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氮化硅陶瓷注射成型工艺是一种将高性能陶瓷粉末（氮化硅）与有机粘结剂混合，通过类似塑料注射成型的方式制造复杂形状、高精度陶瓷部件的先进技术。它特别适合大批量生产形状复杂、尺寸精度要求高、后续机加工困难或成本高昂的氮化硅零件。
以下是该工艺的主要步骤和关键点：
喂料制备 原料： 主要是高纯度、亚微米级的氮化硅粉末（α-Si3N4为主）。通常需要添加烧结助剂（如Y2O3、Al2O3、MgO等）以促进烧结致密化。 粘结剂系统： 由多种有机聚合物和添加剂组成，通常包括： 主粘结剂： 提供主要强度和流动性（如聚丙烯PP、聚乙烯PE、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物EVA、聚甲醛POM、石蜡PW）。 增塑剂： 降低粘结剂熔体粘度，改善流动性（如邻苯二甲酸二丁酯DBP、邻苯二甲酸二辛酯DOP、石蜡油）。 表面活性剂/分散剂： 改善粉末在粘结剂中的润湿性和分散性，防止团聚（如硬脂酸、油酸）。 辅助粘结剂： 在脱脂初期提供骨架支撑，防止变形（如聚苯乙烯PS、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA）。 混炼： 将陶瓷粉末和粘结剂在加热状态下（通常高于粘结剂熔点）进行强力混合（常用双螺杆挤出机或密炼机）。目标是获得高度均匀、流动性好、粉末装载量高（通常50-65 vol%）的喂料。高装载量是减少脱脂收缩和变形、保证烧结后高密度的关键。
注射成型 注射成型需使用专门设计的陶瓷注射成型机，或改造的塑料注射成型机。要求具有精确的温度控制和压力控制。 过程： 将喂料粒料加入料斗，加热至熔融状态（温度高于粘结剂熔点，低于分解温度）。在螺杆或柱塞推动下，熔融喂料高速注入加热的金属模具型腔中。 关键参数： 料筒温度、模具温度、注射压力、注射速度、保压压力和时间、冷却时间。这些参数直接影响坯体的密度、尺寸精度、内应力以及后续脱脂和烧结的成败。模具设计需考虑喂料的收缩率和烧结收缩率。
脱脂 脱脂的目的是将成型坯体中的绝大部分有机粘结剂缓慢、可控地去除，得到纯净的陶瓷素坯。这是整个工艺中最关键、最耗时、风险最高的步骤，极易产生缺陷（如鼓泡、开裂、变形）。 常用方法包括： 1.溶剂脱脂： 将坯体浸入特定溶剂（如三氯乙烯、庚烷）中溶解掉部分可溶性粘结剂（如PW），形成开孔通道，便于后续热脱脂气体扩散。速度快，但可能残留溶剂。 2.热脱脂： 在保护气氛（如N2、Ar）或空气中，以非常缓慢的升温速率（通常0.5-5°C/h），将粘结剂分解、蒸发或氧化去除。温度需精确控制，避免产生过高气压导致坯体开裂。 3.催化脱脂： 使用催化剂（如硝酸蒸汽）在较低温度下（~110°C）快速分解特定的粘结剂（如POM）。效率高，变形小，但对粘结剂配方有特定要求，设备复杂。 4.虹吸脱脂： 将坯体埋在吸附粉末（如氧化铝粉）中加热，分解的粘结剂液体被粉末吸收。适用于某些粘结剂体系。
烧结 烧结过程是在高温下使陶瓷颗粒间发生扩散和键合，消除孔隙，获得高密度、高性能的致密氮化硅陶瓷部件。通常需要气压烧结。 方法： 气压烧结：最常用的方法。将脱脂后的素坯放入石墨坩埚中，周围填埋氮化硼粉末作为保护床和脱模剂。在惰性气氛（N2或Ar）下升温至1700-1900°C，并在高温阶段施加高压气体（通常几个MPa到10MPa的N2）。高压能抑制氮化硅的高温分解，促进致密化，获得接近理论密度的制品。 热等静压： 在高温高压（惰性气体）下进行，能获得更高密度和更均匀的性能，但成本极高，多用于特殊要求制品。 烧结过程的烧结温度、保温时间、升温/降温速率、气压大小及施加时机、保护气氛等是关键参数。烧结收缩率可达15-20%，需在模具设计时精确补偿。
后续加工 烧结后的部件通常接近净尺寸，但可能需要进行一些精加工，比如通过磨削、研磨或抛光来达到极高的尺寸精度和表面光洁度，这对轴承球、密封环等要求极高的部件尤为重要；也可采用激光加工或电火花加工来处理非常硬或复杂的特征。
注射成型工艺的优势与局限 氮化硅陶瓷注射成型工艺具有显著优势，能制造传统干压、等静压难以实现的复杂三维形状、薄壁、深槽、精细特征及内部空腔零件；成型精度高，烧结后通常只需少量精加工，具备高尺寸精度和表面光洁度；且自动化程度高、生产效率高，适合大批量制造，同时近净成型模式能提高材料利用率，减少昂贵陶瓷粉末浪费和后加工成本，工艺稳定时产品性能一致性也较好。 不过该工艺也存在以下挑战与局限性：喂料制备复杂，粘结剂配方和混炼过程对最终产品质量至关重要，开发周期长；脱脂是工艺瓶颈，速度慢且易产生缺陷，导致废品率高；成本较高，模具和粘结剂成本不菲，脱脂与烧结时间长也使能耗增加；还受限于注射机吨位和脱脂均匀性，难以制造超大尺寸或壁厚极不均匀的零件，且需要精确预测和控制烧结收缩率。
主要应用领域：
发动机部件： 涡轮转子叶片、摇臂镶块、涡流室镶块、气门导管等。
轴承： 高性能全陶瓷轴承球、混合陶瓷轴承球。
密封件： 机械密封环、耐磨密封件。
切削工具： 复杂形状的陶瓷刀片、钻头。
半导体设备： 晶圆承载器（静电卡盘基座）、绝缘体、等离子体腐蚀部件。
医疗器械： 骨科植入物（如股骨头）、手术工具部件。
其他工业耐磨件： 喷砂嘴、泵部件、阀门零件等。
总之，氮化硅陶瓷注射成型是一种强大的近净成型技术，特别适合大批量生产复杂形状的高性能氮化硅陶瓷零件，但其工艺过程复杂，尤其是脱脂环节需要严格控制，成本也相对较高。
来源：ACMI硅基新材料