一种注射成型制造齿状异形陶瓷部件的方法 【技术领域】
本发明属于高性能陶瓷制备技术领域，特别涉及一种注射成型制造齿状异形陶瓷部件的方法。
背景技术
多齿氧化物陶瓷部件在机械、化工和汽车等领域有广泛的应用，例如氧化锆或氧化铝陶瓷齿轮和陶瓷螺旋等。目前制造这种多齿氧化物陶瓷部件的方法包括等静压、干压、注浆和热压铸等方法。陶瓷干压成型虽然效率较高，但成型产品存在密度差异、显微结构不均匀的现象，同时不易成型复杂形状和异形产品；冷等静压成型可得到高密度和高均匀性的成型坯体，但难以成型形状复杂的陶瓷零部件，且成型效率低和手工操作多。陶瓷注浆成型虽可成型异形产品，达到近净尺寸，但成型坯体易产生密度不均和成分偏析，成型尺寸精度低和产品可靠性下降等问题，并且成型为手工操作以及坯体干燥效率低。热压铸成型最大的问题生产周期长，是效率低下，排除石蜡等有机粘结剂需要几十甚至上百小时，且排蜡过程中容易产生气孔和开裂等缺陷。
陶瓷注射成型技术源于塑料注射成型技术，可以实现快速、精密制造复杂形状陶瓷部件。陶瓷注射成型中，陶瓷颗粒的流动性是靠颗粒表面包覆的高含量有机粘结剂实现的，有机粘结剂的含量(重量比)在陶瓷注射混合料中为10-20％之间。成型坯体中的这些有机粘结剂在烧结之前必须排除，即需要进行脱脂。过去陶瓷注射成型主要采用缓慢加热的方法进行脱脂，使有机粘结剂分解逐渐排除，需要几十个小时甚至100小时以上，时间长，效率低，并且在脱脂过程中容易产生开裂和变形等缺陷，因此限制了陶瓷注射成型的应用，特别是要制备多齿状异型陶瓷类产品非常困难。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种注射成型制造齿状异形陶瓷部件的方法。
一种注射成型制造齿状异形陶瓷部件的方法，其特征在于，该方法步骤为：
(1)混合陶瓷粉体和有机粘结剂：将陶瓷粉体和有机粘结剂混合均匀得到注射成型混合料，所述注射成型混合料中，陶瓷粉体的重量百分含量为81-90％，有机粘结剂的重量百分含量为10-19％；
所述陶瓷粉体为氧化锆、氧化铝或莫来石中的一种或几种；
所述有机粘结剂由非水溶性粘结剂、水溶性粘结剂、表面活性剂、低熔点有机物和增塑剂组成，各组分重量百分含量为：非水溶性粘结剂：15-30％；水溶性粘结剂：45-65％；表面活性剂：1-5％；低熔点有机物：5-11％；增塑剂：1-11％；
(2)注射成型：注射成型混合料在注射成型机上注射成型得到坯体，注射温度在175-195℃之间，注入模具后在2分钟内脱模得到成型坯体；
(3)水萃取脱脂：将注射成型得到的坯体放入水中，溶解脱除部分水溶性有机粘结剂，水的温度在30-50℃，脱脂时间在6-8小时，水萃取脱脂后的坯体在烘箱中充分干燥；
(4)热脱脂：将干燥后的坯体放入电加热炉内，进行热脱脂，脱除非水溶性粘结剂和剩余的水溶性有机粘结剂，以5-8℃/min的升温速率升温至550℃，保温2-3小时；
(5)烧结：热脱脂后的坯体进行烧结，烧结温度在1350-1550℃之间，保温1-4小时，随炉冷却，得到陶瓷部件。
步骤(1)中，所述混合陶瓷粉体和有机粘结剂在双辊开炼机或双螺旋密炼机上进行，陶瓷粉体和非水溶性粘结剂在180-190℃下混炼5-10分钟；温度降至170℃加入表面活性剂，混炼5-10分钟；温度降至150℃，加入水溶性粘结剂和低熔点有机物，混炼10-15分钟；混炼温度降至120℃，加入增塑剂，混合10-15分钟；最后冷却破碎得到注射成型混合料，混合料破碎后的颗粒小于3mm。
所述非水溶性粘结剂为两种高聚物的组合，所述高聚物一种选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯，另一种选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛。
所述水溶性粘结剂为聚乙二醇、聚乙烯醇或聚氧化乙烯。
所述表面活性剂为硬脂酸或油酸。
所述增塑剂为对苯二甲酸二丁酯、对苯二甲酸二辛酯或对苯二甲酸二戊酯。
所述低熔点有机物为微晶石蜡、巴西棕榈蜡或蜂蜡。
步骤(3)中，所述干燥温度为40-60℃。
所述烧结在硅钼棒发热体的烧结炉或者天然气高温窑炉中进行。
本发明的有益效果为：本发明提出采用快速注射成型方法制造多齿状异型陶瓷部件或产品，其思路和基本技术路线是通过自动注射成型机快速成型得到多齿状异型陶瓷坯体，然后采用水萃取脱脂和热脱脂相结合的二步脱脂法快速排除坯体内有机粘结剂，然后在高温炉中烧结，得到致密均匀和性能优异的齿状异型陶瓷产品。本发明可以高效、高精度制造高可靠性多齿氧化物陶瓷部件，多齿氧化物陶瓷部件厚度大于10mm，制造过程中无变形和开裂缺陷，烧结致密，具有以下优点：
(1)自动化程度高，注射成型料从进入注射成型机到充模冷却得到坯体是全自动化过程，大大提高了成型效率；
(2)成型坯体尺寸精度高、表面光洁度高，最终烧结得到的产品可以不进行机械加工或者机械加工量很小，降低了制造成本；
(3)坯体中陶瓷颗粒分散均匀，可以减少最终产品结构中的不均匀，提高陶瓷产品的可靠性；
(4)水萃取脱脂和热脱脂二步复合脱脂方法大大提高了脱脂效率，脱脂时间由传统热脱脂的48-60个小时以上降低到8-11个小时；
(5)水萃取脱脂和热脱脂二步复合脱脂方法可以用于制造厚度较大的齿形陶瓷部件，传统热脱脂技术可以制造的最大厚度约8mm的坯体，采用本发明可以制造厚度约为16mm的坯体，提高了一倍。
【附图说明】
图1是多齿状氧化物陶瓷部件示意图；
图2是快速注射成型工艺流程；
图3是氧化锆陶瓷显微结构的扫描电子显微镜照片；
图4是氧化铝陶瓷显微结构的扫描电子显微镜照片。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例1
本实施例中，陶瓷粉体选用氧化锆陶瓷粉，氧化锆粉体平均粒径d50＝0.15μm，比表面积为8.5m2/g，有机粘结剂由非水溶性粘结剂、水溶性粘结剂、表面活性剂、低熔点有机物和增塑剂组成，非水溶性粘结剂为聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚甲基丙烯酸甲酯的组合，以聚乙二醇为水溶性粘结剂，以硬脂酸为表面活性剂，以对苯二甲酸二丁酯为增塑剂，以微晶石蜡为低熔点有机物。
注射成型制造齿状异形陶瓷部件的方法步骤如下，工艺流程见图2：
(1)混合陶瓷粉体和有机粘结剂：将1000g氧化锆陶瓷粉体和12.4g聚对苯二甲酸乙二醇酯、22.9g聚甲基丙烯酸甲酯加入双辊开炼机，在190℃下混炼10分钟；温度降至170℃加入硬脂酸7.1g，混炼10分钟；温度降至150℃，加入聚乙二醇102.4g和微晶石蜡14.1g，混炼10分钟；混炼温度降至120℃，加入增塑剂对苯二甲酸二丁酯17.6g，混炼15分钟；最后冷却破碎得到混合料，混合料粒度小于3mm；
(2)注射成型：注射成型混合料在注射成型机上注射成型得到坯体，坯体形状为如图1所示的齿形，多齿状异形陶瓷部件齿的个数、中心孔的尺寸可以变化，中心孔尺寸由型芯尺寸决定，可以在0-22mm范围内变化，齿的个数大于3，部件厚度用H表示，用a表示齿顶圆直径，用表示多齿状部件的齿根圆直径，中心孔尺寸用表示，齿宽用b表示，本实施例中H＝16mm，b＝5mm，a＝30，分别为0mm、5mm、10mm、15mm(时为实心部件)，为4个齿的多齿形部件，注射温度为175℃，注入模具后在2分钟内脱模得到成型坯体；
(3)水萃取脱脂：将注射成型得到的坯体放入水中，溶解脱除部分水溶性有机粘结剂，水的温度为38℃，脱脂时间为7小时，聚乙二醇7小时脱除率为60-70％，(剩余的水溶性有机粘结剂可在后续的快速加热过程中与非水溶性有机粘结剂一起通过热分解排除)，水萃取脱脂后的坯体在40℃烘箱中充分干燥；
(4)热脱脂：将干燥后的坯体放入电加热炉内，进行热脱脂，脱除非水溶性粘结剂和剩余的水溶性有机粘结剂，以5℃/min的升温速率升温至550℃，保温3小时；
(5)烧结：热脱脂后的坯体进行烧结，烧结在硅钼棒发热体的烧结炉中进行，烧结温度为1550℃，保温2小时，保温过后切断加热电源随炉冷却，得到陶瓷部件。
水萃取脱脂后坯体内已形成连通气孔，剩余的非水溶性有机粘结剂就可以在加热炉中快速加热排除而不产生变形和开裂。脱脂后的坯体在烧结炉中进行高温烧结，得到性能优异的致密陶瓷。
因采用相同地原料和方法制造，所以本实施例所得的不同中心孔尺寸的四种多齿状氧化锆陶瓷部件性能一致：上述制备的产品的烧结密度达到了6.03g/cm3，三点抗弯强度1090±52MPa，断裂韧性为13.1±2.2MPa·m1/2，烧结氧化锆陶瓷断面扫描电镜照片如图3所示，可见显微结构均匀致密，平均晶粒尺寸大约为350nm，没有气孔和杂质，保证了陶瓷产品的高强度和高韧性。
制备出来的的多齿陶瓷部件为没有中心孔的实心部件，厚度达到16mm，这一厚度是传统热压铸和热脱脂技术无法制造的。
实施例2
本实施例中，陶瓷粉体选用氧化铝陶瓷粉，氧化铝粉体平均粒径d50＝0.08μm，比表面积为13.5m2/g，有机粘结剂由非水溶性粘结剂、水溶性粘结剂、表面活性剂、低熔点有机物和增塑剂组成，非水溶性粘结剂为聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯醇缩丁醛的组合，以聚乙二醇为水溶性粘结剂，以硬脂酸为表面活性剂，以对苯二甲酸二丁酯为增塑剂，以微晶石蜡为低熔点有机物。
注射成型制造齿状异形陶瓷部件的方法步骤为：
(1)混合陶瓷粉体和有机粘结剂：将1000g氧化铝陶瓷粉体和11.0g聚对苯二甲酸乙二醇酯、33.0g聚乙烯醇缩丁醛加入双辊开炼机，在190℃下混炼10分钟；温度降至170℃加入硬脂酸8.8g，混炼10分钟；温度降至150℃，加入聚乙二醇123g和微晶石蜡22g，混炼10分钟；混炼温度降至120℃，加入增塑剂对苯二甲酸二丁酯22g，混炼15分钟；最后冷却破碎得到混合料，混合料粒度小于3mm；
(2)注射成型：注射成型混合料在注射成型机上注射成型得到坯体，坯体形状为如图1所示的齿形，本实施例中H＝16mm，b＝5mm，a＝30mm，为4个齿的多齿形部件(坯体形状为中心有一圆孔的多齿状)，注射温度为180℃，注入模具后在2分钟内脱模得到成型坯体；
(3)水萃取脱脂：将注射成型得到的坯体放入水中，溶解脱除部分水溶性有机粘结剂，水的温度为45℃，脱脂时间为8小时，水萃取脱脂后的坯体在40℃烘箱中干燥24小时；
(4)热脱脂：将干燥后的坯体放入电加热炉内，进行热脱脂，脱除非水溶性粘结剂和剩余的水溶性有机粘结剂，以8℃/min的升温速率升温至550℃，保温3小时；
(5)烧结：热脱脂后的坯体进行烧结，烧结在天然气高温窑炉中进行，烧结温度为1500℃，保温2小时，然后随炉冷却，得到陶瓷部件。
得到的氧化铝陶瓷密度3.97g/cm3，抗弯强度435±30MPa，维氏硬度为21GPa，显微结构照片见图4，可见显微结构均匀致密，平均晶粒尺寸大约为0.5μm，没有气孔和杂质，使该氧化铝陶瓷产品达到高强度和高硬度。