CN109513916A - 一种高流动性金属粉末注射成型喂料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高流动性金属粉末注射成型喂料及其制备方法，该金属粉末注射成型喂料：一方面从金属粉末的角度来提高喂料的流动性，选用两种不同粒度分布的金属粉末，通过一定的比例混配而成，通过更合适的粒径混配和粒径分布来获得金属粉末更高的振实密度；另一方面从粘结剂的角度来讲，主要通过寻找更加有效的助剂和不同的配比组合来提高喂料的整体性能。本发明还提供了一种制备方法。本发明所制备的金属粉末注射成型喂料具有高流动性；生坯阶段充模饱满无缺口，表面外观无黑纹、熔接痕，脱脂烧结出来得到的最终金属制件，产品尺寸精度高。

Description

一种高流动性金属粉末注射成型喂料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属粉末注射成型(MIM)技术领域，尤其是一种高流动性金属粉末注射成型喂料及其制备方法。
背景技术
金属粉末注射成型是将塑料注射成形技术引入到粉末冶金领域而形成的一种全新的零部件加工技术。
此工艺生产的制件精度要求较高，而高流动性的喂料就能保证熔体在充模阶段的使得制件在初期的尺寸精度就处在一个较高的水平，这对于长件、大件、薄件也显得更为重要。
因此，提高喂料的流动性就显得非常必要，而金属粉末注射成型喂料属于金属粉末和粘结剂密炼造粒制得，因此评估喂料的喂料流动性能的高低也可以从这两个角度出发。
以常用316L金属粉末注射成型喂料为例，
(1)316L金属粉末组分的粒度组成：
(2)粘结剂组分：均聚甲醛80-90wt.％；烯烃类高聚物3-10wt.％；抗氧剂0.1-5wt.％；相容剂0.1-5wt.％；偶联剂0.1-5wt.％；
(3)316L金属粉末组分与粘结剂组分的重量百分比：按重量百分比计：316L金属粉末组分∶粘结剂组分＝9∶1。
从金属粉末的角度来讲，粒度分布与粒径大小、振实密度与松装密度都决定了金属粉末对喂料流动性高低有非常大的影响，而如果单一追求此类高参数的粉末则易导致喂料生产成本太高。
从粘结剂的角度来讲，一方面，粘结剂对喂料流动性的影响也表现得非常明显，目前市场上主要是通过提高聚甲醛基材的熔体流动指数(全名为“熔体流动指数″：是指塑料在一定温度和负荷下，熔体每10分钟通过标准口模毛细管的质量或熔融体积，用以描述塑料材料在注塑过程中的流动性的强弱，对于注塑生产过程中工艺的确认和调整有一定作用。)来提高喂料整体的流动性，但从主流的聚甲醛品种来看，单纯的通过使用高熔指的聚甲醛也会出现成本太高的问题；另一方面，即使使用了高熔体流动指数的聚甲醛也存在着带来喂料流动性上升幅度不明显的问题。
综上，单纯的通过使用更加高性能的金属粉末和高熔体流动指数的聚甲醛来提高喂料流动性，已经变得越来越有局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种高流动性金属粉末注射成型喂料及其制备方法，旨在通过以下两种方式来提高喂料的流动性：
(1)从金属粉末的角度来提高喂料的流动性，通过更合适的粒径混配和粒径分布来获得金属粉末更高的振实密度；
(2)从粘结剂的角度来讲，主要通过寻找更加有效的助剂和不同的配比组合来提高喂料的整体性能，这样即使使用中等熔体流动指数的聚甲醛基材也能提高喂料的流动性。
本发明的作用原理为：
通过不同的主副抗氧剂配比来提高喂料和水口料(主要指产品外的浇口和流道的成型物)的稳定性，通过添加偶联剂的方式使得金属粉末和高分子基材组分的连接更加趋向于整体从而增加体系的均一性，通过添加相容剂的方式来使得粘结剂里面各组分助剂能够很好的相容和流动性。
本发明首先提供一种高流动性金属粉末注射成型喂料，包括金属粉末组分和粘结剂组分，所述金属粉末组分包括不同粒度组成的316L金属粉末组分一和316L金属粉末组分二；
其中，316L金属粉末组分一、316L金属粉末组分二的粒度分布、目数、振实密度和松装密度分别为：
316L金属粉末组分一、316L金属粉末组分二的配比区间按重量百分比计为：(70％-80％)∶(20％-30％)；
粘结剂组分按重量百分比计，包括：均聚甲醛80-90wt.％；热塑性弹性1-5wt.％；烯烃类高聚物1-8wt.％；抗氧剂0.1-1wt.％；相容剂0.1-7wt.％；偶联剂0.1-3wt.％；
按重量百分比计，金属粉末组分∶粘结剂组分＝9∶1。
优选的，316L金属粉末组分一采用气雾化的316L金属粉末，316L金属粉末组分二采用水雾化的316L金属粉末。本发明选用两种不同粒度分布的金属粉末，通过一定的比例混配而成，测试金属粉末的最高振实密度区间，即可推测出两种不同粒径分布的金属粉末的最优比例，其中组分一宜采用气雾化的316L金属粉末，组分二宜采用水雾化的316L金属粉末，这是因为气雾化不规则的形状和水雾化的球形混配可以带来更高的振实密度。
优选的，所述热塑性弹性体包括TPR、TPU、TPE、SBS以及聚氨酯大类中的至少一种。更进一步优选的，所述热塑性弹性体为TPR、TPU、TPE中的至少两种组分复合而成，所得复合材料能够与聚甲醛和金属粉末有很好的相容性，同时对于提高粘结剂的流动性有很好的作用。
优选的，所述烯烃类高聚物包括聚乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的至少一种，对于此类粘结剂的要求比均聚甲醛更高的热分解温度，以利于此后在脱脂中使制件有更好的保型性。
优选的，所述抗氧剂包括二缩三乙二醇双[β-(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯]、[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯、β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯中的至少一种。更进一步优选的，所述抗氧剂采用二缩三乙二醇双[β-(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯]作为主抗氧剂，[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯或者β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯作为辅抗氧剂复配组合而成。
优选的，所述相容剂包括聚乙烯蜡、硬脂酸(SA)、乙烯-醋酸乙烯均聚物(EVA)、磷酸脂类中的至少一种，此类物质对于增加各组分制件的相容，尤其是烯烃类与其他组分的相容有很好的帮助。
优选的，所述偶联剂包括四季戊四醇酯硬脂酸、二季戊四醇六丙烯酸、聚酯酰胺、聚醚酰胺、马来酸酐接枝物类中的至少一种，此类偶联剂对于粘合表面带有某些基团的金属粉末具有良好的作用。
本发明继而提供一种如上所述的高流动性金属粉末注射成型喂料的制备方法，包括以下步骤：
S1，混合：将316L金属粉末组分一、316L金属粉末组分二和粘结剂组成按照配方比例加入高速混合机中混合，高速混料机设置转速300-600r/min，混合时间为5-15min；
S2，双螺杆挤出造粒：将上述经过混合的物料加入双螺杆挤出机，设置双螺杆挤出机的温度区间为160-220℃，螺杆转速为80-200r/min，挤出造粒，由于采用的聚甲醛基材，用双螺杆挤出机能保证物料在螺杆中经过较短的时间同时有很好的剪切和密炼混合。
优选的，本发明的制备方法可以通过先行制备常用的17-4PH、316L对应的粘结剂，同时也提高了喂料的生产效率和降低员工的劳动强度。
采用上述的组分配比以及制备方法，本发明通过金属粉末的混配和多种更好性能的助剂组合以及配比，使得制得的喂料具有很高的流动性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本专利发明以常规的316L金属粉末通过混配的方式和设计好配方的粘结剂来制备一种高流动性的金属粉末注射成型喂料，设计的粘结剂具有普适性，即通过调节粘结剂里面不同组分的含量和配比可以适用多种不同的金属粉末。
(2)通过使用熔体流动指数仪在设定的190℃稳定后，载荷设定为21.6Kg，测得的熔指为1200-2000g/10min，说明本发明所制备的金属粉末注射成型喂料具有高流动性；
(3)经过检验发现对于流动性要求较高的制件，本发明所制备的金属粉末注射成型喂料生坯阶段充模饱满无缺口，表面外观无黑纹、熔接痕，脱脂烧结出来得到的最终金属制件，产品尺寸精度高、烧结密度高。
附图说明
图1从左至右依次对应的实施例1-6的熔指样条图片。
图2为注塑制件图片。
具体实施方式
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明进一步说明。
本发明所提供的一种高流动性金属粉末注射成型喂料，由以下原料制备而成：均聚甲醛80-90wt.％；热塑性弹性体1-5wt.％；烯烃类高聚物1-8wt.％；抗氧剂0.1-1wt.％；相容剂0.1-7wt.％；偶联剂0.1-3wt.％；
以常用316L喂料金属粉末组分为例，
其中，316L金属粉末组分一、316L金属粉末组分二的粒度分布、目数、振实密度和松装密度分别为：
本发明选用了两种不同粒度分布的金属粉末，通过一定的比例混合混配而成，通过不同的配比调整，测试金属粉末的最高振实密度区间，即可推测出两种不同粒径分布的金属粉末的最优比例。
本发明选取的316L金属粉末组分一、316L金属粉末组分二的配比区间按重量百分比计为：(70％-80％)∶(20％-30％)；
按重量百分比计，粘结剂组分∶316L金属粉末组分＝1∶9。
下面将通过6个实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
(1)所述粘结剂按照以下配方，按照重量百分比计为以下组分：
均聚甲醛84wt.％、TPU+TPE 2wt.％、LDPE 6wt.％、抗氧剂1wt.％、相容剂4wt.％、偶联剂3wt.％。
本发明以均聚甲醛为基材，LDPE和TPU+TPE作为脱脂后的骨架可以使得制件具有良好的保型性，其中TPU∶TPE在复配比4.0-5.0为实施例最佳。
采用抗氧剂二缩三乙二醇双[β-(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯]作为主抗氧剂，[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯作为辅抗氧剂，两者复配复配比在3.0-5.0为本实施例最佳。
采用聚乙烯蜡和硬脂酸作为相容剂复配比为1.0-1.5为本实施例最佳，该组分能够有效提高粘结剂的流动性；采用四季戊四醇酯硬脂酸和聚酯酰胺作为偶联剂复配比3.0-4.0为本实施例最佳，能够有效作为连接粘结剂和带有某些基团的金属粉末。
(2)采用316L金属粉末，其中316L金属粉末组分一与316L金属粉末组分二之比按照重量百分比为70％∶30％。
(3)粘结剂组成和金属粉末的重量百分比为1∶9。
实施例1所采用的高流动性金属粉末注射成型喂料的制备方法步骤如下：
S1，混合：按照上述配方将各个组分加入高速混合机中混合，高速混料机设置转速300-600r/min，混合时间为5-15min。
S2，双螺杆挤出造粒：将上述经过混合的物料加入双螺杆挤出机，设置双螺杆挤出机的温度区间为160-220℃，螺杆转速为80-200r/min，挤出造粒。由于采用的聚甲醛基材，用双螺杆挤出机能保证物料在螺杆中经过较短的时间同时有很好的剪切和塑化。
S3，本发明专利可以通过先行制备常用的17-4PH、316L对应的粘结剂，同时也提高了喂料的生产效率和降低员工的劳动强度。
实施例2
(1)所述粘结剂按照以下配方，按照重量百分比计为以下组分
均聚甲醛84wt.％；TPE+TPU+TPR 2wt.％；LDPE(低密度聚乙烯)6wt.％；抗氧剂1wt.％；相容剂4wt.％；偶联剂3wt.％。
其中，作为骨架组分和抗氧剂可以采用实施例4，相容剂采用实施例1。
(2)采用316L金属粉末，其中316L金属粉末组分一与316L金属粉末组分二之比按照重量百分比为70％∶30％。
(3)粘结剂组成和金属粉末的重量百分比为1∶9。
实施例2所采用的高流动性金属粉末注射成型喂料的制备方法步骤如下：
S1，混合：按照上述配方将各个组分加入高速混合机中混合，高速混料机设置转速300-600r/min，混合时间为5-15min。
S2，双螺杆挤出造粒：将上述经过混合的物料加入双螺杆挤出机，设置双螺杆挤出机的温度区间为160-220℃，螺杆转速为80-200r/min，挤出造粒。
实施例3
(1)所述粘结剂按照以下配方，按照重量百分比计为以下组分：
均聚甲醛84wt.％；TPU+TPE+TPR 2wt.％；LDPE 6wt.％；抗氧剂1wt.％；相容剂4wt.％；偶联剂3wt.％。
其中抗氧剂维持实施例1的复配比，作为骨架组分的TPU+TPE+TPR比例为5∶2∶1为本实施例最佳，相容剂采用聚乙烯蜡和EVA复配比为1.5-2.0，偶联剂采用聚酯酰胺和四季戊四醇酯硬脂酸复配比为2.5-3.0。
(2)采用316L金属粉末，其中316L金属粉末组分一与316L金属粉末组分二之比按照重量百分比为75％∶25％。
(3)粘结剂组成和金属粉末的重量百分比为1∶9。
实施例3所采用的高流动性金属粉末注射成型喂料的制备方法步骤如下：
S1，混合：按照上述配方将各个组分加入高速混合机中混合，高速混料机设置转速300-600r/min，混合时间为5-15min。
S2，双螺杆挤出造粒：将上述经过混合的物料加入双螺杆挤出机，设置双螺杆挤出机的温度区间为160-220℃，螺杆转速为80-200r/min，挤出造粒。
实施例4
(1)所述粘结剂按照以下配方，按照重量百分比计为以下组分：
均聚甲醛84wt.％；TPU+TPR 2wt.％；LDPE 6wt.％；抗氧剂1wt.％；相容剂4wt.％；四季戊四醇酯硬脂酸3wt.％。
其中，本抗氧剂组分采用实施例1的复配比，作为骨架组分的TPU+TPR的复配比为4.0-5.0，相容剂采用聚乙烯蜡和硬脂酸复配比为1.0-1.5，为本实施例最佳。
采用316L金属粉末，其中316L金属粉末组分一与316L金属粉末组分二之比按照重量百分比为70％∶30％。
(3)粘结剂组成和金属粉末的重量百分比为1∶9。
实施例4所采用的高流动性金属粉末注射成型喂料的制备方法步骤如下：
S1，混合：按照上述配方将各个组分加入高速混合机中混合，高速混料机设置转速300-600r/min，混合时间为5-15min。
S2，双螺杆挤出造粒：将上述经过混合的物料加入双螺杆挤出机，设置双螺杆挤出机的温度区间为160-220℃，螺杆转速为80-200r/min，挤出造粒。
实施例5
(1)所述粘结剂按照以下配方，按照重量百分比计为以下组分：
均聚甲醛88wt.％；TPE+TPU+TPR 2wt.％；LDPE 5wt.％；抗氧剂1wt.％；相容剂2wt.％；偶联剂2wt.％。
其中，作为骨架组分、相容剂、偶联剂配比可以采用实施例3，抗氧剂采用二缩三乙二醇双[β-(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯]和β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯复配，复配比4.0至5.0为本实施例最佳。
(2)采用316L金属粉末，其中316L金属粉末组分一与316L金属粉末组分二之比按照重量百分比为80％∶20％。
(3)粘结剂组成和金属粉末的重量百分比为1∶9。
实施例5所采用的高流动性金属粉末注射成型喂料的制备方法步骤如下：
S1，混合：按照上述配方将各个组分加入高速混合机中混合，高速混料机设置转速300-600r/min，混合时间为5-15min。
S2，双螺杆挤出造粒：将上述经过混合的物料加入双螺杆挤出机，设置双螺杆挤出机的温度区间为160-220℃，螺杆转速为80-200r/min，挤出造粒。
实施例6
(1)所述粘结剂按照以下配方，按照重量百分比计为以下组分：
均聚甲醛88wt.％；TPE+TPU+TPR 2wt.％；LDPE 5wt.％；抗氧剂1wt.％；相容剂2wt.％；偶联剂2wt.％。
作为骨架组分和抗氧剂可以分别采用实施例4和实施例1，偶联剂采用实施例5，相容剂采用聚乙烯蜡、EVA和硬脂酸作为相容剂，组分比例在5∶4∶2。
(2)采用316L金属粉末，其中316L金属粉末组分一与316L金属粉末组分二之比按照重量百分比为75％∶25％。
(3)粘结剂组成和金属粉末的重量百分比为1∶9。
实施例6所采用的高流动性金属粉末注射成型喂料的制备方法步骤如下：
S1，混合：按照上述配方将各个组分加入高速混合机中混合，高速混料机设置转速300-600r/min，混合时间为5-15min。
S2，双螺杆挤出造粒：将上述经过混合的物料加入双螺杆挤出机，设置双螺杆挤出机的温度区间为160-220℃，螺杆转速为80-200r/min，挤出造粒。
实施例7
实施例7对本发明的实施例1-6进行实验对比，绘制如下表格。
表1各实施例制备的316L金属粉末注射成型的熔指样条测试结果
实施例 生坯密度(g/cm<sup>3</sup>) 熔指流动指数(g/10min) 收缩率
1 5.535 1253 1.165
2 5.545 1410 1.165
3 5.565 1552 1.165
4 5.532 1375 1.165
5 5.547 1512 1.165
6 5.568 1668 1.165
经过测试用本发明提出的方法制备的316L喂料产品，其中流动性可以达到1200-1700g/10min，喂料注塑大件，长件等流动性要求较高的制件过程中，充模饱满，见图1-2，其中图1从左至右依次对应的实施例1-6的熔指样条，图2为注塑制件。经过检验发现，本发明所制备的金属粉末注射成型喂料生坯阶段充模饱满无缺口，表面外观无黑纹、熔接痕，脱脂烧结出来得到的最终金属制件，尺寸精度高。
注明：在本发明中，-22μm、-500目等数字前的“-”均表示在重量百分比的取值范围，例如：-22μm，-500目对应的在组分中占有的重量百分比。在本发明中，尤其是权利要求书中采用(70％-80％)∶(20％-30％)等写法中的括号，其作用在于防止比例范围的混淆，并不代表括号内容可以省略或者为非必要技术特征。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高流动性金属粉末注射成型喂料，其特征在于，包括金属粉末组分和粘结剂组分，所述金属粉末组分包括不同粒度组成的316L金属粉末组分一和316L金属粉末组分二；
其中，316L金属粉末组分一、316L金属粉末组分二的粒度分布、目数、振实密度和松装密度分别为：
316L金属粉末组分一、316L金属粉末组分二的配比区间按重量百分比计为：(70％-80％)∶(20％-30％)；
粘结剂组分按重量百分比计，包括：均聚甲醛80-90wt.％；热塑性弹性1-5wt.％；烯烃类高聚物1-8wt.％；抗氧剂0.1-1wt.％；相容剂0.1-7wt.％；偶联剂0.1-3wt.％；
按重量百分比计，金属粉末组分∶粘结剂组分＝9∶1。
2.根据权利要求1所述的高流动性金属粉末注射成型喂料，其特征在于，316L金属粉末组分一采用气雾化的316L金属粉末，316L金属粉末组分二采用水雾化的316L金属粉末。
3.根据权利要求2所述的高流动性金属粉末注射成型喂料，其特征在于，所述热塑性弹性体包括TPR、TPU、TPE、SBS中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的高流动性金属粉末注射成型喂料，其特征在于，所述热塑性弹性体为TPR、TPU、TPE中的至少两种组分复合而成。
5.根据权利要求1所述的高流动性金属粉末注射成型喂料，其特征在于，所述烯烃类高聚物包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的高流动性金属粉末注射成型喂料，其特征在于，所述抗氧剂包括二缩三乙二醇双[β-(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯]、[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯、β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的高流动性金属粉末注射成型喂料，其特征在于，所述抗氧剂采用二缩三乙二醇双[β-(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯]作为主抗氧剂，[2.4二叔丁基苯基]亚磷酸酯或者β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯作为辅抗氧剂复配组合而成。
8.根据权利要求1所述的高流动性金属粉末注射成型喂料，其特征在于，所述相容剂包括聚乙烯蜡、硬脂酸、乙烯-醋酸乙烯均聚物、磷酸脂类中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的高流动性金属粉末注射成型喂料，其特征在于，所述偶联剂包括四季戊四醇酯硬脂酸、二季戊四醇六丙烯酸、聚酯酰胺、聚醚酰胺、马来酸酐接枝均聚物类中的至少一种。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的高流动性金属粉末注射成型喂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，混合：将316L金属粉末组分一、316L金属粉末组分二和粘结剂组成按照配方比例加入高速混合机中混合，高速混料机设置转速300-600r/min，混合时间为5-15min；
S2，双螺杆挤出造粒：将上述经过混合的物料加入双螺杆挤出机，设置双螺杆挤出机的温度区间为160-220℃，螺杆转速为80-200r/min，挤出造粒。
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