一文了解陶瓷注射成型工藝

陶瓷注射成型（簡稱CIM）是將聚合物注射成型方法與陶瓷制備工藝相結合而發展起來的一種制備陶瓷零部件的新工藝。目前，陶瓷注射成型工藝發展迅速、用途廣泛，制備的各種產品已用于航空航天工業、電子業、醫療衛生業、機械行業等領域。
注射成型典型產品和應用領域
其基本工藝過程可分為4個階段：喂料制備、注射成型、脫脂和燒結。與傳統的干壓成型技術相比，注射成型法有以下優勢：（1）成型過程自動化程度高，可大批量生產形狀復雜、尺寸精度高、體積小的陶瓷部件；（2）成型的陶瓷生坯結構密實，質量分布均勻，最終燒結后的性能也優于傳統成型；（3）注射成型是一種近凈尺寸成型工藝，生產出的產品具有極高的尺寸精度和表面光潔度，無需（或只需微量）后續加工，大幅降低了生產成本。

陶瓷注射成型工藝流程

喂料制備
喂料是通過捏合、均勻攪拌、擠壓等方法，在一定的溫度下將粉體與粘結劑混煉成均勻的、穩定的懸浮體，喂料的制備在整個陶瓷注射成型過程中占據著很重要的位置。粉末具有固含量高、流動性好、成分均勻的特性，在注射成型過程中能生成完整的、沒有缺陷的生坯。相反，如生坯成分不均勻或有缺陷，則燒結的成品會影響產品的性能。
將陶瓷粉體和粘結劑混合，是注射成型工藝的第一步，這一過程依賴于陶瓷粉體與粘結劑之間的潤濕能力和外加機械力的作用。由于在混料過程中所產生的缺陷，無法通過后續的工藝消除，因此混料階段也是決定注射成型質量的關鍵。混煉過程最主要的缺陷是混合料的不均勻，包括粉體與粘結劑分離和顆粒粒徑造成的粉末在粘結劑中偏析，都會影響最終陶瓷件的密度降低和結構變形。
注射成型
注射工藝包括注射、保壓和冷卻定型三個階段，即先將粉料加熱軟化后注入模具內，在模具內保壓一段時間，最后冷卻制備出所需形狀坯體件的過程。注射工藝過程中每個階段都至關重要，控制不當會使得陶瓷件形成裂紋、分層、粉體和有機粘結劑分離等眾多缺陷。因此，只有控制和優化注射成型工藝參數才能提高產品的性能，降低成本。
脫脂
脫脂是指將坯體中含有的有機物質通過加熱或脫脂劑萃取等方法將成型體內的添加劑脫除，使坯體內部成多孔結構，為燒結工作提供條件。脫脂環節是整個注射工藝中最難控制，最易造成產品質量缺陷的環節。
近年來，人們成功的研究出很多新型的脫脂方法，并且得到了快速的發展和應用，如熱脫脂、溶劑萃取脫脂、水萃取脫脂和催化脫脂等。熱脫脂為陶瓷注射成型中最常用的方法，其所需設備較少、工藝簡單、生產成本低，適合精密陶瓷部件，但脫脂所需時間長、反應慢，尤其是對于厚壁的陶瓷部件，熱脫脂很容易產生鼓泡、腫脹、變形等缺陷，導致陶瓷部件尺寸受到限制，一般控制到10mm以內。溶劑萃取脫脂工藝大大縮短了脫脂時間，但是由于使用的溶劑大部分有一定毒性，因此不利于環保，且后期溶劑的處理使得成本大大增加。水萃取脫脂是基于溶劑萃取脫脂原理而開發出的一種新的脫脂方法，該工藝脫脂速率高，產品易保形，對環境不產生污染，但其對粘結劑有特殊的要求，一般的粘結劑不適合。催化脫脂快速且陶瓷坯體不易產生缺陷和變形，對于制備大尺寸和形狀復雜的的結構陶瓷部件具有優勢。
燒結
燒結是粉體在高溫高壓條件下結合成一體的過程，在高溫高壓條件下粉體之間的顆粒相互接觸生成燒結頸，并且不斷傳質變大，直至陶瓷內的孔隙被完全排除。由于燒結致密化過程是依靠物質的傳遞和遷移實現的，因此必須存在某種化學梯度才能推動物質的遷移，由于粉體顆粒尺寸小、比表面積大，其具有較高的表面能，而燒結是一個自發的不可逆的過程，系統表面能降低是推動燒結進行的基本動力，所以燒結的結果是粉末顆粒之間發生粘結，使燒結制品的強度和密度增加。
燒結初期晶粒生長與致密化幾乎同時進行，較小的顆粒使致密化從較低的溫度開始，而較大的起始粒徑使燒結體獲得較高的致密化速率；燒結中后期晶粒生長伴隨了燒結的全過程，晶粒生長不僅影響致密化，而且對制品顯微結構的發展產生影響。因此，為了得到標準偏差較小的燒結密度較高的制品，在燒結過程中應該設置適當的升溫速率和等溫燒結速度，嚴格控制在燒結后期出現的溫度波動，以及保證爐膛分布均勻，在陶瓷粉末注射成型過程中，燒結時一般采用致密化燒結法，通過增加燒結壓力及減少陶瓷粉體粒徑的方法來優化燒結工藝。