CN101623760A

CN101623760A - 微注射成形技术在钨基合金产品制备上的应用及钨基合金粉末微注射成形方法

Info

Publication number: CN101623760A
Application number: CN200910112302A
Authority: CN
Inventors: 胡业奇; 龚晓叁; 易际明; 葛晓宏; 周水庭; 肖平安
Original assignee: Xiamen University of Technology
Current assignee: Xiamen Boxing new Mstar Technology Ltd
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2029-07-24
Also published as: CN101623760B

Abstract

本发明公开了一种将微注射成形技术在钨基合金产品制备上的应用，可以制备出质量小于0.5克，相对密度大于96％的微型钨基合金零件。本发明还公开了一种钨基合金粉末微注射成形方法，它包括以下混合、混炼、制粒、注射成形、生坯脱脂、烧结等步骤。该方法的粘接剂由石蜡、聚乙烯、表面改性剂等组成，改性剂由硬脂酸和有机萘按一定比例组成，此粘结剂在高剪切速率下粘度会急剧降低，这样会有利于充型。本方法采用溶剂脱脂+热脱脂两步脱脂工艺，第一步溶剂脱脂可脱掉低熔点的石蜡和部分表面改性剂，第二步热脱脂主要可脱掉高熔点的聚合物，所采用的高温保温可使粘结剂去除干净，并使得脱脂后的生坯初步烧结，提高生坯强度，保证生坯的保形性。

Description

微注射成形技术在钨基合金产品制备上的应用及钨基合金粉末微注射成形方法

技术领域

本发明涉及一种微注射成形技术的应用及生产微型钨基合金产品的方法，特别是涉及一种微注射成形技术在钨基合金产品制备上的应用及钨基合金粉末微注射成形方法。

背景技术

随着各行各业的某些产品微型化，零部件也向着微型化的方向发展，例如各种微小电子产品、微型通讯设备等等，可以说微型机械已经渗透到国防、航空航天、生物医学、环境监控、汽车等等多种领域之中。微零件一般是重量小于0.5克的零件，目前的微零件多数采用铁基合金、不锈钢或塑料等材料。但由于这些材料质地较软、耐磨性不好，作为一般产品的零部件可以使用，但作为要求硬度较高、耐磨要求较高的零件来说，则通常不能胜任。例如用来加工微零件的微型电极或微型冲头等微型工具，就要求高硬度的材料。

另一方面，以钨为主要原材料的钨基高比重合金(如W-Ni-Fe，W-Ni-Cu，W-Cu等)、钨基化合物及其复合材料(如WC-Co硬质合金)以及其他含钨的钨基合金具有高强度、高密度、高红硬性、低膨胀系数以及极佳的耐磨耗性、而腐蚀性等独特的性能优势，因此在尖端科学领域、国防工业和民用工业中，不管是作为结构材料还是作为功能材料，得到了非常广泛的应用。WC-Co硬质合金更是被誉为现代工业的“牙齿”，在金属加工用刀具、采矿、石化、勘探、冶金和电力等领域有广泛的应用潜力。利用钨基合金的高比重性，可以应用于手机震子，配重块、动能器械等；利用它的高熔点可以做为高温材料。

钨基高比重合金的高熔点决定它使用粉末冶金(P/M)方法制备零件的唯一性和必然性。通常采用两种方法制造钨基合金零件，一种使用常规的压制-烧结法，但由于采用该工艺制备的产品外形复杂程度有限，再加上由于钨基合金硬度高、脆性大、导电性差，后续加工困难，加工手段极为有限且成本高昂，这就使钨基高比重合金的广泛使用设置了障碍。另一种是采用新的金属粉末注射成形方法(MetalPowder Injection Molding，MIM)，其是常规粉末冶金工艺与现代塑料注射成形工艺相结合而形成的一门新型近净成形(Near-Net-Shape)技术，具有常规粉末冶金和机床加工方法无法比拟的优越性，特别是在制造外部切槽、外螺纹锥形外交面、交叉孔、盲孔、凹台、键槽、加强板、表面滚花等形状复杂的零部件方面优势明显。同时该技术制造的产品有组织均匀、性能各向同性和尺寸精度高等优点。与传统方法相比，MIM的生产成本低、物料利用率高、产品可大批、中批、小批量生产，生产方式机动灵活，能带来很好的经济效益，被称为“第五代”金属成形方法。一般来说MIM工艺流程为：金属粉末+粘结剂→混喂料→造粒→注射成形→脱脂预烧→烧结→成品。

MIM技术在很多方面得到广泛的应用，主要集中在变截面穿甲弹弹芯、散弹、高尔夫球头、手机振子、手表平衡摆锤、捕鱼用的鱼坠、电器、电子行业中的电子封装件等结构简单的零部件，用以替代常规的P/M工艺，提高生产率和原材料的利用率、降低成本。而在钨基高比重合金占主要市场和利润的硬质合金刀具、微型钻头、微型冲头、手表壳、表带、离心器、各种泵用零部件、活塞、纺织机械用的导线器、高压喷嘴、锯齿链等方面则依然采用常规的压制-烧结工艺，继而后续加工。因此，类似产品在价格上居高不下，而后续加工的相关技术报道极少，垄断在欧美日少数几家公司手中，国内在这些方面处于被动。究其原因，是由于上述零部件结构更加复杂，几何形状更加精微，微结构和微尺寸较多，利用MIM成形困难。

借鉴其他材料加工技术，特别是塑料加工技术，是MIM技术发展的一种重要趋势。塑料微注射成形技术，是生产具有微结构的常规零件和微小零件的一种重要方法和工艺。借鉴于塑料的微注射成形技术，各国的研究人员开始研究粉末微注射成形技术(uMIM)。

uMIM技术的出现，为钨基高比重合金产品的研制提供了契机。目前关于uMIM技术的研究，多数集中在不锈钢、铁基合金上，例如申请号为200610011893.5的中国发明专利即分开了一种“Fe-Ni软磁合金的微注射成形方法”。在uMIM钨基高比重合金产品上，尚未有类似的报道，属于国际前沿课题，具有非常重要的学术研究价值，其相关问题的解决，不仅对钨基高比重合金产品制备技术的发展有重大的推动作用，而且其研究成果可以直接推广应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种微注射成形技术在钨基合金产品制备上的应用。

本发明所要解决的技术问题在于提供一种钨基合金粉末利用微注射成形技术制备产品的方法，采用这种方法易于充型，且生坯强度高、保形性好。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

本发明将微注射成形技术应用在钨基合金产品制备上，利用微注射成形技术可以制备出质量小于0.5克，相对密度大于96％的微型钨基合金零件。

利用上述应用，本发明提供一种钨基合金粉末微注射成形方法，包括以下步骤：

(1)混合：将钨基合金各组分粉末通过球磨混合均匀，根据不同球磨机，分别球磨1-12小时；

(2)混炼：先将粘结剂加入密炼机或捏合机型腔中加热熔化，再分批加入混合均匀的钨基合金粉末至所需装载量，钨基合金粉末装载量以体积比为45％～60％，在100～180度温度下混炼1～2小时；其中粘结剂成分为，质量比：石蜡42～52％，聚乙烯42～52％，表面改性剂2％～8％；

(3)制粒步骤：将混炼好的喂料经三次片状、四次小圆柱状制粒，使料进一步均匀，得到适合于注射成形的粒状喂料；

(4)注射成形：在注射成形机上安装微注射成形模具注射成形，其中注射温度为120～180度，注射压力为100～150MPa，注射时模具温度为40～80度，脱模温度为30～60度，得到所需形状的无缺陷钨基合金微注射成形生坯；

(5)生坯脱脂：采用二步脱脂工艺，即溶剂脱脂+热脱脂；先在正庚烷溶剂中对生坯进行1～6小时脱脂；再进行热脱脂，热脱脂分别采用H₂或真空气氛，加温曲线为：以每分钟2～4度的速率加热从室温到300～500度，并保温1～3小时，再以1～2度的温度加热到700～800度，并保温2～4小时；

(6)烧结：将脱脂后生坯在炉内气压小于40Pa的真空炉中进行烧结，烧结温度为1350℃～1450℃，并在烧结温度下保温40～120min，最后得到微型钨基合金零件。

所述钨基合金各组分根据所制造的零件不同采用W-Ni-Fe，W-Ni-Cu，W-Cu，WC-Co等。

所述表面改性剂由硬脂酸和有机萘按一定比例组成。

所述的粘结剂制备方法为：根据所选定粘结剂体系各成分组元的质量百分比配料，在加热混合装置中加热混炼均匀，加热温度为100～180℃。

采用上述方案后，本发明首先提供：将微注射成形技术应用到钨基合金产品制备上，使制造微型钨基合金零件成为可以。同时，本发明提出一种钨基合金粉末微注射成形方法，该方法应用微注射成形技术可以制造出质量小于0.5克，相对密度大于96％的微型钨基合金零件。

采用本发明所述钨基合金粉末微注射成形方法，具有下述优点：

1、本发明采用粘接剂由石蜡、聚乙烯、表面改性剂等组成，表面改性剂由硬脂酸和有机萘按一定比例组成，这种表面改性剂比常规的表面活性剂能降低粘结剂与粉末的润湿角，增加与粉末的结合力，降低注射过程中的两相分离。另外，由于这种表面改性剂的存在，粘结剂在高剪切速率下粘度会急剧降低，这样会有利于充型，即使在微注射成形模具内同样可保证充模充分。另外，由于有机萘的高挥发性，使这种粘结剂有利于快速脱脂，并降低有机物中所含碳元素对合金的污染。

2、本发明采用溶剂脱脂+热脱脂两步脱脂工艺，第一步溶剂脱脂可脱掉低熔点的石蜡和部分表面改性剂，第二步热脱脂主要可脱掉高熔点的聚合物，所采用的高温保温可使粘结剂去除干净，并使得脱脂后的生坯初步烧结，提高生坯强度，保证了生坯的保形性。

具体实施方式

本发明将微注射成形技术应用在钨基合金产品制备上，可以制造出质量小于0.5克，相对密度大于96％的微型钨基合金零件。而制造这种微型钨基合金零件所采用的钨基合金粉末微注射成形方法包括下述步骤：

(1)混合：将钨基合金各组分粉末通过球磨混合均匀，根据不同球磨机，分别球磨1-12小时。其中钨基合金各组分根据所制造的零件不同可以采用W-Ni-Fe，W-Ni-Cu，W-Cu，WC-Co等。

(2)混炼：所用设备为密炼机或捏合机，先将粘结剂加入密炼机型腔中加热熔化，再分批加入混合均匀的钨基合金粉末至所需装载量，钨基合金粉末装载量以体积比为45％～60％，在适当温度(100～180度)下混炼一段时间(1～2小时)。其中粘结剂成分为，质量比：石蜡42～52％，聚乙烯42～52％，表面改性剂2％～8％，而表面改性剂由硬脂酸和有机萘按一定比例组成。根据所选定粘结剂体系各成分组元的质量百分比配料，在加热混合装置中加热混炼均匀，加热温度为100-180℃。这种粘结剂在高剪切速率下粘度会急剧降低，这样会有利于后续注射成形的充型；另外，有利于脱脂和降低对材料成分的污染。

(3)制粒：将混炼好的喂料经三次片状、四次小圆柱状制粒，使料进一步均匀，得到适合于注射成形的粒状喂料。如果不进行大批量生产，而只是小批量或者只是在实验中，则不需此步骤。

(4)注射成形：在注射成形机上安装微注射成形模具注射成形，其中注射温度为120～180度，注射压力为100～150MPa，注射时模具温度为40～80度，脱模温度为30～60度，得到所需形状的无缺陷钨基合金微注射成形生坯。

(5)生坯脱脂：采用二步脱脂工艺，即溶剂脱脂+热脱脂。溶剂选用正庚烷(1～6小时)；热脱脂分别采用H₂或真空气氛，加温曲线为：以每分钟2～4度的速率加热从室温到300～500度，并保温1～3小时；再以1～2度的温度加热到700～800度，并保温2～4小时。第一步溶剂脱脂主要是脱掉低熔点的石蜡和部分表面改性剂；第二步热脱脂主要是高熔点的聚合物，高温保温主要是使粘结剂去除干净，并使得脱脂后的生坯初步烧结，提高生坯强度，保证生坯的保形性。

(6)烧结：将脱脂后生坯在炉内气压小于40Pa的真空炉中进行烧结，烧结温度为1350℃～1450℃，并在烧结温度下保温40～120min。最后得到微型钨基合金零件。

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

1、实施例1：

将94wt％W、4wt％Cu、2wt％Ni在行星球磨机上混料1小时，粘结剂为：44wt％石蜡、48wt％聚乙烯、8wt％表面改性剂。在捏合机上，160度混炼1小时，再制粒，然后注射成形，注射压力100MPa，模温60度，注射温度为140度，模温降至35度时脱模。在正庚烷溶剂中脱脂4小时，再在脱脂炉热脱脂，采用H₂气氛，加温曲线为：以每分钟3度的速率加热从室温到400度，并保温1小时；再以2度的温度加热到800度，并保温2小时。在炉内气压10Pa的真空炉中进行烧结，烧结温度为1450℃并在烧结温度下保温80min。最后得到微型94wt％W、4wt％Cu、2wt％Ni合金零件。

2、实施例2：

将92wt％WC、8wt％Co在行星球磨机上混料2小时，粘结剂为：46wt％石蜡、48wt％聚乙烯、6wt％表面改性剂。在捏合机上，160度混炼1小时，再制粒，注射成形(注射压力140MPa，模温60度，注射温度为150度)，模温降至40度时脱模。在正庚烷溶剂中脱脂5小时，再在脱脂炉热脱脂，采用H₂气氛，加温曲线为：以每分钟3度的速率加热从室温到300度，并保温1小时；再以2度的温度加热到800度，并保温2小时。在炉内气压1Pa的真空炉中进行烧结，烧结温度为1450℃并在烧结温度下保温120min。最后得到微型92wt％WC、8wt％Co合金零件。

3、实施例3：

将90wt％WC、10wt％Co在行星球磨机上混料2小时，粘结剂为：45wt％石蜡、48wt％聚乙烯、7wt％表面改性剂。在捏合机上，160度混炼1小时，再制粒，注射成形(注射压力120MPa，模温60度，注射温度为145度)，模温降至35度时脱模。在正庚烷溶剂中脱脂5小时，再在脱脂炉热脱脂，采用H₂气氛，加温曲线为：以每分钟3度的速率加热从室温到300度，在保温1小时；再以2度的温度加热到780度，并保温2小时。在炉内气压1Pa的真空炉中进行烧结，烧结温度为1420℃并在烧结温度下保温90min。最后得到微型90wt％WC、10wt％Co合金零件。

Claims

1、微注射成形技术在钨基合金产品制备上的应用，利用微注射成形技术可以制备出质量小于0.5克，相对密度大于96％的微型钨基合金零件。

2、一种钨基合金粉末微注射成形方法，其特征在于它包括以下步骤：

混合：将钨基合金各组分粉末通过球磨混合均匀，根据不同球磨机，分别球磨1-12小时；

混炼：先将粘结剂加入密炼机或捏合机型腔中加热熔化，再分批加入混合均匀的钨基合金粉末至所需装载量，钨基合金粉末装载量以体积比为45％～60％，在100～180度温度下混炼1～2小时；其中粘结剂成分为，质量比：石蜡42～52％，聚乙烯42～52％，表面改性剂2％～8％；

注射成形：在注射成形机上安装微注射成形模具注射成形，其中注射温度为120～180度，注射压力为100～150MPa，注射时模具温度为40～80度，脱模温度为30～60度，得到所需形状的无缺陷钨基合金微注射成形生坯；

生坯脱脂：采用二步脱脂工艺，即溶剂脱脂+热脱脂；先在正庚烷溶剂中对生坯进行1～6小时脱脂；再进行热脱脂，热脱脂分别采用H₂或真空气氛，加温曲线为：以每分钟2～4度的速率加热从室温到300～500度，并保温1～3小时，再以1～2度的温度加热到700～800度，并保温2～4小时；

烧结：将脱脂后生坯在炉内气压小于40Pa的真空炉中进行烧结，烧结温度为1350℃～1450℃，并在烧结温度下保温40～120min，最后得到微型钨基合金零件。

3、根据权利要求2所述的钨基合金粉末微注射成形方法，其特征在于：为适应工厂大指生产，在混炼之后注射成形步骤之前增加一制粒步骤：将混炼好的喂料经三次片状、四次小圆柱状制粒，使料进一步均匀，得到适合于注射成形的粒状喂料。

4、根据权利要求2或3所述的钨基合金粉末微注射成形方法，其特征在于：所述混合步骤中，钨基合金各组分根据所制造的零件不同采用W-Ni-Fe，W-Ni-Cu，W-Cu，WC-Co等。

5、根据权利要求2或3所述的钨基合金粉末微注射成形方法，其特征在于：所述表面改性剂由硬脂酸和有机萘按一定比例组成。

6、根据权利要求5所述的钨基合金粉末微注射成形方法，其特征在于：所述的粘结剂制备方法为：根据所选定粘结剂体系各成分组元的质量百分比配料，在加热混合装置中加热混炼均匀，加热温度为100～180℃。