CN108162139B - 一种陶瓷双色注塑成型的方法以及双色陶瓷制品 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷双色注塑成型的方法，属于陶瓷注塑成型领域，包括：将公模和第一母模合模，在公模和第一母模围成的第一模腔内注入第一注射料，得到第一半成品。去掉第一母模，并将第二母模与公模合模，在公模、第一母模以及第一半成品围成的第二模腔内注入第二注射料，得到第二半成品。第一注射料和第二注射料的收缩率相差不超过2％。第二半成品经脱脂、烧结制得双色陶瓷制品。该方法实现了陶瓷的双色注塑成型，其操作简便、设备简单，可成型复杂形状且难以加工的结构件，加工余量较少，可降低制造成本。本发明还提供了一种双色陶瓷制品，采用上述的陶瓷双色注塑成型的方法制得，其尺寸精确、经久耐用，两种颜色的陶瓷材料结合紧密、界限分明。

Description

一种陶瓷双色注塑成型的方法以及双色陶瓷制品

技术领域

本发明涉及陶瓷注塑成型领域，具体而言，涉及一种陶瓷双色注塑成型的方法以及双色陶瓷制品。

背景技术

陶瓷的发展史是中华文明史的一个重要的组成部分，随着时代的进步，陶瓷已经广泛应用于建筑、医学、电子、材料等领域。现有技术中，陶瓷制品往往制成单一颜色，然后再通过表面处理上色来实现其色彩的多元化，这种生产方法工序复杂、生产效率低，上色后的陶瓷制品在长期使用磨损后会出现色彩脱落的情况。

陶瓷注塑成型(CIM)是当前精密陶瓷成型最热门的技术，其具有可快速自动的进行生产、可对其工艺过程进行精准控制、可成型复杂形状且难以加工的结构件、加工余量较少以及可降低制造成本等优势。但对于陶瓷双色注塑成型工艺目前还处于探索阶段，工艺尚不成熟。

陶瓷双色工艺的开发具有以下难点：首先，由于制件需要经过1400～1700℃的高温烧结环节，制品在烧结后收缩率达到10～25％，要保证两种颜色材料在不同温区下的收缩同步性十分困难；其次，陶瓷注塑材料中有机物占比只有10～25％，其余均为氧化锆、氧化铝、氧化硅等无机材料，材料颜色的改变主要是通过调整材料中无机物的配比来达到，但在调整配比时，材料的收缩率也会随之改变，在色彩和收缩率两方面很难调和；最后，陶瓷材料因为有机物的占比小、流动性差，在生坯成型工艺段对注塑工艺的控制、模具制作精度要求相比塑胶要高，特别是在应力的控制上，工艺调整不当将会给整个制品带来毁灭性的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种陶瓷双色注塑成型的方法，其能够从工艺条件层面保证陶瓷双色注塑成型的实现，使两种颜色的陶瓷材料结合紧密、界限分明，该方法操作简单，对设备要求不高，适合应用于工业化大规模生产。

本发明的另一目的在于提供一种双色陶瓷制品，采用上述陶瓷双色注塑成型的方法制得，其尺寸精确、经久耐用，两种颜色的陶瓷材料结合紧密、界限分明。

本发明的实施例是这样实现的：

一种陶瓷双色注塑成型的方法，包括，

第一注塑步骤：将公模和第一母模合模，在公模和第一母模围成的第一模腔内注入第一注射料，经一次保压后得到第一半成品。

第二注塑步骤：去掉第一母模，并将第二母模与公模合模，在公模、第一母模以及第一半成品围成的第二模腔内注入第二注射料，经二次保压后得到第二半成品。第一注射料和第二注射料收缩率相差不超过2％，且第一注射料和第二注射料均包括80～85wt％的陶瓷无机成分和15～20wt％的有机粘结剂

后加工步骤：第二半成品经脱脂、烧结制得双色陶瓷制品。

一种双色陶瓷制品，其采用上述的陶瓷双色注塑成型的方法制得。

本发明实施例的有益效果是：本发明提供的一种陶瓷双色注塑成型的方法，选择收缩率相差不超过2％的颜色不同两份陶瓷原料作为注射料，尽量保持两种陶瓷原料在不同温区下的收缩同步性，以避免两种陶瓷原料收缩不一致导致制件的双色嵌合面烧结后剥离，产生变形、甚至开裂等不良现象。同时，采用双色注塑工艺，结合相应的模具，通过先后两次注塑，完成了双色陶瓷制品的制备。该方法操作简便、设备简单，可用成型复杂形状且难以加工的结构件，加工余量较少，可降低制造成本。用该方法制得的双色陶瓷制品寸精确、经久耐用，两种颜色的陶瓷材料结合紧密、界限分明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种双色陶瓷制品的制作工艺流程图；

图2为本发明实施例所提供的一种双色陶瓷制品在第一视角下的示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种双色陶瓷制品在第二视角下的示意图；

图4为本发明实施例所提供的一种双色陶瓷制品在注塑成型时合模状态下的示意图。

图标：100-双色陶瓷制品；110-白色陶瓷部分；120-黑色陶瓷部分；130-黑白边界；140-第一半成品；210-第一母模；220-第二母模；230a-第一公模；230b-第二公模；240-转动装置；250-第一模腔；260-第二模腔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的一种陶瓷双色注塑成型的方法以及双色陶瓷制品进行具体说明。

一种陶瓷双色注塑成型的方法，其具体的工艺流程如图1所示，包括：

原料制备步骤：分别选择并配制收缩率相差不超过2％第一注射料和第二注射料，第一注射料和第二注射料包括80～85wt％的陶瓷无机成分和15～20wt％的有机粘结剂。

进一步地，陶瓷无机成分以氧化硅、氧化铝和氧化锆中的至少一种为主体成分，配合2～8wt％的着色剂。着色剂通常为一些有色的金属化合物，其加入同样会影响注射料整体的收缩率，在配置注射料时可以优先考虑要达到目标色彩所需要的着色剂种类及用量，再通过调整主体成分的组成及配比来将两份注射料的收缩率调整至相差不超过2％。陶瓷双色注塑成型过程中，两种不同颜色的注射料如果收缩率相差太大，会导致成型的双色陶瓷制品的双色嵌合面在烧结后剥离，产生变形、甚至出现开裂的情况。不超过2％的收缩率差是发明人经过长期的努力尝试结合自身经验得出的能够保证制品完整性的可控范围。优选地，两种注射料在同温区下进行脱脂、烧结时，排胶过程及收缩过程保持同步，以保证更佳的收缩一致性。

进一步地，有机粘合剂以高分子聚合物为主体，配合润滑剂、表面活性剂和增塑剂等辅料。优选地，高分子聚合物可以是聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯和聚甲醛中的一种或多种；润滑剂可以选择石蜡、蜂蜡和植物油中的一种或多种；表面活性剂可以选择硬脂酸、油酸、有机硅烷或硬脂酸盐中的至少一种；增塑剂可以选择邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二丁酯等常用增塑剂。具体的组成及配比需根据陶瓷无机组分的具体情况进行多次调试，在保证制品强度的同时，尽可能地提高注射料的流动性。

优选地，第一注射料和第二注射料在使用之前需在50～70℃下干燥6～12h。干燥可以排除注射料中存留的湿气，防止在注塑过程产生大量气泡，以保证烧结时的各部分收缩率一致以及最终制品的力学强度。

本发明实施例的一种陶瓷双色注塑成型的方法还包括第一注塑步骤：将公模和第一母模合模，在公模和第一母模围成的第一模腔内注入第一注射料，经一次保压后得到第一半成品。

第二注塑步骤：去掉第一母模，并将第二母模与公模合模，在公模、第一母模以及第一半成品围成的第二模腔内注入第二注射料，经二次保压后得到第二半成品。

整个注塑成型包括先后两次注塑步骤，整个过程可以通过双色注塑成型机来完成。在第一次注塑步骤中，第一注射料需要预先加热，以保证注塑过程中第一注射料能有足够的流动性，以保证注塑的顺利进行。同样地，在第二次注塑步骤中，第二注射料同样需要预先加热。具体的温度选择，需要根据注射料的组成及配比、整体的粘度以及熔融状态来进行选择。温度设定不当，会导致整个注塑工艺发生变化，从而给制品的尺寸、结构和力学性能带来影响。在发明人长期试验以及结合自身经验的情况下，得出150～210℃是能够保证注射料的流动性处于最佳状态的温度范围。

进一步地，整个注塑过程中所用到的模具包括公模、第一母模和第二母模。在进行注塑时，模具的温度为30～70℃，优选为30～60℃，以避免应力过大影响成品尺寸、形状以及外观。

同时，根据不同注射料的流动性，以及双色陶瓷制品结构、肉厚等因素，需要对模具的浇口尺寸做进一步地调整，确保产品在进胶过程中使用最小的压力使制品均匀达到最大的密度。当双色陶瓷制品长宽尺寸在40～80mm范围内，厚度在1～4mm范围内时，浇口的大小应当在0.8～1.5mm，且浇口的位置位于双色陶瓷制品的几何中心位置最佳。

优选地，注射成型的半成品中含有部分的粘合剂，对模具模面具有一定的粘附力，易造成顶裂及排气问题。因此，在顶针的设计上，考虑到制品与模仁贴合面积问题与排气问题，制品长宽尺寸在50mm×50mm内的制品，使用直径为2～5mm顶针顶出，超过该尺寸的产品，则需使用直径5～15mm的顶针顶出，且顶针排气间隙应控制在0.02～0.04mm。在顶针的排列上，我们更多还要考虑顶出的平衡性，顶针顶出平面度应在0.1mm内。

优选地，因陶瓷材料存在高硬度的特性，在成型过程中容易对模具造成划痕，所以模仁材质的选用也是关键，要求选用硬度较高的钢材，如SKD61，NAK80等，并经过热处理使其洛氏硬度达到50以上再投入使用。同时，对模仁及型腔表面粗糙度的要求须小于10nm，以保证陶瓷粉料在型腔中的流动性、脱模性。

进一步地，针对陶瓷材料高硬度的特性，双色注塑成型机的螺杆需优选耐磨、高硬度的金属螺杆，并在其表面喷涂一层厚度在0.15～0.25mm，洛氏硬度在60～70的合金，使其螺杆表面洛氏硬度达到70左右。高硬度的金属螺杆可以降低螺杆的损耗速度，来保证注射料的射出质量以及制品精度。

优选地，第一注射料和第二注射料的射出速度为10～120mm/s。以控制注塑的压力范围控制在50～150MPa，使注射料能够均匀稳定的注入模腔之中，来保证制品的质量及精度。

在两次注塑步骤中，都需要保压，来让半成品的形状得以稳定。优选地，在第一注塑步骤中，当第一模腔的填充率达到98～99％时，切换至一次保压。同理，在第二注塑步骤中，当第二模腔的填充率达到98～99％时，切换至二次保压。保压切换点的控制上必须做到精准，否则会带来粘流道、粘膜、浇口应力集中而变形、开裂等一系列问题。

进一步地，考虑到浇口应力，以及两种颜色陶瓷材料搭配后产生的应力差，一次保压和二次保压的保压范围为30～120MPa，同时，一次保压和二次保压的保压差应小于20％。以保证制品的密度均匀，避免由应力不均导致的变形、剥离、开裂以及尺寸不稳定的问题。优选地，在一次保压和二次保压之后均包括冷却步骤，冷却时间为10～30s。冷却可以让得到的第一半成品和第二半成品的形状尺寸更加稳定，便于后续加工处理。

两次注塑之间的切换可以通过双色注塑成型机来实现。双色注塑成型机具有两种单独的塑化装置和转动装置，一个共享的锁模装置。第一母模和第二母模处于固定状态，两个同样的公模，第一公模和第二公模位于转动装置上。实际作业时，第一公模与第一母模合模形成第一模腔，将第一注射料注入第一模腔形成第一半成品，保压后开模。将转动装置转动180°，使第一公模连同第一半成品与第二母模合模形成第二模腔，第二公模与第一母模合模形成第一模腔，同一时间向第一模腔中注入第一注射料以及向第二模腔中注入第二注射料，来同时完成第一半成品和第二半成品的制作。在保压后将第二半成品顶出，转动装置转动180°，使第二公模连同第一半成品与第二母模合模形成第二模腔，第一公模与第一母模合模形成第一模腔，重复第一半成品与第二半成品的同步制作，实现高效生产。

本发明实施例的一种陶瓷双色注塑成型的方法还包括后加工步骤：第二半成品经脱脂、烧结制得双色陶瓷制品。

优选地，脱脂步骤可以根据粘结剂的具体成分，选择热脱脂、溶剂脱脂或酸脱脂。

进一步的，热脱脂是在500～800℃下进行，脱脂后收缩率在2％内。烧结是在1400～1700℃下进行，烧结收缩率为10～25％。进一步地，脱脂和烧结采用程序升温进行，以避免温度变化过快，造成两种注射料的收缩不同步。

一种双色陶瓷制品，其采用上述的陶瓷双色注塑成型的方法制得。

实施例

本实施例提供一种双色陶瓷制品100，其具体为由黑白两色陶瓷组成的圆环状陶瓷制品，如图2和图3所示，其具有白色陶瓷部分110以及黑色陶瓷部分120，白色陶瓷部分110与黑色陶瓷部分120具有清晰的黑白边界130。其由以下步骤制得：

S1.原料制备步骤：分别配制黑色注射料和白色注射料。黑色注射料包括陶瓷无机成分80～85wt％，有机粘结剂15～20wt％。其中，陶瓷无机成分由92～98wt％的氧化锆以及2～8wt％的黑色着色剂组成。白色注射料包括陶瓷无机成分80～84wt％，有机粘结剂16～20wt％。其中，陶瓷无机成分由80～95wt％的氧化锆以及5～20wt％的氧化铝组成。经过收缩率测试，白色注射料与黑色注射料之间的收缩率差在0.1-1.5％范围内。有机粘结剂选择以聚乙烯为主体的粘结体系，配合1～2wt％的表面活性剂，以及1～2wt％的增塑剂。

S2.注塑步骤：采用双色注塑机进行注塑作业，在注塑进行前，对设备进行微调。在金属螺杆的表面喷涂一层厚度在0.15～0.25mm，洛氏硬度在60～70的合金，使其表面硬度达到70左右。

如图4所示，注塑所用到的模具包括第一母模210、第二母模220和完全相同的第一公模230a与第二公模230b，第一公模230a与第二公模230b设置于转动装置240上。模具的模仁硬度为60，平均表面粗糙度为5nm。在模具排气与顶出上，我们选用多根5.0mm顶针，并在每根顶针上增开两条深0.02～0.03mm的排气槽，避免出现包气及顶出吸附而产生变形、开裂等情况。

注塑开始后，先将白色注射料和黑色注射料加热至180℃，将模具预热到50℃，并稳定10min。再将第一公模230a与第一母模210合模形成第一模腔250，以30mm/s的射出速度将黑色注射料注入第一模腔250，当第一模腔250填充率达到98％时，停止注射，切换至保压程序，在60MPa的压力下保压1.2s。保压完成后冷却30s，开模并开启转动装置240，将第一公模230a的位置转动180°，使第一公模230a连同第一半成品140与第二母模220合模形成第二模腔260，第二公模230b与第一母模210合模形成第一模腔250，同一时间向第一模腔250中注入黑色注射料以及向第二模腔260中注入白色注射料，同时完成第一半成品140和第二半成品(图未示)的制作。白色注射料的注入同样采用30mm/s的射出速度，在第二模腔260的填充率达到98％时停止注射，并切换至保压程序，在55MPa的压力下保压1.5s。在保压并冷却30s后将第二半成品顶出，转动装置240转动180°，使第二公模230b连同第一半成品140与第二母模220合模形成第二模腔260，第一公模230a与第一母模210合模形成第一模腔250，重复第一半成品140与第二半成品的同步制作，实现高效生产。

同时，在开模进行位置转换时，需要对第一半成品140以及第二半成品的浇口应力层或应力区域(约10～20mm位置)采用CNC直接去除，及使用生坯整形治具在60～90℃的温度下将应力释放，使其产品平整度达到0.1mm内，以减小制品在烧结过程中由应力而带来的变形，浇口开裂等影响。

S3.后加工步骤：第二半成品经脱脂、烧结制得双色陶瓷制品100。

脱脂步骤包括溶剂脱脂步骤和热脱脂步骤：溶剂脱脂步骤在80℃下，将第二半成品放入有机溶剂中24h。随后将溶剂脱脂后的第二半成品置于真空环境中进行热脱脂。热脱脂采用程序升温，于30～36h内，将温度由室温提升至350℃，并维持1.5h。再进一步于2～5h内，将温度继续提升至700℃，并保持1h，随后静置10～15h自然冷却。

完成脱脂步骤后，对第二半成品进行烧结，烧结同样采用程序升温，于5～10h内，将温度由室温提升至600℃，并维持1h进行低温烧结。再进一步于8～12h内，将温度继续提升至1500～1550℃，并维持2h进行高温烧结，随后静置10～15h自然冷却。烧结完毕后，对成品进行精细打磨，得到双色陶瓷制品100。

由上述制备方法得到的双色陶瓷制品100已完全达到了预期的效果，特别是黑白颜色的接痕，黑白边界130处，在10倍的放大镜下完全看不到任何间隙，且黑白线条清晰，无任何串色现象。

综上所述，本发明提供的一种陶瓷双色注塑成型的方法，选择收缩率相差不超过2％的颜色不同两份陶瓷原料作为注射料，尽量保持两种陶瓷原料在不同温区下的收缩同步性，以避免两种陶瓷原料收缩不一致导致制件的双色嵌合面烧结后剥离，产生变形、甚至开裂等不良现象。同时，采用双色注塑工艺，结合相应的模具，通过先后两次注塑，完成了双色陶瓷制品的制备。该方法操作简便、设备简单，可用成型复杂形状且难以加工的结构件，加工余量较少，可降低制造成本。用该方法制得的双色陶瓷制品寸精确、经久耐用，两种颜色的陶瓷材料结合紧密、界限分明。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种陶瓷双色注塑成型的方法，其特征在于，包括，

第一注塑步骤：将公模和第一母模合模，在所述公模和所述第一母模围成的第一模腔内注入第一注射料，经一次保压后得到第一半成品；

第二注塑步骤：去掉所述第一母模，并将第二母模与所述公模合模，在所述公模、所述第二母模以及第一半成品围成的第二模腔内注入第二注射料，经二次保压后得到第二半成品，所述第一注射料和所述第二注射料收缩率相差不超过2％，且所述第一注射料和所述第二注射料均包括80～85wt％的陶瓷无机成分和15～20wt％的有机粘结剂；

后加工步骤：对所述第二半成品进行脱脂、烧结。

2.根据权利要求1所述的陶瓷双色注塑成型的方法，其特征在于，在所述第一注塑步骤，所述第一注射料的温度为150～210℃；在所述第二注塑步骤中，所述第二注射料的温度为150～210℃。

3.根据权利要求1所述的陶瓷双色注塑成型的方法，其特征在于，所述公模、所述第一母模和所述第二母模的温度为30～70℃。

4.根据权利要求1所述的陶瓷双色注塑成型的方法，其特征在于，所述第一注射料和所述第二注射料的射出速度为10～120mm/s。

5.根据权利要求1所述的陶瓷双色注塑成型的方法，其特征在于，所述第一注射料和所述第二注射料的注入压力为50～150MPa。

6.根据权利要求1所述的陶瓷双色注塑成型的方法，其特征在于，在所述第一注塑步骤中，当所述第一模腔的填充率达到98～99％时，切换至所述一次保压；在所述第二注塑步骤中，当所述第二模腔的填充率达到98～99％时，切换至所述二次保压。

7.根据权利要求6所述的陶瓷双色注塑成型的方法，其特征在于，所述一次保压和所述二次保压的保压范围为30～120MPa，所述一次保压和所述二次保压的保压差小于20％。

8.根据权利要求1所述的陶瓷双色注塑成型的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述第一注射料和所述第二注射料在注入之前于50～70℃下干燥6～12h的步骤。

9.根据权利要求8所述的陶瓷双色注塑成型的方法，其特征在于，所述公模、所述第一母模和所述第二母模的模仁的洛氏硬度值大于50，表面粗糙度小于10nm。

10.一种双色陶瓷制品，其特征在于，由权利要求1～9任一项所述的陶瓷双色注塑成型的方法制得。

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