钨合金注射成形技术发展存在的问题

但是,由于PIM中采用了大量的有机黏结剂,有机黏结剂的体积百分比含量在40%-60%。在烧结前这些有机黏结剂必须被脱除干净。否则会产生许多缺陷,对烧结产品的性能有很大的影响。尤其是对于注射成形工艺情况更是如此,这主要是因为:
第一,由于粉末粒度细、形状不规则,呈团聚状,粉末比表面大,所需润湿粉末的黏结剂含量更多,粉末体积含量(即粉末装载量)更低,只有45%~55%左右。黏结剂在粉末表面和粉末内孔中形成很厚的吸附层,黏结剂的脱除更为复杂和困难。不正确的脱脂导致的开裂难以通过其后的烧结致密化弥补,这对于性能对孔隙与裂纹非常敏感的高密度钨合金非常不利;粉末装载量低,脱脂过程中易于产生翘曲,易于产生变形;在液相烧结时收缩过大,变形更为严重,使得尺寸精度控制和物理力学性能的稳定十分困难。
第二,高密度钨合金的性能对杂质和显微组织非常敏感,孔隙和孔隙度很重要。—方面脱除过程中产生的大孔隙等缺陷难以通过烧结弥补,大的孔隙和高的残余孔隙度(孔隙度>1.0%)对性能非常有害。另一方面,高密度合金对于碳元素非常敏感。脱脂过程中黏结剂的脱除不完全,即使只剩下少量残留的碳元素也会导致铜与钨、镍、铁反应,形成脆性金属间化合物,从而降低合金的强度、延性和冲击韧性。
这几个方面的因素严重地制约着PIM技术在高密度合金中的应用与发展。目前国内外采用粉末注射成形技术只能制备形状相对较复杂、厚度(或直径)较小的(10mm)的零部件。对于截面变化大、直径很大、环厚度和宽度都很小的大尺寸变化的大钨环散弹和直径较大的钨合金穿甲弹弹芯(大于20mm),采用目前的粉末注射成形技术制备非常困难,国内外均未见专利和文献资料报道。
高质量的注射坯是获得具有高的尺寸精度和高性能的零部件的一个很关键的因素。注射工艺不稳定、注射坯内产生的缺陷严重影响尺寸精度的控制和性能。而注射工艺的稳定性直接取决于黏结剂,因而在研究开发高密度钨合金的近净成形技术中,黏结剂、注射、脱脂是几个重要的研究方面。


高密度钨合金


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钨合金的注射成形技术-脱氧与烧结

黏结剂与脱脂是联系在一起的,黏结剂决定了脱脂方式。脱脂方式包括传统的热脱脂、溶剂脱脂、虹吸脱脂、BASF催化脱脂。溶剂脱脂又包括Wiech发明的溶剂蒸气脱脂和高压脱脂。脱脂工艺所引起的C含量变化对钨合金性能有很大的影响。脱脂的成功与否要从脱脂变形、开裂、尺寸变化、脱脂时间、环境因素、成本的高低等方面来考虑。

几种脱脂方式各有自己的不足。黏结剂与脱脂的选择应根据经济性、无环境污染性、钨合金成分和零部件的厚度而定。尽管有许多黏结剂与脱脂方式,但由于蜡基黏结剂具有许多优点,实践中仍以蜡基黏结剂和热脱脂为主。  

热脱脂是PIM中最困难和最重要的步骤。脱脂过程中不正确的脱脂工艺方式和脱脂参数导致变形、开裂、应力和气体夹杂,使产品收缩不一致。脱脂对其后的烧结也很重要,在脱脂过程中产生的裂纹和变形不能通过烧结弥补,对合金的致密化和性能有害。热脱脂温度过高,易产生碳化,对钨合金的性能有很大影响。因此,脱脂工艺选择的正确与否会对样品内部缺陷产生和合金性能有很大的影响。PIM喂料中由于含有大量的黏结剂,脱脂后毛坯的强度极低,几乎为松散的粉末聚集体。因此,在烧结过程中收缩很大,易于发生坍塌、变形与弯曲。尤其对于液相烧结的高密度钨合金来说,达到全致密化所需的烧结温度高,液相量多,烧结时间长,钨相与液相的密度相差很大,在液相烧结过程中,在重力的作用下,因液相的黏性流动W颗粒产生重排,坍塌与变形更为严重,严重影响组织均匀性、钨合金性能和尺寸精度的控制,限制了复杂零件的近净形成形。因此,在整个注射成形技术中,如何控制液相烧结过程的变形乃是PIM中需要解决的关键问题。降低烧结温度和促进烧结致密化可控制液相烧结过程中的变形。

高密度钨合金飞镖


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影响钨合金注射成形的因素

钨合金粉末注射成形(PIM)的成功与否,主要从以下两个方面来衡量:①产品质量(包括尺寸精度和材料性能的稳定);②PIM黏结剂与环境的相容性。PIM技术虽然已经经过了几十年的发展,但是由于PIM采用了大量的有机黏结剂和细小的粉末,与传统P/M工艺相比,其工艺要复杂得多。PIM中仍存在一些问题,如最终烧结产品的尺寸精度控制,脱脂过程中产生的孔隙与裂纹,液相烧结过程中产生的坍塌、变形与弯曲,注射过程中的非均匀流动性以及烧结过程中的非均匀收缩等。其中,产品尺寸精度和物理性能的控制一直未得到充分解决,尤其对高密度合金而言更是如此。高密度合金的性能对杂质和显微组织非常敏感,孔隙和孔隙度很重要。一方面,脱除过程中产生的大孔隙等缺陷难以通过烧结弥补,大的孔隙和高的残余孔隙度(孔隙度>1.O%)对性能非常有害;另一方面,液相烧结过程中的坍塌变形导致复杂形状的零件难以近净形成形。所有这些,都严重限制和阻碍了PIM的发展。究其原因,这主要与PIM工艺有关。

从粉末、黏结剂、喂料、注射成形到脱脂和烧结,都影响到PIM工艺的发展与产品的质量。如果不采用适当的工艺控制,毛坯重量的偏差可达到±l0%,引起烧结收缩的不均匀和最终尺寸的不一致。每个工艺环节都是一环紧扣一环,上一环节中所出现的问题不能由下一个工序来弥补。粉末因素、黏结剂和脱脂与烧结是影响PIM的关键因素。对高密度合金的注射成形来说,脱脂与烧结更为重要。

粉末因素:粉末因素是影响PIM的重要因素,粉末影响到喂料的性能、脱脂的快慢和脱脂过程中的变形与烧结行为。

粘结剂与喂料性能

注射坯的质量高是获得高尺寸精度零部件的一个很关键的因素,注射坯的质量好坏,取决于许多因素如黏结剂与喂料的性能等。

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钨合金注射成形技术粉末注射成形产品可能的缺陷及其控制

PIM产品可能的缺陷基本上是在注射成形步骤中形成,如裂纹、孔隙、焊缝、分层、粉末与黏结剂分离现象等,但这些缺陷经常是在直至脱脂和烧结后由于注射时产生的应力被释放后才能发现,因此,注射成形工艺的控制对提高钨合金粉末产品成品率和钨合金粉末材料利用率非常关键。注射成形的目的是获得所需形状的无缺陷成形坯,注射缺陷在后续工艺中不可消除,因而这个步骤要严格控制,在工业发达国家目前正逐步开始采用超声检测技术反映注射成形坯的内部缺陷并采用先进的实验手段予以消除。虽然注射产生缺陷的原因已经查明,但是大多数情况下注射阶段的缺陷控制主要还是凭经验操作。随着科学技术的进步,采用计算机模拟喂料的注射充模过程,并将其与喂料性能等相联系,优化注射条件参数,是未来的发展趋势。

注射成形时的缺陷控制问题基本上可以分为两个方面,一方面是成形温度、压力、时问三者函数关系的设定;另一方面则是填充时喂料在模腔中的流动。因为PIM产品大多数是形状复杂、精度要求高的小尺寸零件,喂料在模腔中的流动就牵涉到模具设计问题,包括进料口的位置、流道的长短、排气孔的设置等,这些都需要对喂料流变性质、模腔内温度和残余应力分布有清楚的了解。计算机模拟技术在粉末注射成形模具设计方面将可发挥重要的作用。

同时,产品和模具设计是注射成形的关键问题之一。尽管现在生产的产品重量可从0. 003g到17kg,而且在改进精度方面已取得了重要进步,然而大多数设计特别是模具设计是凭经验,缺乏可靠的设计知识,CAD系统难以很好地应用于PIM,现已运用塑料模具的原理逐步将MIM模具标准化,随着经验的积累,模具设计和制作的时间将会大大减少,也将会更多地使用多模腔模具以提高注射效率。MIM现在并不需要使用特殊的注射机,将普通的注塑机稍加以改进即可,对于许多产品的注射成形现已实现自动化,但是目前超小型零件的注射成形仍然是个问题。


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钨合金粉末注射成形技术在难熔钨合金与硬质合金中的发展和应用前景

以钨为主要原材料的钨合金和硬质合金在许多应用方面具有很独特的性能优势,是国防军工、航空航天、金属加工、矿山开采、石油钻探等工业不可缺少的材料。随着现代国防、航空航天和电子加工业、交通行业等民用行业的发展,钨合金和硬质合金正在获得越来越广泛的应用,而现代技术的发展对合金零部件形状复杂程度要求越来越高和制造成本降低,如近年来硬质合金在手表壳、高压喷嘴、锯齿链等耐磨性零件中得到了广泛的应用,钨合金在变截面的穿甲弹弹芯、散弹、高尔夫球头、手机振子、鱼坠等方面也正在获得越来越广泛的应用,这些零部件往往形状比较复杂,通常有孔、槽、变截面等特点,这就要求钨合金和硬质合金零部件向高的三维形状设计自由度发展。PIM工艺在难熔钨合金和硬质合金方面的应用优势主要体现在以下几个方面:
(1)钨合金和硬质合金的熔点高,只能采用粉末冶金方法制备,这一点决定了它用粉末混合方法制备零部件的唯一性与必然性。
(2)难熔钨合金和硬质合金的硬度高、脆性大、导电性差,切削加工困难,形状复杂程度的提高会使得传统P/M产品的切削加工成本大大增加。
(3)采用传统P/M方法制备硬质合金和钨合金零件在形状上受到限制,不能很好地满足形状复杂性的要求。
(4) PIM技术具有很大的三维形状设计自由度。
(5) PIM产品的原材料利用率高,这一点对于原材料越来越贵的钨合金和硬质合金非常重要。
(6)钨是一种战略性物资,而且钨资源越来越有限,为了充分利用钨资源和充分利用原材料,开展钨制品的深度加工技术具有很广阔的发展应用前景。
由此可见,PIM技术用来制备钨合金和硬质合金制品具有其他材料无可比拟的优势,无论在军工、航空航天还是在民用各行业都具有很广阔的发展空间。

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