微米尺度氧化铝微型齿轮的微注射成形研究

本项目采用粉末微注射成形技术制备微米尺度Al2O3 微型陶瓷齿轮。主要研究包括：通过研究喂料的流变行为以及多种组分的交互作用，确定微注射成形专用复合粘结剂；研究气、固、液三相在微米尺度的模腔的不同部位、不同尺度、不同阶段的充模流动过程，研究表面张力、摩擦力、热交换作用等对喂料在微系统中的充模过程的影响规律、研究μ-PIM的尺寸效应，提出N-S 方程在微注射成形的喂料流体充模过程的适用阈值；研究生坯脱脂过程中粘结剂组分与Al2O3 粉末和孔洞交互作用机理，以及烧结过程对微型零件的微观结构及其均匀性、尺寸形状精度的影响规律，确定微注射成形技术制备微型齿轮的缺陷的形成、遗传与演变规律的探究，实现微米尺度的微型齿轮的精确制备。该研究将为微米尺度的陶瓷和金属微型零件的规模化生产奠定理论和技术基础。

本项目针对齿顶圆直径为200-900微米的氧化铝微型齿轮的微注射成形工艺分别对微注射成形的专用粘结剂体系、喂料充型过程、脱脂过程、烧结过程，以及以微注射成形技术制备微型模具等方面开展了深入研究。分别获得热塑性(EVA-HDPE-BW-SA)和水溶性(PVB-EVA-PEG-SA)两个体系的专用粘结剂的成分开发，以两种粘结剂进行充型得到的微型齿轮注射坯的成形性良好；理论计算发现，喂料在微型齿轮的微型型腔内的充型过程显示出明显的尺寸效应，零件尺寸、摩擦力、表面张力、热传导、模具温度以及粉末颗粒形状等都对微型零件的充型性产生不同程度的影响，其中流体的流动速度与流道直径的平方成反比，摩擦损失及压力损耗与流道直径的四次方成反比；热塑性粘结剂和水溶性粘结剂的脱脂均选择为溶剂脱脂和热脱脂两步完成，在溶剂脱脂过程中通过一定量低熔点组分的溶解，形成初期的毛细孔洞，在热脱脂的升温保温阶段，不同熔点组分分解产物从已有的毛细孔洞排除，逐步形成分解物排出的连通通道，使脱脂坯体在粘结剂的脱除过程中不发生变形等缺陷；烧结过程中微型齿轮的烧结历程较基板提前，齿尖和齿轮中心部分微观组织基本相同，晶粒较大，存在有少量未闭合的孔洞，而基板的晶粒较小,密度高于微齿轮，导致两者密度之差原因在于微型齿轮的充型难度导致烧结前坯体的密度较低；基板在烧结后显示出性能的不均匀性，表现为在距离浇口较近区域的密度、硬度波动较大，抗弯强度较低，而远离浇口区域的性能稳定性和一致性好，抗弯强度较高，性能波动区域与性能稳定区域的交界在沿注射方向的约一半的位置，该现象由注射坯体的不均匀性的遗传造成，远离浇口部位较近浇口部位充型较早，注射温度较高、注射速度与注射压力适宜，基板的不均匀性直接导致在其上成形的微型齿轮的成形性的差异；通过优化注射工艺参数成功注射出齿顶圆为700-900微米的微型齿轮模具，微波烧结的模具的密度和硬度水平均高于真空烧结。.本研究的意义在于，通过研究微注射成形技术与传统注射成形技术的差异，以及发现产品内在的不匀均性问题，揭示出我国在制造业的二三流产品的生产中普遍存在的产品稳定性、一致性较差的问题的原因之一在于，工艺工程研究与控制的精细化不够，对一些影响质量稳定性的因素缺乏认识和重视不足，导致产品的波动性很大，在国际上缺乏竞争力。