刘明亮
（武汉理工大学材料学院 武汉市 湖北省 430000）
摘要：陶瓷注射成型是一种近净尺寸陶瓷可塑成型方法，是当今国际上发展最快、应用最广的陶瓷零部件精密制造技术。详细阐述了陶瓷注射成型技术的关健因素，重点介绍了粘结剂、注射成型及脱脂等关健工艺及其研究现状，并在此基础上评价和展望了该技术的发展前景。
关键词：陶瓷注射成型；粘结剂；脱脂；现状
Ceramic Injection Molding
Liu mingliang
Abstract: Ceramic injection molding (CIM) is a near-net-shape forming process for fabricating ceramic components, which is extensively used in fabricating parts with high pre
cision and complex shape and received great attention now. In this paper, the key steps of CIM are detailedly reviewed. Their research status and the techno1ogies involved including binder，injection process，debinding and so on are discussed. At last, the development of injection molding technology is also evaluated.
Keywords:ceramic injection molding; binder; debinding; status
20世纪以来，特别是二次世界大战以后，随着原子能工业的兴起和电子工业的迅速发展，对于材料的高温、高耐磨、多功能等性能要求越来越苛刻， 而先进的工程陶瓷所具有的优点基本上能满足上述的苛刻条件。如：高性能结构陶瓷以其优异的耐高温、高强度、耐磨损与耐腐蚀等优良性能， 被作为陶瓷发动机零部件的候选材料; 还有许多高导热性、绝缘性能良好、光学性能优良的功能陶瓷，在信息转换、存储、传递和处理方面，应用日益广泛。在未来的产业领域中，工程陶瓷将更广泛的取代现代金属材料， 成为材料科学中的重要角。
在陶瓷材料的制备工艺过程中，成形过程是一个重要环节。成形过程就是将分散体系（粉料、塑性物料、浆料）转变成为具有一定几何形状和强度的块体，也称素坯。由于陶瓷材 料本身固有的脆性和一些特殊陶瓷材料的高硬度，如采用传统粉末冶金工艺，即先将粉末压制成形，再进行机械加工的方法，成本高且难以制备体积微小、形状复杂、尺寸精度高的陶瓷零部件，而采用注射成形技术，由于坯体的成形形状接近制品的最终形状，使这一问题得到了解决。特别是对于尺寸精度高、复杂形状陶瓷制品的大批量生产来说， 陶瓷的注射成形(Ceramic injection molding，CIM) 更有着显著的优势，它可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且产品性能优异。 陶瓷注射成型技术(CIM)类似于20世纪70年代发展起来的金属注射成型(MIM)技术，它们均是粉末注射成型(PIM)技术的主要分支，均是在聚合物注射成型技术比较成熟的基础上发展而来的，是当今国际上发展最快、应用最广的陶瓷零部件精密制造技术[l,2]。
1 CIM流程路线及技术特点
1.1 注射成型工艺路线
CIM成型的制造过程如图1 所示，主要包括4 个环节: ①注射喂料的制备，将合适的有机载
体(具有不同性质和功能的有机物) 与陶瓷粉末在一定温度下混炼、干燥、造粒，得到注射用喂料； ②管束式集装箱注射成型，混炼后的注射混合料于注射成型机内被加热转变为粘稠性熔体，在一定的温度和压力下高速注入金属模具内，冷却固化为所需形状的坯体，然后脱模；③脱脂，通过加热或其他物理化学方法，将注射成型坯体内的有机物排除；④烧结，脱脂后的陶瓷素坯在高温下致密化烧结，获得所需外观形状、尺寸精度和显微结构的致密陶瓷部件。
图1 CIM成型的制造过程
1.2 CIM 的技术特点
从技术特点来说，陶瓷粉末注射成形和金属粉末注射成形类似，这一技术很大程度地提高了形状复杂产品成形的精度和可靠性，注射成形技术与其它成形方法的比较见表1[3]。
表1 CIM 与其它成形方法比较
成型方法 | 成型材料 | 制品形状 | 制品尺寸（cm） | 生产效率 | 技术要点 |
可用性评估直径 | 厚度 |
注射 | 粉末+ 有机材料(10~ 25%) | 非常复杂耐酸碱保护膜 | 30~0.5 | 3.0~1 | 大量生产脂 | 添加剂选择，脱 |
机械压制 | 粉末+ 有机材料( 4~ 8%) | 简单 | 20~1.0 | 0.8~1.0 | 间歇、自动大量生产 | 颗粒调整 |
冷等静压 | 粉末+ 有机材料( 3~ 8%) | 较复杂柱状球状 | 150~ 3 | 150~ 1. 9 | 干式大流量生产 | 颗粒调整、磨具设计 |
粉浆浇注 | 粉末+ 各种材料+ 水 | 相当复杂 | 150~ 20 | 3. 0~ 0. 3 | 间歇式 | 控制粒度、调整粉浆 |
刮片 | 粉末+ 各种材料+ 有机溶剂 | 简单 | 200~ 15 | 0.2~0.003 | 自动大量生产 | 粒度分布，粉浆调整，有机物选择 |
挤压 | 粉末+ 有机材料+ 水全自动烫金机 | 棒状管状 | 30~ 20 | 2. 5~0. 01 | 连续大量生产 | 电泳整流器添加剂选择 |
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综合国内外文献及研究生产现状和趋势，我们可以归纳出陶瓷注射成形工艺的主要特点是:
(1) 可自由地直接制备几何形状复杂的制品。
(2) 成形周期短，仅为浇注、热压成形时间的几十分之一至几百分之一，坯件的强度高，可自动化生产，生产过程中的管理和控制也很方便，适宜大批量生产。
(3) 由于粘结剂有较好的流动性，注射成形坯件的致密度相当均匀。
(4) 由于粉末和粘结剂的混合很均匀，粉末之间的间隙很小，烧结过程中的收缩特性基本一致， 所以制备各部位密度均匀，几何尺寸精度高。
2 CIM 工艺概述
2.1 原料
(1) CIM 中粉末的选用
价廉质优的粉末是CIM 工艺的关键，所选用的陶瓷粉末的特性，如颗粒形貌、大小、分布
及比表面积等对整个工艺过程有很大的影响。一般来说，满足注射成形条件的理想的陶瓷粉末应有如下特点：a.粉末以球形或近球形为主，以提高填充密度，进而提高装载量，减少产品收缩率；b. 粒度分布较宽，平均粒径小，一般要小于1µm，有利于快速烧结；c.粉末不结块团聚；d.粉末间有足够的摩擦，以避免变形，一般来说，自然坡度角应大于55°；e.表面洁净，不会与粘结剂发生化学反应，无毒害，低成本。
近年来，随着制粉工艺的改进，CIM 用原料粉末的性能也得到改善，如采用较细的粉末，则烧结零件的颗粒结构细化，零件表面的粗糙度也明显改善，可省去精加工，进而大大降低成本。
(2) 粘结剂的选取[4]
粘结剂和粉末的均匀混合，可提高粉末流动性，能使粉末填充成预期形状，因此，粘结剂的成分及配置是注射成形的关键之一。常用的粘结剂一般是有机物，根据需要可以是液态、固态或糊膏状，按其成分作用可分为增塑剂、粘接剂、润滑剂、辅助剂。以上选择，除了考虑成形性、热稳定性、保形性和脱脂性外，还必须考虑残碳、原料成分的氧化和变质等问题。
为获得良好的注射流动性和均匀的坯体， 粘结剂组元间必须有良好的相容性， 有机物与陶瓷粉料间的润湿性也是非常重要的， 这样才能获得均匀的、无空隙的、无缺陷的混合物熔体与成形体。表2列出了陶瓷注射成形中常用的粘结剂体系主要成分及其优缺点比较[5,6]。
表2 各种粘结剂体系的主要组元及其优缺点比较
体系 | 主要组元 | 优点 | 缺点 |
热塑性体系 | 粉末注射成形石蜡、聚乙烯、聚丙烯 | 适用性好、流动性好、易于成型、粉末装载量高、注射过程易控制 | 脱脂时间长、工艺较复杂 |
热固性体系 | 环氧树脂、苯酚树脂 | 注射坯的强度高、脱脂速度快 | 注射过程不易控制、适用性差、缺陷多 |
凝胶体系 | 甲基纤维素、水、甘油、硼酸 | 有机物少、脱脂速度快 | 生坯强度低、脱脂困难 |
水溶性体系 | 纤维素醚、琼脂 | 脱脂速度快 | 粉末装载量小 |
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2. 2混料[7]
注射成形前，必须将陶瓷粉末与粘结剂充分混合均匀，选定粘结剂配方后，应将添加量限制在所需的最低限度。其添加量视原料粉末的比表面积和粒度分布而定， 如氧化铝需加40vol%左右， 氧化锆则需50vol%以上。混合顺序是先加入熔点高、粒径大的粘结剂混合，溶化，再依次加上熔点低的成分，并加上粉体，最后加增塑剂，一般要混匀30 分钟以上。可以通过粘性扭矩的变化确定混料时间，粘性扭矩值稳定时，混料也就均匀了。
混合一般采用加压混合机，有三种形式的混合器，包括间歇操作的轧制机和Banbury 混合料机， 以及半连续操作的挤压机，挤压机分为单螺杆或双螺杆式，而后者更有效，混料时可加热。
2.3 注射成型
注射成型工艺[8,9,10]，也是整个工序的关键因素之一，如果控制不当就会使产品形成很多缺陷，如裂纹、孔隙、焊缝、分层、粉末和粘结剂分离等，而这些缺陷直到脱脂和烧结后才能被发现。所以控制和优化注射温度、模具温度、注射压力、保压时间等成型参数对减
少生坯重量波动，防止注射料中各组分的分离和偏析，提高产品成品率和材料的利用率至关重要。如WenjeaJ.Tseng等[11]研究表明:注射压力、注射温度及注射速度等对产品的缺陷和力学性能都有直接影响。
注射过程是指把计量室中预塑好的喂料熔体注人到模具型腔里面去的过程。这是喂料熔体经过喷嘴、流道和浇口向模腔流动的过程。从工艺流程上看可分为2个阶段:注射阶段和保压阶段，这两个阶段虽都属于熔体流动过程，但流动条件却有较大区别。
注射阶段是从螺杆推进熔体开始到熔体充满型腔为止。此时，在螺杆头部对熔体所设定的压强（即注射压力）和螺杆推进熔体的速度（即注射速度）是注射成型的关键参数。在注射阶段，必须建立足够的速度和压力才能确保熔体充满模腔。如果注射压力调节过低会导致模腔压力不足，熔体不能充满模腔;反之，如果调整过高，则会造成制品溢边、胀模等不良现象。
保压阶段是从熔体充满模腔开始到浇口冻封为止。注射阶段完成后，必须继续保持注射压力，维持熔体的外缩流动，一直持续到浇口冻封为止。因此保压阶段在保压压力的作用下，模腔中的熔体将得到冷却补缩和进一步的压缩和增密。如果保压压力不足，则会导致
模腔压力过低。保压时间会影响熔体的倒流，保压时间越短则模腔压力降低得越快，最终使模腔压力越低。WeiW.C.J.研究表明，高保压压力（≧70MPa）和长保压时间对于成型坯体的性质和坯体表面质量均更为有利。
料筒与喷嘴温度的设定与控制对注射成型的质量也有着重要影响。料筒温度是指料筒表面的加热温度。根据注射物料在料筒内的塑化机理分3段加热：第一段：固体输送段，是靠近料口处，温度要低些，有冷却水冷却防止物料架桥，保证较高的固体输送效率；第二段：压缩段，是物料处于压缩状态并逐渐地熔融，温度设定比第一段要高20—25℃；第三段：计量段，是物料全熔融的阶段，预塑开始时，这一段对应于螺杆计量段，在预塑终止后形成计量室储存塑化好的物料。一般来讲，第三段温度比第二段要高20~25℃，以保证物料处于熔融状态。
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