1-1 前言
近年來由於國內產業升級壓力日增，能夠大量生產形狀複雜、附加價 值高的精密零組件，便是現在企業生存的必要條件，而射出成形製程有此 特性，其具有近淨原形(near net shape)的優勢且避免大量額外加工所需的成 本。然而，粉末射出成形法(Powder Injection Molding)，是結合傳統粉末冶 金及塑膠射出成形之技術，而陶瓷射出成形屬於粉末射出成形法中的一 陶瓷(Traditional ceramics)到現今的精密陶瓷(Fine ceramics)，其發展已經具 備相當的基礎。精密陶瓷又稱高科技陶瓷或新陶瓷，係以人工合成的微細
製造三維複雜形狀的零件，突破了傳統粉末成形在產品形狀上的限制，故 (Injection Molding)、脫脂(Debinding)、燒結(Sintering)等程序，圖 1.1 所示為 整個製程的流程圖。上述中，任一步驟的加工品質，都會影響到整個製程
度、射料流動的方向及展開外形等；製程參數的影響主要有射料溫度、模
其優越的特性也常被應用於陶瓷粉末射出成形上。
混練方面而言，在陶瓷粉末射出成形中，黏結劑與粉體的選定是影響 混練後陶瓷混合物流變行為的主要原因。而高分子材料與硬脂酸(Stearic acid)的添加有助於改善混練效果，且選擇粒徑小、粒徑分佈廣的粉體則有 助於減少生胚的孔隙並避免凝聚現象的產生，在研究上也發現適當的硬脂 酸可降低陶瓷混合物表面得降服應力及黏度，緩和黏結劑受熱分解的速 率，並減少粉末與射出料管因摩擦所產生的鐵屑污染[20][21]。S. M. Wofrum 等人也提出有潤滑劑及介面活性劑的掺入，可潤濕粉體並減少黏膜，以改 熱重力的方式來控制失重問題[23]。M.Youseffi and I. A. Menzies開發了新的 黏結劑系統與傳統黏結劑在脫脂過程中比較，顯示出升溫速率對黏結劑所 造成的影響[24]。因此，熱脫脂採用緩慢升溫方式，可避免黏結劑因重力 所產生的剪應力及溫度所產生的熱梯度效應，以液態或氣態急劇揮發而對 生胚造成缺陷產生[35]。在溶劑脫脂上，Nakajima、Nishio等人提出一種介 於液體和氣體之間的溶劑(如CO2或四氯化碳CCl4)來移除黏結劑[25]。吳榮 源等人利用正庚烷作為溶劑脫脂，藉由量測溶劑脫脂量與時間關係，求得 其脫脂速率，亦了解製品在溶劑脫脂之尺寸膨脹量變化，來選定溶劑脫脂 的溫度，並利用量測之擴散係數值，估計溶劑脫脂適當的時間，進而求得 最佳的溶劑脫脂條件[12]。
燒結方面，A. Akash等人對燒結初期生胚內孔隙成長做探討，發現在 燒結初始階段，生胚內孔隙大小約增大1.27 倍 [26]。而D. M. Lin針對不同 的陶瓷粉末與黏結劑體積比來探討其對燒結特性的影響[27]。還有可利用 活化燒結使燒結溫度降低、燒結過程加快，並使燒結體的密度及其它性質 提高。活化燒結可分為兩種：一是在氣氛中添加活化劑(如氮氣或氫化物)
或施加壓力，使燒結過程循環地發生氧化─還原或其它反應；二是在粉末
[21][22]。R. M. German有提到在高剪應變率區的陶瓷混合物呈現膨脹流體 的特性，而在低剪應變率區域的陶瓷混合物則呈現擬塑性流體的行為，對 痕的形成[35]。White & Dee及Zhang等人則指出成形時的缺陷形成主要是在 固化階段(solidification stage)[19][30]。此外，S. Krug等人提出在各種製程條 件中以料溫、射速及保壓壓力時間對粉粒配向影響較大，使得收縮率有所 改變，研究更顯示出流動方向比橫斷流動方向有較小的收縮率[17]。另外，
B. Kostic等人在探討成形條件對於粉末射出成形中殘留應力的影響，且傳統 成形易使內部殘留拉應力和表面殘留壓應力，而保壓力及澆道固化時間長 短將決定應力最終的分佈狀況[31]。另一方面，在陶瓷射出成形時容易發 生滑動現象(slip phenomenon)包含滑動層與滑動速度模式的建立也是成形 實驗中所應考慮的[32]。
綜合上述，陶瓷射出成形製程中從混練一直到燒結的過程，不論是混
1-4 研究方法
首先利用攪練機混練比例不同的粉末與黏結劑之配方，再依序以具有 平板型、銷孔型、L 型(90o彎角形狀)及 L+銷孔型之形狀模具來進行射出成 形實驗，而後對於成形、脫脂及燒結後各階段的製品收縮量進行量測並做 外觀缺陷的觀察，進而調查模具設計、成形條件和材料條件等因素對於收 縮特性的影響及在最終製品上所造成的結果。其次，亦將量測成品的一些 機械性質，尋找出最適用的配方，使最後製品有較好的收縮特性及機械性 質。最後，將對於這些幾何形狀模具內的流動特性所造成的問題提出解決 或改善方法。
圖1.1 陶瓷射出成形製程流程圖
表 1.1 精密陶瓷應用範疇 ZnO‧BiO2
高強度性 渦輪葉片 Si3N4，SiC LaCeO5
生化
防腐蝕性 耐蝕器材 Al2O3，ZrO2
表 1.2 陶瓷材料性質比較
氧化鋯 氧化鋁 碳化矽 氮化矽 碳化鎢 抗彎折強度
(MPa) 600~1200 300~400 300~450 300~550 800~3000 破裂韌性
(MPa‧m1/2) 6~15 3~4 2.5~3.5 4.5~5.5 7~15 密度(g/c.c.) 5.9 3.9 3.2 3.2 11~15
硬度(Hv) 1200 1000~2000 2100 1600 1200~1700 熱膨脹(×10-6/oC)
係數 10 7.7 4.4 2.9 6
鋼與陶瓷之
(20oC)摩擦係數 0.17 0.44 ─ ─ 0.6 資料來源:氧化鋯陶瓷與氧化鋯─氧化釔之製程技術與應用 陳三元 [18]