǎn)。 醫療器械用陶瓷手術(shù)刀等零部件 9 、紡織機械用耐磨陶瓷件 紡織工業(yè)中目前使用大量耐磨陶瓷件，主要有紡紗用導絲輪、拉線(xiàn)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)。 紡織機械耐磨陶瓷零部件 10 、環(huán)保、化工、冶金用陶瓷噴嘴 噴嘴外形復雜，內設小孔，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。 注射成型各種陶瓷噴嘴 陶瓷注射成型技術(shù)作為一種新興的精密制造技術(shù)，有著(zhù)其不可比擬的獨特優(yōu)勢。特別是近年來(lái)全球范圍內產(chǎn)業(yè)化的不斷擴大，更加充分證明CIM技術(shù)誘人的發(fā)展前景。陶瓷材料優(yōu)異的物理化學(xué)性能和精密注射成型的有機結合，必將使CIM技術(shù)在航空航天、國防軍事以及醫療器械等高科技領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，成為國內外精密陶瓷零部件中最有優(yōu)勢的先進(jìn)制備技術(shù)。
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