鎢銅粉末注射成型——關鍵技術

鎢銅粉末注射成型技術(Metal Injection Molding,MIM)是在傳統粉末冶金(Powder Metallurgy,PM)技術基礎上結合塑膠成型工藝結合而發展形成的一種新型近淨(Near Net Shape)成型技術。它的出現使得傳統金屬粉末模壓成型工藝在產品形狀上的限制得到了突破,可適用於製備幾何形狀相對複雜、結構組織均勻、尺寸較小的高性能零件。MIM技術具有眾多優勢,如可一次成型,無須或只須少量後續加工,尺寸公差極小,批量零件的一致性高,注射料可反復使用,材料利用率高,生產成本相對較低,製品表面光潔度高在沒有後續加工的情況下依然可以可達到Ra3.2,燒結密度接近完全緻密,顯微組織均勻,生產靈活性高等等。從理論上說。鎢銅注射成型採用的是一定比例的高分子聚合物(粘結劑)與鎢銅粉末在一定條件下製成具有良好流動性的均勻混料,通過注射成型形成所需複雜形狀的零部件後,再經脫脂、燒結等工藝得到最終產品,而這其中所包含的成型粉末、粘結劑的選擇以及燒結參數的控制都是影響鎢銅粉末注射成型工藝的關鍵技術。

1.注射成型粉末:由於MIM工藝一般用於製備尺寸較小且幾何形狀結構相對複雜的零件,因此其對粉末原料的要求相比于傳統粉末冶金工藝要求較高,要求粉末粒度極細,這也是限制MIM技術推廣使用的最關鍵的因素之一。目前生產注射成型用的金屬粉末方法主要有水霧化法、氣霧化法以及羰基法。水霧法可以使粉末細化,效率高,適合大批量生產,是較為常見的工業方法。但是其粉末形狀大小不規則,使得其容易在粉末表面形成氧化膜,從而影響MIM零件的各項性能;氣霧化法所得到的粉末呈球狀,其表面氧化程度相比于水霧化法形成的粉末低,但是收集效率也較低;從粉末的特徵上看,羰基法所製備的粉末純度較高,粒度較細,但是其工藝方法受到一定的制約,如今僅在純鎳和純鐵中有所運用。

2.粘結劑:粘結劑參與了出燒結工藝以外的所有工序,而注射成型中任何上工序缺陷都無法從下工序中得到彌補或消除,因此其在鎢銅粉末注射成型中起到了關鍵的作用。總的來說,粘結劑的主要功能是增加粉末流動性以及保持產品的形狀,是粉末能夠在注射壓力的作用下良好地充填複雜形狀的模腔。從基體的種類上分,粘結劑可分為油基、聚合物基、石蠟基、熱固性粘結劑、凝膠粘結劑等等。理想的PIM粘結劑應具有粘度適中且波動下,冷卻後具有一定的剛性和強度,分量小,與金屬粉末有毛細作用力且粘合性良好、接觸角小,化學穩定性高、無毒安全、低熱膨脹係數、可反復使用等等優點。

3.脫脂燒結工藝:脫脂工藝其實就是在升溫或保溫階段對粘結劑進行逐步脫除,所以粘結劑的選用也決定了脫脂工藝方法。其脫脂的時間需要儘量縮短,並要保證脫脂後的生坯化學成分控制在許可範圍內。脫脂方法可大致分為熱脫脂與溶劑脫脂,熱脫脂還可分為氣氛熱脫脂、真空熱脫脂、虹吸脫脂和氧化脫脂,溶劑脫脂可分為進入脫脂、冷凝蒸汽脫脂和超臨界脫脂。在最後燒結工序中依靠熱處理,使粉末顆粒間發生流動、粘結以提高產品強度,燒結中的溫度、氣氛、升降溫速度等參數都對最終產品的精度及性能有一定的影響。

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