CN109702192B - 一种金属粉末快速成型制备零部件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属粉末快速成型制备零部件的方法，属于金属粉末快速成型技术领域。本发明解决的技术问题是提供一种工艺简单易于控制的金属粉末快速成型制备零部件的方法。该方法包括如下步骤：a、将金属粉末装入模具中，超声去除金属粉末表面的膜；b、将金属粉末振动填实后，抽真空，再充入含有粘结剂的氮气气体至常压，于1000～3000kHz频率下超声振动处理10～15min；c、脱模；d、烧结，得到零部件。本发明工艺简单，无需压力成型，制造成本低，微量气体粘接剂，环保，超声波振动成型，坯件内部为连通孔，无需脱脂而直接进炉烧结，烧结时间减少一半。零件致密度几乎100％，烧结收缩率一致，可以防止裂纹产生，提高产品质量，扩大了零部件的用途。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属粉末快速成型制备零部件的方法，属于金属粉末快速成型技术领域。
背景技术
粉末冶金成形技术常见为金属粉末压制成型、金属粉末注射成型技术。它们作为一种应用广泛的精密成形技术，具有少无切屑加工、材料利用率高、制造过程清洁高效、生产成本低的优点，并可制造形状复杂和难以加工的产品。由于粉末冶金成形具有这些独特的优越性，粉末冶金成形的新工艺新技术的研究受到国内外工业界和学术界的重视。
粉末体材料的力学性质十分复杂，在松散状态下，粉末颗粒之间相互离散，粉末体在轻微外力作用下就能够流动，不保持一种固定形状，但粉末体的力学性质与普通流体又有着本质区别，根据帕斯卡定律，受到压力载荷的静态流体对各方向的压强是均一的，而粉末体则完全不符合该定律，至于流动规律和体积变化规律，粉末体更加与普通流体迥然不同。随着压制过程的进行，粉末体密度逐渐增加，颗粒之间互相勾连和吸附，从而渐渐在整体上表现出致密金属的力学性质。因此，粉末体材料的塑性流动力学性质既不同于流体，又不同于致密金属压制成型，粉粒间的原子通过固相扩散和机械咬合作用，使制件结合为具有一定强度的整体。压力越大则制件密度越大，强度相应增加。将压制成型的制件放置在采用还原性气氛的闭式炉中进行烧结，烧结温度约为基体金属熔点的2/3～3/4倍。由于高温下不同种类原子的扩散，粉末表面氧化物的被还原以及变形粉末的再结晶，使粉末颗粒相互结合，提高了粉末冶金制品的强度，并获得与一般合金相似的组织。经烧结后的制件中，仍然存在一些微小的孔隙，属于多孔性材料。一般情况下，烧结好的制件能够达到所需性能，可直接使用。但有时还需进行必要的后处理。如精压处理，可提高制件的密度和尺寸形状精度；对铁基粉末冶金制件进行淬火、表面淬火等处理可改善其机械性能；为达到润滑或耐蚀目的而进行浸油或浸渍其它液态润滑剂；将低熔点金属渗入制件孔隙中去的熔渗处理，可提高制件的强度、硬度、可塑性或冲击韧性等。但在模具的尖角和凹槽部分，粉末的力学性质和流动状态变化剧烈，产品性能有较大差异。
金属注射成型工艺(Metal Powder Injection Molding Technology，简称MIM)是传统的粉末冶金工艺与塑料成型工艺相结合的新工艺，其基本过程为：各种金属粉末与有机粘接剂均匀混合成具有流动性的膏状物质,然后在注射成型机上注射成型，所得到的成型坯经去除粘接剂和烧结，产生显著的收缩而达到致密化，烧后的零件可根据需要进行磨削、研磨和表面硬化处理等，最后得到制品。金属注射成型工艺突破了传统粉末冶金工艺在制取复杂形状零件方面的局限性，一次能成型出复杂形状的工件，工具尺寸精度高，易于实现高效率自动化生产等长处，特别适合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，目前已经成为快速发展的新工艺领域。但是当今MIM技术基本上都是生产小型机械零部件，而且由于有粘接剂，收缩率大，不易控制。
发明内容
为了克服上述粉末冶金和注射成型的缺陷，以及减少工艺流程，提高功效，本发明提出了一种金属粉末快速成型制备零部件的方法。
本发明解决的技术问题是提供一种工艺简单易于控制的金属粉末快速成型制备零部件的方法。
本发明金属粉末快速成型制备零部件的方法，包括依次进行的如下步骤：
a、粉末处理：将金属粉末装入模具中，超声去除金属粉末表面的膜；
b、固化成型：将金属粉末振动填实后，抽真空，再充入含有粘结剂的氮气气体至常压，于1000～3000kHz频率下振动处理10～15min；
c、脱模；
d、烧结，得到零部件。
优选的，a步骤中，所述模具为硅胶模具，无抽芯斜顶，模具的成分由气象硅胶和田青胶构成，其中，田青胶的重量百分比为0.8～1.5％。
作为优选方案，田青胶的重量百分比为1％。
优选的，a步骤中，超声的条件如下：功率600～4000W，频率40～2000kHz，时间3～12min。
进一步优选的，b步骤中，振动填实为：采用超声振动1～2min。
优选的，b步骤的氮气气体中，粘结剂的质量百分数为2～5％。
优选的，d步骤中，烧结温度为1200～1400℃，烧结时间为1～1.3h，烧结炉的真空度为0.03～0.05Pa。
优选的，所述金属粉末为纯钛粉末、钛合金粉末、纯铜粉末、铜合金粉末、钨铜复合粉末、铁镍粉末或不锈钢粉末。
进一步优选的，所述金属粉末的粒度D90为25～30μm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明工艺简单，无需压力成型，制造成本低，微量气体粘接剂，环保，超声波振动成型，相对于粉末注射成型，坯件内部为连通孔，所以无需脱脂而直接进炉烧结，比粉末注射成型脱脂烧结时间减少一半。零件致密度几乎100％，烧结收缩率一致，可以防止裂纹产生，提高产品质量，扩大了零部件的用途。
具体实施方式
本发明金属粉末快速成型制备零部件的方法，包括依次进行的如下步骤：
a、粉末处理：将金属粉末装入模具中，超声去除金属粉末表面的膜；
b、固化成型：将金属粉末振动填实后，抽真空，再充入含有粘结剂的氮气气体至常压，于1000～3000kHz频率下超声振动处理10～15min；
c、脱模；
d、烧结，得到零部件。
本发明方法，采用微量气体粘结，超声波振动成型，其工艺简单，易于控制，环保，无需脱脂直接烧结，比粉末注射成型的烧结时间减少一半，所得零部件致密度几乎为100％，烧结收缩率一致，无裂纹产生，提高了产品质量，扩大了零部件的用途。
a步骤中，优选的，所述模具为硅胶模具，无抽芯斜顶，模具的成分由气象硅胶和田青胶构成，其中，田青胶的重量百分比为0.8～1.5％。
作为优选方案，田青胶的重量百分比为1％。
硅胶的特点是耐高温，耐腐蚀，抗撕拉性强，硅胶模具与粉末接触的地方表面光滑，易于分离，可以采用强拉等方式分离产品与硅胶模。
a步骤为粉末处理步骤，主要是采用超声去除金属粉末表面的膜，使其更好的与粘结剂粘结成型。
优选的，所述超声的条件为：功率600～4000W，频率40～2000kHz，时间3～12min。
b步骤为固相成型的过程，将金属粉末填入模具中，振动填实后，再充入氮气气体(气体中含粘接剂组元),再一次高频振动(频率1000～3000kHz，时间10～15min),使粉末之间在静压力和弹性振动的作用下产生摩擦、温升等作用促进界面之间金属原子的无限接近，无压成型，保持模具精度,以便充分让粉末连接成整体。
优选的，所述振动填实采用超声振动1～2min。为了简化操作，超声的功率和频率可以之前去除表面膜的超声条件相同。
本领域常用的粘结剂均适用于本发明，比如，蜡基粘结剂：石蜡(PW)、聚合物和少量的表面活性剂等；聚合物基粘结剂：EVA/PBMA/PW粘结剂等；热固性粘接剂：甲基纤维素、少量水、甘油和硼酸等。
优选的，b步骤的氮气气体中，粘结剂的质量百分数为2～5％。采用该含量，可以更好的使金属粉末连接成在整体，便于后续的脱模和烧结。
c步骤为脱模，常用的脱模方法均适用于本发明，比如，采用强拉等方式使产品与硅胶膜分离等。
d步骤为烧结的步骤，优选的，烧结温度为1200～1400℃，烧结时间为1～1.3h，烧结炉的真空度为0.03～0.05Pa。
本发明的金属粉末，可以采用常用的注塑成型金属粉末，优选的，所述金属粉末为纯钛粉末、钛合金粉末、纯铜粉末、铜合金粉末、钨铜复合粉末、铁镍粉末或不锈钢粉末。
优选的，所述金属粉末的粒度D90为25～30μm，优选D90为28μm。其中，D90是指在体积累积分布曲线中累积值正好为90％时所对应的粒径。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
在硅胶模具中加入钛粉400g，模具为硅胶模具，无抽芯斜顶。硅胶模具为主要成分为气象硅胶外加1％田青胶构成，硅胶的特点是耐高温，耐腐蚀，抗撕拉性强，硅胶模具与粉末接触的地方表面必须光滑。在功率2000W，频率1500kHz，超声振动8min除去表面膜后，振动1min，粉末填实后抽成真空，再充入氮气气体(气体中含粘接剂组元3％)，再一次高频振动，频率1500kHz，时间13min，使粉末之间在静压力和弹性振动的作用下产生摩擦、温升等作用促进界面之间金属原子的无限接近，无压成型，让粉末连接成整体成型。采用强拉方式分离产品与硅胶模。将脱膜成型的部件进行烧结处理，烧结温度为1300℃，烧结时间为1.2h，烧结炉的真空度为0.03Pa。得到的产品整体密度均匀，致密度达到100％，产品没有裂纹与变形，测定产品线收缩率为14％。
实施例2
在硅胶模具中加入常规注射成型不锈钢粉600g，模具为硅胶模具，无抽芯斜顶。硅胶模具为主要成分为气象硅胶外加1％田青胶构成，硅胶模具与粉末接触的地方表面光滑。在功率600W，频率500kHz，超声振动4min除去表面膜后，振动2min，粉末填实后抽成真空，再充入氮气气体(气体中含粘接剂组元2％)，再一次高频振动，频率2000kHz，时间10min,使粉末之间在静压力和弹性振动的作用下产生摩擦、温升等作用促进界面之间金属原子的无限接近，无压成型，让粉末连接成整体成型。采用强拉方式分离产品与硅胶模。将脱膜成型的部件进行烧结处理，烧结温度为1250℃，烧结时间为1h，烧结炉的真空度为0.05Pa。得到的产品整体密度均匀，致密度达到100％，产品没有裂纹与变形，测定产品线收缩率为12％。
实施例3
在硅胶模具中加入常规注射成型铜粉450g，模具为硅胶模具，无抽芯斜顶。硅胶模具为主要成分为气象硅胶外加1％田青胶构成，硅胶模具与粉末接触的地方表面必须光滑。在功率1000W，频率900kHz，超声振动5min除去表面膜后，振动2min，粉末填实后抽成真空，再充入氮气气体(气体中含粘接剂组元5％)，再一次高频振动，频率2000kHz，时间12min，使粉末之间在静压力和弹性振动的作用下产生摩擦、温升等作用促进界面之间金属原子的无限接近，无压成型，无压的目的是保持模具精度，以便充分让粉末连接成整体成型。采用强拉等方式分离产品与硅胶模。将脱膜成型的部件进行烧结处理，烧结温度为1250℃，烧结时间为1h，烧结炉的真空度为0.04Pa。得到的产品整体密度均匀，致密度达到100％，产品没有裂纹与变形，测定产品线收缩率为10％。
Claims (8)
1.金属粉末快速成型制备零部件的方法，其特征在于：包括依次进行的如下步骤：
a、粉末处理：将金属粉末装入模具中，超声去除金属粉末表面的膜；
b、固化成型：将金属粉末振动填实后，抽真空，再充入含有粘结剂的氮气气体至常压，于1000～3000kHz频率下振动处理10～15min；氮气气体中，粘结剂的质量百分数为2～5％；
c、脱模；
d、烧结，得到零部件。
2.根据权利要求1所述的金属粉末快速成型制备零部件的方法，其特征在于：a步骤中，所述模具为硅胶模具，无抽芯斜顶，模具的成分由气象硅胶和田青胶构成，其中，田青胶的重量百分比为0.8～1.5％。
3.根据权利要求2所述的金属粉末快速成型制备零部件的方法，其特征在于：田青胶的重量百分比为1％。
4.根据权利要求1所述的金属粉末快速成型制备零部件的方法，其特征在于：a步骤中，超声的条件如下：功率600～4000W，频率40～2000kHz，时间3～12min。
5.根据权利要求1所述的金属粉末快速成型制备零部件的方法，其特征在于：b步骤中，振动填实为：采用超声振动1～2min。
6.根据权利要求1所述的金属粉末快速成型制备零部件的方法，其特征在于：d步骤中，烧结温度为1200～1400℃，烧结时间为1～1.3h，烧结炉的真空度为0.03～0.05Pa。
7.根据权利要求1所述的金属粉末快速成型制备零部件的方法，其特征在于：所述金属粉末为纯钛粉末、钛合金粉末、纯铜粉末、铜合金粉末、钨铜复合粉末、铁镍粉末或不锈钢粉末。
8.根据权利要求1所述的金属粉末快速成型制备零部件的方法，其特征在于：所述金属粉末的粒度D90为25～30μm。
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