氧化鋁陶瓷注射成型工藝要點

氧化鋁是目前工業上被應用最廣泛的特種陶瓷材料之一，不僅價廉易得，具有高的機械特性和高的電絕緣性與低的介電損耗等特點，因此在航天航空、機械、電子、電力、汽車、化工、醫學等領域應用十分廣泛。

不過氧化鋁陶瓷本身硬度高、脆性大的特點導致它很難被切削加工——換句話說，氧化鋁異形間的成型及精度控制都具備相當的難度，尤其是微型結構件（毫米級），大多成型方法幾乎都無能為力。

不過車到山前必有路，陶瓷注射成型（CeramicInjectionMolding，CIM）技術的出現與發展為氧化鋁陶瓷成型開辟了新道路。通過注射成型制備的產品，不僅尺寸精確可控，而且可實現大批量生產，無需或只需少量的機械加工，大大降低了陶瓷的生產成本。

一、工藝流程
CIM主要包括喂料制備、注射成型、脫脂和燒結四個階段。其基本過程為在氧化鋁陶瓷粉末中加入粘結劑，并使其混合均勻，形成具有粘塑性的喂料，在加熱狀態下，利用注射成型機將喂料注入模具模腔內冷凝成型，經過脫脂工藝去除粘結劑后，便可用于燒結。

注射成型工藝流程

總的來講，氧化鋁陶瓷注射成型的原理與工藝并不復雜，因此在制造業中很受歡迎。尤其是發動機、燃氣輪機和火箭發動機等需要形狀復雜、精度高、耐高溫、硬度高零部件的領域，更是很早就開始這方面的應用——如1931年時，德國SiemensHalske公司將氧化鋁陶瓷應用于火花塞材料；1942年時日本將氧化鋁陶瓷應用于軍用航空飛機的火花塞上。

二、工藝要點
不過要想通過注射成型工藝得到品質上乘的氧化鋁件，有許多地方需要注意，比如說注射和脫模等過程就受到眾多因素的制約，因此控制注射中的各項關鍵參數的變化是該領域的重點研究內容。
1.粉末的選擇和優化
目前，對氧化鋁陶瓷材料的研究集中在兩大類，一類集中在α-Al2O3、γ-Al2O3以及兩者不同比例的結合上，研究發現不同結構的Al2O3粉末混合比，引起注射成型粘結劑比例、喂料流動性、產品收縮率和晶界擴散有較大差別。另一類是氧化鋁為基摻雜其它陶瓷或金屬材料所制備的復合材料，在氧化鋁中摻雜Cr3C2、SiC、Ti、WC、ZrO2、Al、MgO的復合陶瓷材料，可增強位錯并抑制晶粒生長，利于晶粒細化，改善產品的力學性能。
對粉末選備的另一個研究領域是粉末平均粒度、松裝密度、粉末形狀、比表面積、顆粒間隙對喂料流動性能和產品質量的影響。粉末作為注射成形的主要原材料，最重要的要求是粒徑細小，形狀規則。粒徑小的粉末在注射成形時流動性好，填充量大，燒結收縮率低。
2.粘結劑
①粘結劑的選配：粘結劑體系的選配是氧化鋁陶瓷注射成型中的核心環節，它不僅直接影響喂料的注射性能，而且決定了脫脂方法，影響產品最終性能。粘結劑體系在注射成型過程中有兩個基本功能：首先是保證喂料具有良好的流動性；其次是保證坯體強度。

氧化鋁陶瓷注射成型常用粘結劑組分和相應的脫脂方法

②表面活性劑的影響：根據流變學理論，表面活性劑在很大程度上控制著陶瓷喂料的性質，喂料的穩定性將隨陶瓷顆粒表面的吸收層增厚而增加。在氧化鋁陶瓷的注射成型工藝中，表面活性劑的用量會隨著粘結劑其他組分的不同而發生改變，其含量多為1%到5%之間。理論上，表面活性劑對任意組分的粘結劑存在一個最佳值，若含量過少，顆粒表面的吸附層不夠厚，將影響喂料的流動性能；若含量過多，加熱時粘結劑組分的揮發會使成型坯體產生空洞，降低其致密性。
③混料及流變性能的研究：混料是喂料制備關鍵的一個環節，混料方式、時間和放料順序都會影響喂料的流變性能和后期產品的質量。Wen-ChengJ研究了混料順序與氧化鋁陶瓷成品性能之間的相互關系表明，先添加聚丙烯能夠更好地預熱氧化鋁粉末，提高混合的動力，利于產品的成型。

3.注射工藝
注射成型工藝控制不當會使產品形成眾多缺陷，而這些缺陷直到脫脂和燒結后才能被發現，所以控制和優化注射工藝參數對提高成品率和材料的利用率至關重要。劉燁等在利用有限元對注射過程進行數值模擬時發現，注射速度和模具溫度是氧化鋁陶瓷微齒輪注射成形的關鍵工藝參數，但注射溫度對注射過程影響較少。

4.脫脂工藝
脫脂過程是注射成型工藝中耗時最長的一道工序，也是質量控制最為關鍵的一道工序，脫脂不當會造成眾多的制品缺陷。大量的研究工作表明：脫脂工藝和粘結劑的添加密不可分，粘結劑的不同，采用的脫脂方式也有所區別。