Al2O3陶瓷微零件的低压注射成型研究

摘要

陶瓷低压注射成型是粉末注射成型技术的一个重要分支，已成为陶瓷微零件最具潜力的批量生产技术之一，在航空航天、通讯、汽车电子、精密机械、生物医学等领域应用广泛。对陶瓷微零件的低压注射成型工艺进行深入研究，确定各阶段的工艺特点和产品质量的主要影响因素，对该技术的工艺完善、理论建立和市场化推广具有重要的实用价值。本文对氧化铝陶瓷微阶梯轴零件的低压注射成型工艺进行了系统研究，研究结果对其它材质的微零件低压注射成型也具有普适性。本文的主要研究成果如下:
　　 (1)通过对煅烧后的氧化铝陶瓷粉末进行球磨处理，并添加油酸作为助剂，获得了理想的陶瓷粉末;对粘结剂各组分的作用机理进行分析，选用油酸作为表面活性剂，对其用量进行了定量估算，最终确定石蜡基粘结剂体系的配比为95wt.％PW-5wt.％OA。制定出喂料的混制流程，并从粉末装载量、可注性、稳定性和收缩率四个方面对喂料性能进行评估。实验表明，陶瓷粉末装载量为60vol.％的喂料，各性能指标较为均衡，颗粒与粘结剂分布呈连续状态，性能最佳。(2)结合低压注射成型机的成型原理，设计并加工出一套适于微阶梯轴试样低压注射成型的实验用模具。选用制备好的粉末装载量为60vol.％的喂料进行低压注射成型实验，采用单因子实验方法考察了注射压力、喂料温度、模具温度和保压时间这四个因素对陶瓷微零件体积密度的影响规律，并结合生坯的成型缺陷，确定了合理的注射工艺参数:注射压力0.5～0.6MPa，喂料温度为65～75℃，模具温度20～30℃，保压时间为10s，通过试制获得致密度高、无缺陷的微零件。
　　 (3)实验对粘结剂各组元和喂料进行TGA/DSC热分析，结果表明，粘结剂的热分解温度区间为160～510℃，剧烈热分解在190～300℃之间，喂料中的粘结剂在510℃时脱除率为13wt.％左右，基本脱除完全。实验还研究了埋粉特性对脱脂率的影响，最终选择中位径D50为22.4μm的γ-Al2O3作为脱脂埋粉。基于热分析和对埋粉的研究，论文确定了高温和低温脱脂两种不同工艺曲线，并比较了两种脱脂工艺的优缺点。最后对脱脂过程中常见的变形、流蜡、鼓泡和开裂缺陷进行成因分析，并提出了改进措施。
　　 (4)以微零件的径向收缩率和相对体积密度作为性能指标，研究了烧结时间和烧结温度对烧结致密化的影响，并通过断口显微形貌分析，解释了微零件的烧结致密化机理。实验结果表明，适当的增大烧结温度和延长烧结时间有利于烧结体的致密化。最后，制定出低压注射成型陶瓷微零件的烧结工艺曲线，使用该烧结工艺能得到无缺陷的产品。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 粉末注射成型技术分类

1．3 陶瓷注射成型技术概述

1．3．1 陶瓷注射成型工艺流程

1．3．2 陶瓷微注射成型研究进展

1．3．3 CIM市场与微零件的应用

1．4 选题意义和主要研究内容

1．4．1 选题的意义

1．4．2 主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 实验原料、设备与方法

2．1 实验流程

2．2 实验原料

2．2．1 陶瓷粉末

2．2．2 粘结剂体系

2．2．3 埋粉

2．3 实验设备与分析仪器

2．4 基本分析测试方法

2．4．1 粉末特性的测量

2．4．2 密度的测量

2．4．3 尺寸的测量

2．4．4 热性能分析

2．4．5 显微组织分析

第三章 喂料制备工艺研究

3．1 引言

3．2 陶瓷粉末的预处理

3．3 粘结剂体系的选配

3．4 喂料的特性研究

3．4．1 喂料的混制

3．4．2 喂料的性能评估

3．5 本章小结

第四章 注射成型工艺研究

4．1 引言

4．2 设备原理及模具设计

4．2．1 低压注射成型机原理

4．2．2 成型模具设计与加工

4．3 注射工艺参数对性能的影响

4．3．1 注射压力的影响

4．3．2 喂料温度的影响

4．3．3 模具温度的影响

4．3．4 保压时间的影响

4．4 本章小结

第五章 脱脂工艺研究

5．1 引言

5．2 脱脂机理

5．2．1 埋粉热脱脂模型

5．2．2 脱脂动力学过程

5．3 脱脂工艺的制定

5．3．1 喂料的TGA／DSC分析

5．3．2 埋粉对脱脂速率的影响

5．3．3 脱脂制度的确定

5．4 脱脂缺陷分析

5．5 本章小结

第六章 烧结工艺研究

6．1 引言

6．2 烧结致密化机理

6．2．1 烧结机理与传质方式

6．2．2 不同阶段的烧结特点

6．3 陶瓷烧结体的性能研究

6．3．1 烧结温度和时间的影响

6．3．2 陶瓷微零件的微观组织

6．4 烧结工艺的确定

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文和专利

攻读硕士学位期间参与的课题项目