CN104844220B - 一种纳米氮化铝陶瓷注射成形方法 - Google Patents

一种纳米氮化铝陶瓷注射成形方法 Download PDF

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一种纳米氮化铝陶瓷注射成形方法，属于粉末冶金领域。按照纳米氮化铝粉末和烧结助剂配料，烧结助剂添加量为2wt％～8wt％，加入5wt％包覆剂，与无水乙醇配制成浆料；经喷雾干燥进行造粒，制得纳米氮化铝粉体造粒料，将造粒料与粘结剂按50g：9g～50g：12g的配比置于辊式混炼机上进行混炼，再经注射成形制备成氮化铝生坯，经脱脂、烧结后制得氮化铝陶瓷。本发明预先将纳米氮化铝粉末进行造粒，提高粉末的流动性以及松装密度与振实密度，同时对其表面形成包覆层，阻止其发生水化反应而造成氧含量的增加。将造粒料与粘结剂进行混合，制得制得纳米氮化铝注射成形用喂料，再经注射成形、脱脂、烧结工艺制得氮化铝陶瓷，其具有保形性好，烧结温度低，强度高等特点。

Description

一种纳米氮化铝陶瓷注射成形方法
技术领域
本发明属于粉末冶金领域，涉及一种纳米氮化铝陶瓷注射成形方法。
背景技术
氮化铝陶瓷具有导热性好，线膨胀系数与硅接近，体积电阻率高，介电常数与介电损耗小。力学性能优良等特点，在电子、能源等领域具有十分广阔的应用前景。然而，AlN陶瓷的商品化程度并不高，制约其发展的关键因素是高的制备成本和复杂陶瓷零部件成形困难的问题。CIM是粉末注射成形(PIM)的一种。粉末注射成形是传统粉末冶金与现代塑料注射成形工艺相结合而发展起来的一种新型近净尺寸成形技术，该技术的最大特点是可以直接制造出具有最终形状的零部件，最大限度地减少机加工量和节省原材料，而且材料适应性广，凡是可以制成粉末的金属、合金、陶瓷等均可用此技术直接制成零部件。此外，该技术还可以实现全自动化连续生产，生产效率高，材料性能优异，产品尺寸精度高，被国际上誉为“当今最热门的零部件成形技术”。
由于陶瓷材料本身固有的脆性和一些特殊陶瓷材料的高硬度，如采用传统粉末冶金工艺，即先将粉末压制成形，再进行机械加工的方法，成本高且难以制备体积微小，形状复杂，尺寸精度高的陶瓷零部件，而采用注射成形技术,由于坯体的成形形状接近制品的最终形状,使这一问题得到了解决。
纳米氮化铝粉具有较高的表面活性，烧结活性高。由纳米粉末制备的氮化铝陶瓷具有晶粒细小，强度高等特点。但由于纳米氮化铝粉末粒度细小，容易团聚，松装密度与振实密度低，造成纳米氮化铝粉末难以成形，用于注射成形时，需要更多的粘结剂来包裹粉末表面，造成粉末装载量低，不易与粘结剂混合均匀，经脱脂、烧结后收缩率大，造成零件的变形，尺寸精度难以控制。此外，由于氮化铝易潮解，特别是纳米氮化铝粉末，很容易与空气中的水分发生反应，造成氧含量的升高。以上缺点使得纳米氮化铝粉末的应用受到限制。
发明内容
本发明目的在于针对纳米氮化铝粉体作为注射成形原料制备氮化铝陶瓷应用方面的问题，提出一种改进的方法。
一种纳米氮化铝陶瓷的注射成形方法，按照纳米氮化铝粉末和烧结助剂配料，烧结助剂添加量为2wt％～8wt％，加入5wt％表面包覆剂，与无水乙醇配制成浆料。经喷雾干燥进行造粒，制得纳米氮化铝粉体造粒料，将造粒料与粘结剂按50g:9g～50g：12g的配比置于辊式混炼机上进行混炼，再经注射成形制备成氮化铝生坯，经脱脂、烧结后制得氮化铝陶瓷。
其中所采用的表面包覆剂为PEG、硬脂酸、液态蜡、酒精胶、EVA等；烧结助剂采用氧化钇，氧化镧等稀土氧化物；
喷雾干燥进风口温度为220～240℃，出风口温度为120～150℃，离心器转速为8000～10000rpm。
注射成形所用粘结剂为微晶蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯、硬脂酸、油酸等，粘结剂的成分范围对本发明结果不构成影响；注射温度为150～165摄氏度。溶剂脱脂采用正庚烷，热脱脂气氛采用N2、Ar或空气。烧结气氛采用流动N2，烧结温度为1600-1950℃。
制得的纳米氮化铝粉体造粒料粒度为1～40μm，造粒后与粘结剂混炼后装载
量可达50～60％。
本发明的创新性技术思路在于：通过将纳米氮化铝粉末与成形剂，包覆剂配制成浆料后经过喷雾干燥进行造粒，造粒过程中，纳米氮化铝粉末团聚成球形，而并非原始的无规则团聚现象，具有良好的流动性，同时具有较高的松装密度与振实密度，使得制备成的喂料中固体粉末含量也即装载量较高，后续脱脂、烧结后收缩率较小，提高了零件的尺寸精度，减少的零件的变形。同时，经过喷雾干燥后的纳米氮化铝粉末属于软团聚体，不影响其烧结性能，在低温固相烧结阶段就有一定的收缩和强度，颗粒之间形成较大的烧结颈，为后续液相烧结过程提供了骨架，对烧结过程中形状的保持具有重要作用，制备的氮化铝陶瓷晶粒细小，强度高。同时，造粒后的纳米氮化铝粉末表面被包覆剂包裹，避免了后续储存，混炼过程中的水化，保证烧结后的氮化铝陶瓷具有较好的热导率。
具体实施方式
实施例1：
一种本发明的氮化铝陶瓷注射成形用粘结剂，该粘结剂成份如下：
微晶蜡 60％
高密度聚乙烯 15％
聚丙烯 14％
硬脂酸 11％
采用本实施例的氮化铝陶瓷注射成形用粘结剂及氮化铝注射成形工艺的具体工艺步骤如下：
(1)浆料制备：首先将纳米氮化铝粉末1000g与烧结助剂氧化钇50g，聚乙二醇80g在酒精中进行球磨混合，再经喷雾干燥，喷雾造粒机进风口温度为240℃，出风口温度为130℃，转速为8700rpm，收集得到造粒料。
(2)喂料制备。将造粒料1000g与上述成份的粘结剂220g置于对辊机中进行混炼，混炼温度为170℃，转速为30r/min，待混合物形成熔融态后，继续混炼40min，然后取出冷却。
(3)注射成形：将喂料破碎后，放入注射成形机中注入模具中，注射温度为160℃，制得氮化铝生坯。
(4)脱脂：氮化铝生坯置于三氯乙烯溶液中24h，三氯乙烯通过水浴加热控制在45℃，取出晾干，此时已去除大部分石蜡组分，取出后置于流动氮气气氛中，缓慢加热到600℃，随炉冷却后得到脱脂坯。
(5)烧结：将脱脂坯体放入坩埚中，在高温烧结炉中通入氮气，保持氮气流量为5L/min，以5℃/min速率升温到1750℃，保温3小时，随炉冷却至室温，得到注射成形氮化铝陶瓷。
实施例2：
一种本发明的氮化铝陶瓷注射成形用粘结剂，该粘结剂成份如下：
微晶蜡 60％
高密度聚乙烯 15％
聚丙烯 14％
硬脂酸 5％
油酸 6％
采用本实施例的氮化铝陶瓷注射成形用粘结剂及氮化铝注射成形工艺的具体工艺步骤如下：
(1)浆料制备：首先将纳米氮化铝粉末1000g与助烧剂氧化镧50g，酒精胶120g在酒精中进行球磨混合，再经喷雾干燥，喷雾造粒机进风口温度为240℃，出风口温度为130℃，转速为8700rpm，收集得到造粒料。
(2)喂料制备。将造粒料1000g与上述成份的粘结剂220g置于对辊机中进行混炼，混炼温度为170℃，转速为30r/min，待混合物形成熔融态后，继续混炼40min，然后取出冷却。
(3)注射成形：将喂料破碎后，放入注射成形机中注入模具中，注射温度为160℃，制得氮化铝生坯。
(4)脱脂：氮化铝生坯置于三氯乙烯溶液中24h，三氯乙烯通过水浴加热控制在45℃，取出晾干，此时已去除大部分石蜡组分，取出后置于流动氮气气氛中，缓慢加热到600℃，炉冷后得到脱脂坯。
(5)烧结：将脱脂坯体放入坩埚中，在高温烧结炉中通入氮气，保持氮气流量为5L/min，以5℃/min速率升温到1750℃，保温3小时，随炉冷却至室温，得到注射成形氮化铝陶瓷。
实施例3：
一种本发明的氮化铝陶瓷注射成形用粘结剂，该粘结剂成份如下：
微晶蜡 60％
高密度聚乙烯 15％
聚丙烯 14％
硬脂酸 11％
采用本实施例的氮化铝陶瓷注射成形用粘结剂及氮化铝注射成形工艺的具体工艺步骤如下：
(1)浆料制备：首先将纳米氮化铝粉末1000g与烧结助剂氟化钇50g，聚乙二醇80g在酒精中进行球磨混合，再经喷雾干燥，喷雾造粒机进风口温度为240℃，出风口温度为130℃，转速为8000rpm，收集得到造粒料。
(2)喂料制备。将造粒料1000g与上述成份的粘结剂220g置于对辊机中进行混炼，混炼温度为170℃，转速为30r/min，待混合物形成熔融态后，继续混炼40min，然后取出冷却。
(3)注射成形：将喂料破碎后，放入注射成形机中注入模具中，注射温度为160℃，制得氮化铝生坯。
(4)脱脂：氮化铝生坯置于三氯乙烯溶液中24h，三氯乙烯通过水浴加热控制在45℃，取出晾干，此时已去除大部分石蜡组分，取出后置于流动氮气气氛中，缓慢加热到600℃，炉冷后得到脱脂坯。
(5)烧结：将脱脂坯体放入坩埚中，在高温烧结炉中通入氮气，保持氮气流量为5L/min，以5℃/min速率升温到1750℃，保温3小时，随炉冷却至室温，得到注射成形氮化铝陶瓷。

Claims (2)

1.一种纳米氮化铝陶瓷注射成形方法，其特征在于，按照纳米氮化铝粉末和烧结助剂配料，烧结助剂添加量为2wt％～8wt％，加入5wt％表面包覆剂，与无水乙醇配制成浆料；经喷雾干燥进行造粒，制得纳米氮化铝粉体造粒料，将造粒料与粘结剂按50:9～12的重量比置于辊式混炼机上进行混炼，再经注射成形制备成氮化铝生坯，经脱脂、烧结后制得氮化铝陶瓷；注射成形所用粘结剂为微晶蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯、硬脂酸或油酸，注射温度为150～165摄氏度；溶剂脱脂采用三氯乙烯，热脱脂气氛采用N2、Ar或空气；烧结气氛采用流动N2，烧结温度为1600-1950℃。
2.根据权利要求1中所述的纳米氮化铝造粒后粉末方法，其特征在于，制得的纳米氮化铝粉体造粒料粒度为1～40μm，造粒后与粘结剂混炼后装载量达50～60％。
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