CN101564809B - 一种包覆结构金属零部件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包覆结构金属零部件的制备方法，将铁粉、镍粉、铬粉混合均匀后与粘结剂混合制粒；采用粉末共注射成形技术，先注射成形壳层部分，再注射成形芯层部分，两次注射成形的喂料不同；注射成形坯经脱脂和烧结后，得到制品。本发明是一种通过测定烧结应变速率差异，提供共烧结相容性基本判定标准；通过测定不同喂料粘度差异，提供共注射相容性基本判定标准，从而确定制备包覆结构金属零部件工艺相容性判定标准。
Description
技术领域
本发明涉及一种包覆结构金属零部件的制备方法。
背景技术
随着科技进步和创新速度的加快，在国防和国民经济建设中应用的复杂系统日益增多，涉及的许多的关键金属零部件除了要求形状复杂、性能高，还要求零件由多种材料复合制备，尤其是具有包覆结构的零部件。包覆结构的零部件表层和芯层由不同的材料组成，表层和芯层具有不同功能，如表层高硬度而芯层高韧性、表层具有磁性而芯层无磁性、表层高热导率而芯层低热膨胀系数等。制备包覆结构的零部件通常采用涂层或表面处理。涂层零部件的涂层和基体的结合强度较低(通常低于30MPa)，而且涂层很薄，在冲击载荷下容易破碎剥离。表面处理工艺时间长、能量消耗大、污染环境；且表层很薄，苛刻条件下易被机械或化学作用磨损或腐蚀掉而报废。
近年研究发现通过采用粉末共注射成形工艺能实现包覆结构零部件的制备。粉末共注射成形基本工艺过程是：将两种材料的粉末与有机粘结剂各自均匀混合，首先将一定量表层材料注入模腔内；然后立刻注入芯层材料，迫使表层材料完全充满模腔，使表层材料将芯层材料包围在中心，最后再次注射表层材料，以便在浇口处将表面层补充完整，可以得到表层/芯层具有不同材料及功能的结构，再将成形坯中的粘结剂脱除，经烧结致密化得到最终产品。共注射成形工艺技术可以实现复杂形状、高性能的功能结构一体化零件的净成形和大批量生产，在注射过程中一步完成涂层、表面处理等其他方法需要二次加工的过程，从而大大降低了零部件制备的成本。
采用共注射成形工艺制备的包覆结构金属零部件具有三个其他方法无法比拟的优势。(1)、表层性能灵活可调：通过对表层材料中添加合金元素，可以使其功能灵活性远超过其他表面处理方法；(2)、芯壳层厚度任意可调：通过调整芯壳层相对含量，可以调整壳层材料的厚度，从而避免了涂层或表面处理层很薄容易出现的在冲击载荷下破碎剥离问题；(3)、界面结合强度高，可以实现完全的冶金结合(通常达到几百兆帕)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供粉末共成形和共烧结工艺相容性基本判定标准。
为了解决上述技术问题，本发明提供的包覆结构金属零部件的制备方法：将铁粉、镍粉、铬粉混合均匀后与粘结剂混合制粒；采用粉末共注射成形技术，先注射成形壳层部分，再注射成形芯层部分，两次注射成形的喂料不同；注射成形坯经脱脂和烧结后，得到制品，其步骤是：
(1)、内芯层原料粉末为Fe-2Ni混合粉，壳层的原料粉末为按重量计，取Fe粉97％、96％或95％、Ni粉2％以及Cr粉1％、2％或3％；两种喂料均采用油-石蜡-聚烯烃粘结剂体系，其配方为按重量百分比，取聚乙二醇10-40％、植物油5-20％、聚乙烯15-30％、增塑剂1-10％，石蜡15-54％；芯壳层喂料粘结剂与原料粉末分别按体积38～60∶62～40配合；通过毛细管流变仪测量不同配比下的粘度比；粘结剂与原料粉末混合均匀后，用制粒机对喂料制粒；共注射成形的工艺参数：以注射温度135℃～155℃，注射压力80MPa～100MPa，注射速度50％～65％，模温30℃～60℃条件下，加工成坯件，得到所需形状的无缺陷注射生坯，从中剖开得到不出现前沿突破的临界判定标准。
(2)、成形坯脱脂：采用两步脱脂法将成形坯中粘结剂脱除，首先将坯件置于二氯甲烷中，溶解石蜡和植物油组分；然后在氩气气氛下，以10℃/min速度加热至300℃，然后以15℃/min的速度加热至720℃进行热脱脂；烧结在真空烧结炉内进行，真空度为10-1Pa，采用两种升温速率：慢升温速率4℃/min至525℃，快升温速率10℃/min至烧结温度1050℃～1350℃，保温3～5h，最后随炉冷却至室温。采用热膨胀仪测量不同成分的烧结收缩曲线，得到应变速率，进而得到不出现烧结界面开裂的临界判定标准。
采用上述技术方案的包覆结构金属零部件的制备方法，采用了Fe2Ni为芯层，添加合金元素Cr的Fe2Ni为壳层，通过Cr含量调整，芯壳层实现冶金结合，通过测定烧结应变速率差异，提供共烧结相容性基本判定标准；通过测定不同喂料粘度差异，提供共注射结相容性基本判定标准。
发明的效果或特点：
1、本发明在结构设计方面解决芯/壳层结合强度的问题，实现了高界面结合强度和芯壳层不同功能的复合。
2、解决共注射和共烧结相容性，不出现前沿突破和烧结界面开裂；实现近净成形。
附图说明
图1是表层材料注入模腔内示意图；
图2是芯层材料注入模腔内示意图；
图3是再次注射表层材料示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细介绍本发明。
a、原料粉末的准备：齿轮壳层原料粉末的配制，按重量百分比，取铁粉97、96、95％、Ni粉2％、Cr粉1、2、3％；齿轮芯层原料粉末的配制，按重量百分比，取铁粉98％、Ni粉2％，置四罐混料器，将粉末原料混合均匀；
b、粘结剂的制备：按重量百分比，取聚乙二醇10-40％、植物油5-20％、聚乙烯15-30％、增塑剂1-10％，石蜡15-54％，置叶片式混料机中，在140℃-160℃温度下混合1小时；
c、配料：将粘结剂分别与已混匀的Fe-2Ni原料粉末和Fe-2Ni-1、2、3Cr原料粉末，芯壳层分别按体积比38～60∶62～40，在混料机中于140℃～160℃温度下混合1.5h；
d、注射成形：参见图1、图2和图3，采用顺序共注射方法，将上述混料置于注射成形机内，以注射温度135℃～155℃，注射压力80MPa～100MPa，注射速度50～65％，模温30℃～60℃条件下，加工成坯件，从中剖开得到不出现前沿突破的临界判定标准；
e、脱脂：首先将坯件置于二氯甲烷中，溶解石蜡和植物油组分；然后在氩气气氛中，以10℃/min速度加热至300℃，然后以15℃/min的速度加热至720℃进行热脱脂；
f、烧结：在真空烧结炉内进行，真空度为10-1Pa，采用两种升温速率：慢升温速率4℃/min至525℃，快升温速率10℃/min至烧结温度1050℃～1350℃，保温3～5h，最后随炉冷却至室温，内芯层原料粉末为Fe-2Ni混合粉，而壳层的原料粉末为Fe-2Ni-1、2、3Cr混合粉；采用热膨胀仪测量不同成分的烧结收缩曲线，得到应变速率，进而得到不出现烧结界面开裂的临界判定标准。
本发明的创新点：
(1)、设计创新：将共注射工艺用于金属粉末的注射成形过程，提供一种包覆结构金属零部件的制备方法。
(2)、工艺创新：采用粉末共注射成形技术，先注射成形内核部分，再注射成形外层，两次注射成形的喂料不同。本发明采用了Fe2Ni为芯层，添加合金元素Cr的Fe2Ni为壳层，通过Cr含量调整，芯壳层实现冶金结合，通过测定烧结应变速率差异，提供共烧结相容性基本判定标准；通过测定不同喂料粘度差异，提供共注射相容性基本判定标准。
Claims (1)
1.一种包覆结构金属零部件的制备方法，将铁粉、镍粉、铬粉混合均匀后与粘结剂混合制粒；采用粉末共注射成形技术，先注射成形壳层部分，再注射成形芯层部分，两次注射成形的喂料不同；注射成形坯经脱脂和烧结后，得到制品，其步骤如下：
(1)、内芯层原料粉末为Fe-2Ni混合粉，壳层的原料粉末为按重量计，取Fe粉97％、96％或95％、Ni粉2％以及Cr粉1％、2％或3％；两种喂料均采用油-石蜡-聚烯烃粘结剂体系，其配方为按重量百分比，取聚乙二醇10-40％、植物油5-20％、聚乙烯15-30％、增塑剂1-10％，石蜡15-54％；芯壳层喂料粘结剂与原料粉末分别按体积38～60∶62～40配合；通过毛细管流变仪测量不同配比下的芯壳层喂料的粘度比；粘结剂与原料粉末混合均匀后，用制粒机对喂料制粒；共注射成形的工艺参数：以注射温度135℃～155℃，注射压力80MPa～100MPa，注射速度50％～65％，模温30℃～60℃条件下，加工成坯件，得到所需形状的无缺陷注射生坯，从中剖开得到不出现前沿突破的临界判定标准；
(2)、成形坯脱脂：采用两步脱脂法将成形坯中粘结剂脱除，首先将坯件置于二氯甲烷中，溶解石蜡和植物油组分；然后在氩气气氛下，以10℃/mi n速度加热至300℃，然后以15℃/mi n的速度加热至720℃进行热脱脂；烧结在真空烧结炉内进行，真空度为10-1Pa，采用两种升温速率：慢升温速率4℃/min至525℃，快升温速率10℃/min至烧结温度1050℃～1350℃，保温3～5h，最后随炉冷却至室温，内芯层原料粉末为Fe-2Ni混合粉，而壳层的原料粉末为按重量计，取Fe粉97％、96％或95％、Ni粉2％以及Cr粉1％、2％或3％；采用热膨胀仪测量不同成分的烧结收缩曲线，得到应变速率，进而得到不出现烧结界面开裂的临界判定标准。
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