專利名稱：一種注射成型制造齒狀異形陶瓷部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高性能陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種注射成型制造齒狀異形 陶瓷部件的方法。
背景技術(shù)：
多齒氧化物陶瓷部件在機(jī)械、化工和汽車等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，例如氧化鋯 或氧化鋁陶瓷齒輪和陶瓷螺旋等。目前制造這種多齒氧化物陶瓷部件的方法包括 等靜壓、干壓、注漿和熱壓鑄等方法。陶瓷干壓成型雖然效率較高，但成型產(chǎn)品 存在密度差異、顯微結(jié)構(gòu)不均勻的現(xiàn)象，同時(shí)不易成型復(fù)雜形狀和異形產(chǎn)品；冷 等靜壓成型可得到高密度和高均勻性的成型坯體，但難以成型形狀復(fù)雜的陶瓷零 部件，且成型效率低和手工操作多。陶瓷注漿成型雖可成型異形產(chǎn)品，達(dá)到近凈 尺寸，但成型坯體易產(chǎn)生密度不均和成分偏析，成型尺寸精度低和產(chǎn)品可靠性下 降等問(wèn)題，并且成型為手工操作以及坯體干燥效率低。熱壓鑄成型最大的問(wèn)題生 產(chǎn)周期長(zhǎng)，是效率低下，排除石蠟等有機(jī)粘結(jié)劑需要幾十甚至上百小時(shí)，且排蠟 過(guò)程中容易產(chǎn)生氣孔和開(kāi)裂等缺陷。
陶瓷注射成型技術(shù)源于塑料注射成型技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)快速、精密制造復(fù)雜形 狀陶瓷部件。陶瓷注射成型中，陶瓷顆粒的流動(dòng)性是靠顆粒表面包覆的高含量有 機(jī)粘結(jié)劑實(shí)現(xiàn)的，有機(jī)粘結(jié)劑的含量(重量比)在陶瓷注射混合料中為10-20% 之間。成型坯體中的這些有機(jī)粘結(jié)劑在燒結(jié)之前必須排除，即需要進(jìn)行脫脂。過(guò) 去陶瓷注射成型主要采用緩慢加熱的方法進(jìn)行脫脂，使有機(jī)粘結(jié)劑分解逐漸排 除，需要幾十個(gè)小時(shí)甚至100小時(shí)以上，時(shí)間長(zhǎng)，效率低，并且在脫脂過(guò)程中容易產(chǎn)生開(kāi)裂和變形等缺陷，因此限制了陶瓷注射成型的應(yīng)用，特別是要制備多齒
狀異型陶瓷類產(chǎn)品非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種注射成型制造齒狀異形陶瓷部件的方法。 一種注射成型制造齒狀異形陶瓷部件的方法，其特征在于，該方法步驟為
(1) 混合陶瓷粉體和有機(jī)粘結(jié)劑將陶瓷粉體和有機(jī)粘結(jié)劑混合均勻得到注射 成型混合料，所述注射成型混合料中，陶瓷粉體的重量百分含量為81-90%，有 機(jī)粘結(jié)劑的重量百分含量為10-19%;
所述陶瓷粉體為氧化鋯、氧化鋁或莫來(lái)石中的一種或幾種； 所述有機(jī)粘結(jié)劑由非水溶性粘結(jié)劑、水溶性粘結(jié)劑、表面活性劑、低熔點(diǎn)有 機(jī)物和增塑劑組成，各組分重量百分含量為非水溶性粘結(jié)劑15-30%;水溶性 粘結(jié)劑45-65%;表面活性劑1-5%;低熔點(diǎn)有機(jī)物5-11%;增塑劑1-11%;
(2) 注射成型注射成型混合料在注射成型機(jī)上注射成型得到坯體，注射溫度
在175-195X:之間，注入模具后在2分鐘內(nèi)脫模得到成型坯體；
(3) 水萃取脫脂將注射成型得到的坯體放入水中，溶解脫除部分水溶性有機(jī)
粘結(jié)劑，水的溫度在30-5(TC，脫脂時(shí)間在6-8小時(shí)，水萃取脫脂后的坯體在烘 箱中充分干燥；
(4) 熱脫脂將干燥后的坯體放入電加熱爐內(nèi)，進(jìn)行熱脫脂，脫除非水溶性粘 結(jié)劑和剩余的水溶性有機(jī)粘結(jié)劑，以5-8°C/min的升溫速率升溫至550°C，保溫 2-3小時(shí)；
(5) 燒結(jié)熱脫脂后的坯體進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度在1350-155(TC之間，保溫1-4 小時(shí)，隨爐冷卻，得到陶瓷部件。
步驟(l)中，所述混合陶瓷粉體和有機(jī)粘結(jié)劑在雙輥開(kāi)煉機(jī)或雙螺旋密煉機(jī)上進(jìn)行，陶瓷粉體和非水溶性粘結(jié)劑在180-19(TC下混煉5-10分鐘；溫度降至170 "C加入表面活性劑，混煉5-10分鐘；溫度降至15(TC，加入水溶性粘結(jié)劑和低熔 點(diǎn)有機(jī)物，混煉10-15分鐘；混煉溫度降至12(TC，加入增塑劑，混合10-15分 鐘；最后冷卻破碎得到注射成型混合料，混合料破碎后的顆粒小于3mm。
所述非水溶性粘結(jié)劑為兩種高聚物的組合，所述高聚物一種選自聚對(duì)苯二甲 酸乙二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯，另一種選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇 縮丁醛。
所述水溶性粘結(jié)劑為聚乙二醇、聚乙烯醇或聚氧化乙烯。 所述表面活性劑為硬脂酸或油酸。
所述增塑劑為對(duì)苯二甲酸二丁酯、對(duì)苯二甲酸二辛酯或?qū)Ρ蕉姿岫祯ァ?所述低熔點(diǎn)有機(jī)物為微晶石蠟、巴西棕櫚蠟或蜂蠟。 步驟(3)中，所述干燥溫度為40-60T:。
所述燒結(jié)在硅鉬棒發(fā)熱體的燒結(jié)爐或者天然氣高溫窯爐中進(jìn)行。 本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明提出采用快速注射成型方法制造多齒狀異型陶 瓷部件或產(chǎn)品，其思路和基本技術(shù)路線是通過(guò)自動(dòng)注射成型機(jī)快速成型得到多齒 狀異型陶瓷坯體，然后采用水萃取脫脂和熱脫脂相結(jié)合的二步脫脂法快速排除坯 體內(nèi)有機(jī)粘結(jié)劑，然后在高溫爐中燒結(jié)，得到致密均勻和性能優(yōu)異的齒狀異型陶 瓷產(chǎn)品。本發(fā)明可以高效、高精度制造高可靠性多齒氧化物陶瓷部件，多齒氧化 物陶瓷部件厚度大于10mm，制造過(guò)程中無(wú)變形和開(kāi)裂缺陷，燒結(jié)致密，具有以 下優(yōu)點(diǎn)
(1) 自動(dòng)化程度高，注射成型料從進(jìn)入注射成型機(jī)到充模冷卻得到坯體是全自 動(dòng)化過(guò)程，大大提高了成型效率；
(2) 成型坯體尺寸精度高、表面光潔度高，最終燒結(jié)得到的產(chǎn)品可以不進(jìn)行機(jī)械加工或者機(jī)械加工量很小，降低了制造成本；
(3) 坯體中陶瓷顆粒分散均勻，可以減少最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的不均勻，提高陶瓷 產(chǎn)品的可靠性；
(4) 水萃取脫脂和熱脫脂二歩復(fù)合脫脂方法大大提高了脫脂效率，脫脂時(shí)間由 傳統(tǒng)熱脫脂的48-60個(gè)小時(shí)以上降低到8-11個(gè)小時(shí)；
(5) 水萃取脫脂和熱脫脂二歩復(fù)合脫脂方法可以用于制造厚度較大的齒形陶 瓷部件，傳統(tǒng)熱脫脂技術(shù)可以制造的最大厚度約8mm的坯體，采用本發(fā)明可以 制造厚度約為16mm的坯體，提高了一倍。


圖1是多齒狀氧化物陶瓷部件示意圖； 圖2是快速注射成型工藝流程；
圖3是氧化鋯陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡照片； 圖4是氧化鋁陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明 實(shí)施例1
本實(shí)施例中，陶瓷粉體選用氧化鋯陶瓷粉，氧化鋯粉體平均粒徑d5『0.15pm， 比表面積為8.5m2/g，有機(jī)粘結(jié)劑由非水溶性粘結(jié)劑、水溶性粘結(jié)劑、表面活性 劑、低熔點(diǎn)有機(jī)物和增塑劑組成，非水溶性粘結(jié)劑為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚 甲基丙烯酸甲酯的組合，以聚乙二醇為水溶性粘結(jié)劑，以硬脂酸為表面活性劑， 以對(duì)苯二甲酸二丁酯為增塑劑，以微晶石蠟為低熔點(diǎn)有機(jī)物。
注射成型制造齒狀異形陶瓷部件的方法步驟如下，工藝流程見(jiàn)圖2: (l)混合陶瓷粉體和有機(jī)粘結(jié)劑將1000g氧化鋯陶瓷粉體和12.4g聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、22.9g聚甲基丙烯酸甲酯加入雙輥開(kāi)煉機(jī)，在19(TC下混煉10分鐘；溫度降至17(TC加入硬脂酸7.1g，混煉10分鐘；溫度降至15(TC，加入聚乙二醇102.4g和微晶石蠟14.1g，混煉10分鐘；混煉溫度降至120'C，加入增塑劑對(duì)苯二甲酸二丁酯17.6g，混煉15分鐘；最后冷卻破碎得到混合料，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機(jī)上注射成型得到坯體，坯體形狀為如圖l所示的齒形，多齒狀異形陶瓷部件齒的個(gè)數(shù)、中心孔的尺寸可以變化，中心孔尺寸由型芯尺寸決定，可以在0-22mm范圍內(nèi)變化，齒的個(gè)數(shù)大于3，部件厚度用H表示，用a表示齒頂圓直徑，用cp,表示多齒狀部件的齒根圓直徑，中心孔尺寸用cp2表示，齒寬用b表示，本實(shí)施例中H=16mm， b=5mm， (p產(chǎn)24mm，a=30， cp2分別為0mm、 5mm、 10mm、 15mm (cp2=0時(shí)為實(shí)心部件)，為4個(gè)齒的多齒形部件，注射溫度為175。C，注入模具后在2分鐘內(nèi)脫模得到成型坯體；
(3) 水萃取脫脂將注射成型得到的坯體放入水中，溶解脫除部分水溶性有機(jī)粘結(jié)劑，水的溫度為38°C，脫脂時(shí)間為7小時(shí)，聚乙二醇7小時(shí)脫除率為60-70%，
(剩余的水溶性有機(jī)粘結(jié)劑可在后續(xù)的快速加熱過(guò)程中與非水溶性有機(jī)粘結(jié)劑一起通過(guò)熱分解排除)，水萃取脫脂后的坯體在4(TC烘箱中充分干燥；
(4) 熱脫脂將干燥后的坯體放入電加熱爐內(nèi)，進(jìn)行熱脫脂，脫除非水溶性粘結(jié)劑和剩余的水溶性有機(jī)粘結(jié)劑，以5°C/min的升溫速率升溫至550°C，保溫3小時(shí)；
(5) 燒結(jié)熱脫脂后的坯體進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)在硅鉬棒發(fā)熱體的燒結(jié)爐中進(jìn)行，燒結(jié)溫度為155(TC，保溫2小吋，保溫過(guò)后切斷加熱電源隨爐冷卻，得到陶瓷部件。
水萃取脫脂后坯體內(nèi)已形成連通氣孔，剩余的非水溶性有機(jī)粘結(jié)劑就可以在加熱爐中快速加熱排除而不產(chǎn)生變形和開(kāi)裂。脫脂后的坯體在燒結(jié)爐中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，得到性能優(yōu)異的致密陶瓷。
因采用相同的原料和方法制造，所以本實(shí)施例所得的不同中心孔尺寸的四種
多齒狀氧化鋯陶瓷部件性能一致上述制備的產(chǎn)品的燒結(jié)密度達(dá)到了 6.03g/cm3，三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度1090土52MPa，斷裂韌性為13.1 ±2.2 MPa ml/2，燒結(jié)氧化鋯陶瓷斷面掃描電鏡照片如圖3所示，可見(jiàn)顯微結(jié)構(gòu)均勻致密，平均晶粒尺寸大約為350nm，沒(méi)有氣孔和雜質(zhì)，保證了陶瓷產(chǎn)品的高強(qiáng)度和高韌性。
制備出來(lái)的cp2=0mm的多齒陶瓷部件為沒(méi)有中心孔的實(shí)心部件，厚度達(dá)到16mm，這一厚度是傳統(tǒng)熱壓鑄和熱脫脂技術(shù)無(wú)法制造的。
實(shí)施例2
本實(shí)施例中，陶瓷粉體選用氧化鋁陶瓷粉，氧化鋁粉體平均粒徑(15()=0.08拜，比表面積為13.5m2/g，有機(jī)粘結(jié)劑山非水溶性粘結(jié)劑、水溶性粘結(jié)劑、表面活性劑、低熔點(diǎn)有機(jī)物和增塑劑組成，非水溶性粘結(jié)劑為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯醇縮丁醛的組合，以聚乙二醇為水溶性粘結(jié)劑，以硬脂酸為表面活性劑，以對(duì)苯二甲酸二丁酯為增塑劑，以微晶石蠟為低熔點(diǎn)有機(jī)物。
注射成型制造齒狀異形陶瓷部件的方法步驟為
(1) 混合陶瓷粉體和有機(jī)粘結(jié)劑將1000g氧化鋁陶瓷粉體和ll.Og聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、33.0g聚乙烯醇縮丁醛加入雙輥開(kāi)煉機(jī)，在190"下混煉IO分鐘；溫度降至170。C加入硬脂酸8.8g，混煉10分鐘；溫度降至15(TC，加入聚乙二醇123g和微晶石蠟22g，混煉10分鐘；混煉溫度降至120t:，加入增塑劑對(duì)苯二甲酸二丁酯22g，混煉15分鐘；最后冷卻破碎得到混合料，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機(jī)上注射成型得到坯體，坯體形狀為如圖1所示的齒形，本實(shí)施例中H=16mm， b=5mm， cp,二24mm， a=30mm， cp2=10mm，為4個(gè)齒的多齒形部件(坯體形狀為中心有一圓孔的多齒狀)，注射溫度為180°C,注入模具后在2分鐘內(nèi)脫模得到成型坯體；
(3) 水萃取脫脂將注射成型得到的坯體放入水中，溶解脫除部分水溶性有機(jī)
粘結(jié)劑，水的溫度為45i:，脫脂吋間為8小時(shí)，水萃取脫脂后的坯體在4(TC烘箱中干燥24小時(shí)；
(4) 熱脫脂將干燥后的坯體放入電加熱爐內(nèi)，進(jìn)行熱脫脂，脫除非水溶性粘
結(jié)劑和剩余的水溶性有機(jī)粘結(jié)劑，以8°C/miri的升溫速率升溫至55(TC，保溫3小時(shí)；
(5) 燒結(jié)熱脫脂后的坯體進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)在天然氣高溫窯爐中進(jìn)行，燒結(jié)溫
度為150(TC，保溫2小時(shí)，然后隨爐冷卻，得到陶瓷部件。
得到的氧化鋁陶瓷密度3.97g/cm3，抗彎強(qiáng)度435±30MPa，維氏硬度為21GPa，顯微結(jié)構(gòu)照片見(jiàn)圖4，可見(jiàn)顯微結(jié)構(gòu)均勻致密，平均晶粒尺寸大約為0.5,，沒(méi)有氣孔和雜質(zhì)，使該氧化鋁陶瓷產(chǎn)品達(dá)到高強(qiáng)度和高硬度。
權(quán)利要求
1、一種注射成型制造齒狀異形陶瓷部件的方法，其特征在于，該方法步驟為(1)混合陶瓷粉體和有機(jī)粘結(jié)劑將陶瓷粉體和有機(jī)粘結(jié)劑混合均勻得到注射成型混合料，所述注射成型混合料中，陶瓷粉體的重量百分含量為81-90％，有機(jī)粘結(jié)劑的重量百分含量為10-19％；所述陶瓷粉體為氧化鋯、氧化鋁或莫來(lái)石中的一種或幾種；所述有機(jī)粘結(jié)劑由非水溶性粘結(jié)劑、水溶性粘結(jié)劑、表面活性劑、低熔點(diǎn)有機(jī)物和增塑劑組成，各組分重量百分含量為非水溶性粘結(jié)劑15-30％；水溶性粘結(jié)劑45-65％；表面活性劑1-5％；低熔點(diǎn)有機(jī)物5-11％；增塑劑1-11％；(2)注射成型注射成型混合料在注射成型機(jī)上注射成型得到坯體，注射溫度在175-195℃之間，注入模具后在2分鐘內(nèi)脫模得到成型坯體；(3)水萃取脫脂將注射成型得到的坯體放入水中，溶解脫除部分水溶性有機(jī)粘結(jié)劑，水的溫度在30-50℃，脫脂時(shí)間在6-8小時(shí)，水萃取脫脂后的坯體在烘箱中充分干燥；(4)熱脫脂將干燥后的坯體放入電加熱爐內(nèi)，進(jìn)行熱脫脂，脫除非水溶性粘結(jié)劑和剩余的水溶性有機(jī)粘結(jié)劑，以5-8℃/min的升溫速率升溫至550℃，保溫2-3小時(shí)；(5)燒結(jié)熱脫脂后的坯體進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度在1350-1550℃之間，保溫1-4小時(shí)，隨爐冷卻，得到陶瓷部件。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的 一種注射成型制造齒狀異形陶瓷部件的方法，其 特征在于，步驟(1)中，所述混合陶瓷粉體和有機(jī)粘結(jié)劑在雙輥開(kāi)煉機(jī)或雙螺旋密 煉機(jī)上進(jìn)行，陶瓷粉體和非水溶性粘結(jié)劑在180-190。C下混煉5-10分鐘；溫度降至17(TC加入表面活性劑，混煉5-10分鐘；溫度降至15(TC，加入水溶性粘結(jié)劑 和低熔點(diǎn)有機(jī)物，混煉10-15分鐘；混煉溫度降至120°C，加入增塑劑，混合10-15 分鐘；最后冷卻破碎得到注射成型混合料，混合料破碎后的顆粒小于3mm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種注射成型制造齒狀異形陶瓷部件的方法， 其特征在于，所述非水溶性粘結(jié)劑為兩種高聚物的組合，所述高聚物一種選自聚 對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯，另一種選自聚甲基丙烯酸甲酯、 聚乙烯醇縮丁醛。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種注射成型制造齒狀異形陶瓷部件的方法， 其特征在于，所述水溶性粘結(jié)劑為聚乙二醇、聚乙烯醇或聚氧化乙烯。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種注射成型制造齒狀異形陶瓷部件的方法， 其特征在于，所述表面活性劑為硬脂酸或油酸。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種注射成型制造齒狀異形陶瓷部件的方法， 其特征在于，所述增塑劑為對(duì)苯二甲酸二丁酯、對(duì)苯二甲酸二辛酯或?qū)Ρ蕉姿?二戊酯。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種注射成型制造齒狀異形陶瓷部件的方法， 其特征在于，所述低熔點(diǎn)有機(jī)物為微晶石蠟、巴西棕櫚蠟或蜂蠟。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種注射成型制造齒狀異形陶瓷部件的方法，其 特征在于，步驟(3)中，所述干燥溫度為40-60"C。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種注射成型制造齒狀異形陶瓷部件的方法，其 特征在于，所述燒結(jié)在硅鉬棒發(fā)熱體的燒結(jié)爐或者天然氣高溫窯爐中進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于高性能陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域的一種注射成型制造齒狀異形陶瓷部件的方法。將陶瓷粉體和有機(jī)粘結(jié)劑混合均勻得到注射成型混合料，所述注射成型混合料中，陶瓷粉體的重量百分含量為81-90％，有機(jī)粘結(jié)劑的重量百分含量為10-19％，注射成型混合料在注射成型機(jī)上注射成型得到坯體，注射溫度在175-195℃之間，注入模具后在2分鐘內(nèi)脫模得到成型坯體；然后進(jìn)行水萃取脫脂及熱脫脂，熱脫脂后的坯體進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度在1350-1550℃之間，保溫1-4小時(shí)，隨爐冷卻，得到陶瓷部件。本發(fā)明具有自動(dòng)化程度高、成型和脫脂效率高、坯體均勻、燒結(jié)后產(chǎn)品尺寸精度和表面光潔度高以及環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C04B35/63GK101643360SQ20091009064
公開(kāi)日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2009年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月2日
發(fā)明者偉 劉, 曾興華, 曾國(guó)華, 楊現(xiàn)鋒, 謝志鵬, 翠 賈 申請(qǐng)人:清華大學(xué);景德鎮(zhèn)市新紀(jì)元精密陶瓷有限公司