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精密氧化铝陶瓷成型工艺:注射成型
2019年03月15日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:60
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氧化铝陶瓷材料具有高的机械特性和高的电绝缘性与低的介电损耗等特点,广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域。由于硬度高、脆性大的陶瓷难以实现切削加工,因此异形件的成型及其精度控制一直是困扰技术人员的难题,陶瓷注射成型(Ceramic Injection MoldingCIM)技术的出现与发展为氧化铝陶瓷成型开辟了新道路。

 

1 99瓷注射成型氧化铝件(图片来源:浙江景鹏锆业科技有限公司)

早在20世纪30年代,Hennicke和Neuenfeld在其专利、文献中不断提到了陶瓷注射成型技术。1931年,德国Siemens Halske公司将氧化铝陶瓷应用于火花塞材料;1942年,日本将氧化铝陶瓷应用于军用航空飞机的火花塞上;但直到1974年前后,陶瓷的无压烧结技术取得突破性进展,科研人员可以在不需要昂贵压力设备的条件下实现先进陶瓷的烧结。

大众的目光才再一次聚焦到陶瓷的注射成型技术上,希望能将耐高温、硬度高的轻质氧化铝陶瓷材料更为广泛地应用于发动机、燃气轮机和火箭发动机的零部件上。可以说,零件复杂性及其大批量生产的需求推动了陶瓷注射成型技术的不断发展。接下来,不妨简单了解其工艺流程。

工艺流程

CIM主要包括喂料制备、注射成型、脱脂和烧结四个阶段。其基本过程为在氧化铝陶瓷粉末中加入粘结剂并使其混合均匀,形成具有粘塑性的喂料,在加热状态下,利用注射成型机将喂料注入模具模腔内冷凝成型,经过脱脂工艺去除粘结剂后,便可用于烧结

 

2 注射成型工艺流程

(不同的颜色属于不同的工艺步骤,分别为喂料制备、注射成型、脱脂、烧结四个步骤)

CIM应用

目前,由于氧化铝陶瓷注射成型的原理与工艺并不复杂,因此在国内外已经得到了广泛应用。

日本京瓷创立于1959年,最初为一家技术陶瓷生产厂商。如今,京瓷公司的大多数产品与通讯行业有关,包括无线手机和网络设备、半导体元件等。

3 日本京瓷销售净额成长图(图片来源:京瓷集团)

4为日本京瓷采用注射成型工艺生产形状复杂的电绝缘体用零部件。根据日本京瓷介绍,其可提供氧化铝、氧化锆和氮化硅三种陶瓷材料的注射成型零部件。

 

4 日本京瓷采用CIM生产的氧化铝电绝缘体用零部件(图片来源:京瓷集团)

国内企业同样重视氧化铝陶瓷注射成型技术的研究与应用。厦门虹鹭钨钼工业有限公司是一家成立于1992年的中韩合资国有控股企业。作为世界著名照明企业的主要材料供应商,虹鹭公司还关注着电光源配套的其它核心部件。

例如,在高端陶瓷金卤灯(Ceramic Metal Halide,CMH)中,氧化铝陶瓷电弧管是其核心部件,对材料和成形工艺有很高的技术要求,一直以来被飞利浦、通用电气等巨头垄断。

虹鹭公司针对不同功率的陶瓷金卤灯的应用设计了一系列的椭球形电弧管,并开发了专有的二次注射成形工艺,批量生产出不同规格的半透明氧化铝电弧管。其中,半透明氧化铝的晶粒尺寸大小和均匀度比国内外同类产品优越,厚度为0.8mm的圆片在可见光范围内的直线透光率为18%~24%,表明该工艺制备的半透明氧化铝陶瓷材料适合用于陶瓷电弧管。

 

4 氧化铝陶瓷电弧管的几种结构

(图片来源:采用粉末注射成形制备陶瓷金卤灯用半透明氧化铝电弧管)

CIM注射机

目前国内氧化铝陶瓷注射成型的工艺研究上已经取了显著成果,但是在实际工业化生产中,不同厂家生产出的零件在尺寸精度、均一性、力学性能等方面差异巨大,这主要源于以下几个几方面:

1. 注射成型对氧化铝粉体的平均粒度、松装密度、粉末形状、比表面积、颗粒间隙等均有要求;

2. 粘结剂是陶瓷粉体的载体,决定了喂料注射成形的流变性能和注射性能

3. 脱脂过程是注射成型工艺中耗时最长的一道工序,也是质量控制最为关键的一道工序,脱脂不当会造成众多的制品缺陷

4. 注射机械及其配套控制系统。

5 三环集团用氧化铝材料生产的电子用陶瓷零件,并可提供金、银、铜、钼锰、钨、锡、镍等多种陶瓷表面金属化(图片来源:三环集团)

以注射机械及其配套控制系统为例,陶瓷注塑成型过程中模具的开发和工艺参数的控制具有极高的技术门槛目前能生产出稳定的陶瓷粉末注塑机并有能力提供全套技术支持的的设备商并不多,其关键技术仍掌握在德、日等国企业手中。其中,知名企业包括日精、阿博格、恩格尔等。

日精注塑机(Nissei) 公司产品涵盖全电动注塑机、液压注塑机、油电混合注塑机、卧式注塑机、立式注塑机、双色注塑机等全系列注塑机 应用于:通讯产品,先进陶瓷,粉末冶金,汽车用品,光学透镜,精密连接器,薄壁导光板,SD卡等精密注塑成型领域。

6日精注塑机(Nissei)可实现金属、陶瓷、塑料的多组分注射成型(图片来源:深圳兴利荣机械)


阿博格Arburg公司来自充满德国独特魅力的黑森林小镇劳斯伯格,Eugen Hehl和Karl Hehl两兄弟将打造成全球领先的注塑机制造巨头。阿博格是全球第一家生产陶瓷粉末注塑机的企业生产的小吨位注塑机(12.5-500t)在德国的市场占有率高达60%以上

 

7 阿博格技术节上展示的注塑设备

(图片来源:阿博格)

2019年3月13日至16日,阿博格技术节将继续在阿博格总部劳斯博格举行这场始于1999年,由阿博格一手创办的技术节,如今已成为全球独一无二的行业盛事迄今为止共有来自50多个国家的88000名专家来访

综合而言,陶瓷注射成型工艺可用于形状复杂、生产批量大的氧化铝陶瓷零件生产,其原理与工艺流程相对简单,但是最终成型零部件的质量受到粉体制备、粘结剂、脱脂工艺、注射成型装备等诸多因素影响,已经涉及到国家的工业化基础问题。为了实现先进陶瓷更加精密、高效的成型,这还需要全行业的共同努力。

参考文献

采用粉末注射成形制备陶瓷金卤灯用半透明氧化铝电弧管;厦门虹鹭钨钼工业有限公司,喻大钊,刘俊勇,叶道兴,宋久鹏,于洋。

By:火宣


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