CN107243636B - 一种金属钛产品的注射成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属钛产品的注射成形方法。它包括以下步骤：（1）原料配制；（2）喂料产品的制备；（3）注射成形。本发明具有设备工艺及操作简单易行，高效快捷、成本低廉，易于工业化等诸多优点。

Description

一种金属钛产品的注射成形方法
技术领域
本发明涉及金属注射成形技术，尤其涉及一种金属钛产品的注射成形方法。
背景技术
钛及其合金具有低密度、高比强度、高耐腐蚀性、良好的生物兼容性等优点，在化工、生物医疗、汽车等领域有着广泛的应用。但由于钛及其合金熔点高、高温下化学性质活泼、硬度较高等特点，在工业上一直被认为是难加工的材料。钛粉末注射成形(Ti-MIM)技术，能够制造近净成形、复杂形状的钛零件，能克服钛产品机加工困难和加工余量大的问题。使用价格低廉的氢化钛(TiH2)粉末作为注射成形的原料粉末，并且开发新型高效注射成形用的粘结剂体系是降低生产成本和提高产品性能的有效途径。
目前，常规的金属钛产品的注射成形方法，在应用中存在明显的不足：1、所选用的粘结剂相容性差，在注射成形过程中物料加工流动性差，注射过程中存有气泡、飞边等缺陷。2、坯件溶剂脱脂率低，脱脂时间长、温度高，通常为在60℃～80℃下，脱脂10～24h，且脱脂坯缺陷多、保形性差。3、部分坯件虽然具有较高的脱脂率，但也正因为其脱脂率高，在使用中经注射成形、脱脂后所得的脱脂坯存在孔隙大、孔隙率高的缺陷，造成脱脂坯密度和强度等性能较低，进而导致终产品性能不高。4、注射成形过程中容易使得晶粒长大，真空烧结后的烧结坯多有变形，其表面不光滑，有鼓泡，尺寸精度和表面精度不高，所得产品的密度等诸多性能有待进一步提高，例如，采用常规注射成形方法所制得的金属钛产品，其相对密度(％)为97.95～98.96，硬度(HV)为380～388，屈服强度(MPa)为254～264，抗拉强度(MPa)为325～346，延伸率(％)为18～20。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属钛产品的注射成形方法，该注射成形方法具有设备工艺及操作简单易行，高效快捷、成本低廉等诸多有点，能制得组织 与力学性能优异的金属钛产品。
本发明的目的具体是通过以下技术方案来实现的：
一种金属钛产品的注射成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原料配制
所述原料由氢化钛粉末和粘结剂组成，且粘结剂占原料总质量的10％～15％；所述粘结剂由固体石蜡(PW)、液体石蜡(LPW)、聚丙烯(PP)、稀土(Re)、硬脂酸(SA)和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)，按照各组分的质量百分含量分别为PW 30％～50％、LPW 10％～20％、PP 35％～40％、Re 1％～5％、SA 2％～10％、EVA 1％～5％的用量称取配置；
(2)喂料产品的制备
将原料混合均匀，放入预热好的密炼机中在175℃～190℃下，混炼2h～4h，后将混炼好的熔融状态的喂料取出，冷却后在破碎机中破碎，再通过制粒机制粒，最后放入真空干燥箱保存或抽真空包装保存，即制得喂料产品；
(3)注射成形
将上述喂料产品加入注射成形机内，于注射温度为160～190℃，注射压力为60～127MPa，模温为112～125℃条件下注射成形，制备出坯件；再将坯件置于正庚烷中脱脂，脱脂温度为40～60℃，脱脂时间为4～5h，得到脱脂坯；后将脱脂坯置于低压烧结炉内进行烧结，烧结温度1200～1350℃，保温120～240min，即得到金属钛产品。
作为进一步优化，上述氢化钛粉末的平均粒度为9～11μm。
作为进一步明确，上述稀土由CeH2、LaH2、NdH2、YH2、CeB6、LaB6、NdB2、YB6中的任意一种或几种组成。
作为进一步优化，上述稀土由CeH2、LaH2、NdH2、YH2中的任意一种或几种，与CeB6、LaB6、NdB2、YB6中的任意一种或几种混合组成，且稀土硼化物的添加总量小于等于粘结剂总质量的0.15％。通过进一步限定稀土组成中稀土硼化物的添加总量，在保证了注射成形钛产品具有优异的组织和力学性能的同时，又避免了导致其致密度降低。
作为进一步明确，上述乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)中的醋酸乙烯的质量含量为20％。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种金属钛产品的注射成形方法，该注射成形方法具有设备工艺及操作简单易行，高效快捷、成本低廉，易于工业化等诸多优点，其中，原料组成中所选用的粘结剂各组分相容性好，在注射成形过程中物料流变性能佳，注射过程中无气泡、飞边等缺陷；所制备的坯件在正庚烷中脱脂，于40～60℃下脱脂4～5小时，即可脱除99％以上的可溶性粘接剂-PW、LPW、SA，且脱脂坯缺陷少、保形性好，脱脂坯密度和强度等性能较高，进而提高了注射成形钛的烧结致密度，烧结坯的孔隙平均尺寸均小于10μm，孔隙率仅为0.2％～0.6％，避免了晶粒长大，改善了钛的组织与力学性能(终产品的相对密度(％)为99.46～99.53，硬度(HV)为398～400，屈服强度(MPa)为498～502，抗拉强度(MPa)为649～667，延伸率(％)为28～30)，使得真空烧结后的烧结坯不变形，表面光滑、无鼓泡，具有较高的尺寸精度和表面精度。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行具体描述，在此指出以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术熟练人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种金属钛产品的注射成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原料配制
其原料由平均粒度为9～11μm的氢化钛粉末和粘结剂组成，且粘结剂占原料总质量的14％；粘结剂由固体石蜡(PW)、液体石蜡(LPW)、聚丙烯(PP)、稀土(Re)、硬脂酸(SA)和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)，按照各组分的质量百分含量分别为PW 35％、LPW 15％、PP38％、Re 4％、SA 6％、EVA 2％的用量称取配置，且Re由CeH2、LaH2、NdH2和YH2按照质量比为1:1:1:1的比例组成；这些原料都采用常规市售产品，其中，固体石蜡为上海华灵康复机 械厂生产的切片石蜡，它由高纯度石蜡和微晶蜡制作而成；液体石蜡是成都科龙化工试剂厂生产的，聚丙烯是中国石油化工有限公司生产的优品级，稀土是广州瓮江试剂有限公司生产的，硬脂酸是成都科龙化工试剂厂生产的，含量大于99.0％，EVA产自美国杜邦，且乙酸乙烯的质量含量为20％；
(2)喂料产品的制备
将原料混合均匀，放入预热好的密炼机中在185℃下，混炼3h，后将混炼好的熔融状态的喂料取出，冷却后在破碎机中破碎，再通过制粒机制粒，最后放入真空干燥箱保存，即制得喂料产品；
(3)注射成形
将喂料产品加入注射成形机内，于注射温度为180℃，注射压力为107MPa，模温为125℃条件下注射成形，制备出坯件；再将坯件置于正庚烷中脱脂，脱脂温度为60℃，脱脂时间为5h，得到脱脂坯；后将脱脂坯置于低压烧结炉内进行烧结，烧结温度1250℃，保温220min，即得到金属钛产品。
根据所制备的脱脂坯断口的SEM图谱和终产品即金属钛产品断口处的SEM图谱可知，脱脂坯颗粒之间形成了大量孔隙，其孔隙率为20～30vol％，这既使得后续烧结过程顺利打开表面开孔和内部连通孔道，缩短了后续烧结时间，又保证了脱脂坯具有适宜的强度，提高了终产品内部致密，使得烧结坯的孔隙平均尺寸均小于10μm，孔隙率仅为0.2％～0.6％，且颗粒大小均匀。
经检测本例中所制得的钛产品，其相对密度(％)为99.46，硬度(HV)为398，屈服强度(MPa)为502，抗拉强度(MPa)为650，延伸率(％)为28。
实施例2
一种金属钛产品的注射成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原料配制
其原料由平均粒度为9～11μm的氢化钛粉末和粘结剂组成，且粘结剂占原料总质量的11％；粘结剂由PW、LPW、PP、Re、SA和EVA，按照各组分的质量百分含量分别为PW 40％、LPW 17％、PP 36％、Re 4％、SA 2％、EVA 1％的用量称取配置，且Re由CeH2、LaH2和CeB6分别按照占粘结剂总质量的3％、0.85％ 和0.15％比例组成；这些原料都采用常规市售产品，其中，EVA产自美国杜邦，且乙酸乙烯的质量含量为20％；
(2)喂料产品的制备
将原料混合均匀，放入预热好的密炼机中在180℃下，混炼3.5h，后将混炼好的熔融状态的喂料取出，冷却后在破碎机中破碎，再通过制粒机制粒，最后抽真空包装保存，即制得喂料产品；
(3)注射成形
将喂料产品加入注射成形机内，于注射温度为165℃，注射压力为87MPa，模温为118℃条件下注射成形，制备出坯件；再将坯件置于正庚烷中脱脂，脱脂温度为45℃，脱脂时间为4h，得到脱脂坯；后将脱脂坯置于低压烧结炉内进行烧结，烧结温度1300℃，保温200min，即得到金属钛产品。
经检测本例中所制得的钛产品，其相对密度(％)为99.51，硬度(HV)为400，屈服强度(MPa)为498，抗拉强度(MPa)为649，延伸率(％)为30。
实施例3
一种金属钛产品的注射成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原料配制
其原料由平均粒度为9～11μm的氢化钛粉末和粘结剂组成，且粘结剂占原料总质量的13％；粘结剂由PW、LPW、PP、Re、SA和EVA，按照各组分的质量百分含量分别为PW 33％、LPW 12％、PP 35％、Re 5％、SA 10％、EVA 5％的用量称取配置，且Re由CeH2、NdH2、YH2和LaB6、NdB2分别按照占粘结剂总质量的1.3％、2％、1.55％和0.05％、0.10％比例组成；这些原料都采用常规市售产品，其中，EVA产自美国杜邦，且乙酸乙烯的质量含量为20％；
(2)喂料产品的制备
将原料混合均匀，放入预热好的密炼机中在190℃下，混炼4h，后将混炼好的熔融状态的喂料取出，冷却后在破碎机中破碎，再通过制粒机制粒，最后抽真空包装保存，即制得喂料产品；
(3)注射成形
将喂料产品加入注射成形机内，于注射温度为188℃，注射压力为127MPa，模温为116℃条件下注射成形，制备出坯件；再将坯件置于正庚烷中脱脂，脱脂温度为50℃，脱脂时间为4.5h，得到脱脂坯；后将脱脂坯置于低压烧结炉内进行烧结，烧结温度1340℃，保温235min，即得到金属钛产品。
经检测本例中所制得的钛产品，其相对密度(％)为99.53，硬度(HV)为400，屈服强度(MPa)为500，抗拉强度(MPa)为667，延伸率(％)为30。

Claims (3)

1.一种金属钛产品的注射成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原料配制
所述原料由氢化钛粉末和粘结剂组成，且粘结剂占原料总质量的10％～15％；所述粘结剂由固体石蜡、液体石蜡、聚丙烯、稀土、硬脂酸和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物组成，按照各组分的质量百分含量分别为固体石蜡30％～50％、液体石蜡10％～20％、聚丙烯35％～40％、稀土1％～5％、硬脂酸2％～10％、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物1％～5％的用量称取配置；所述稀土由CeH2、LaH2、NdH2、YH2中的任意一种或几种，与CeB6、LaB6、NdB2、YB6中的任意一种或几种混合组成，且稀土硼化物的添加总量小于等于粘结剂总质量的0.15％；
(2)喂料产品的制备
将原料混合均匀，放入预热好的密炼机中在175℃～190℃下，混炼2h～4h，后将混炼好的熔融状态的喂料取出，冷却后在破碎机中破碎，再通过制粒机制粒，最后放入真空干燥箱保存或抽真空包装保存；
(3)注射成形
将喂料产品加入注射成形机内，于注射温度为160～190℃，注射压力为60～127MPa，模温为112～125℃条件下注射成形，制备出坯件；再将坯件置于正庚烷中脱脂，脱脂温度为40～60℃，脱脂时间为4～5h，得到脱脂坯；后将脱脂坯置于低压烧结炉内进行烧结，烧结温度1200～1350℃，保温120～240min。
2.如权利要求1所述金属钛产品的注射成形方法，其特征在于：所述氢化钛粉末的平均粒度为9～11μm。
3.如权利要求1或2所述金属钛产品的注射成形方法，其特征在于：所述乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的醋酸乙烯的质量含量为20％。
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