精密陶瓷是近三十年材料科學領域中迅速發展起來的一大分支。但陶瓷材料本身固有的高硬度、低韌性使其不能進行普通的變形加工，機械加工也很困難。常規的粉末冶金工藝已不能滿足要求，而注射成型工藝在很大程度上解決了這個問題。

陶瓷粉末注射成型（簡稱CIM）是近代粉末注射成型技術的一個分支，是從現代粉末注射成型技術中發展起來的一項新型成型技術，它具有一次性成型復雜形狀制品、產品尺寸精度高、無需機械加工或只需微量加工、易于實現生產自動化和產品性能優異的特點，彌補了傳統粉末冶金工藝的不足。

圖1 陶瓷注射成型機及注射成型示意圖

1. 陶瓷粉末注射成型的技術特點

從技術特點來說，陶瓷粉末注射成型和金屬粉末注射成型類似，理論上任何形式的陶瓷粉末原料，如ZrO₂、Al₂O₃、Si₃N₄等，都能利用CIM工藝制造形狀復雜、精度高的產品。CIM的基本工藝過程如圖2所示。

圖2 CIM的基本工藝過程[1]

綜合國內外文獻及研究生產現狀和趨勢，可以歸納出陶瓷粉末注射成型工藝的主要特點如下：

(1)可自由地直接制備幾何形狀復雜的制品。

(2)成形周期短，僅為澆注、熱壓成型時間的幾十分之一至幾百分之一，坯件的強度高，可自動化生產，生產過程中的管理和控制也很方便，適宜大批量生產。

(3)由于粘結劑有較好的流動性，注射成型坯件的致密度相當均勻。

(4)由于注射成型加入的粘結劑較多，故脫脂時間長，尤其是厚度大的制品，脫脂時間可能長達100-200小時。

(5)由于粉末和粘結劑的混合很均勻，粉末之間的間隙很小，燒結過程中的收縮特性基本一致，所以制品各部位密度均勻，幾何尺寸精度高。

2. 陶瓷粉末注射成型工藝的幾大要素

2.1 原料粉末的選用

價廉質優的粉末是CMI工藝的關鍵因素之一，所選用的陶瓷粉末的物理化學特性，如顆粒形貌、大小、分布及比表面積等對混合熔體的流變性能有很大的影響，陶瓷粉末的特性對注射成型熔體的影響主要體現在固相體積分數、粉末粒徑和粒度分布幾個方面。

綜合考慮，除了一般粉末注射成型對原料粉末所要求的如粉末無團聚、潔凈無雜質等要求外，CMI對粉末的性能還有一些特殊要求，理想的陶瓷粉末應能滿足注射成型對熔體流變性能的要求，提高成型過程的穩定性，且要對陶瓷粉末的粒度分布進行優化，提高固相體積分數或降低懸浮體粘度。

2.2 粘結劑的選用

粘結劑是CMI技術中的核心和關鍵。

粘結劑和粉末的均勻混合，可提高粉末流動性，能使粉末填充成預期形狀，它對整個工藝有重要影響，因此粘結劑的成分及配置是注射成型中最保密的技術訣竅，這方面申請的專利也最多。CIM用粘結劑須具備以下性能：

(1)流動特性：流動性的好壞與粘結劑的分子量大小和分布有關，一般低分子量的粘結劑粘度較低，流動性好，而高分子量粘結劑粘度較高，流動性較差。一般我們認為，注射成型溫度下粘結劑的粘度要小于0.1Pa.s，且粘度隨溫度的波動不能太大。

(2)粘結劑與粉末的關系：粘結劑必須能很好地潤濕粉體，并對粉體有較好的粘附作用，粘結劑與粉體的潤濕角要小，通常為了改善粘結劑的潤濕性能，要加入一些表面活性劑，如硬脂酸鹽、鈦酸鹽等。同時粘結劑通過潤濕顆粒產生毛細管力吸附顆粒，保持坯體不變形。此外，粘結劑相對于粉末來說應是惰性的。

(3)粘結劑由多組分有機物組成：為滿足喂料的流動性要求，單一品種的有機粘結劑很難達到，且多組分有機聚合物組成的粘結劑對脫脂更為有利，同時粘結劑各組元有機聚合物之間的相容性要好。

(4)粘結劑具有較高的導熱性和較低的熱膨脹系數：較高的導熱性能在較大的區域內把熱能散開，避免因熱應力而產生缺陷，而較低的熱膨脹系數可減少坯體所受熱沖擊，減少缺陷。

此外，粘結劑還必須具有無毒害、不污染環境、不揮發、不吸潮、循環加熱性能不變化等。

2.3 混料過程

注射成型前，必須將陶瓷粉末與粘結劑充分混合均勻，選定粘結劑配方后，應將添加量限制在所需的最低限度。

混合順序是先加入熔點高、粒徑大的粘結劑混合，溶化，再依次加上熔點低的成分，并加上粉體，最后加增塑劑，一般要混勻30分鐘以上。

有三種混合器適合制備用于陶瓷注射成型的混合物，間歇操作的是軋制機和Banbury密煉機，而擠壓機是半連續操作的。擠壓機一般為單螺桿式或雙螺桿式，而后者更有效。許多螺桿擠壓機的顯著特點就是流道的幾何結構的多樣性和變化，這是為了避免出現物料中有未被混合的情況。

圖3 閉雙螺桿式擠壓機

2.4 注射成型過程

注射成型是指將粒料用注射成型機加熱軟化后注入模具，在模具中冷卻重新固化而制得所需形狀的工藝過程。

注射成型機由注射裝置、合模裝置(模具安裝部分)、液壓裝置和電氣控制裝置所組成。注射成型陶瓷材料要求注射機的相應零部件能耐磨損，特別是注射機的螺桿、止回閥和料筒。

表1 CIM成型過程中的典型缺陷和產生原因[1]

2.5 脫脂過程

燒結前需進行脫脂，脫脂即將注射成型中的粘結劑組元用物理或化學的方法脫除的過程，它是陶瓷注射成型工藝過程中耗時最長的一步，也是極為關鍵的一步。

隨著粘結劑體系的增加和改進，形成了多種新的CIM脫脂方法，包括溶劑脫脂、虹吸脫脂、催化脫脂、水基萃取脫脂、超臨界萃取脫脂、微波脫脂等。

表2 幾種CIM脫脂工藝的優缺點比較[1]

2.6 燒結過程

脫脂結束后，脫脂尺寸與預制件幾乎沒有什么不同，即為多孔質成形體，密度較低，因此需通過高溫燒結來獲得高性能致密制品。粉末冶金中的各種燒結法及致密化措施均適用于CIM中。燒結速度與粘性流動、凝結、容積擴散、表面擴散等有關。粒子的直徑越小、熔融粘度越低，且表面張力越大，燒結速度就越快。而且燒結后，制品一般會有約13-20%的收縮率。

3. 陶瓷粉末注射成型工藝的應用

（一）航航空航天工業

典型產品主要包括：渦輪轉子、葉片、飛機宇航器軸承、配套件火箭鼻錐等。

圖4 渦輪轉子及葉片

（二）汽車業

典型產品主要包括：火花塞、汽車發動機、閥門、活塞、渦輪增壓器轉子、噴嘴等。

圖5 汽車火花塞及陶瓷噴嘴

（三）電子業

典型產品主要包括：光導纖維導管、集成電路基板、電阻器、發熱元件等。

圖6 電阻器

（四）醫療

典型產品主要包括：人工骨、人工關節、人工牙床、牙托、醫用刀具等。

圖7 人工骨

（五）日用品

典型產品主要包括：手表表殼、理發推剪、絕緣體、彈簧等。

圖8 陶瓷手表

參考文獻:

[1] 聶妍. 氧化鋯陶瓷注射成形工藝研究[D]. 中南大學, 2004.

[2] 馮江濤. 氧化鋯陶瓷注射成型工藝研究[D]. 華中科技大學, 2003.

[3] 陳萍. Sialon陶瓷注射成型與脫脂工藝的研究[D].江蘇大學, 2010.

作者：L-things