一種蠟基粉末注射成形粘結(jié)劑的研究

陳 強(qiáng)，李丹丹，蔡一湘，譚立新

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院) 廣東 廣州 510650

金屬粉末注射成形(Metal Powder Injection Molding，簡稱MIM)，是將金屬或陶瓷粉末與有機(jī)粘結(jié)劑均勻混合后用注射成型機(jī)成形，然后將成形坯件中的粘結(jié)劑脫除，最后經(jīng)燒結(jié)使坯件致密化而得到最終產(chǎn)品的一種工藝.該工藝主要生產(chǎn)流程為金屬粉末混合-粘結(jié)劑混合-喂料混煉-制粒-注射成形-脫脂-燒結(jié).

MIM技術(shù)可一次成形出各種具有復(fù)雜形狀的型坯，免除了繁瑣的多道機(jī)加工工序，而且在流動(dòng)狀態(tài)下液相能均勻填充模腔，使模腔內(nèi)各點(diǎn)壓力一致，消除了傳統(tǒng)粉末冶金壓制成形不可避免的沿壓制方向的密度梯度，可獲得組織結(jié)構(gòu)均勻、力學(xué)性能優(yōu)異的近凈成型零部件[1].該工藝成敗的關(guān)鍵取決于粘結(jié)劑.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

MIM工藝對原料粉末的成分、球形度、松裝密度、振實(shí)密度及粒度等參數(shù)均有要求.實(shí)驗(yàn)原料主要為316L不銹鋼粉末，粘結(jié)劑的原料為石蠟(PW)、微晶石蠟(PW微)、巴西棕櫚蠟(PW棕)、高溫石蠟(PW高)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、硬酯酸(SA)等.316L不銹鋼粉為邯鄲埃斯?fàn)柟旧a(chǎn)的-38 μm水霧化316L不銹鋼粉(d50=13.71 μm)，其性能及粒度組成分別列于表1和表2，石蠟基粘結(jié)劑各組元的性質(zhì)列于表3.

表1316L粉末的成分與性質(zhì)

Table1Chemicalcompositionandcharacteristicsof316Lpowder

元素含量w/%CrNiMoC粒度/μm松裝密度/(g·cm-3)搖實(shí)密度/(g·cm-3)17.7112.042.160.03513.32.53.2

表2 316L粉末的粒度及粒度分布Table 2 The size and distribution of 316L powder

表3 粘結(jié)劑各組元性質(zhì)Table 3 The binder component properties

1.2 試驗(yàn)方法

首先按配方要求稱取石蠟(PW)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、硬酯酸(SA)和不銹鋼粉末.喂料的制備是在10 L的零距離加熱捏合機(jī)中進(jìn)行，加熱溫度為175 ℃.當(dāng)加熱溫度達(dá)到后將稱量好的石蠟加入混煉機(jī)中，待石蠟熔化后加入粘結(jié)劑的組元，同時(shí)加入不銹鋼粉，其加入量為應(yīng)加量的三分之二，同時(shí)開動(dòng)攪拌槳，當(dāng)所有的粘結(jié)劑組元都熔化后，加入剩余的不銹鋼粉末，攪拌約30 min后即可出料，待出料冷卻后，進(jìn)行破碎造粒.每次可混料約27 kg，用時(shí)約3.5～4.5 h.在ITT-25型注塑機(jī)上進(jìn)行注射成形，在自制的脫酯槽中進(jìn)行溶劑脫酯，在專用的脫粘爐中進(jìn)行熱脫酯，在50 kg的高溫碳棒爐中進(jìn)行燒結(jié).

按GB/T5163-1985標(biāo)準(zhǔn)對試樣的密度進(jìn)行測定，用游標(biāo)尺測量尺寸.

2 結(jié)果與分析

2.1 粘結(jié)劑配方及填充量

2.1.1 粘結(jié)劑配方設(shè)計(jì)

在316L不銹鋼材料的注射成形工藝中，采用石蠟基粘結(jié)劑.由于其具有粘度低、熔點(diǎn)低、成形坯強(qiáng)度高、注射溫度范圍寬、成本低及粉末填充量高等優(yōu)點(diǎn)[2].因此，本工藝采用石蠟基的多組元高分子塑料加表面活性劑的粘結(jié)劑配方.配方1中粘結(jié)劑的主要成分為PE，PP，PW，PW微及SA，它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%，10%，59%，10%和1%，以此為主干，對塑料組元及各種蠟基組元進(jìn)行調(diào)整.在此粘結(jié)劑配方中塑料組元(PP和PE)作為粘結(jié)劑的骨架元素，量的多少?zèng)Q定著生坯的強(qiáng)度及喂料的粘度；硬脂酸是表面活性劑，用它改善粉末與粘結(jié)劑的潤滑性；PW高，PW微和PW棕的加入，主要是用來調(diào)整喂料的粘性，使之便于成形.石蠟基粘結(jié)劑對316L粉末有良好的潤濕性，比較適合于不銹鋼粉末的注射成形.但是配方1在使用過程中發(fā)現(xiàn)，注射工藝的塑化過程困難、塑化時(shí)間過長，二次澆口料不能進(jìn)行注射成形.因此，要對粘結(jié)劑配方1進(jìn)行調(diào)整.

2.1.2 粘結(jié)劑配方優(yōu)化與粉末填充量

針對粘結(jié)劑配方1進(jìn)行了研究，調(diào)整了配方1中塑料組元的成份，用EVA替代PP.改進(jìn)后的粘結(jié)劑配方2的成份為PE(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%～26%)，EVA(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～6%)，PW(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61%～65%)，PW微(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～6%)，SA(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%).

水霧化316L不銹鋼粉末的顆粒形狀、粒度分布、顆粒間的相互摩擦，以及顆粒表面的改性處理，這些均對實(shí)現(xiàn)注射成形有著極其重要的影響.理想的原料粉末應(yīng)具有以下特性：顆粒為近球形，名義粒徑為4～8 μm；堆積休止角大于35o，搖實(shí)密度為理論密度的50%以上；無內(nèi)部孔隙，不結(jié)團(tuán)；表面清潔，偏析小，易燃性小.而水霧化316L不銹鋼粉末，其顆粒的典型形貌為不規(guī)則形狀，搖實(shí)密度為理論密度的38%～42%.因此，提高粉末的填充量極其重要.為提高粉末的填充量，需從兩方面入手：一是對粉末表面進(jìn)行改性處理，使之與粘結(jié)劑能更好地浸潤，提高喂料的流動(dòng)性；二是將粘結(jié)劑成分中的表面活性劑，調(diào)整到一個(gè)比較好的用量，在生產(chǎn)實(shí)踐中這是最行之有效的方法.

采用配方1時(shí)粉末填充量最大只能到54%，在此填充量情況下注射工藝能有效進(jìn)行，但是進(jìn)行上鎖舌注射工藝時(shí)效果不好.采用配方2進(jìn)行注射工藝試驗(yàn)時(shí)，粉末填充量分別設(shè)計(jì)為54%，56%，58%和60%.用粉末填充量為54%的喂料進(jìn)行上鎖舌、轉(zhuǎn)動(dòng)芯、活動(dòng)芯及拉伸試樣的注射工藝試驗(yàn)，其余三種粉末填充量進(jìn)行拉伸試樣的注射工藝試驗(yàn).

2.2 注射成形

不同的粘結(jié)劑配方及粉末填充量下注射工藝的試驗(yàn)結(jié)果列于表4.

在粉末填充量為54%、不同粘結(jié)劑配方情況下，用于注轉(zhuǎn)動(dòng)芯軸和活動(dòng)芯軸零件的注射工藝對比試驗(yàn)結(jié)果列于表5.

表5 轉(zhuǎn)動(dòng)芯軸和活動(dòng)芯軸的注射工藝試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Injection process and test results of rotating mandrel and movable mandrel

由表4和表5可知，配方1粘結(jié)劑的注射性能比配方2的要差.首先是注射溫度較高，這主要是配方1中含有PP，其熔點(diǎn)在147 ℃以上，因而拉高了喂料的注射溫度；另一方面，配方1粘結(jié)劑的粘度比配方2的高，因此也需要提高注射溫度才能滿足注形的要求.由于配方2中用EVA代替了PP，降低了粘結(jié)劑的熔點(diǎn)和粘度，使之與不銹鋼粉末能更好浸潤，提高了喂料的流動(dòng)性.故在注上鎖舌時(shí)，從注射溫度、注射壓力和注射速度方面來說，配方1粘結(jié)劑均要比配方2的高，注射效果不如配方2的.這從零件質(zhì)量上也可以看出，無論是上鎖舌，還是轉(zhuǎn)動(dòng)芯軸、活動(dòng)芯軸均是如此.從注射零件的表觀質(zhì)量及缺陷方面來看，采用配方1時(shí)注上鎖舌的成品率在75%左右，而采用配方2時(shí)成品率則在98%以上，而且注射工藝周期從原來的120～150 s，縮短至36～42 s.另外，采用配方1時(shí)一次澆口料已很難注射成形，而采用配方2時(shí)二次澆口料也能很好的注射成形.從粉末填充量來看，采用配方1時(shí)只能達(dá)到54%，采用配方2在注拉伸試樣時(shí)最高可達(dá)到60%，而作為有效的注形可達(dá)到58%，且一次澆口料還能很好的進(jìn)行注形.因此，配方2粘結(jié)劑是一種較為理想的粘結(jié)劑.

2.3 脫脂工藝

粉末注射坯的脫脂工藝采用兩步脫脂法.先進(jìn)行溶劑脫脂，以除去大部分石蠟，再進(jìn)行熱脫脂，以除去塑料組元.首先用庚烷溶劑浸泡粉末注射坯，溫度保持在35～42 ℃，浸泡時(shí)間為20～30 h.經(jīng)此過程，粉末注射坯中石蠟的脫除率為54%～80%.經(jīng)溶劑脫脂、烘干后，就可以進(jìn)行熱脫脂.

在熱脫脂的初級階段(25～350 ℃)，主要是去除殘余的石蠟.由于EVA的熱分解溫度范圍為385～420 ℃，而PE的熱分解溫度范圍為450～520 ℃.所以，熱脫脂工藝按如下規(guī)范順序進(jìn)行：在25～220 ℃下，脫脂2.5 h；在220～350 ℃下，脫脂1.5 h；在350～420 ℃下，脫脂1.5 h；在420 ℃下，脫脂2 h.經(jīng)熱脫脂后，粉末注射坯隨爐冷卻至室溫，出爐.該脫脂工藝的時(shí)間相對較短，熱脫脂時(shí)間不到8 h，且易于控制.

一種粘結(jié)劑配方的優(yōu)劣，不但要看粘結(jié)劑注射性能的好壞，還要看其脫脂性能的好壞，如注射坯易于脫除，不開裂、保型性好.從上述的工藝過程看，配方2粘結(jié)劑不失為一種良好的粘結(jié)劑.

2.4 燒結(jié)制品的尺寸精度

粉末注射成形(PIM)制品在燒結(jié)過程中一般會(huì)產(chǎn)生15%～20%的線收縮，尺寸變化很大，燒結(jié)過程中碳、氧含量均發(fā)生顯著變化，化學(xué)成分、溫度和密度的變化對最終零件尺寸和尺寸精度影響很大，因此對PIM制品尺寸精度的控制就變得尤為重要，成為衡量粉末注射成形成功與否的一個(gè)很重要的指標(biāo)[3].PIM制品的尺寸精度控制是一個(gè)涉及到模具設(shè)計(jì)、原材料、混煉、注射成形、脫脂、燒結(jié)各個(gè)環(huán)節(jié)的復(fù)雜問題.近年來，通過對PIM各工藝環(huán)節(jié)的研究和控制，PIM制品的尺寸精度不斷提高.從目前的工業(yè)生產(chǎn)狀況來看，典型的PIM制品的一般尺寸精度為±0.3%，而傳統(tǒng)的粉末冶金工藝的制品尺寸精度為±0.1%.因此，能否改變目前注射成形制品尺寸精度較低的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)高精度注射成形(燒結(jié)制品的尺寸精度達(dá)到±0.1%～0.3%)，將直接影響其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程.

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，從大量的燒結(jié)制品中隨機(jī)取10 個(gè)上鎖舌零件試樣，分別測量其長、寬、高的實(shí)際尺寸，計(jì)算燒結(jié)制品的最大尺寸偏差及其尺寸精度，其結(jié)果列于表6.

表6 燒結(jié)制品的尺寸及其精度Table 6 The size and precision of sinter products

由表6中可知：燒結(jié)制品長度方向的最大尺寸偏差為0.10 mm，尺寸精度為±0.32%；寬度方向的最大尺寸偏差為0.05 mm，尺寸精度為±0.27%；高度方向的最大尺寸偏差為0.10 mm，精尺寸度為±0.40%.這充分表明，用配方2粘結(jié)劑混煉的粉末進(jìn)行注射成形時(shí)，完全能夠獲得具有較高的尺寸精度和良好保形性，以及滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求的復(fù)雜零件制品.

3 結(jié) 論

(1)用EVA代替PP，對粘結(jié)劑配方進(jìn)行改進(jìn).新配方喂料的塑化時(shí)間只有原來的1/10，且二次澆口料也能較好的注形，喂料的性能得到了整體性的提高.

(2)粘結(jié)劑配方的改進(jìn)，極大的改善了喂料的填充性能.配以注射工藝的改進(jìn)，使注射工藝周期從原來的120～150 s，縮短至36～42 s；成品率從原來的75%左右，提高至98%以上.

(3)研究了脫脂工藝和燒結(jié)變形控制，使脫脂過程縮短且易于控制.燒結(jié)變形控制在允許的范圍，尺寸公差達(dá)到±0.4%.

參考文獻(xiàn)：

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