CN117430426A - 一种氮化铝陶瓷的注射成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种注射成型方法，尤其涉及一种氮化铝陶瓷的注射成型方法。按以下步骤进行：混料>造粒>注塑成型>催化脱酯>烧结。产品精度高，避免了后期对陶瓷进行加工，节约了加工时间和成本。

Description

一种氮化铝陶瓷的注射成型方法

技术领域

本发明涉及一种注射成型方法，尤其涉及一种氮化铝陶瓷的注射成型方法。

背景技术

现有的氮化铝陶瓷由于硬度高韧性差，在机械加工中很容易断裂，存在加工难，加工成本的高的问题。这种问题对于先进陶瓷一直都存在。但在氮化铝陶瓷这个种类的问题特别突出，所以氮化铝的净尺寸成型显得特别重要。氮化铝陶瓷也有注塑成型工艺。在现有的工艺中，目前应用最好的是注浆成型工艺。催化脱脂工艺目前没有人开发。催化脱脂的优点在于成型的精度颇高。难度在于陶瓷的体系的开发难度很高，不易掌握。

本发明填补催化脱酯体系成型的空白。

现有的注塑成型主要是溶脱体系(蜡系)，热脱体系(PMMA为主的)，水性系系统。上述的三个主流体系的主要问题在于，陶瓷成品的精度比较大。精度都大于>基本尺寸*±0.5％。即100mm的产品特征，产品的的精度都大于±0.5mm。而催化脱脂系统可以做到<基本尺寸*±0.5％。本发明的注射成型催化脱脂体系解决了这个问题。

现有注浆成型工艺和压制工艺。如专利一种抗侵蚀氮化铝刚玉制品及其制备方法CN202010096337中也只是提到了采用压制的工艺流程。这里的压制在成型工艺里称为干压成型的方法，是现代陶瓷中的成熟工艺。这种干压的成型工艺没有能力做到较高的精度。与我们精密成型不在一个水平上。其次干压成型的方法，采用两边加压，在异型结构，即产品结构比较复杂的产品，采用加压成型的方法是不能成型的。

氮化铝陶瓷的强度高，硬度高，韧性差，耐高温主要用于导热和绝缘的应用要求中。氮化铝陶瓷的成瓷方法主要主要是热压，干压成型，流延成型成瓷方式。

干压成型是指干压成块材后再进行有压或者无压烧结。需要将材料压制成块材，形状比较简单，成瓷后再加工成所需要的形状。热压成型也是将粉料放入模具中，在高温下同时施加一定的压力，烧结成瓷。同样也是成瓷后再加工成所需要的形状。由于氮化铝陶瓷硬度高，韧性差其加工的难度就很大。同时有一些精密的结构采用机械加工的方式出加工不出来。在使用中就限制了氮化铝的使用。流延工艺主要制备小于1mm厚度的产品，也没有办法做复杂的3D结构的零件。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中存在的不足，提供一种产品精度高，避免了后期对陶瓷进行加工，节约了加工时间和成本的一种氮化铝陶瓷的注射成型方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种氮化铝陶瓷的注射成型方法，按以下步骤进行：

混料>造粒>注塑成型>催化脱酯>烧结；

(一)混料：

其混料的基本构成是：

氮化铝粉体D50粒度在0.1um～5um，重量比：700-900份；

有机物：POM主剂，POM主剂为聚甲醛塑料，熔融指数>45：重量比100～140份；

骨架剂：4～20份；偶联剂：2～8份；

其他助剂：排气剂2-5份，流平剂3-8份，熔接助剂3-12份；

混料步骤：

针对于氮化铝其物料的混炼，对物料的加入次序有较高的要求：

首先氮化铝粉体加入后，将偶联剂和熔接助剂加入，在低温阶段让3者反复搅拌，使氮化铝粉体表面、偶联剂和熔接助进行充分混合，发生表面反应，将氮化铝颗粒进行包裹；

搅拌混料时间：每分60转的机台进行混料60分钟；其后再加入POM主剂，骨架剂和其他助剂其他物料升温，边升温边搅拌，等物料全部熔化，成形泥状的流体，再混炼0.5～3小时，密炼机的温度为165～180度，搅拌转速为60～200转每分；

(二)造粒：

将步骤(一)中制得的混料，使用单螺杆挤出，设定转速为20～200转/每分，螺杆中间的温度设定在130～150度；根据出料量的大小进行温度调整，出料量大，热量大，出口温度可以降低，反之，出料口的温度为140～165度；根据出料量以及出料颗粒的大小，调节切料刀的转速大小，一般在20～80转/每分，切料后得到直径为3～5mm，长度为3～5mm的颗粒；

(三)注塑成型:

采用注塑机将造粒的物料注入到模具中，得到所需形状的工艺；

采用低速高压模式：注塑机的设定温度为175～200度，注塑机中的炮筒温度为185～195度，模具温度设定为60～130度，注射速度根据产品结构有所不同，注射速度为80mm/s～300mm/s，注射压力小于200Mpa,保压压力小于100Mpa；成型时间根据产品大小，小型产品的成型时间为小于1秒，大型产品的成型时间会到10秒左右；

(四)催化脱酯:

在催化脱酯炉中进行，脱酯炉的采用催化的酸不同，设定参数有所不同，脱酯工艺采用二种酸：一种是98％以上的浓硝酸，另一种是固体草酸，纯度97％以上；

采用浓硝酸时：设定脱脂温度是90～120度，进炉量是6～12ml/min；进酸量根据设备大小有所不同，进酸量是在4～12ml/Min；

采用固体酸时：进酸量是2～6g/min，脱脂温度设定是125～140度；温度的设定需要考虑到最终产品的尺寸精度有所调整；氮气流量可依据设备的不同进行调整；以600L的脱酯炉为例：氮气的流速设定在45～60L/min；经过10小时左右的脱脂，产品中的POM基本脱除干净，即达到脱酯的目的；

(五)烧结：

烧结的温度为1600～1900度，在氮气的气氛中烧结；氮气中的水汽和氧气含量分别小于10PPM以下，温度的高低取决于粉体中的助烧剂情况；助烧剂的种类比较多，助剂较多时烧结温度较低，反之；在高纯的氮气情况，也有加压和无压的烧结工艺；

无压烧结时，是指烧结氮气的压力为正常大气压力，加压烧结是指烧结的压力在0.5～50Mpa；在最高烧结温度下，保持2～4小时后，断电降温冷却，即完成烧结；

氮气加压烧结一般时在高温段进行加压，正常升温段，基本不加压烧结；

作为优选，POM主剂为共聚POM。

作为优选，骨架剂的选择：骨架剂的选择范围比较多：

选择PA尼龙系列时，注塑品的强度较高；

选择聚醋酸乙烯EVA系列的产品时，注塑时的流动性较好；

选择聚乙烯聚丙烯相关系列产品，如氧化聚乙烯，氧化聚两烯相关材料时，在注塑时提供更好的韧性；

选择聚酯PC，PS的材料做为骨架剂时会提供注塑品更好的强度和更好的抗缩性能；

骨架剂的选择与粉体和偶联剂存在关联性，不同的粉体，选择不同的骨架剂时其偶联剂的选择也是不同，需要适时进行调整。

作为优选，偶联剂：偶联剂是解决氮化铝粉体与POM主剂，骨架剂之间的相溶性问题的助剂；

氮化铝主要使用铝酸酯系列的偶联剂；

其他可以使用不含金属粒子的偶联剂如：木质素偶联剂和其它高级脂酸、醇、酯的偶联剂。

催化脱脂系统的精度可以做到<基本尺寸*±0.5％。

POM主剂是催化脱脂系统的主要载剂，在目前的技术水平上均要求POM的的熔融指数在45以上为宜。比较典型的是旭化成的9520，F520的型号。在将来的技术开发中，也会定制适合的POM材料。本发明中指定保护是共聚POM，均聚POM不是本发明要求体系。

骨架剂：在催化脱脂结束之后，用来维持产品结构形状。骨架剂与POM以及其他助剂共同维持注塑胚的强度。骨架剂的选择范围比较多：选择PA尼龙系列时，注塑品的强度较高，选择聚醋酸乙烯EVA系列的产品时，注塑时的流动性较好，选择聚乙烯聚丙烯等系列产品，如氧化聚乙烯，氧化聚两烯等材料时，在注塑时提供更好的韧性，选择聚酯PC，PS的材料做为骨架剂时会提供注塑品更好的表面性能和更好的抗缩性能。骨架剂的的选择大本专利中，提供的了PA，EVA，PC，PS，PE,PP，PMMA等及其衍生品种，衍生品种如PE，PP的氧化系列，PP，PE，PC等的接枝系列产品。骨架剂的选择与粉体和偶联剂存在关联性，不同的粉体，选择不同的骨架剂时其偶联剂的选择也是不同，需要适时进行调整。

偶联剂：偶联剂是解决粉体与POM，骨架剂之间的相溶性问题的助剂。常见的硅酸酯系，钛系，铝系列，锆系列的偶联剂，不太常见的如：双金属偶联剂、磷酸酯偶联剂、硼酸酯偶联剂、木质素偶联剂、铬络合物及其它高级脂酸、醇、酯的偶联剂。偶联剂的选择视不同厂家的粉体，以及不同的骨架剂，需要对偶联剂进行选择。

其他助剂：其他助剂主要用途是改善物料的其他性能，诸如流动性，保形性，表面流平性，脱模韧性所提供的改变性能。这有时需要考虑到脱酯所用的酸品种，采用草酸时脱酯温度会比较高，如果高温下保型能力不佳，最终产品的尺寸精度会达不到理想的结果。此时需要其他的助剂进行一定的补偿。

脱酯:脱酯工艺在催化脱酯炉中进行，此类设备市场上已经比较普遍。温度的设定需要考虑到最终产品的尺寸精度有所调整。由于氮化铝可能与硝酸可能产生反应，优先草酸进行脱酯脱脂。

采用本工艺流程的效果是：催化脱脂系统的精度可以做到<基本尺寸*±0.5％。，避免了后期对陶瓷进行加工。节约了加工时间和成本。

因此，本发明的一种氮化铝陶瓷的注射成型方法，催化脱脂的优点在于成型的精度颇高。

具体实施方式

下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：氮化铝粉体：粒度1.2um，含氧量小于<1％,取16840份，烧结助剂880份，POM取融熔指数75的进口品种，3700份，骨架剂700份，排气剂100份，流平剂450份，熔接助剂300份；

采用20升的密炼机进入加工。将氮化铝加入到密练腔中，然后将偶联剂熔融助剂放入。将机台转速设定到20转/分，将腔体密封进行搅拌。此阶段温度设定到80度，对氮化铝表面进行处理；

处理60分后，停机，加入POM，骨架剂等剩余物料。将温度提到170度，密练机的转带提高到60转/分，待物料熔化形成泥料后，再将边角余料翻动到料腔中间。然后再降密炼机的压头加压密炼0.5～3小时。期间为防止物料自发热升温过高，将设定温度设定到140～160度，搅拌过程中物料的粘滞升温会维护腔体的温度；

密练时间完成后，将压头升起来，机台转速调节到10转/分以下，将温度设定到100～140度之间，将出口温度设定到140到150度，进行挤出造料。颗粒维持在3～5mm长即可；

将得到的物料冷却后转到注塑机进行注塑加工。机台的料筒的温度设定在190度到185度之间，模具设定温度在90度，以灯座的模具进行注塑，射速120mm/s,压力180MPa，保压20MPa，保压时间0.3秒。即可得到完整的产品；

脱脂工艺，产品放到脱酯炉中，采用的是600L的草酸固体脱脂炉。脱脂温度130度，草酸流量3克/分，氮气是45升/分，按正常脱酯8小时，脱脂完成；

烧结流程，烧结采用氮气保护烧结，炉子有效容积是600L，氮气流量是100L/min,升温到1850度时，保温4个小时，然后断电，氮气保持流量到100L冷却到500度后，断氮气。自然冷却得到成品。

Claims (4)

1.一种氮化铝陶瓷的注射成型方法，其特征在于，按以下步骤进行：混料>造粒>注塑成型>催化脱酯>烧结；

(一)混料：

其混料的基本构成是：

氮化铝粉体D50粒度在0.1um～5um，重量比：700-900份；

有机物：POM主剂，POM主剂为聚甲醛塑料，熔融指数>45：重量比100～140份；

骨架剂：4～20份；偶联剂：2～8份；

其他助剂：排气剂2-5份，流平剂3-8份，熔接助剂3-12份；

混料步骤：

针对于氮化铝其物料的混炼，对物料的加入次序有较高的要求：

首先氮化铝粉体加入后，将偶联剂和熔接助剂加入，在低温阶段让3者反复搅拌，使氮化铝粉体表面、偶联剂和熔接助进行充分混合，发生表面反应，将氮化铝颗粒进行包裹；

搅拌混料时间：每分60转的机台进行混料60分钟；其后再加入POM主剂，骨架剂和其他助剂其他物料升温，边升温边搅拌，等物料全部熔化，成形泥状的流体，再混炼0.5～3小时，密炼机的温度为165～180度，搅拌转速为60～200转每分；

(二)造粒：

将步骤(一)中制得的混料，使用单螺杆挤出，设定转速为20～200转/每分，螺杆中间的温度设定在130～150度；根据出料量的大小进行温度调整，出料量大，热量大，出口温度可以降低，反之，出料口的温度为140～165度；根据出料量以及出料颗粒的大小，调节切料刀的转速大小，一般在20～80转/每分，切料后得到直径为3～5mm，长度为3～5mm的颗粒；

(三)注塑成型:

采用注塑机将造粒的物料注入到模具中，得到所需形状的工艺；

采用低速高压模式：注塑机的设定温度为175～200度，注塑机中的炮筒温度为185～195度，模具温度设定为60～130度，注射速度根据产品结构有所不同，注射速度为80mm/s～300mm/s，注射压力小于200Mpa,保压压力小于100Mpa；成型时间根据产品大小，小型产品的成型时间为小于1秒，大型产品的成型时间会到10秒左右；

(四)催化脱酯:

在催化脱酯炉中进行，脱酯炉的采用催化的酸不同，设定参数有所不同，脱酯工艺采用二种酸：一种是98％以上的浓硝酸，另一种是固体草酸，纯度97％以上；

采用浓硝酸时：设定脱脂温度是90～120度，进炉量是6～12ml/min；进酸量根据设备大小有所不同，进酸量是在4～12ml/Min；

采用固体酸时：进酸量是2～6g/min，脱脂温度设定是125～140度；温度的设定需要考虑到最终产品的尺寸精度有所调整；氮气流量可依据设备的不同进行调整；以600L的脱酯炉为例：氮气的流速设定在45～60L/min；经过10小时左右的脱脂，产品中的POM基本脱除干净，即达到脱酯的目的；

(五)烧结：

烧结的温度为1600～1900度，在氮气的气氛中烧结；氮气中的水汽和氧气含量分别小于10PPM以下，温度的高低取决于粉体中的助烧剂情况；助烧剂的种类比较多，助剂较多时烧结温度较低，反之；在高纯的氮气情况，也有加压和无压的烧结工艺；

无压烧结时，是指烧结氮气的压力为正常大气压力，加压烧结是指烧结的压力在0.5～50Mpa；在最高烧结温度下，保持2～4小时后，断电降温冷却，即完成烧结；

氮气加压烧结一般时在高温段进行加压，正常升温段，基本不加压烧结。

2.根据权利要求1所述的一种氮化铝陶瓷的注射成型方法，其特征在于：

POM主剂为共聚POM。

3.根据权利要求1所述的一种氮化铝陶瓷的注射成型方法，其特征在于：骨架剂的选择：骨架剂的选择范围比较多：

选择PA尼龙系列时，注塑品的强度较高；

选择聚醋酸乙烯EVA系列的产品时，注塑时的流动性较好；

选择聚乙烯聚丙烯相关系列产品，如氧化聚乙烯，氧化聚两烯相关材料时，在注塑时提供更好的韧性；

选择聚酯PC，PS的材料做为骨架剂时会提供注塑品更好的强度和更好的抗缩性能；

骨架剂的选择与粉体和偶联剂存在关联性，不同的粉体，选择不同的骨架剂时其偶联剂的选择也是不同，需要适时进行调整。

4.根据权利要求1所述的一种氮化铝陶瓷的注射成型方法，其特征在于：

偶联剂：偶联剂是解决氮化铝粉体与POM主剂，骨架剂之间的相溶性问题的助剂；

氮化铝主要使用铝酸酯系列的偶联剂；

其他可以使用不含金属粒子的偶联剂如：木质素偶联剂和其它高级脂酸、醇、酯的偶联剂。