Литье алюмооксидной керамики (Al2O3) под давлением: технология CIM
Алюмооксидная керамика в настоящее время является одним из наиболее широко используемых специальных керамических материалов в промышленности. Она не только дешева и легкодоступна, но также обладает высокими механическими свойствами, высоким электроизоляционным сопротивлением и низкими диэлектрическими потерями. Поэтому она широко используется в аэрокосмической отрасли, машиностроении, электронике, электроэнергетике, автомобилестроении, химической промышленности, медицине и других областях.
Однако высокая твердость и хрупкость алюмооксидной керамики затрудняют ее механическую обработку. Другими словами, довольно сложно формовать и контролировать точность специальных деталей из оксида алюминия, особенно для микроструктур (миллиметрового уровня). Большинство методов формования почти бессильны.
Появление и развитие технологии литья керамических изделий под давлением (Ceramic Injection Molding, CIM) открыло новый путь для формования алюмооксидной керамики. Продукты, приготовленные литьем под давлением, не только имеют точные и контролируемые размеры, но также могут быть реализованы в массовом производстве без механической обработки или с ее небольшим количеством, что значительно снижает производственную стоимость керамики.
1. Технологический процесс
CIM в основном включает четыре стадии: подготовка шихты, литье под давлением, удаление связующего и спекание. Основной процесс заключается в добавлении связующего к порошку алюмооксидной керамики и тщательном перемешивании для формирования вязкопластичной шихты. При нагревании используется машина для литья под давлением для впрыска шихты в полость формы для конденсации. После процесса удаления связующего можно проводить спекание.
Вообще говоря, принцип и процесс литья алюмооксидной керамики под давлением не сложны, поэтому он очень популярен в обрабатывающей промышленности. Особенно в областях двигателей, газовых турбин и ракетных двигателей, которые требуют деталей со сложной формой, высокой точностью, термостойкостью и высокой твердостью, применение этого метода началось очень рано. Например, в 1931 году немецкая компания SiemensHalske использовала алюмооксидную керамику в материалах свечей зажигания; в 1942 году Япония применила алюмооксидную керамику для свечей зажигания военной авиации.
2. Технологические особенности
Однако для получения высококачественных деталей из оксида алюминия с помощью процесса литья под давлением есть много моментов, на которые нужно обращать внимание. Например, процесс впрыска и демолдинга ограничен многими факторами. Поэтому именно контроль изменений различных ключевых параметров в процессе впрыска является ключевым направлением исследований.
2.1. Выбор и оптимизация порошка
В настоящее время исследования керамических материалов на основе оксида алюминия сосредоточены на двух категориях: одна сосредоточена на α-Al₂O₃, γ-Al₂O₃ и комбинации обоих в различных пропорциях. Исследования показали, что соотношение смешивания порошков Al₂O₃ с различными структурами вызывает большое различие в соотношении связующего для литья под давлением, текучести шихты, усадке продукта и диффузии границ зерен.
Другой тип — композитные материалы, приготовленные путем легирования другими керамическими или металлическими материалами на основе оксида алюминия. Композитные керамические материалы, легированные Cr₃C₂, SiC, Ti, WC, ZrO₂, Al, MgO в оксиде алюминия, могут усиливать блокировку дислокаций и ингибировать рост зерен, что способствует измельчению зерен и улучшению механических свойств продукта.
Другая область исследований выбора порошка — влияние среднего размера частиц порошка, насыпной плотности, формы порошка, удельной поверхности и зазора между частицами на текучесть шихты и качество продукта. Как основное сырье для литья под давлением, самое важное требование к порошку — это мелкий размер частиц и правильная форма. Порошок с малым размером частиц обладает хорошей текучестью во время литья под давлением, большим количеством наполнителя и низкой скоростью усадки при спекании.
2.2. Связующее
Выбор системы связующего является ключевым звеном в литье алюмооксидной керамики под давлением. Это не только напрямую влияет на производительность впрыска шихты, но также определяет метод удаления связующего и влияет на конечные свойства продукта. Система связующего выполняет две основные функции в процессе литья под давлением:
- Обеспечение хорошей текучести шихты
- Обеспечение прочности зеленого тела
Согласно реологической теории, поверхностно-активное вещество в значительной степени контролирует свойства керамической шихты, и стабильность шихты будет увеличиваться с увеличением адсорбционного слоя на поверхности керамических частиц. В процессе литья под давлением алюмооксидной керамики количество поверхностно-активного вещества будет варьироваться в зависимости от других компонентов связующего, и его содержание в основном составляет от 1% до 5%.
Теоретически, для любого компонента связующего существует оптимальное значение поверхностно-активного вещества. Если содержание слишком мало, адсорбционный слой на поверхности частиц недостаточно толстый, что повлияет на реологические свойства шихты; если содержание слишком велико, это вызовет испарение компонентов связующего при нагревании, что приведет к образованию пустот в отлитом теле и снижению его плотности.
Смешивание является ключевым звеном в приготовлении шихт. Способ смешивания, время и порядок выгрузки будут влиять на реологические свойства шихт и качество последующих продуктов. Вен-ЧенгДж изучал взаимосвязь между последовательностью смешивания и производительностью продукта из алюмооксидной керамики и показал, что первоначальное добавление полипропилена может лучше предварительно нагреть порошок оксида алюминия, улучшить мощность смешивания и способствовать формованию продукта.
2.3. Процесс впрыска
Неправильный контроль процесса литья под давлением вызовет множество дефектов в продукте, и эти дефекты нельзя обнаружить до удаления связующего и спекания. Поэтому контроль и оптимизация параметров процесса впрыска очень важны для повышения выхода и использования материала.
Когда Лю Е и др. использовали метод конечных элементов для моделирования процесса впрыска, они обнаружили, что скорость впрыска и температура формы являются ключевыми параметрами процесса литья под давлением микрозубчатых колес из алюмооксидной керамики, но температура впрыска оказывает меньшее влияние на процесс впрыска.
2.4. Процесс удаления связующего
Процесс удаления связующего является наиболее длительным процессом в процессе литья под давлением, а также наиболее критическим процессом для контроля качества. Неправильное удаление связующего может вызвать многочисленные дефекты продукта. Много исследовательской работы показало, что процесс удаления связующего и добавление связующего неразрывно связаны, и метод удаления связующего также отличается для разных связующих.
