CN101066874A - 一种氧化锆注塑成型方法及粉料有机载体 - Google Patents

Abstract

一种氧化锆注塑成型方法及粉料有机载体，采用一种氧化锆陶瓷的注射成型方法和粉料有机载体及合理的脱脂工艺：以氧化锆粉末为主体，加入一定分量的经优化组合的有机载体，采用注射成型工艺制作坯体，通过合理的脱脂、烧结工艺制成高性能的氧化锆陶瓷制品。所述的粉料有机载体包括：聚乙烯、聚丙烯、植物油、油酸、石蜡。所述的氧化锆粉料与粉料有机载体的配比为100∶10－80重量份数。所述的粉料有机载体的选用配比为粉料有机载体总重量的聚乙烯10－30％，聚丙烯10－30％，植物油5－40％，油酸1－5％，石蜡5－50％，粉料有机载体可在所选范围内任意组配。

Description

一种氧化锆注塑成型方法及粉料有机载体

技术领域

本发明涉及一种结构陶瓷的制作方法及粉料有机载体和合理的脱脂工艺，尤其是指一种高性能氧化锆陶瓷制品的注射成型制作方法及粉料有机载体和合理的脱脂工艺，属于结构陶瓷加工制作领域，主要用于加工制作氧化锆结构陶瓷制品。

背景技术

氧化锆陶瓷具有高硬度、高韧性、高密度、机械性能优异等传统陶瓷无以伦比的优点，是二十一世纪最有前途，最具经济效益的结构陶瓷材料之一。氧化锆结构陶瓷广泛地用于航天、通讯、机械、化工等诸多行业。氧化锆是一种多变晶体材料，如果不采取稳定或部分稳定晶体相转变的原料制备工艺，就会使陶瓷制品在烧成过程中因晶相转变的体积膨胀或收缩产生裂纹，从而无法制造出高强度、高硬度、高韧性的氧化锆陶瓷制品。

目前，国内已有多家高等院校、研究所成功研制开发出亚微米级部分稳定氧化锆(PSZ)粉末。形成亚微米氧化锆粉体产业化的企业已有数家。从而在材质上确保了氧化锆结构陶瓷的优质性能。

通过材料科学家的反复研究试验，为了提高氧化锆陶瓷的性能，采用一种陶瓷注射成型技术。陶瓷注射成型工艺能制造出形状复杂的高精密度陶瓷零部件，且易于规模化和自动化生产。20世纪80年代，在全球范围内掀起了高技术陶瓷产业化的热潮。起初的陶瓷成型注射技术是将大量的高分子树脂与陶瓷粉体混练制成注射料，然后注射成型。由于含有大量的高分子粘结剂，使坯体的脱脂成为不可逾越的难题，并且毛坯易变形，容易形成气孔等缺陷，严重制约了其应用和发展。因此，近年来陶瓷成型技术逐渐转向含有少量有机物成型技术的研究。并在某些方面有了一定的进展。

中国专利文献(专利申请号200410029886.9，名称为“高强度高韧性氧化锆基陶瓷及其制备方法”)公开了一种高强度高韧性陶瓷及其制备方法。该发明将氢氧化铝包覆在纳米氧化锆(含4.37～6.04％氧化钇)粉体表面，热处理组合成氧化锆-氧化铝复合微粉(微粉中四方相氧化锆含量占氧化锆总量的70-90％)。以该复合微粉、丙烯酰胺、交联剂和分散剂为注射料，通过注射成型制备生坯，在常压烧结条件下制备该发明的陶瓷，强度为700～1000MPa，韧性达15～17MPa·ml/2。另外一个中国专利文献(99123098.1，名称为“注塑成型陶瓷化学萃取排蜡法”)公开了一种注塑成型陶瓷的排蜡方法，把瓷粉和粘合剂按一定比例配合后，经过加热、搅拌、冷却、注塑成型得到半成品，然后，该发明对半成品进行化学萃取排蜡，即将半成品放入溶剂内，在一定温度下浸泡一段时间，待石蜡溶解后取出干燥，即完成排蜡过程。

尽管如此，现有的氧化锆陶瓷注射成型技术还存在很多难题。由于粉体比表面大，颗粒团聚严重；掺加的有机或有机复合材料量多，坯体气孔率高，使烧结困难，收缩大，造成产品合格率低，生产成本高。严重制约了氧化锆陶瓷的应用。

发明内容

本发明的目的之一就是针对现有氧化锆陶瓷注射成型技术的不足，提供一种新的氧化锆陶瓷注射成型方法及粉料有机载体和脱脂工艺，该技术确保氧化锆陶瓷具有高硬度、高韧性、精度高、易加工。特别是通过合理选用粉体及粉料有机载体、施行合理的工艺制度使得坯体气孔率低，烧结容易，收缩小，从而从根本上提高氧化锆陶瓷制品的质量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：通过对氧化锆陶瓷的分析表明，氧化锆陶瓷是通过四方晶系向单斜晶系转变达到相变增韧和微裂纹增韧两大基本增韧原理来增强陶瓷韧性的。要想达到上述两项增韧较好的结果，重点是降低氧化锆粉体的粒度，严格控制氧化锆粉体颗粒适当的分布状态，颗粒直径范围，杂质含量以及掺加的稳定剂数量和稳定剂的类别。要使氧化锆陶瓷具有很高的强度和韧性，就必须使氧化锆材料的显微结构中的物相具有亚微米级尺度，也就是说其晶粒尺寸、第二相分布、缺陷尺寸都是在亚微米级的水平上。根据上述的分析所提出的技术方案是：其一是选择一种优质氧化锆份体从材质上保证氧化锆陶瓷这种优良性能要求。其二是采用一种氧化锆陶瓷的注射成型方法和粉料有机载体及合理的脱脂工艺：以氧化锆粉末为主体，加入一定分量的经优化组合的有机载体，采用注射成型工艺制作坯体，通过合理的脱脂、烧结工艺制成高性能的氧化锆陶瓷制品。所述的粉料有机载体包括：聚乙烯、聚丙烯、植物油、油酸、石蜡。所述的氧化锆粉料与粉料有机载体的配比为100∶10-30重量份数。所述的粉料有机载体的选用配比为粉料有机载体总重量的聚乙烯10-30％，聚丙烯10-30％，植物油5-40％，油酸1-5％，石蜡5-50％，粉料有机载体可在所选范围内任意组配。

所述的氧化锆陶瓷制品制作工艺包括：

1、密练步骤：先将密练机温度调至80-260度，将10-30重量份的有机载体以2-4阶段分次加入密练室内密练，同时将100重量份的氧化锆粉以2-4阶段分次加入密练室内密练，二者交替进行，20-30分钟后关闭密练室。温度升之80-260度，密练40-80分钟后取料。冷却。碎料，制得粒度不大于5毫米的注射料。

2、注射成型步骤：将注射料加于料斗，通过注射机得到成型坯体。工艺条件为：模温40-50度，射出温度110-250度，射出压力50-100Mpa。

3、媒介脱脂步骤：将修好坯体置于有孔盒内，浸入盛有一种含30-60％烷烃、不饱和烃、芳香烃、环烃等的有机液体媒介的容器中，再将整个容器置入水槽内进行脱脂；媒介脱脂包括冷脱脂和热脱脂，第一阶段为冷脱脂，室温下，时间0-12小时；第二阶段为热脱脂，对不同的产品，从室温以0.02-0.5度/分钟不同升温速率，分阶段升至45-60度，保温1-16小时。使用过的媒介可以回收再用。

4、加热脱脂步骤：将媒介脱脂干燥后的坯体移入脱脂炉内以0.5-2度/分钟升至160-180度，保温1-6小时，再以0.5-1度/分钟升至260度，保温1-4小时，再以0.01-3度/分钟升至500度，保温2-3小时，再以1-5度/分钟升至800-1000度，保温1-3小时，冷却至室温。

5、烧结步骤：将脱脂坯体以0.5-5度/分钟不同温升速率，分阶段升温至烧结温度，保温1-6小时。烧结范围1380-1680度，采用常压烧结。炉内冷却，得产品。

本发明采用聚乙烯、聚丙烯、植物油、油酸、石蜡作为有机载体，采用注射成型工艺制作坯体，通过合理的脱脂、烧结工艺制成高性能的氧化锆陶瓷制品。利用本工艺技术成型的氧化锆陶瓷坯体密度均匀、强度高，再经烧结，可以制造出结构复杂、显微结构均匀、无缺陷和近净尺寸成型的优质陶瓷部件。所成型的坯体有机物含量低、均匀性好，烧结体性能优异，合格率高。使陶瓷的制造成本降低50％以上，可靠性提高一倍以上。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明作进一步的阐述。

实施例一

一种氧化锆陶瓷的注射成型方法及粉料有机载体，以氧化锆粉末为主体，按照氧化锆粉末与有机载体100∶30重量份数加入有机载体，采用注射成型工艺制作坯体，再通过媒介脱脂、加热脱脂和烧结制成高性能的氧化锆陶瓷制品。

所述的粉料有机载体包括：聚乙烯、聚丙烯、植物油、油酸、石蜡。所述的粉料有机载体的选用配比为粉料有机载体总重量的聚乙烯10％，聚丙烯30％，植物油5％，油酸5％，石蜡50％。

所述的氧化锆陶瓷制品制作工艺包括：

1、密练步骤：先将密练机温度调至160度，将80重量份的有机载体和100重量份的氧化锆粉，以一次有机载体，一次氧化锆粉，二者交替的方式分4次加入密练室内密练，30分钟后关闭密练室。温度升之180度，密练80分钟后取料。冷却。碎料，制得粒度不大于5毫米的注射料。

2、注射成型步骤：将注射料加于料斗，通过注射机得到成型坯体。工艺条件为：模温50度，射出温度200度，射出压力100Mpa。

3、媒介脱脂步骤：将修好坯体置于有孔盒内，浸入盛有一种含30％烷烃、不饱和烃、芳香烃、环烃等的有机液体媒介的容器中，再将整个容器置入水槽内进行脱脂；第一阶段为冷脱脂，室温下，时间12小时，第二阶段为热脱脂，从室温以升温速率0.5度/分钟，升至60度，保温16小时；使用过的媒介可以回收再用。

4、加热脱脂步骤：将媒介脱脂干燥后的坯体移入脱脂炉内以2度/分钟升至180度，保温2小时，再以1度/分钟升至260度，保温3小时，再以3度/分钟升至500度，保温3小时，再以5度/分钟升至1000度，保温3小时，冷却至室温。

5、烧结步骤：将脱脂坯体以升温速率5度/分钟不同温升速率，分阶段升温至烧结温度，保温6小时。烧结范围1680度，采用常压烧结。炉内冷却，得产品。

实施例二

一种氧化锆陶瓷的注射成型方法及粉料有机载体，以氧化锆粉末为主体，按照氧化锆粉末与有机载体100∶10重量份数加入有机载体，采用注射成型工艺制作坯体，再通过媒介脱脂、加热脱脂和烧结制成高性能的氧化锆陶瓷制品。

所述的粉料有机载体包括：聚乙烯、聚丙烯、植物油、油酸、石蜡。所述的粉料有机载体的选用配比为粉料有机载体总重量的聚乙烯30％，聚丙烯10％，植物油40％，油酸1％，石蜡19％。

所述的氧化锆陶瓷制品制作工艺包括：

1、密练步骤：先将密练机温度调至80度，将10重量份的有机载体和100重量份的氧化锆粉，以一次有机载体，一次氧化锆粉，二者交替的方式分2次加入密练室内密练，30分钟后关闭密练室。温度升之180度，密练80分钟后取料。冷却。碎料，制得粒度不大于5毫米的注射料。

2、注射成型步骤：将注射料加于料斗，通过注射机得到成型坯体。工艺条件为：模温40度，射出温度140度，射出压力50Mpa。

3、媒介脱脂步骤：将修好坯体置于有孔盒内，浸入盛有一种含60％烷烃、不饱和烃、芳香烃、环烃等的有机液体媒介的容器中，再将整个容器置入水槽内直接进行热脱脂，从室温以升温速率0.02度/分钟，升至40度，保温1小时；使用过的媒介可以回收再用。

4、加热脱脂步骤：将媒介脱脂干燥后的坯体移入脱脂炉内以0.5度/分钟升至160度，保温1小时，再以0.5度/分钟升至260度，保温1小时，再以0.01度/分钟升至500度，保温2小时，再以1度/分钟升至800度，保温1小时，冷却至室温。

5、烧结步骤：将脱脂坯体以升温速率0.5度/分钟不同温升速率，分阶段升温至烧结温度，保温1小时。烧结范围1380度，采用常压烧结。炉内冷却，得产品。

实施例三

一种氧化锆陶瓷的注射成型方法及粉料有机载体，以氧化锆粉末为主体，按照氧化锆粉末与有机载体100∶50重量份数加入有机载体，采用注射成型工艺制作坯体，再通过媒介脱脂、加热脱脂和烧结制成高性能的氧化锆陶瓷制品。

所述的粉料有机载体包括：聚乙烯、聚丙烯、植物油、油酸、石蜡。所述的粉料有机载体的选用配比为粉料有机载体总重量的聚乙烯20％，聚丙烯20％，植物油30％，油酸5％，石蜡25％。

所述的氧化锆陶瓷制品制作工艺包括：

1、密练步骤：先将密练机温度调至120度，将50重量份的有机载体和100重量份的氧化锆粉，以一次有机载体，一次氧化锆粉，二者交替的方式分3次加入密练室内密练，25分钟后关闭密练室。温度升之180度，密练60分钟后取料。冷却。碎料，制得粒度不大于5毫米的注射料。

2、注射成型步骤：将注射料加于料斗，通过注射机得到成型坯体。工艺条件为：模温45度，射出温度160度，射出压力80Mpa。

3、媒介脱脂步骤：将修好坯体置于有孔盒内，浸入盛有一种含40％烷烃、不饱和烃、芳香烃、环烃等的有机液体媒介的容器中，再将整个容器置入水槽内进行脱脂；媒介脱脂包括冷脱脂和/或热脱脂，第一阶段为冷脱脂，室温下，时间2小时；第二阶段为热脱脂，对不同的产品，从室温以0.05度/分钟不同升温速率，分阶段升至50度，保温6小时。使用过的媒介可以回收再用。

4、加热脱脂步骤：将媒介脱脂干燥后的坯体移入脱脂炉内以1度/分钟升至170度，保温2小时，再以0.8度/分钟升至260度，保温2小时，再以0.3度/分钟升至500度，保温2小时，再以2度/分钟升至900度，保温2小时，冷却至室温。

5、烧结步骤：将脱脂坯体以升温速率2度/分钟不同温升速率，分阶段升温至烧结温度，保温3小时。烧结范围1480度，采用常压烧结。炉内冷却，得产品。

实施例四

实施例四与实施例三基本一样只是粉料有机载体的选用配比为粉料有机载体总重量的聚乙烯30％，聚丙烯30％，植物油30％，油酸5％，石蜡5％。其它与实施例三一样。

Claims (4)

1、一种氧化锆注塑成型方法，其特征在于：以氧化锆粉末为主体，加入一定分量的有机载体，采用注射成型工艺制作坯体，通过合理的脱脂、烧结工艺制成高性能的氧化锆陶瓷制品。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的氧化锆陶瓷制品制作工艺包括：

A、密练步骤：先将密练机温度调至80-160度，将10-80重量份的有机载体以2-4阶段分次加入密练室内密练，同时将100重量份的氧化锆粉以2-4阶段分次加入密练室内密练，二者交替进行，20-30分钟后关闭密练室。温度升之180度，密练40-80分钟后取料。冷却。碎料，制得粒度不大于5毫米的注射料；

B、注射成型步骤：将注射料加于料斗，通过注射机得到成型坯体。工艺条件为：模温40-50度，射出温度140-200度，射出压力50-100Mpa；

C、媒介脱脂步骤：将修好坯体置于有孔盒内，浸入盛有一种含30-60％烷烃、不饱和烃、芳香烃、环烃等的有机液体媒介的容器中，再将整个容器置入水槽内进行脱脂；媒介脱脂包括冷脱脂和/或热脱脂，第一阶段为冷脱脂，室温下，时间0-12小时；第二阶段为热脱脂，对不同的产品，从室温以0.02-0.5度/分钟不同升温速率，分阶段升至45-60度，保温1-16小时。使用过的媒介可以回收再用；

D、加热脱脂步骤：将媒介脱脂干燥后的坯体移入脱脂炉内以0.5-2度/分钟升至160-180度，保温1-2小时，再以0.5-1度/分钟升至260度，保温1-3小时，再以0.01-3度/分钟升至500度，保温2-3小时，再以1-5度/分钟升至800-1000度，保温1-3小时，冷却至室温；

E、烧结步骤：将脱脂坯体以升温速率0.5-5度/分钟不同温升速率，分阶段升温至烧结温度，保温1-6小时。烧结范围1380-1680度，采用常压烧结。炉内冷却，得产品；

3、一种实现权利要求1所述方法的粉料有机载体，其特征在于：所述的粉料有机载体包括：聚乙烯、聚丙烯、植物油、油酸、石蜡。所述的氧化锆粉末与粉料有机载体的配比为100∶10-80重量份数。

4、如权利要求3所述的粉料有机载体，其特征在于：所述的粉料有机载体的选用配比为粉料有机载体总重量的聚乙烯10-30％，聚丙烯10-30％，植物油5-40％，油酸1-5％，石蜡5-50％，粉料有机载体可在所选范围内任意组配。