CN104559840A - 一种用于粉末注射成型的粘结剂及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于粉末注射成型的粘结剂及其制备方法，按质量百分比计算，粘结剂包括：5～10％的液体石蜡，5～15％的萘，15～20％的固体石蜡，10～20％的微晶蜡，15～20％的巴西棕榈蜡，15～30％的第一高分子聚合物，10～20％的第二高分子聚合物，1～5％的硬脂酸；其中，所述第一高分子聚合物和第二高分子聚合物选自如下四种的任两种：聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。上述粘结剂制备喂料后，经过注射生坯放入烧结炉，生坯在炉内热脱过程工艺为以2～5℃/min升温速率升温至600℃，可实现粘结剂完全脱除，然后再按烧结工艺升温进行烧结得到成品。本发明的粘结剂，其脱脂过程简单易控，脱脂效率较高，且脱脂过程不会对坯体质量造成影响，且清洁环保。

Description

一种用于粉末注射成型的粘结剂及其应用方法

【技术领域】

本发明涉及粉末注射成型领域，特别是涉及一种用于粉末注射成型的粘结剂及其应用方法。

【背景技术】

粉末注射成型技术是一种将金属或陶瓷粉末与粘结剂的混合料注射于模具型腔中的成形方法，它将成熟的现代聚合物注射成型豚粉末冶金技术完美结合在一起，具有一次能成型出复杂形状的工件、工件尺寸精度高、无需机械加工并且易于实现高效率自动化生产等长处，特别适用于大批量制造形状复杂、高精密度、高性能材质的小型机械零件，是一种先进的零部件加工工艺，尤其是最近几年来在通讯业及更多高科技行业得到广泛应用，已经成为一个快速发展的新工艺领域。

粉末注射成型技术得以实现的基础在于添加的粘结剂的性能，其中一个重要性能是脱除性能。由于粘结剂只是一个帮助实现成形的中间介质，因此需要在随后的工艺过程中能方便地将其去除。粘结剂的脱除是粉末注射成形技术的关键步骤，一方面脱脂技术本身会直接影响能否获得无缺陷、无变形优质脱脂坯，从而极大影响最终烧结制品的品质，另一方面脱脂是粉末注射成形生产中花费时间最长最为缓慢的工序，对生产效率、能源消耗和产品成本影响很大。

目前用于粉末注射成型的粘结剂，一般包括蜡、聚乙烯和硬脂酸。具体组成和含量各有不同，相应地，热脱过程也各有不同，但基本都是先溶剂脱脂，再热脱脂。这种脱脂过程较为复杂，且溶剂脱脂下，坯体在溶剂中容易产生溶胀，影响坯体质量。且溶剂一般是选用三氯乙烯或者氯丙烷，这些溶剂通常有毒。另外，目前也有提出催化脱脂粘结剂，然而这种粘结剂的设备投入大，且粘结剂在酸性气氛作用下发生分解，裂解产物也有毒，整体对环境危害较大。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种用于粉末注射成型的粘结剂及其应用方法，其脱脂过程简单易控，脱脂效率较高，且脱脂过程不会对坯体质量造成影响，且清洁环保。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种用于粉末注射成型的粘结剂，按质量百分比计算，包括：5～10％的液体石蜡，5～15％的萘，15～20％的固体石蜡，10～20％的微晶蜡，15～20％的巴西棕榈蜡，15～30％的第一高分子聚合物，10～20％的第二高分子聚合物，1～5％的硬脂酸；其中，所述第一高分子聚合物和第二高分子聚合物选自如下四种的任两种：聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物

一种如上所述的粘结剂的应用方法，包括以下步骤：1)将粘结剂与金属或者陶瓷粉末混合得到混合喂料；2)将所述混合喂料注射成型得到生坯件；3)脱脂与烧结：将所述生坯件放入烧结炉内，控制炉内温度从室温以2～5℃/min的升温速率升温至600℃，完成热脱过程；然后按照烧结工艺从600℃升温至烧结温度，保温后随炉冷却至室温，得到制品。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

(1)本发明的一种用于粉末注射成型的粘结剂及其应用方法，粘结剂中采用不同裂解温度的物质组成，特别是低温裂解的组分，采用各种不同温度裂解的蜡以及萘，且各组分尽量均匀分布。该粘结剂，通过采用适当的升温速率即可实现粘结剂的不同种类物质的逐步脱除，从而实现快速通过热分解形式脱除粘结剂。粘结剂脱除时间可以控制在几小时内全部脱除干净。粘结剂中包含多种裂解温度的组分，且含量精心设计，这样才可仅通过热脱，无需事先溶剂脱脂过程。整个脱脂过程简单易控，且脱脂效率也较高。

(2)脱脂过程通过控制升温速率，使不同裂解温度的组分有序地逐步分解，不致瞬间产生大量裂解挥发气体出现体积急剧膨胀的现象，从而坯体中不致产生鼓包缺陷。由于无需溶剂脱除过程，因此坯体也不会产生溶胀。整个脱脂过程对坯体质量有保证。

(3)本发明粘结剂直接通过热分解形式脱除，不需要对环境产生影响的酸催化剂，因此是一种清洁环保的粘结剂。

(4)该粘结剂制得的生坯可以直接进入烧结炉，实现脱脂和烧结在同一设备内完成。减少溶剂脱脂到热脱脂过程，以及脱脂到烧结过程的搬运，从而减少生坯在搬运过程造成的伤害，特别相比较催化脱脂生坯特别容易在运输过程产生不良。

【具体实施方式】

本发明对粘结剂的组分进行研究，提出一种全新的粘结剂组分。首先，现有的蜡基粘结剂，如其中的蜡质含量较多(60％以上)，则一般需先通过溶剂脱脂，利用溶剂溶解蜡质组分后才通过热脱环节脱除其余组分。否则，如直接进行热脱，大量的蜡质物质瞬间裂解挥发，将产生大量气体造成生坯出现鼓包缺陷。这也是现有的粘结剂脱脂时，先经溶剂脱脂后才进行热脱脂的原因。本发明对粘结剂中的蜡质组分进行改进，采用各种不同裂解温度的蜡质，且各蜡质组分尽量均匀分布，配合升温速率的控制，实现逐步有序热脱，从而可省略溶剂脱脂环节，且不致产生坯体体积膨胀、鼓包的缺陷。

本具体实施方式的用于粉末注射成型的粘结剂，按质量百分比计算，包括：5～10％的液体石蜡，5～15％的萘，15～20％的固体石蜡，10～20％的微晶蜡，15～20％的巴西棕榈蜡，15～30％的第一高分子聚合物，10～20％的第二高分子聚合物，1～5％的硬脂酸；其中，所述第一高分子聚合物和第二高分子聚合物选自如下四种的任两种：聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。粘结剂体系制备喂料后，经过注射生坯放入烧结炉，生坯在炉内热脱过程工艺为以2～5℃/min升温速率升温至600℃，可实现粘结剂完全脱除，然后再按烧结工艺升温进行烧结得到成品。

上述粘结剂组分中，两种高分子聚合物是起支撑作用的大分子有机物。萘及蜡类在粘结剂中起到增塑和润滑的作用，确保粘结剂具有一定的流动性。硬脂酸起到偶联剂的作用，可提高有机物与无机粉末之间的相容性。

组分中，选用裂解温度不同的多种物质，例如萘的裂解温度在200～250℃，液体石蜡的裂解温度在230～270℃，固体石蜡的裂解温度在250～300℃，微晶蜡的裂解温度在280～320℃，巴西棕榈蜡的裂解温度在250～350℃，聚合物是高温裂解物质，且也选用两种不同裂解温度的聚合物，同时各物质的组分尽量均匀分散开，从而热脱环节时，通过控制升温速率，以一恒定升温速度(2～5℃/min)升温，从而达到不同温度时，各组分在不同温度下裂解挥发，各组分有序地逐步进行分解，且分解过程中均不致瞬间产生大量裂解挥发气体出现体积急剧膨胀的现象，从而仅通过热脱脂过程脱脂也不会产生鼓泡缺陷。该粘结剂，仅通过热脱即可脱除干净，脱脂工艺简单易控，120～300min即可完全脱脂，脱脂效率也较高。整个脱脂过程不会对坯体质量造成影响，且清洁环保。

需说明的是，上述组分的选择及其含量的设计是重点。由于粘结剂中，各组分的裂解温度均不是确定值，具体在哪一温度裂解不可控，如某一组分含量比例较大，例如微晶蜡含量偏大，可能出现在300℃时微晶蜡和巴西棕榈蜡均发生裂解，这样将会产生大量气体最终导致鼓泡缺陷。因此如组分含量设计不当，则影响热脱过程的温度升温控制，最终影响热脱效率以及热脱后产品的质量。粘结剂的研究设计过程涉及组分的选择，含量的搭配，升温过程的调节，脱脂效率以及产品质量，前后因素关联影响，经大量研究最终确定出上述组分及含量的粘结剂，具有实际应用价值。

如下，通过具体实施例验证粘结剂的性能，以及设置参考例进行对比，以验证方案获取的困难。

实施例1：粘结剂包括5％的液体石蜡，10％的萘，15％的固体石蜡，20％的微晶蜡，10％的巴西棕榈蜡，20％的聚乙烯，15％的聚丙烯和5％的硬脂酸。上述组分含量均以质量分数计。

上述粘结剂与金属粉末(316粉末)混合制备喂料，注射成厚度为2mm的生坯件样品。热脱时，控制炉内温度从室温以升温速度2.5℃/min升温至600℃。当以该速度升温时，生坯件中不会产生体积膨胀以及鼓泡现象，且升温至600℃时已能完全脱除干净。当以低于2.5℃/min的速率升温时，到达600℃时也能完全脱除干净，且升温速率缓慢可更加确保热脱过程中不产生鼓泡，但升温速度较慢后，整个脱除过程将变长。也即上述粘结剂最快以2.5℃/min升温热脱，最短240min即可完全脱除干净。热脱后，无需搬运，直接在炉内以5℃/min升温至烧结温度(1380℃)进行烧结，保温2H后随炉冷却至室温，得到产品。

实施例2：粘结剂包括5％的液体石蜡，15％的萘，15％的固体石蜡，12％的微晶蜡，15％的巴西棕榈蜡，25％的聚乙烯，10％的聚丙烯，3％的硬脂酸。上述组分含量均以质量分数计。

上述粘结剂与金属粉末(316粉末)混合制备喂料，注射成厚度为2mm的生坯件样品。热脱时，控制炉内温度从室温以升温速度3.5℃/min升温至600℃。当以该速度升温时，生坯件中不会产生体积膨胀以及鼓泡现象，且升温至600℃时已能完全脱除干净。当以低于3.5℃/min的速率升温时，到达600℃时也能完全脱除干净，且升温速率缓慢可更加确保热脱过程中不产生鼓泡，但升温速度较慢后，整个脱除过程将变长。也即上述粘结剂最快以3.5℃/min升温热脱，最短172min即可完全脱除干净。热脱后，无需搬运，直接在炉内以5℃/min升温至烧结温度(1380℃)进行烧结，保温2H后随炉冷却至室温，得到产品。

实施例3：粘结剂包括10％的液体石蜡，5％的萘，15％的固体石蜡，14％的微晶蜡，20％的巴西棕榈蜡，15％的聚乙烯，20％的聚丙烯，1％的硬脂酸。上述组分含量均以质量分数计。

上述粘结剂与金属粉末(316粉末)混合制备喂料，注射成厚度为2mm的生坯件样品。热脱时，控制炉内温度从室温以升温速度5℃/min升温至600℃。当以该速度升温时，生坯件中不会产生体积膨胀以及鼓泡现象，且升温至600℃时已能完全脱除干净。当以低于5℃/min的速率升温时，到达600℃时也能完全脱除干净，且升温速率缓慢可更加确保热脱过程中不产生鼓泡，但升温速度较慢后，整个脱除过程将变长。也即上述粘结剂最快以5℃/min升温热脱，最短120min即可完全脱除干净。热脱后，无需搬运，直接在炉内以5℃/min升温至烧结温度(1380℃)进行烧结，保温2H后随炉冷却至室温，得到产品。

参考例1：相对于前述实施例缺少液体石蜡和萘组分。

粘结剂包括20％的固体石蜡，25％的微晶蜡，15％的巴西棕榈蜡，20％的聚乙烯，15％的聚丙烯，5％的硬脂酸。上述组分含量均以质量分数计。

上述粘结剂与金属粉末(316粉末)混合制备喂料，注射成厚度为2mm的生坯件样品。热脱时，经多次测试，仅能以升温速度0.4℃/min从室温升温至600℃，才不致在生坯件中产生体积膨胀以及鼓泡现象，且能完全脱除干净。热脱后，同样是直接在炉内以5℃/min升温至烧结温度(1380℃)进行烧结，保温2H后随炉冷却至室温，得到产品。

也即上述粘结剂最快以0.4℃/min升温热脱，最短1500min才能完全脱除干净且确保热脱不影响生坯件质量。整个脱脂速率太慢，不满足实际应用价值。

参考例2：相对于前述实施例缺少液体石蜡和固体石蜡组分。

粘结剂包括20％的萘，25％的微晶蜡，15％的巴西棕榈蜡，20％的聚乙烯，15％的聚丙烯，5％的硬脂酸。上述组分含量均以质量分数计。

上述粘结剂与金属粉末(316粉末)混合制备喂料，注射成厚度为2mm的生坯件样品。热脱时，经多次测试，仅能以升温速度0.5℃/min从室温升温至600℃，才不致在生坯件中产生体积膨胀以及鼓泡现象，且能完全脱除干净。热脱后，同样是直接在炉内以5℃/min升温至烧结温度(1380℃)进行烧结，保温2H后随炉冷却至室温，得到产品。

也即上述粘结剂最快以0.5℃/min升温热脱，最短1200min才能完全脱除干净且确保热脱不影响生坯件质量。同样是脱脂速率太慢，不满足实际应用价值。

参考例3：相对于前述实施例缺少固体石蜡和巴西棕榈蜡组分。

粘结剂包括20％的液体石蜡，25％的萘，15％的微晶蜡，20％的聚乙烯，15％的聚丙烯，5％的硬脂酸。上述组分含量均以质量分数计。

上述粘结剂与金属粉末(316粉末)混合制备喂料，注射成厚度为2mm的生坯件样品。热脱时，经多次测试，仅能以升温速度0.7℃/min从室温升温至600℃，才不致在生坯件中产生体积膨胀以及鼓泡现象，且能完全脱除干净。热脱后，同样是直接在炉内以5℃/min升温至烧结温度(1380℃)进行烧结，保温2H后随炉冷却至室温，得到产品。

也即上述粘结剂最快以0.7℃/min升温热脱，最短858min才能完全脱除干净且确保热脱不影响生坯件质量。同样是脱脂速率太慢，不满足实际应用价值。

通过上述3个实施例和3个参考例的对比，可得知粘结剂中组分改变，将导致部分组分的含量发生变化，最终影响热脱效率，有些组分变化的方案中，虽然最终也能作为粘结剂并能完全脱除，但效率非常慢并不具有实际应用价值。按照本具体实施方式的八个组分配比组成粘结剂，最终才能以2～5℃/min升温至600℃，以这样一种较快的速率进行热脱，既能完全脱除干净且不致损伤生坯件，才具有实际应用价值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于粉末注射成型的粘结剂，其特征在于：按质量百分比计算，包括：5～10％的液体石蜡，5～15％的萘，15～20％的固体石蜡，10～20％的微晶蜡，15～20％的巴西棕榈蜡，15～30％的第一高分子聚合物，10～20％的第二高分子聚合物，1～5％的硬脂酸；其中，所述第一高分子聚合物和第二高分子聚合物选自如下四种的任两种：聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。

2.根据权利要求1所述的用于粉末注射成型的粘结剂，其特征在于：包括5％的液体石蜡，10％的萘，15％的固体石蜡，20％的微晶蜡，10％的巴西棕榈蜡，20％的聚乙烯，15％的聚丙烯，5％的硬脂酸。

3.根据权利要求1所述的用于粉末注射成型的粘结剂，其特征在于：包括5％的液体石蜡，15％的萘，15％的固体石蜡，12％的微晶蜡，15％的巴西棕榈蜡，25％的聚乙烯，10％的聚丙烯，3％的硬脂酸。

4.根据权利要求1所述的用于粉末注射成型的粘结剂，其特征在于：包括10％的液体石蜡，5％的萘，15％的固体石蜡，14％的微晶蜡，20％的巴西棕榈蜡，15％的聚乙烯，20％的聚丙烯，1％的硬脂酸。

5.一种如权利要求1所述的粘结剂的应用方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将粘结剂与金属或者陶瓷粉末混合得到混合喂料；2)将所述混合喂料注射成型得到生坯件；3)脱脂与烧结：将所述生坯件放入烧结炉内，控制炉内温度从室温以2～5℃/min的升温速率升温至600℃，完成热脱过程；然后按照烧结工艺从600℃升温至烧结温度，保温后随炉冷却至室温，得到制品。

6.根据权利要求5所述的用于粉末注射成型的粘结剂，其特征在于：所述步骤1)中，所述粘结剂的组成为5％的液体石蜡，10％的萘，15％的固体石蜡，20％的微晶蜡，10％的巴西棕榈蜡，20％的聚乙烯，15％的聚丙烯，5％的硬脂酸；所述步骤3)中，控制炉内温度从室温以2.5℃/min的升温速率升温至600℃。

7.根据权利要求5所述的用于粉末注射成型的粘结剂，其特征在于：所述步骤1)中，所述粘结剂的组成为5％的液体石蜡，15％的萘，15％的固体石蜡，12％的微晶蜡，15％的巴西棕榈蜡，25％的聚乙烯，10％的聚丙烯，3％的硬脂酸；所述步骤3)中，控制炉内温度从室温以3.5℃/min的升温速率升温至600℃。

8.根据权利要求5所述的用于粉末注射成型的粘结剂，其特征在于：所述步骤1)中，所述粘结剂的组成为10％的液体石蜡，5％的萘，15％的固体石蜡，14％的微晶蜡，20％的巴西棕榈蜡，15％的聚乙烯，20％的聚丙烯，1％的硬脂酸；所述步骤3)中，控制炉内温度从室温以5℃/min的升温速率升温至600℃。