專利名稱：精密陶瓷零部件的材料配方及其注射成型制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷零部件的配方及其注射成型制備方法，尤其是涉及一種精密陶瓷零部件的配方及其注射成型制備方法，屬于陶瓷材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
精密陶瓷，又稱高技術(shù)陶瓷(如氧化鋁、氧化鋯、氮化硅、碳化硅等)，因具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐磨損和抗腐蝕等一系列優(yōu)良的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，因此在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與工業(yè)領(lǐng)域(如航天、能源、信息電子、機(jī)械化工、生命科學(xué)等方面)應(yīng)用的愈來(lái)愈多。比如氧化鋁作為生物陶瓷制備成人造齒骨、氧化鋯陶瓷用作光纖連接器插芯，氮化硅和碳化硅陶瓷用作發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪轉(zhuǎn)子、燃?xì)廨啓C(jī)中的靜葉片、航天飛機(jī)尾氣噴管。上述這些材料多作為一種結(jié)構(gòu)部件使用，具有各種不同形狀，并要求尺寸精確。由于陶瓷材料硬度高，加工成本高，因此要求達(dá)到近凈成型。
傳統(tǒng)的干壓和等靜壓成型只適合形狀比較簡(jiǎn)單的陶瓷制品，很難制備形狀復(fù)雜的陶瓷部件。目前使用較多的注漿成型和熱壓鑄成型，雖可成型形狀較復(fù)雜的陶瓷制品，但成型尺寸精度低，成型密度也較低，滿足不了精密陶瓷零部件的要求。
陶瓷注射成型是將塑料注射成型方法與陶瓷工藝學(xué)相結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的一種新的陶瓷成型方法。其原理和工藝過(guò)程是首先將置于混煉機(jī)內(nèi)熱塑性樹脂等有機(jī)物加熱熔融，加入陶瓷粉共同混煉獲得均勻的混合料稱為喂料；此喂料在注射機(jī)內(nèi)加熱熔化，在一定溫度和壓力下(20～200MPa)射入溫度較低的金屬模具內(nèi)，冷卻后凝固成型即可得到形狀復(fù)雜、尺寸精確的陶瓷坯體。然后采用加熱或溶劑萃取化學(xué)方法將陶瓷坯體內(nèi)有機(jī)物排除，即脫脂。脫脂后的陶瓷素坯經(jīng)高溫?zé)Y(jié)即可得到致密的和尺寸精確的陶瓷部件。
陶瓷注射成型的關(guān)鍵是成型用有機(jī)物的配方設(shè)計(jì)，目前使用的有機(jī)物體系主要有石蠟基，聚乙二醇基和聚甲醛基三類。石蠟基有機(jī)體系注射成型坯體采用熱脫脂，聚乙二醇有機(jī)體系采用溶劑脫脂，聚甲醛基體系采用催化脫脂。石蠟基體系因熱脫脂工藝簡(jiǎn)單受到重視，已有專利和文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的石蠟基有機(jī)體系主要包括塑化劑石蠟，聚乙稀(PE)，聚丙稀(PP)，醋酸纖維素，丙稀酸樹脂和潤(rùn)滑劑油酸，蜂蠟，硬脂酸，礦物油，植物油，硬脂酸鋅，動(dòng)物油中的一種或復(fù)合。
由于石蠟基體系中熱塑性有機(jī)高分子及石蠟本身大多為非極性分子，陶瓷粉體為極性材料，兩者相容性有一定差距，會(huì)導(dǎo)致混合料的均勻性和流動(dòng)性變差，成型坯體的強(qiáng)度降低以及脫脂過(guò)程中缺陷形成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種精密陶瓷零部件的材料配方及其注射成型制備方法，通過(guò)在石蠟基有機(jī)物體系中引入不同類型的偶聯(lián)劑從而徹底解決了有機(jī)高分子熱塑性樹脂及石蠟與陶瓷粉結(jié)合性和相容性差的問(wèn)題，保證注射過(guò)程良好的流動(dòng)性，成型產(chǎn)品的均勻性和高的成型坯體強(qiáng)度，從而可制備出高精度、高性能的各種陶瓷產(chǎn)品。
本發(fā)明提出的精密陶瓷零部件的材料配方，該材料配方含有有機(jī)物體系和陶瓷粉體，其特征在于所述有機(jī)物體系為熱塑性樹脂、增塑劑和偶聯(lián)劑；所述配方中熱塑性樹脂、增塑劑、偶聯(lián)劑總量占10-20wt％，所述陶瓷粉體占80-90wt％，其中熱塑性樹脂和增塑劑之間比例為0.5～0.7∶0.3～0.6，偶聯(lián)劑占陶瓷粉重量的0.5～1.5％。
在上述材料配方中，所述熱塑性樹脂為聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、乙烯-醋酸乙烯脂共聚物中的一種或兩種。
在上述材料配方中，所述增塑劑為石蠟、微晶石蠟、鄰苯二甲酸二乙脂、鄰苯二甲酸二丁脂中的一種或一種以上。
在上述材料配方中，所述偶聯(lián)劑為硅烷、鈦酸脂、鋯酸脂、鋁酸脂中的一種或一種以上。
本發(fā)明提出的一種精密陶瓷零部件的注射成型制備方法，其特征在于所述制備方法依次為(1)將混煉機(jī)預(yù)熱至120～200℃，將上述熱塑性樹脂中一種或兩種一起放入混煉機(jī)熔融，然而把增塑劑和偶聯(lián)劑加入到混煉機(jī)中，與熔融的熱塑性樹脂共混達(dá)到完全均勻熔體狀態(tài)；(2)將陶瓷粉加入步驟(1)的混合物中，混煉，混合料熔體從混煉機(jī)中取出冷卻凝固，破碎，即得到注射成型用喂料；(3)將注射成型機(jī)料筒內(nèi)加熱，將步驟(2)的喂料從料斗加入至料筒內(nèi)，喂料受熱后又轉(zhuǎn)化變成粘性流動(dòng)狀態(tài)，在50～150MPa注射壓力下，熔融喂料通過(guò)噴嘴射入金屬模具，待冷卻并凝固，即可脫模，得到所需陶瓷部件的坯體；(4)采用熱脫脂和埋粉技術(shù)，首先將步驟(3)成型的坯體放入陶瓷坩鍋，同時(shí)將坯體埋入坩鍋內(nèi)剛玉砂或碳化硅砂中進(jìn)行脫脂，脫脂溫度550～800℃，升溫速度為5～30℃/小時(shí)；(5)將脫脂后的陶瓷素坯在高溫下進(jìn)行致密化燒結(jié)。
由于本發(fā)明將偶聯(lián)劑與熱塑性樹脂和增塑劑共同使用，克服了陶瓷粉體與熱塑性樹脂相容性的問(wèn)題，從而可獲得分散性高，流動(dòng)性好的注射喂料和強(qiáng)度高的成型坯體。本成型制備方法具有成型各種復(fù)雜形狀陶瓷零件的能力，可實(shí)現(xiàn)近凈尺寸成型。所成型的制品尺寸控制精度高(＜0.5％)，成型的陶瓷部件表面平滑，外觀好。成型過(guò)程機(jī)械化程度高，便于工業(yè)化批量生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的技術(shù)方案是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的1、配方設(shè)計(jì)配方組成包括兩大部分有機(jī)物體系和陶瓷粉體。有機(jī)物體系主要包括熱塑性樹脂、增塑劑和偶聯(lián)劑三類；本發(fā)明中熱塑性樹脂有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、乙烯-醋酸乙烯脂共聚物(EVA)；增塑劑有石蠟、微晶石蠟、鄰苯二甲酸二乙脂(DEP)、鄰苯二甲酸二丁脂(DBP)；偶聯(lián)劑主要包括硅烷、鈦酸脂、鋯酸脂、鋁酸脂。熱塑性樹脂、增塑劑、偶聯(lián)劑總量占10-20wt％，而陶瓷粉占80-90％，其中熱塑性樹脂和增塑劑之間比例為0.5～0.7∶0.3～0.6，偶聯(lián)劑占陶瓷粉重量的0.5～1.5％。
2、注射喂料準(zhǔn)備先將混煉機(jī)預(yù)熱至120～200℃，將上述熱塑性樹脂中一種或兩種一起放入混煉機(jī)熔融，然而把增塑劑和偶聯(lián)劑加入到混煉機(jī)中，與熔融的熱塑性樹脂共混達(dá)到完全均勻熔體狀態(tài)。再將陶瓷粉徐徐加入，同時(shí)混煉，加入的陶瓷粉與熔融有機(jī)物中的偶聯(lián)劑分子發(fā)生偶合作用，通過(guò)偶聯(lián)劑將有機(jī)物包覆在顆粒表面，達(dá)到均勻分散，形成無(wú)團(tuán)聚的高分散的混合熔體?；旌狭先垠w從混煉機(jī)中取出冷卻凝固，破碎成小顆粒，即得到注射成型用喂料。
3、射出成型注射成型機(jī)料筒內(nèi)加熱，溫度在120～200℃，將喂料從料斗加入至料筒內(nèi)，喂料受熱后又轉(zhuǎn)化變成粘性流動(dòng)狀態(tài)，在50～150MPa注射壓力下，熔融喂料通過(guò)噴嘴射入金屬模具，1～2分鐘后完全冷卻并凝固，即可脫模，得到所需陶瓷部件的坯體。
4、脫脂采用熱脫脂和埋粉技術(shù)。首先將成型的坯體放入陶瓷坩鍋，同時(shí)將坯體埋入坩鍋內(nèi)剛玉砂或碳化硅砂中，埋粉的作用是避免陶瓷坯體受熱產(chǎn)生變形和塌陷，同時(shí)有利于脫脂速度的控制。脫脂溫度一般在550～800℃，升溫速度為5～30℃/小時(shí)。
5、高溫?zé)Y(jié)脫脂后陶瓷素坯密度為理論密度的50～60％，需在高溫下進(jìn)行致密化燒結(jié)。燒結(jié)制度(如溫度、氣氛、升溫速度)依陶瓷材料和具體產(chǎn)品而異。高溫?zé)Y(jié)后密度可到達(dá)98％以上，陶瓷部件表面光滑平整，尺寸精度高。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)施例1氧化鋁陶瓷異形部件氧化鋁粉為高純超細(xì)氧化鋁粉，純度為99.97％，平均粒徑為0.5μm。熱塑性樹脂為聚乙烯(PE)，增塑劑為石蠟，偶聯(lián)劑為鋁酸脂。
41克聚乙烯(PE)、38克石蠟和12克鋁酸脂一同加入到溫度為160℃的混煉機(jī)內(nèi)，熔融后混煉均勻，再將500克氧化鋁粉徐徐加入混煉機(jī)，共混半小時(shí)，冷卻，造粒，得到射出成型用喂料。該喂料加入注射機(jī)內(nèi)，加熱至140～180℃，于70MPa注射壓力下進(jìn)行射出成型，2分鐘后脫模，獲得完好的成型坯體。脫模后的坯體埋入剛玉砂中，在馬弗爐內(nèi)脫脂，升溫15℃/小時(shí)，700℃保溫1小時(shí)，得到無(wú)缺陷的素坯。脫脂后的陶瓷素坯于高溫電阻爐內(nèi)，空氣氣氛下，在1520℃下保溫2小時(shí)。氧化鋁陶瓷的致密度高達(dá)99.5％，良好的外觀和表面平滑度。
實(shí)施例2氧化鋯陶瓷噴砂嘴氧化鋯粉為氧化釔穩(wěn)定的Y-TZP粉，一次顆粒粒徑為100nm左右，屬于納米級(jí)陶瓷粉。熱塑性樹脂為聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸脂(PMMA)，增塑劑為鄰苯二甲酸二辛脂(DOP)，偶聯(lián)劑為鋯酸脂。
57克聚苯乙烯(PS)、25克聚甲基丙烯酸脂(PMMA)，20克鄰苯二甲酸二辛脂(DOP)和10克鋯酸脂一同加入到溫度為180℃的混煉機(jī)內(nèi)，熔融后混煉均勻，再將600克氧化鋁粉徐徐加入混煉機(jī)，共混25分鐘，冷卻、造粒，得到射出成型用喂料。該喂料加入注射機(jī)內(nèi)，加熱至160～200℃，于60MPa注射壓力下進(jìn)行射出成型，3分鐘后脫模，獲得完好的成型坯體。脫模后的坯體埋入剛玉砂中，在馬弗爐內(nèi)脫脂，升溫20℃/小時(shí)，600℃保溫1小時(shí)，得到無(wú)缺陷的素坯。脫脂后的陶瓷素坯于高溫電阻爐內(nèi)，空氣氣氛下，在1550℃下保溫2小時(shí)。氧化鋁陶瓷的致密度高達(dá)99.2％，表面光潔和外觀良好。
實(shí)施例3氮化硅陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子氮化硅陶瓷粉平均粒徑為0.7μm，為了促進(jìn)氮化硅致密化燒結(jié)，使用氧化釔和氧化鋁為助燒劑。熱塑性樹脂為聚丙烯(PP)和乙烯-丙烯酸乙脂共聚物(EEA)，增塑劑為微晶石蠟，偶聯(lián)劑為硅烷。
80克聚丙烯(PP)、48克乙烯-丙烯酸乙脂共聚物(EEA)加入到溫度為160℃的混煉機(jī)內(nèi)，熔融后加入78克微晶石蠟、15克硅烷，共同混煉均勻，再將900克氮化硅粉、50克氧化釔和50克氧化鋁的混合粉加入混煉機(jī)，共混40分鐘后冷卻，造粒，得到射出成型用喂料。該喂料加入注射機(jī)內(nèi)，加熱至130～150℃，于110MPa注射壓力下進(jìn)行射出成型，3分鐘后脫模，獲得完好的成型坯體。脫模后的葉片坯體埋入碳化硅砂中，在氮?dú)鈿夥諣t內(nèi)脫脂，升溫5℃/小時(shí)，550℃保溫2小時(shí)，得到無(wú)缺陷的素坯。脫脂后的陶瓷素坯于石墨電阻爐內(nèi)，氮?dú)鈿夥障侣穹蹮Y(jié)，在1740℃下保溫2小時(shí)。氮化硅陶瓷的致密度高達(dá)98％，具有良好外觀和表面光潔度。
實(shí)施例4碳化硅晶須增韌氮化硅復(fù)相陶瓷葉片碳化硅晶須為β-SiC，直徑約1μm、長(zhǎng)度約20μm；氮化硅粉平均粒徑為0.7μm，為了促進(jìn)致密化燒結(jié)，使用氧化釔和氧化鋁為助燒劑。熱塑性樹脂為無(wú)規(guī)聚丙烯(APP)和乙烯-乙烷基丙烯酸樹脂，增塑劑為鄰苯二甲酸二丁脂。偶聯(lián)劑為鈦酸脂。
100克無(wú)規(guī)聚丙烯(APP)、75克乙烯-乙烷基丙烯酸樹脂加入到溫度為150℃的混煉機(jī)內(nèi)，熔融后加入35克鄰苯二甲酸二丁脂，18克鈦酸脂共同混煉均勻，再將750克氮化硅粉、150克碳化硅晶須、50克氧化釔和50克氧化鋁的混合粉加入混煉機(jī)，共混30分鐘后冷卻，造粒，得到射出成型用喂料。該喂料加入注射機(jī)內(nèi)，加熱至140～160℃，于130MPa注射壓力下進(jìn)行射出成型，3分鐘后脫模，獲得完好的成型坯體。脫模后的轉(zhuǎn)子坯體埋入碳化硅砂中，在氮?dú)鈿夥諣t內(nèi)脫脂，升溫6℃/小時(shí)，650℃保溫2小時(shí)，得到無(wú)缺陷的素坯。脫脂后的陶瓷素坯于石墨電阻爐內(nèi)，氮?dú)鈿夥障?，?740℃下保溫2小時(shí)。氮化硅陶瓷的致密度高達(dá)98％，外觀良好、無(wú)變形無(wú)缺陷。
權(quán)利要求
1.精密陶瓷零部件的材料配方，該材料配方含有有機(jī)物體系和陶瓷粉體，其特征在于所述有機(jī)物體系為熱塑性樹脂、增塑劑和偶聯(lián)劑；所述配方中熱塑性樹脂、增塑劑、偶聯(lián)劑總量占10～20wt％，所述陶瓷粉體占80wt％～90wt％，其中熱塑性樹脂和增塑劑之間比例為0.5～0.7∶0.3～0.6，偶聯(lián)劑占陶瓷粉重量的0.5％～1.5％。
2.按照權(quán)利要求1所述的精密陶瓷零部件的材料配方，其特征在于所述熱塑性樹脂為聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、乙烯-醋酸乙烯脂共聚物中的一種或兩種。
3.按照權(quán)利要求1所述的精密陶瓷零部件的材料配方，其特征在于所述增塑劑為石蠟、微晶石蠟、鄰苯二甲酸二乙脂、鄰苯二甲酸二丁脂中的一種或一種以上。
4.按照權(quán)利要求1所述的精密陶瓷零部件的材料配方，其特征在于所述偶聯(lián)劑為硅烷、鈦酸脂、鋯酸脂、鋁酸脂中的一種或一種以上。
5.一種如權(quán)利要求1所述的精密陶瓷零部件的注射成型制備方法，其特征在于所述制備方法依次為(1)將混煉機(jī)預(yù)熱至120℃～200℃，將上述熱塑性樹脂中一種或兩種一起放入混煉機(jī)熔融，然而把增塑劑和偶聯(lián)劑加入到混煉機(jī)中，與熔融的熱塑性樹脂共混達(dá)到完全均勻熔體狀態(tài)；(2)將陶瓷粉加入步驟(1)的混合物中，混煉，混合料熔體從混煉機(jī)中取出冷卻凝固，破碎，即得到注射成型用喂料；(3)將注射成型機(jī)料筒內(nèi)加熱，將步驟(2)的喂料從料斗加入至料筒內(nèi)，喂料受熱后又轉(zhuǎn)化變成粘性流動(dòng)狀態(tài)，在50MPa～150MPa注射壓力下，熔融喂料通過(guò)噴嘴射入金屬模具，待冷卻并凝固，即可脫模，得到所需陶瓷部件的坯體；(4)采用熱脫脂和埋粉技術(shù)，首先將步驟(3)成型的坯體放入陶瓷坩鍋，同時(shí)將坯體埋入坩鍋內(nèi)剛玉砂或碳化硅砂中進(jìn)行脫脂，脫脂溫度為550℃～800℃，升溫速度為5℃/小時(shí)～30℃/小時(shí)；(5)將脫脂后的陶瓷素坯在高溫下進(jìn)行致密化燒結(jié)。
全文摘要
精密陶瓷零部件的配方及其注射成型制備方法，屬于陶瓷材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的材料配方含有有機(jī)物體系和陶瓷粉體，其中所述有機(jī)物體系為熱塑性樹脂、增塑劑和偶聯(lián)劑，三者總量占10－20wt％，所述陶瓷粉體占80－90wt％，其中熱塑性樹脂和增塑劑之間比例為0.5～0.7∶0.3～0.6，偶聯(lián)劑占陶瓷粉重量的0.5～1.5％。由于本發(fā)明將偶聯(lián)劑與熱塑性樹脂和增塑劑共同使用，克服了陶瓷粉體與熱塑性樹脂相容性的問(wèn)題，從而獲得了分散性高，流動(dòng)性好的注射喂料和強(qiáng)度高的成型坯體。本成型制備方法可成型各種復(fù)雜形狀陶瓷零件，并可實(shí)現(xiàn)近凈尺寸成型。所成型的制品尺寸控制精度高，成型的陶瓷部件表面平滑，外觀好。成型過(guò)程機(jī)械化程度高，便于工業(yè)化批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C04B35/64GK1490276SQ03156369
公開日2004年4月21日 申請(qǐng)日期2003年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月5日
發(fā)明者謝志鵬 申請(qǐng)人:清華大學(xué)