注射成形在TiC基金屬陶瓷手表外觀件上的應(yīng)用

靳磊　崔曉龍　張峰　鮑賢勇

摘 要：TiC基金屬陶瓷是較為理想的手表外觀件材料，但制備難度大。本文總結(jié)了通過注射成形技術(shù)制備TiC基金屬陶瓷手表外觀件中的關(guān)鍵因素，包括粘結(jié)劑、喂料性能評(píng)價(jià)、模具設(shè)計(jì)、脫脂工藝的選擇。

關(guān)鍵詞：TiC基金屬陶瓷；注射成形；手表外觀件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.181

0 引言

傳統(tǒng)的手表外觀件以不銹鋼、銅、鈦合金等材料為主，這些材料通常硬度低，耐磨性差，在佩戴過程中極易出現(xiàn)劃痕，從而影響手表的外觀效果。1962年，瑞士RADO公司首次將硬質(zhì)合金材料引入手表外觀件中，提出“永不磨損”的概念。自此，硬材料以其具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在手表外觀件材料中逐漸發(fā)展壯大。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，手表外觀件硬材料體系不斷豐富，目前已包括WC基硬質(zhì)合金[1]、TiC基金屬陶瓷[2]、TiN基陶瓷[3]、氧化鋯陶瓷等[4]。

TiC基金屬陶瓷密度低，耐磨性好，并且具有能與鈦合金相媲美的耐腐蝕性，銀白色金屬光澤和極佳的人體親和性，在手表外觀件硬材料中極具優(yōu)勢(shì)。雖然TiC基金屬陶瓷已作為切削刀具在工業(yè)上應(yīng)用多年，但作為手表外觀件材料，有著其他諸如形狀復(fù)雜、外觀和耐腐蝕要求高、鎳釋放嚴(yán)等特殊要求。這使得制備合格的TiC基金屬陶瓷手表外觀件極為困難。筆者所在的飛亞達(dá)公司自2003年開始開展TiC基金屬陶瓷手表外觀件注射成形研究，在此之前，國(guó)內(nèi)尚未見采用注射成形技術(shù)成功制備TiC基金屬陶瓷外觀件，迄今為止，仍鮮見能制備高質(zhì)量的TiC基金屬陶瓷手表外觀件的報(bào)導(dǎo)。本文介紹了制備過程中的經(jīng)驗(yàn)，以期對(duì)相關(guān)材料的研究開發(fā)提供借鑒意義。

1 粘結(jié)劑的開發(fā)

在TiC基金屬陶瓷手表外觀件的制備工藝中，成形是最關(guān)鍵的步驟之一。傳統(tǒng)的成型工藝以模壓成形為主[5]。但是，模壓成形存在較多的不足：如形狀尺寸較難精確控制，使得燒結(jié)零件研磨余量大，不利于后期加工。此外燒結(jié)體存在較多的孔隙，造成材料的綜合力學(xué)性能較低，并使得成品的外觀存在砂眼等缺陷。另外，采用模壓成形難以制備形狀復(fù)雜的零件，因此在面對(duì)手表殼這類復(fù)雜的零件時(shí)顯得無能為力。陶瓷注射成形是從塑料工藝中引入的技術(shù)，能較好的解決模壓成形存在的缺陷[6，7]，在TiC基金屬陶瓷手表外觀件的制備中具有較大的發(fā)展?jié)摿?。采用注射成形制備TiC基金屬陶瓷手表外觀件的工藝流程如圖1所示。

粘結(jié)劑的選擇是控制注射成形質(zhì)量的關(guān)鍵。TiC基金屬陶瓷注射成形常用的粘結(jié)劑主要分為熱塑性體系、熱固性體系、凝膠體系、水溶性體系，其中熱塑性粘結(jié)劑體系是目前應(yīng)用最廣的粘結(jié)劑[8]。然而，熱塑性粘結(jié)劑體系也存在著一些缺點(diǎn)，如易產(chǎn)生相分離、注射料性能不穩(wěn)定、所需脫脂時(shí)間長(zhǎng)、工藝復(fù)雜等問題[8，9]。熱塑性體系的主要脫脂方法有直接熱脫脂和有機(jī)溶劑萃取脫脂。直接熱脫脂工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝成本低，但對(duì)于大尺寸的樣品，熱脫脂時(shí)間較長(zhǎng)；有機(jī)溶劑萃取脫脂工藝復(fù)雜，存在易變形，脫脂后坯件強(qiáng)度低等問題[10]。

基于上述原因，筆者所在的公司開發(fā)了一種新的粘結(jié)劑（China Patent，200510033196.6），其主要成分包括20%～30%的56#蠟、15%～25%的微晶蠟、15%～25%的棕櫚蠟、8%～12%的高密度聚乙烯、6%～10%的聚丙烯、5%～9%的聚醋酸乙烯脂、5%～9%的鄰苯丙甲酸二丁脂，以及作為增塑劑的5%～15%的硬脂酸。該粘結(jié)劑與普通粘結(jié)劑相比，具有高強(qiáng)度、可溶劑脫脂、脫脂后不溶脹開裂、注射毛坯壁厚可大于5mm等優(yōu)點(diǎn)。在TiC基金屬陶瓷手表外觀件的注射成形研究中使用該粘結(jié)劑，成功制備了具有較高強(qiáng)度和尺寸精度的坯件。

2 喂料的性能評(píng)價(jià)

流動(dòng)性是影響注射成形坯件性能的最為關(guān)鍵的因素之一，因此對(duì)喂料的流動(dòng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)十分重要。較多研究者采用流變儀來對(duì)喂料的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，但流變儀的測(cè)試過程與喂料在注射成形中的實(shí)際環(huán)境存在較大的差異，這使得測(cè)試結(jié)果的參考意義有限。在TiC基金屬陶瓷手表外觀件的注射成形研究中，依據(jù)ASTM D3123-98（2004） ，進(jìn)行了螺旋流道模具設(shè)計(jì)，并采用該模具在注射成形機(jī)上對(duì)喂料進(jìn)行了螺旋流道試驗(yàn)[11]，其結(jié)果如圖2所示。多次研究證明，采用該方法可以較好的評(píng)判喂料的流動(dòng)性能，對(duì)后期模具設(shè)計(jì)、注射成形工藝參數(shù)的選擇具有重要意義。

3 模具設(shè)計(jì)

模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)是影響注射成形件的另一關(guān)鍵因素。考慮到模具設(shè)計(jì)、制造的費(fèi)用較高，試驗(yàn)的復(fù)雜性等因素，研究者往往先通過軟件模擬不同模具中的注射成形過程，確定出相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)后，再進(jìn)行實(shí)際的試驗(yàn)，從而可以大大的節(jié)約試驗(yàn)成本[12，13]。然而，目前市場(chǎng)上主要的注射成形模擬軟件多集中在塑料的注射成形上，而金屬陶瓷粉末由于配方復(fù)雜多樣，各種配方的特性參數(shù)也各不相同，因此找到合適的用于模擬金屬陶瓷注射成形研究的參考數(shù)據(jù)也比較少[14]，這使得獲得準(zhǔn)確的喂料參數(shù)尤為重要。在TiC基金屬陶瓷注射成形模具設(shè)計(jì)之前，根據(jù)TiC基金屬陶瓷注射料的螺旋流道試驗(yàn)結(jié)果和粘結(jié)劑的溫度性能，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中找到一種與金屬陶瓷注射料溫度范圍和流動(dòng)性相近的材料，采用塑料注射成形的軟件進(jìn)行了金屬陶瓷注射成形的模擬。在該模擬過程中，分析了澆口尺寸對(duì)注射成形的影響（如表1所示），進(jìn)而優(yōu)化了模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 脫脂工藝

采用上述粘結(jié)劑制備的TiC基金屬陶瓷料喂料，經(jīng)注射成形后，可以采用溶劑脫脂和熱脫脂相結(jié)合的工藝，其脫脂工藝如下：注射成形的毛坯先在50～65℃之間置于正乙烷或者三氯乙烷的有機(jī)溶劑中浸泡18～36小時(shí)，再把溶劑脫脂后的坯件置于真空脫脂燒結(jié)一體爐內(nèi)進(jìn)行熱脫脂燒結(jié)。其中熱脫脂工藝曲線如圖3所示。該工藝具有的優(yōu)勢(shì)包括：在有機(jī)溶劑中脫脂后，坯件仍保持一定的強(qiáng)度，有利于后續(xù)坯件的移動(dòng)、擺放；同時(shí)，在有機(jī)溶劑中脫出了部分粘結(jié)劑，可以減少真空脫脂燒結(jié)一體爐的污染，從而降低設(shè)備的維護(hù)成本；此外，有機(jī)溶劑脫脂結(jié)合熱脫脂的工藝，還在一定程度上節(jié)約了生產(chǎn)周期，降低了能源損耗。

5 綜合性能與應(yīng)用

基于上述研究并結(jié)合專利200510033196.6，制備了TiC基金屬陶瓷測(cè)試樣塊（圖4）和手表外觀件坯件（如圖5）。通過對(duì)樣塊的測(cè)試表明，采用該技術(shù)制備的TiC基金屬陶瓷具有較好的綜合性能，其孔隙率達(dá)到A02（圖6），組織細(xì)小且均勻分布（圖7），維氏硬度達(dá)到HV 1670，抗彎強(qiáng)度達(dá)到1257MPa，彈性模量達(dá)到468GPa。手表外觀件坯件經(jīng)研磨拋光成為最終的零件，裝配成手表后，尺寸、外觀、縱向徑拉力、柔和性、耐跌落、耐拉扭疲勞、耐搖擺疲勞等性能均可滿足相關(guān)手表標(biāo)準(zhǔn)。圖8是采用注射成形技術(shù)生產(chǎn)的TiC基金屬陶瓷手表，該手表輕盈、佩戴舒適、抗磨花性能好、極大的減小了鎳釋放超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，一經(jīng)推出，就受到了客戶的青睞。

6 結(jié)語

TiC基金屬陶瓷手表外觀件的制備難度大，在制備過程中，優(yōu)化粘結(jié)劑配方、科學(xué)的進(jìn)行喂料性能評(píng)價(jià)、采用合理的模具設(shè)計(jì)、高效的脫脂工藝都對(duì)最終產(chǎn)品的性能具有至關(guān)重要的作用。但 TiC基金屬陶瓷的注射成形是一個(gè)系統(tǒng)工程，只有在各環(huán)節(jié)科學(xué)選擇、各環(huán)節(jié)之間有效配合，才能制備出高質(zhì)量的TiC基金屬陶瓷手表外觀件。

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作者簡(jiǎn)介：靳磊（1982-），男，湖北隨州人，碩士，工程師，主要從事硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、特殊不銹鋼等的粉末冶金研究工作。

*為通訊作者。