氮化硅陶瓷中压注塑成型技术MPIM研 [复制链接]

引言

注塑成型技术又称粉末注塑技术(PowderInjectionMoulding——PIM)，是一种近净尺寸陶瓷成型方法，只需要很少甚至无需后续加工，是当今国际上最具发展潜力的先进陶瓷结构件制造技术之一，被誉为先进陶瓷产品制造业的一次技术革命。对比传统的成型工艺，如注浆成型、冷等静压成型、干压成型等工艺，注塑成型工艺突破了先进陶瓷复杂形状制品生产效率低、成型难度较高等瓶颈问题，具有成型效率高、原材料选择范围大、利用率高(98%)、生产成本低、近净尺寸成型等优势。同时，注塑成型产品可实现致密度较高、表面质量较高以及形状精确与复杂等优点，非常适合于批量化生产。

1、注塑成型工艺参数的研究及缺陷分析

决定中压注塑成型坯体的结构与力学性能的关键工艺参数包括注塑速率、注塑温度、注塑压力以及模具温度等。根据前期已有的注塑成型工作基础，优选注塑速率2cm/s—8cm/s(注塑机内部压力缸的推动速度)、注塑温度85℃—95℃、注塑压力6bar—12bar。通过完成一系列注塑参数对比实验，确定最优的注塑工艺参数，制得具备较高的生坯致密度以及良好的表面形貌、内部结构的注塑坯体。注塑参数对比实验如表1所示。

表2为注塑温度为90℃，注塑压力为9bar，模具温度为35℃的条件下，研究注塑速率在2cm/s—8cm/s范围内变化时注塑坯体的性能。结果表明，注塑速率为5cm/s时，坯体致密度较高，达到57.3%，并且表面光洁、完好，内部无分层。下图可看出，注塑速率为2cm/s时，制得的氮化硅球存在明显分层；注塑速率为5cm/s或8cm/s时，氮化硅球内部形态较好，无分层。其原因是，在注塑过程中，喂料注入模具浇注系统时，受到较强的剪切应力，产生较大热量。注塑速率过大则会出现喷流现象产生毛边，或引起排气不充分而产生表面微气孔；注塑速率过慢会使喂料冷却程度不均而出现内部分层现象。因此，最优注塑速率为5cm/s。

坯体断面形貌：

(a)明显分层(2cm/s)；(b)无分层(5cm/s)；(c)无分层(8cm/s)

2、中压注塑成型工程化技术难点

注塑成型技术是近十余年来重点研究的材料成型技术之一，而本研究在此基础上首次开发了中压注塑成型技术，并通过制得性能优良的氮化硅轴承球证明了中压注塑成型技术方案的可行性与先进性。研究发现，中压注塑成型工程化技术难点首先在于注塑喂料的制备、注塑成型与排胶过程中的低缺陷控制技术，以保证得到无缺陷的陶瓷坯体；其次在于针对特定的形状配套合适的粘结剂配方体系、注塑以及排胶工艺，系统地归纳出批量化、规范化生产高精密陶瓷异形件的质量体系控制工艺。为此，本研究为突破中压注塑成型工程化技术难点做了大量的工作。中压注塑成型开发出的氮化硅轴承球与结构件、氧化铝螺母如图所示。

中压注射成型技术应用实例：

(a)氮化硅球与结构件；(b)氧化铝螺母

3、结论

本研究系统地完成了注塑成型粘结剂配方体系的设计、喂料的流变性与分散性分析、模具设计与注塑成型工艺的研究、排胶与烧结工艺的研究等，通过调整注塑成型工艺参数以及采用超临界CO2萃取+热脱脂两步法排胶方式等有效控制了氮化硅坯体的缺陷，制得了生坯致密度58.7%、烧结密度3.26g/cm3、烧结致密度99.4%、抗弯强度MPa、无缺陷的氮化硅轴承球。实验结果表明，中压注塑成型技术在复杂形状、高致密、高可靠性、低成本先进陶瓷部件制备方面具有明显优势。未来将广泛应用于航空航天、轨道交通、电子或医疗设备等高端装备领域的轴承滚动体、绝缘零部件、特种结构件等。