什么是陶瓷注射成型技术(CIM)?

什么是陶瓷注射成型技术(CIM)?

陶瓷注射成型是将聚合物注射成型方法与陶瓷制备工艺相结合而发展起来的一种陶瓷零件制备新工艺。CIM技术类似于金属注射成型(MIM)技术。它们是粉末注射成型(PIM)技术的主要分支，是在相对成熟的聚合物注射成型技术的基础上发展起来的。对于大批量生产尺寸精度高、形状复杂的陶瓷制品，采用陶瓷粉末成型是最有利的。

陶瓷注射成型技术是在陶瓷粉中加入热塑性树脂、热固性树脂、增塑剂、减摩剂等，使陶瓷粉变成粘性弹性体，再由喷嘴将加热混合后的链浆注入金属模具。常用的热塑性树脂有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等，添加量为10%~30%。CIM技术可以达到传统干压工艺无法达到的外观，产品几乎不受外观的限制。

陶瓷注射成型技术(CIM)的特点:

• 该成型工艺具有机械化自动化程度高、生产效率高、成型周期短、毛坯强度高的特点，其过程可通过程序进行精确控制，容易实现规模化、规模化生产。
• 可将几何形状复杂、要求特殊的各种小型陶瓷零件近净成型，使烧结后的陶瓷产品无需加工或少加工，从而降低昂贵的陶瓷加工成本。
• 成型的陶瓷产品具有极高的尺寸精度和表面光洁度。

• 一次性设备投资和加工成本高，只适合批量生产。

陶瓷注射成型(CIM)的工艺流程和工艺:

• 喂养准备:
  饲料是粉末和粘合剂的混合物。注射工艺要求注射进料具有良好的流动性，这就要求选择符合要求的粉末和合适的粘结剂体系，并在一定温度下有一定的加载比。注塑进料，保证后续工艺的顺利进行，其产品可能从实验室走向高科技市场。因此，饲料准备在整个过程中至关重要。
• 注塑及模具设计:
  注塑工艺控制不当会导致产品中形成许多缺陷，如裂纹、气孔、焊缝、分层、粉末、粘结剂分离等，直到脱胶和烧结时才能发现。CIM经常使用多腔模具。每个空腔的尺寸不同，使用中空腔的磨损会导致零件尺寸不同。此外，回注材料的使用会影响粘度和流变性。因此，控制和优化注射温度、模温、注射压力、保压时间等成型参数，对于减少青体重量波动，防止注射材料中组分分离和离析，提高产品良率和材料利用率至关重要。CIM技术的模具设计主要考虑注射成型过程中模具腔内进料的流动控制。由于大多数CIM产品都是形状复杂、精度要求高的小型零件，因此需要对进料口位置、流道长度、排气孔位置等进行精心设计和安排。当然，模具设计需要清楚地了解进给流变特性、型腔温度和残余应力分布。此外，计算机仿真技术将在粉末注射成型模具设计中发挥重要作用。
• 脱脂过程:
  脱脂是通过加热和其他物理方法，将成型体中的有机物去除，产生少量烧结的过程。与陶瓷零件的配料、成型、烧结和后处理相比，脱粘是注射成型中最困难也是最重要的因素。不正确的脱粘工艺方法和参数导致产品收缩不一致，导致变形、开裂、应力和夹杂。脱粘对后续烧结很重要，脱粘过程中产生的裂纹和变形不能通过烧结来补偿。粘结剂和脱脂结合在一起确定脱脂方式。除传统的热脱脂和溶剂脱脂外，目前的脱脂工艺还包括近年发展起来的催化脱脂和水基萃取脱脂。
• 烧结:
  对脱脂陶瓷坯体进行致密化和高温烧结，获得所需外观、形状、尺寸精度和显微组织的致密陶瓷件。由于陶瓷注塑毛坯中含有脱脂后留下的气孔，所以烧结时产品收缩率比较大，通常达到13%-15%。CIM技术的研究重点是烧结尺寸的精确控制。此外，烧结设备也是烧结工艺的关键。

陶瓷粉末注射成型工艺的几个要素:

• 原料粉的选择:
  廉价、优质的粉末是CMI工艺的关键因素之一。所选陶瓷粉末的物理化学性质，如颗粒形态、尺寸、分布、比表面积等，对混合熔体的流变性能有很大影响。陶瓷粉末特性对注塑熔体的影响主要体现在固相体积分数、粉末粒径、粒径分布等方面。除了对原料粉末一般的粉末注射成型要求外，如粉末无结块、清洁度、无杂质等，CMI对粉末性能有一些特殊要求。要求，提高成型工艺的稳定性和优化陶瓷粉末的粒径分布，增加固相的体积分数，或降低悬浮液的粘度。
• 粘结剂的选择:
  粘结剂是CMI技术的核心和关键。粘合剂与粉末的均匀混合可以提高粉末的流动性，使粉末填充成所需的形状。它对整个过程有重要影响。因此，粘结剂的组成和配置是注射成型中最机密的技术诀窍。

  CIM用粘合剂必须具备以下特性:

  • 流动特性:流动度与粘结剂的分子量和分布有关。一般来说，低分子量的粘结剂粘度较低，流动性较好，而高分子量的粘结剂粘度较高，流动性较高。一般情况下，我们认为在注塑温度下粘结剂的粘度应小于0.1 Pa。S，且粘度随温度的波动不宜过大。
  • 粘结剂与粉体的关系:粘结剂必须能很好地润湿粉体，对粉体有良好的附着力。粘结剂与粉末之间的润湿角应较小。为了改善粘合剂的润湿性，添加了一些表面活性剂，如硬脂酸盐和钛酸盐。同时，粘合剂通过润湿颗粒产生毛细管力吸附颗粒，使青体不变形。此外，粘结剂对粉末应是惰性的。
  • 该粘结剂由多组分有机物组成:为了满足饲料的流动性要求，很难实现单一种类的有机粘结剂，而多组分有机聚合物组成的粘结剂更有利于同时脱脂，粘结剂各组分有机聚合物之间的相容性更好。
  • 胶粘剂具有较高的导热系数和较低的热膨胀系数:较高的导热系数使热能在更大的区域内耗散，避免了热应力引起的缺陷，较低的热膨胀系数可以减少机体的热冲击，减少缺陷。另外，粘结剂还必须无毒、对环境无污染、不挥发、不吸湿、不改变循环加热性能等。

• 混合过程:
  注射成型前，陶瓷粉和粘结剂必须充分混合均匀。选择粘合剂配方后，应将添加量限制在最低要求。搅拌顺序是先加入熔点高、粒径大的粘结剂，混合溶解，再加入熔点低的配料，加入粉末，最后加入增塑剂，一般搅拌30分钟以上。适用于陶瓷注射成型混合料的混合器有三种，轧机和班伯里混合器为批量操作，挤出机为半连续操作。挤出机一般为单螺杆或双螺杆，后者效率更高。许多螺杆挤出机的一个显著特点是跑道几何形状的变化和变化，以避免未混合的材料。
• 注塑工艺:
  注射成型是指通过注塑机将球团加热软化后注入模具中，再在模具中冷却再凝固，以获得所需形状的过程。注塑机由注射装置、夹紧装置(模具安装部分)、液压装置和电气控制装置组成。注塑陶瓷材料要求注塑机的相应部件要耐磨损，特别是注塑机的螺杆、止回阀、机筒。
• 脱脂过程:
  烧结前需要脱脂。脱脂是指用物理或化学方法去除注射成型中的粘结剂成分的过程。它是陶瓷注射成型过程中最漫长、最关键的一步。随着粘结剂体系的增加和完善，形成了多种CIM脱脂方法，包括溶剂脱脂、虹吸脱脂、催化脱脂、水基萃取脱脂、超临界萃取脱脂、微波脱脂等。
• 烧结过程:
  脱脂后，脱脂的尺寸与预成型件的尺寸几乎相同，是一种密度低的多孔型体，因此需要通过高温烧结获得高性能致密产品。粉末冶金中的各种烧结方法和致密化措施都适用于CIM。烧结速度与粘性流动、混凝、体积扩散、表面扩散等有关。粒径越小，熔体粘度越低，表面张力越高，烧结速度越快。而烧结后，产品的收缩率一般在13-20%左右。

CIM陶瓷注射成型的应用:

注射成型技术已应用于各种高性能陶瓷制品的制备。如生物医学领域的陶瓷医疗器械、陶瓷支架、用于牙齿矫正和修复的陶瓷牙柱等。光通信用氧化锆陶瓷套筒和陶瓷套筒。氧化铝绝缘陶瓷元件应用于半导体和电子行业，如集成电路高封装管、小型真空开关陶瓷管、小型陶瓷滑动轴等。陶瓷刀、陶瓷手镯、陶瓷表壳在现代生活和制表中广泛使用。航空航天工业中的涡轮转子、叶片、飞机、航天器轴承、火箭鼻锥等。汽车工业中的汽车发动机、气门、活塞、涡轮增压器转子、喷管等。