CN105382255A - 一种纳米钨粉注射成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纳米钨粉注射成形方法，属于粉末注射成形技术领域。其工艺流程为：向纳米钨粉中加入1-5wt％包覆剂，与去离子水配制成浆料；经喷雾干燥进行造粒，制得纳米钨造粒料，将造粒料与粘结剂按体积比为50:50-60:40的配比置于辊式混炼机上进行混炼，再经注射成形制备成钨生坯，经脱脂、烧结后制得钨制品。本发明预先将纳米钨粉进行造粒，提高粉末的流动性以及松装密度与振实密度，提高了钨喂料的装载量，经注射成形、脱脂、烧结工艺制得钨制品，在维持纳米粉末良好烧结性的同时提高了注射成形装载量，具有收缩变形小，尺寸精度高，表面质量好，烧结温度低等特点。

Description

一种纳米钨粉注射成形方法

技术领域

本发明属于粉末注射成形技术领域，提供了一种纳米钨粉注射成形方法。

背景技术

金属钨具有高的熔点(3410℃)，高密度(19.3g/cm³),高强度和低膨胀系数，在国防电子工业等工程应用领域占重要地位，被广泛应用于航空航天、原子能和高温领域。由于金属钨的硬度高，脆性大，导电性差，切削加工困难，传统粉末冶金压制烧结方法无法制备薄壁，复杂形状的钨制品。粉末注射成形是传统粉末冶金与现代塑料注射成形工艺相结合而发展起来的一种新型近净尺寸成形技术，该技术的最大特点是可以直接制造出具有最终形状的零部件，最大限度地减少机加工量和节省原材料，而且材料适应性广。此外，该技术还可以实现全自动化连续生产，生产效率高，材料性能优异，产品尺寸精度高，被国际上誉为“当今最热门的零部件成形技术”，目前已广泛应用在陶瓷和难熔金属制备。目前粉末注射成形钨制品主要问题是由于钨的熔点高，烧结致密化困难，即使在高于2000℃也难以获得致密度高于95％以上的钨制品。为解决烧结致密化问题，目前采用的方法：1.通过添加Fe,Ni等活性元素可在较低温度(1350-1450℃)形成液相烧结降低烧结致密化温度，但Fe,Ni合金元素的引入会影响高温性能，2.采用纳米钨粉作为原料，纳米钨粉有着高的比表面积和高的烧结活性，可在较低温度下得到高致密度纯钨制品，纳米钨粉存在的主要问题是由于比表面积大，团聚严重，松装振实密度低，成形困难，造成喂料粉末装载量低(粉末含量低)，制备得到的钨生坯密度低，在后续烧结过程中收缩大变形严重，表面质量和尺寸精度差。中国专利(CN101623760A)公开了一种钨基合金产品的微注射成形技术，该专利通过添加铁镍等合金元素，经过球磨将多种粉末混合均匀后，利用粉末注射成形技术制备质量小于0.5克微型钨合金制品，该专利重点是通过添加铁镍合金元素形成液相烧结来解决烧结致密化问题，利用微注射成形来解决微型零件的成形问题。中国专利(ZL200510011617.4)公开了一种利用粉末注射成形方法制备复杂形状钨制品的方法，但该专利重点利用高能球磨处理钨粉经注射成形制备得到了复杂形状钨制品，在2100℃以上高温烧结得到了致密度超过93％的钨制品。

因此发展一种在维持纳米粉末良好烧结性能同时提高粉末的松装振实密度以及注射成形装载量的方法，对于纳米钨粉注射成形得到高质量钨制品很有必要。

发明内容

本发明目的在于避免以纳米钨粉粉体作为注射成形原料制备钨制品装载量低，变形严重，尺寸精度低等质量方面的缺陷，提出一种改进的方法。

一种纳米钨粉注射成形方法，其特征在于向纳米钨粉加入1-5wt％表面包覆剂，与去离子水配制成浆料；经喷雾干燥进行造粒，制得纳米钨粉造粒料，将钨造粒料与粘结剂按体积比为50：50-60：40的配比置于辊式混炼机上进行混炼，再经注射成形制备成钨生坯，经脱脂、烧结后制得钨制品。

其中，所采用的表面包覆剂为PEG、硬脂酸、PVA、液态蜡、酒精胶、EVA中的一种。

喷雾干燥进风口温度为220～250℃，出风口温度为120～160℃，离心器转速为6000～10000rpm。

注射成形所用粘结剂为石蜡(40-60wt％)、高密度聚乙烯(10-20wt％)、聚丙烯(10-20wt％)、硬脂酸(5％-10wt％)，注射温度为150～165℃；溶剂脱脂采用三氯乙烯，浸泡时间为3-12h，热脱脂气氛采用高纯氢气，热脱脂工艺制度为以1℃/min升温至420℃，保温30-60min，接着以2℃/min升温至600℃，保温10-30min，再以10℃/min升温至900℃，保温30-90min；烧结气氛采用高纯氢气，烧结温度为1200-1600℃。

本发明制得的纳米钨粉体造粒料粒度为1～30μm，造粒后与粘结剂混炼后装载量达50～60％。造粒后钨粉经注射成形后，1550℃高纯氢气保护作用下致密度大于95％，变形小，表面质量好。

本发明的优点是：

1.造粒后的钨粉有良好的流动性，同时具有较高的松装密度与振实密度；

2.将造粒后钨粉制成喂料，装载量提高至50～60％；

3.经过喷雾干燥后的纳米钨粉末属于软团聚体，不影响其烧结性能；

4.烧结得到钨制品表面质量好，收缩小，尺寸精度高。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

实施例：

1.浆料制备：首先将商购粒度为200nm纳米钨粉3000g，聚乙二醇90g在去离子水中进行球磨混合，再经喷雾干燥，喷雾造粒机进风口温度为240℃，出风口温度为130℃，转速为8700rpm，收集得到造粒料。

2.喂料制备。将造粒料3000g与上述成份的粘结剂142g置于对辊机中进行混炼，混炼温度为170℃，转速为30r/min，待混合物形成熔融态后，继续混炼40min，然后取出冷却。

3.注射成形：将喂料破碎后，放入注射成形机中注入模具中，注射温度为160℃，制得钨生坯。

4.脱脂：钨生坯置于三氯乙烯溶液中5h，三氯乙烯通过水浴加热控制在45℃，取出晾干，此时已去除大部分石蜡组分，取出后置于高纯氢气气氛中，以1℃/min升温至420℃，保温30min，接着以2℃/min升温至600℃，保温10min，再以10℃/min升温至900℃，保温30min，随炉冷却后得到脱脂坯。

5.烧结：将脱脂坯体放入坩埚中，在高温烧结炉中通入高纯氢气，以5℃/min速率升温到1550℃，保温2小时，随炉冷却至室温，得到注射成形钨制品。

经喷雾造粒后，注射成形过程中钨粉装载量为50％，经1550℃烧结2h制备得到的钨制品致密度高于95％，收缩变形小，表面质量好。

对比例：

1.喂料制备：取商购200nm钨粉3000g与粘结剂190g置于对辊机中进行混炼，混炼温度为170℃，转速为30r/min，待混合物形成熔融态后，继续混炼40min，然后取出冷却。

2.注射成形：将喂料破碎后，放入注射成形机中注入模具中，注射温度为160℃，制得钨生坯。

3.脱脂：钨生坯置于三氯乙烯溶液中5h，三氯乙烯通过水浴加热控制在45℃，取出晾干，此时已去除大部分石蜡组分，取出后置于高纯氢气气氛中，以1℃/min升温至420℃，保温30min，接着以2℃/min升温至600℃，保温10min，再以10℃/min升温至900℃，保温30min，随炉冷却后得到脱脂坯。

4.烧结：将脱脂坯体放入坩埚中，在高温烧结炉中通入高纯氢气，以5℃/min速率升温到1650℃，保温2小时，随炉冷却至室温，得到注射成形钨制品。

将粒度为200nm的钨粉直接用于注射成形，注射成形过程中钨粉装载量为43％，经1650℃烧结2h制备得到的钨制品致密度为90％，收缩变形较大，制品存在弯曲大，表面不平整的问题。

Claims (6)

1.一种纳米钨粉注射成形方法，其特征在于向纳米钨粉加入1-5wt％表面包覆剂，与去离子水配制成浆料；经喷雾干燥进行造粒，制得纳米钨粉造粒料，将钨造粒料与粘结剂按体积比为50：50-60：40的配比置于辊式混炼机上进行混炼，再经注射成形制备成钨生坯，经脱脂、烧结后制得钨制品。

2.根据权利要求1所述的纳米钨粉注射成形方法，其特征在于：所采用的表面包覆剂为PEG、硬脂酸、PVA、液态蜡、酒精胶、EVA中的一种。

3.根据权利要求1所述的纳米钨粉注射成形方法，其特征在于：喷雾干燥进风口温度为220～250℃，出风口温度为120～160℃，离心器转速为6000～10000rpm。

4.根据权利要求1所述的纳米钨粉注射成形方法，其特征在于：注射成形所用粘结剂为石蜡(40-60％)、高密度聚乙烯(10-20％)、聚丙烯(10-20％)、硬脂酸(5％-10％)，注射温度为150～165℃；溶剂脱脂采用三氯乙烯，浸泡时间为3-12h，热脱脂气氛采用高纯氢气，热脱脂工艺制度为以1℃/min升温至420℃，保温30-60min，接着以2℃/min升温至600℃，保温10-30min，再以10℃/min升温至900℃，保温30-90min；烧结气氛采用高纯氢气，烧结温度为1200-1600℃。

5.根据权利要求书1中所述的纳米钨粉注射成形方法，其特征在于：制得的纳米钨粉体造粒料粒度为1～30μm，造粒后与粘结剂混炼后装载量达50～60％。

6.根据权利要求书1中所述的纳米钨粉注射成形方法，其特征在于：造粒后钨粉经注射成形后，1550℃高纯氢气保护作用下致密度大于95％，变形小，表面质量好。