氧化锆陶瓷注射成形工艺研究 李益民聂妍李笃信 （中南大学粉末冶金国家重点实验室长沙·４１００８３） 摘要研究了氧化锆陶瓷粉末注射成形工艺过程，包括粘结剂的选择、喂料粉末装载量的确定、混炼工艺及混炼扭矩的研 究，注射压力、注射温度、保压压力、模具温度、注射速度等注射成形工艺对成形坯质量的影响，以及溶剂脱脂温度、样品厚度、 粉末粒度及形貌等对溶剂脱脂速率的影响及后续热脱脂工艺，扶得了一条优化的注射成形工艺路线。 关键词氧化锆 陶瓷注射成形 工艺
Ｉｎｊ ｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｚｉｒｃｏｎｉａ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｐｏｗｄｅｒ Ｙｉｍｉｎ Ｌｉ Ｙａｒｌ Ｎｉｅ Ｄｕｘｉｎ Ｌｉ （Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅ）’Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｐｏｗｄｅｒ ＭｅｔａＵｕｒｇ￣，，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ·４１ ００８３．Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ ｐｏｗｄｅｒ ｗａ．ｑ ｉｍ·ｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｔｈｏｒｏｕｇｈ１．ｖ．Ｔｈｅ ｍｉｘｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａ．ｓ ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｂｉｎｄｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．ｔｈｅ ｐｏｗｄｅｒ ｌｏａｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｄｘｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ，ｔｈｅ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｍｏｌｄｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｍｏｌｄｉｎｇ ｔｅｒｎ－ ｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｏｌｄｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｍｏｌｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｒａｔｅ，ｔｈｅ ｄｅｂｉｎｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｌｉｋｅ ｓｏｈ，ｅｎｔ ｄｅｂｉｎｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ． ｓｏｌｖｅｎｔ ｄｅｂｉｎｄｉｎｇ ｒａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅｍｌａｌ ｄｅｂｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ａ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｚｉｒｃｏｎｉａ ｐｏｗｄｅｒ Ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｚｉｒｏｏｎｉａ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ
１前言 精密陶瓷是材料科学领域中迅速发展起来的 大分支。随着应用开发的深入，陶瓷材料的应用 逐渐深入到各高科技领域，对制品的尺寸精度要求 越来越高，几何形状也越来越复杂。但陶瓷材料本 身固有的高硬度、低韧性使其不能进行普通的变形 加工，机械加工也很困难。因此常规的粉末冶金工 艺不能满足要求，而渴望获得直接制备各种复杂形 状和高精度陶瓷制品的工艺方法，注射成形工艺很 好地满足了这种要求㈣。它具有一次性成形复杂形 状制品、产品尺寸精度高、无需机械加工或只需微 量加工、易于实现生产自动化和产品性能优异的特 点，弥补了传统粉末冶金工艺的不足。氧化锆陶瓷 具有熔点高，化学稳定，高温蒸汽压低，抗腐蚀性优 良，导热系数低等特点，是近年来研究开发很活跃 的陶瓷材料之一，尤其是在粉末注射成形领域 １。其 墼 望曼笪笪笪璧塑堕三－＿ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ａｒｔ 应用包括光纤插针、光纤套筒、人工牙床、牙套、表 壳、表带、拉丝模具、切削刀具等。 陶瓷粉末注射成形由于粉末细小且呈不规则 形状，其注射成形工艺参数的控制相比金属注射成 形而言需更为精细。除了烧结工序外，粘结剂、喂料 混炼、注射成形、脱脂等各道工序都与传统陶瓷粉 末干压成形有很大的差异，本文研究了氧化锆陶瓷 粉末注射成形工艺过程及主要工艺参数的影响。 ２实验方法 ２．１原料 注射成形用氧化锆原料粉末为ＺｒＯｚ－５．４ｍｏ１％ Ｙ Ｏ ，中位粒径为０．８ ｍ，图ｌ为粉末的粒度分布 图。作为对比，除采用氧化锆粉末外，采用较粗近球 形氧化铝粉末做对比试验，氧化铝粉末的粒度分布 图如图２所示，该粉末中位粒径为７ ｍ。 实验采用油基多聚合物粘结剂体系，其它成分
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维普资讯 http://www.cqvip.com 为石蜡（ＰＷ）、聚乙二醇和聚烯烃高分子化合物 （聚乙烯ＰＥ，聚丙烯ＰＰ）。其中石蜡和油用作增塑 剂和润滑剂，可减小注射熔体粘度以及便于脱模， 而其它高聚物则主要作为粘结剂提供坯体强度。 １。 … ｏ～ 一…曲０ Ｐａ＊１．：ｌｅ Ｉ￣ａｍｅｔｅｒ山ｍ） 弯样（ＩＳＯ３３２７－１９８２（２））的标准尺寸见表１，另 外还制备了圆柱体、球和圆片样。溶剂脱脂采用恒 温浸入式脱脂，溶剂分别选用二氯甲烷和正庚烷， 并对两种溶液的脱脂进行比较，干燥在恒温干燥箱 中进行。热脱脂采用空气气氛。脱脂完毕后将脱脂 坯置于硅钼棒高温电炉中，空气气氛中于１６００℃烧 结成成品。 表１国标抗弯样标准尺寸 Ｔａｂｌｅ ｌ Ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｓｔａｎｄａｒｄ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓａｍｐｌｅ
图１氧化锆粉末粒度分布图 ３结果与讨论 Ｆｉｇｌ Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｚｉｒｃｏｎｉａ ｐｏｗｄｅｒ
‰１～＋ 一 。 ？ 一 ｏ一…１ …１曲ｏ ｃｉｃＩｅ ｏｌ∞ ｛ ｍｌ
图２氧化铝粉末粒度分布图 Ｆｊｇ２ Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎａ ｐｏｗｄｅｒ
２．２实验过程 根据所选定粘结剂体系各成分组元的质量百 分比配料，在加热混合装置中加热混炼１５０ｒａｉｎ，该 装置的叶状搅拌器转速为１Ｆｍｉｎ。混炼制粒所用设 备为ＸＳＭＹ２０－３０型密炼机。实验时先将粘结剂加 入型腔中加热熔化，再分三至四批加入原料粉末至 所需装载量，在适当温度下混炼１２０ｍｉｎ。混炼扭矩 测量在ＤＮ－ＩＩＩ型扭矩测量仪上进行。混炼好的料 在ＹＨＬ０４型单螺杆挤料机上经多次挤片、挤条，使 粉料与粘结剂进一步混合均匀，通过制粒，混合料 制成长约３￣５ｒａｍ，直径约２ｒａｍ的条状，得到适合于 注射成形的粒状喂料。注射成形在德国产 ＢＯＹ５０Ｔ２型注射成形机上完成，该机可方便地调 节注射温度、模具温度、注射压力、注射速度、保压 压力、保压时间等各种注射参数。所注射的国标抗
３．１粘结剂的选择 粉末的注射成形中，粘结剂具有两个基本的功 能：首先，在注射成形阶段能够和粉末均匀混合，降 低粉末的粘度，使得粉末具有良好的流动性，成为 适合于注射成形的喂料；其次，粘结剂能够在注射 成形后和脱脂期间起到维持坯体形状的作用，使产 品在烧结前具有完整合适的形状。 而在陶瓷注射成形中，粘结剂对这两种作用的 要求比在金属注射成形中更加提高了一步，这是由 于用于注射成形的陶瓷粉末比同等条件下的金属 或其它粉末的粒度小了近一个数量级，因此比表面 积较大，易发生团聚，而团聚会严重影响粉末与粘 结剂混合时的均匀性，并会阻碍喂料在注射机料腔 中的流动充填。同时，陶瓷粉末多为不规则形状，粉 末本身的流动性较差，粉末和粘结剂难以混合均匀 且混合后粉末间间隙极其微小，造成脱脂过程困 难。一般来说，陶瓷注射成形用粘结剂采用多组元， 即流动性好、低熔点组元和高分子聚合物组元组 成，再加入少量表面活性剂。 陶瓷注射成形所用粘结剂的选择主要考虑以 下四点［４１：（１）体系内相容性；（２）注射悬浮体流变 学特性；（３）脱模性与生坯强度；（４）脱脂特性。根 据这些原则，粘结剂多选择热塑性多组元体系，即 由流动性好的低熔点组元和高分子聚合物组元组 成。有机粘结剂与陶瓷粉体混炼后的结合强度主要 取决于热塑性高聚物，脱脂特性亦可由耐热性好的
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维普资讯 http://www.cqvip.com 高聚物调节，可塑剂和润滑剂则可改善体系流动性 及脱模性能；表面活性剂具有综合调节作用１５．６１。 目前，石蜡一聚烯烃粘结剂体系已广泛应用于 科研和生产实践。因为石蜡基粘结剂的流变性能 好，注射工艺范围宽。但因石蜡相变收缩大，注射和 脱脂时会产生很大的内应力，因此只适宜注射小尺 寸物件，而且石蜡基粘结剂一般采用热脱脂方法， 脱脂速率低。以油为主要成分的有机粘结剂制成的 生坯强度低，保形性差，但油这一物质的优点也很 明显，它在注射及冷却阶段无相变和收缩，并易溶 于有机溶剂，适宜溶剂脱脂，从而可提高整个脱脂 过程的速度，因此本文选择的粘结剂综合利用石蜡 和油的优点，采用能用溶剂快速脱脂的油一石蜡一 聚烯烃粘结剂体系。 ３．２喂料的制备 在注射成形前，必须将粉末同粘结剂充分混合 均匀，使粉末具有一定的流变性能。喂料的流变性 能将直接影响到生产工艺参数的确定和样品质量， 混炼不均匀可由粘度不连续体现出来用。扭矩流变 仪能定量检查喂料的流变特性，从扭矩值的变化可 看出：１）喂料中粘结剂同粉末是否匹配；２）确定适 合的粉末装载量；３）对粘结剂组分比例及添加剂种 类及含量进行选择。因此，可以通过扭矩值的变化 确定混料时间。将陶瓷粉末和粘结剂按一定比例在 密炼机上混炼，混料时间达到一定时，扭矩值将保 持不变，这时混料也就均匀了。． ３．２．Ｉ装栽量的确定 粉末装载量ｆ是指喂料中粉末所占的体积百分 比，它是粉末注射成形喂料工艺计算中的一个最重 要的工艺参数，是衡量喂料中粉末所占的百分含量 多少的一个指标，其计算式如下： ㈩ 式中Ｗ ，Ｗ 分别为陶瓷粉末和粘结剂的重量，Ｐ Ｐ 和Ｐ 分别为粉末和粘结剂的密度。通过扭矩测量 仪，在一定温度下取一定量的粘结剂放人扭矩仪 中，再加人陶瓷粉末，加人速度由快变慢，加人一定 量后，在下一次加入前观察扭矩仪的扭矩波动，直 到扭矩读数平稳为止，通过所加入的粉末和粘结剂 的量，代人式（１）即可得出一个装载量，定为该 粉末同粘结剂间的临界装载量。通过以上操作，确 墅望垦曼曼曼墼塑墼＝一 Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ａｒｔ 定氧化锆粉末同粘结剂的临界装载量为５５％，但若 在后续工序中采用具临界装载量的喂料不太适宜， 因这种喂料粘度偏大，不具有最优的流变学性能， 注射过程中易导致缺陷产生。因此经反复试验确定 粉末同粘结剂的装载量５０％，对后续工艺更为有 利。 ３．２．２混料工艺 将配好的一定量的粉末和粘结剂加入密炼机 中进行混炼，发现扭矩的变化同颗粒大小、形状、分 布，及粘结剂种类关系密切，且扭矩值趋于稳定的 时间也不一致。将氧化锆和氧化铝喂料的混合情况 进行对比。以下如图３所示是两组喂料的混炼时间 和扭矩变化的关系图。均为先加入粘结剂，再加入 粉末。
图３混料时间与扭矩的关系 Ｆｉｇ．３ Ｃｍ＇ｖｅｓ ｏｆ ｍｉｘｉｎｇ ｔｉｍｅ ＶＳ．ｔｏｒｑｕｅ