CN109940164A - 一种可穿戴设备用钛原材料及其近净成形制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴设备用钛原材料及其近净成形制备方法，涉及可穿戴设备的制备技术领域。该方法将球形钛粉和/或钛合金粉末与塑基体系粘结剂混合均匀后依次进行密炼、催化脱脂、热脱脂、真空烧结以及热等静压。且该方法采用金属粉末注射成型技术来制备可穿戴设备的钛材料外壳及零部件。原始粉末原材料可采用球形纯钛或钛合金粉末，粘结剂采用塑基粘结剂体系，工艺流程为密炼，催化脱脂，热脱脂，真空烧结和热等静压。本发明采用粘结剂的体积含量在45％‑50％，在脱脂和真空烧结过程中，粘结剂中的C原子会与Ti原子原位反应形成TiC析出相，最终烧结成品为TiC颗粒增强的钛基复合材料。经热等静压处理后，产品致密度接近100％。

Description

一种可穿戴设备用钛原材料及其近净成形制备方法

技术领域

本发明涉及可穿戴设备制备技术领域，且特别涉及一种可穿戴设备用钛原材料及其近净成形制备方法。

背景技术

可穿戴设备即直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备多以具备部分计算功能、可连接手机及各类终端的便携式配件形式存在，主流的产品形态包括以手腕为支撑的watch类(包括手表和腕带等产品)，以头部为支撑的Glass类(包括眼镜、头盔、头带等)。

可穿戴设备由于需长期携带，且与人体长期紧密接触，因此对亲肤性好的轻质材料需求迫切。钛具有生物相容性好、耐腐蚀性优良、耐磨性好以及比强度高的优点，为可穿戴设备用最佳材料之一。目前包括智能眼镜、智能手表、助听器等众多产品已开始采用钛材料来制备外壳和零部件。钛由于热传导率低，加工硬化现象明显，导致加工成型难度大。传统的机加工方法加工装备昂贵，加工效率低，大大增加了其加工成本。可实现机加工的钛零件结构都很简单，并且受加工方式所限，大都无法实现能够发挥材料最优性能的设计方案。而可穿戴医疗器械外壳和零部件大都形状复杂，采用传统机加工难度很大。

由于可穿戴设备外壳经常会与外界产生摩擦，会影响其美观和光洁度，因此对材料的耐磨损性能要求高，有必要提高制备设备外壳钛材料的硬度，从而提高耐磨损性能。此外，消费者对可穿戴设备外观审美要求也不断提高，一般需要抛光，甚至达到镜面的效果。这就要求产品致密度高，否则抛光后会出现麻点等缺陷，影响表面质量。

金属粉末注射成形工艺(metal injection molding，MIM)是当今国际材料成型领域发展最快、最具应用潜力的新型粉末冶金近净成形技术，该技术是传统粉末冶金成形与塑料注射成形相结合的产物。该技术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，解决了多年来一直困扰粉末冶金领域的复杂形状制品成型难的问题。但用于可穿戴设备用钛原材料的制备，需要解决钛材料硬度低以及粉末冶金方法带来的致密度较低的问题。

发明内容

本发明的目的包括提供一种可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法，该方法可解决钛材料硬度低以及粉末冶金方法带来的致密度较低的问题，且制备得到的产品的致密度接近100％。

本发明的另一目的包括提供一种可穿戴设备用钛原材料，其通过上述的可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法制备得到。因此，该可穿戴设备用钛原材料的硬度与致密度高，且其致密度接近100％。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法，其包括：

将球形钛粉和/或钛合金粉末与塑基体系粘结剂混合均匀后依次进行密炼、催化脱脂、热脱脂、真空烧结以及热等静压。

本发明提出一种可穿戴设备用钛原材料，其通过上述的可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法制备得到。

本发明实施例的可穿戴设备用钛原材料及其近净成形制备方法的有益效果是：

本发明的实施例提供的可穿戴设备用钛原材料及其近净成形制备方法，采用MIM技术来制备可穿戴设备的钛材料外壳及零部件。原始粉末原材料可采用球形纯钛或钛合金粉末，粘结剂采用POM基的塑基粘结剂体系，工艺流程为密炼，催化脱脂，热脱脂，真空烧结和热等静压。本发明采用粘结剂的体积含量在45％-50％，在脱脂和真空烧结过程中，粘结剂中的C原子会与Ti原子原位反应形成TiC析出相，最终烧结成品为TiC颗粒增强的钛基复合材料。经热等静压处理后，产品致密度接近100％。

本发明的实施例提供的可穿戴设备用钛原材料，其通过上述的可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法制备得到。因此，该可穿戴设备用钛原材料的硬度与致密度高，且其致密度接近100％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的产品的微观组织图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的可穿戴设备用钛原材料及其近净成形制备方法进行具体说明。

本发明的实施例提供了一种可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法，其包括：

将球形钛粉和/或钛合金粉末与塑基体系粘结剂混合均匀后依次进行密炼、催化脱脂、热脱脂、真空烧结以及热等静压。

详细地，进一步地，在本发明的较佳实施例中，将球形钛粉和/或钛合金粉末与塑基体系粘结剂混合均匀后依次进行密炼、催化脱脂、热脱脂、真空烧结及热等静压的步骤具体包括：

将钛粉和/或钛合金粉末与塑基体系粘结剂混合均匀后在密炼机中进行密炼制成喂料；

将喂料在粉末注射成型机中注射成型得到粗坯；

将粗坯在催化脱脂炉中催化脱脂，脱去聚甲醛；

在真空脱脂烧结一体炉中进行热脱脂和真空烧结得到成品；

将成品在热等静压设备中进行热等静压处理。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，钛粉和/或钛合金粉末的粒径在10～30μm，氧含量小于0.1％，且塑基体系粘结剂的体积含量在45％-50％。具体地，采用MIM技术来制备可穿戴设备的钛材料外壳及零部件。原始粉末原材料可采用球形纯钛或钛合金粉末，粘结剂采用POM基的塑基粘结剂体系，工艺流程为密炼，催化脱脂，热脱脂，真空烧结和热等静压。本发明采用粘结剂的体积含量在45％-50％，在脱脂和真空烧结过程中，粘结剂中的C原子会与Ti原子原位反应形成TiC析出相，最终烧结成品为TiC颗粒增强的钛基复合材料。经热等静压处理后，产品致密度接近100％。当然，在本发明的其他实施例中，粘结剂的体积含量还可以根据需求进行进一步地调整，以使其满足作业需求，本发明的实施例不再赘述。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，塑基体系粘结剂包括聚甲醛、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物以及硬脂酸。在脱脂和真空烧结过程中，粘结剂中的C原子会与Ti原子原位反应形成TiC析出相，可有效地提高最后的成品的强度和致密度。当然，在本发明的其他实施例中，粘结剂的种类还可以根据需求进行选择，本发明的实施例不做限定。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，密炼的温度为180-190℃，密炼时间为1-2h。通过高温进行密炼作业可制成喂料，以便于以下步骤的进行。当然，在本发明的其他实施例中，密炼的参数还可以根据需求进行调整，本发明的实施例不做限定。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，注射成型的温度为170-180℃，注射压力为20-25MPa。选择该参数进行注射成型作业可获得粗坯，使得后续的催化脱脂以及热脱脂以及真空烧结作业更顺利地进行。当然，在本发明的其他实施例中，注射成型作业的参数还可以根据需求进行选择，本发明的实施例不再进一步赘述。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，催化脱脂的介质为硝酸或草酸，温度为120-130℃，时间为6-8h。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，真空烧结的真空度<10^-2Pa，真空烧结最高温度为1200-1300℃，保温时间为2-3h。在脱脂和真空烧结过程中，粘结剂中的C原子会与Ti原子原位反应形成TiC析出相，最终烧结成品为TiC颗粒增强的钛基复合材料。经热等静压处理后，产品致密度接近100％。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，热等静压处理温度为930-980℃，压力为100-150MPa，保温时间为3-4小时。

一种可穿戴设备用钛原材料，其通过上述的可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法制备得到。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种可穿戴设备用钛原材料，其通过以下近净成形方法制备得到：

S1：将粒径分布为15-25微米的球形钛粉与塑基体系粘结剂混合均匀，粘结剂包括POM(聚甲醛)，PP(聚丙烯)，EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)，SA(硬脂酸)，其中，粘结剂体积含量为50％；

S2：在真空密炼机中进行密炼，密炼温度为180℃，密炼时间为2小时，制成喂料；

S3：将喂料在粉末注射成型机中注射成型得到产品粗坯，注射温度为170℃，注射压力为25MPa；

S4：将产品粗坯在催化脱脂炉中催化脱脂，脱脂温度为120℃，脱脂时间为7小时；

S5：在真空脱脂烧结一体炉中进行热脱脂和真空烧结，真空度<10^-2MPa，最高烧结温度为1250℃，保温时间为2小时，得到烧结成品；

S6：将烧结成品在热等静压设备中进行热等静压处理，热等静压处理温度为930℃，压力为100MPa，保温时间为3小时。

图1为本实施例提供的产品的微观组织图。请参阅图1，在本实施例中获得产品致密度达到99.96％，基体组织为A：TiC；B:α-Ti；C:β-Ti，TiC析出相弥散分布在基体组织中。其抗拉强度，延伸率，显微硬度分别达到850MPa，4.1％，410HV。采用M-200型摩擦磨损试验机测量其耐磨性能是市售纯钛材料的2倍。

实施例2

本实施例提供了一种可穿戴设备用钛原材料，其通过以下近净成形方法制备得到：

S1：将粒径分布为10-30微米的球形Ti-6Al-4V粉末与塑基体系粘结剂混合均匀，粘结剂包括POM(聚甲醛)，PP(聚丙烯)，EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)，SA(硬脂酸)；其中，粘结剂体积含量为45％；

S2：在真空密炼机中进行密炼，密炼温度为185℃，密炼时间为1.5小时，制成喂料；

S3：将喂料在粉末注射成型机中注射成型得到产品粗坯，注射温度为180℃，注射压力为20MPa；

S4：将产品粗坯在催化脱脂炉中催化脱脂，脱脂温度为130℃，脱脂时间为8小时；

S5：在真空脱脂烧结一体炉中进行热脱脂和真空烧结，真空度<10^-2MPa，最高烧结温度为1300℃，保温时间为3小时，得到烧结成品；

S6：将烧结成品在热等静压设备中进行热等静压处理。热等静压处理温度为980℃，压力为150MPa，保温时间为3小时。

实施例2获得产品致密度达到99.95％，基体组织为α-Ti和β-Ti相，TiC析出相弥散分布在基体组织中。其抗拉强度，延伸率，显微硬度分别达到1150MPa，3.8％，510HV。采用M-200型摩擦磨损试验机测量其耐磨性能是市售Ti-6Al-4V材料的1.5倍。

实施例3

本实施例提供了一种可穿戴设备用钛原材料，其通过以下近净成形方法制备得到：

S1：将粒径分布为15-25微米的球形钛粉与塑基体系粘结剂混合均匀，粘结剂包括POM(聚甲醛)，PP(聚丙烯)，EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)，SA(硬脂酸)，其中，粘结剂体积含量为45％；

S2：在真空密炼机中进行密炼，密炼温度为180℃，密炼时间为2小时，制成喂料；

S3：将喂料在粉末注射成型机中注射成型得到产品粗坯，注射温度为180℃，注射压力为23MPa；

S4：将产品粗坯在催化脱脂炉中催化脱脂，脱脂温度为120℃，脱脂时间为6小时；

S5：在真空脱脂烧结一体炉中进行热脱脂和真空烧结，真空度<10^-2MPa，最高烧结温度为1200℃，保温时间为2小时，得到烧结成；

S6：将烧结成品在热等静压设备中进行热等静压处理。热等静压处理温度为950℃，压力为120MPa，保温时间为4小时。

实施例3获得产品致密度达到99.98％，基体组织为α-Ti和β-Ti相，TiC析出相弥散分布在基体组织中。其抗拉强度，延伸率，显微硬度分别达到840MPa，5.2％，450HV。采用M-200型摩擦磨损试验机测量其耐磨性能是市售纯钛材料的2倍。

对比例

对比例提供了一种可穿戴设备用钛原材料，其通过以下方法制备得到：

S1：将粒径分布为10-25微米的球形钛粉与塑基体系粘结剂混合均匀，粘结剂包括POM(聚甲醛)，PP(聚丙烯)，EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)，SA(硬脂酸)。粘结剂体积含量为40％；

S2：在真空密炼机中进行密炼，密炼温度为180℃，密炼时间为1.5小时，制成喂料；

S3：将喂料在粉末注射成型机中注射成型得到产品粗坯，注射温度为170℃，注射压力为25MPa；

S4：将产品粗坯在催化脱脂炉中催化脱脂，脱脂温度为120℃，脱脂时间为6.5小时；

S5：在真空脱脂烧结一体炉中进行热脱脂和真空烧结，真空度<10^-2MPa，最高烧结温度为1250℃，保温时间为2小时，得到烧结成品；

S6：将烧结成品在热等静压设备中进行热等静压处理。热等静压处理温度为930℃，压力为100MPa，保温时间为3小时。

该对比例可获得产品致密度达到99.94％，基体组织为α-Ti和β-Ti相。其抗拉强度，延伸率，显微硬度分别达到670MPa，6.3％，280HV。采用M-200型摩擦磨损试验机测量其耐磨性能与市售纯钛材料接近。

综上所述，本发明实施例提供的可穿戴设备用钛原材料的近净成形方法采用MIM技术来制备可穿戴设备的钛材料外壳及零部件。原始粉末原材料可采用球形纯钛或钛合金粉末，粘结剂采用POM基的塑基粘结剂体系，工艺流程为密炼，催化脱脂，热脱脂，真空烧结和热等静压。本发明采用粘结剂的体积含量在45％-50％，在脱脂和真空烧结过程中，粘结剂中的C原子会与Ti原子原位反应形成TiC析出相，最终烧结成品为TiC颗粒增强的钛基复合材料。经热等静压处理后，产品致密度接近100％。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法，其特征在于，其包括：

将球形钛粉和钛合金粉末中的至少一种与塑基体系粘结剂混合均匀后依次进行密炼、催化脱脂、热脱脂、真空烧结以及热等静压。

2.根据权利要求1所述的可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法，其特征在于：

所述钛粉和所述钛合金粉末的粒径在10～30μm，氧含量小于0.1％，且所述塑基体系粘结剂的体积含量在45％-50％。

3.根据权利要求2所述的可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法，其特征在于：

所述塑基体系粘结剂包括聚甲醛、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物以及硬脂酸。

4.根据权利要求3所述的可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法，其特征在于，将球形钛粉和/或钛合金粉末与所述塑基体系粘结剂混合均匀后依次进行密炼、催化脱脂、热脱脂、真空烧结及热等静压的步骤具体包括：

将所述钛粉和/或所述钛合金粉末与所述塑基体系粘结剂混合均匀后在密炼机中进行密炼制成喂料；

将所述喂料在粉末注射成型机中注射成型得到粗坯；

将所述粗坯在催化脱脂炉中催化脱脂，脱去所述聚甲醛；

在真空脱脂烧结一体炉中进行热脱脂和真空烧结得到成品；

将所述成品在热等静压设备中进行热等静压处理。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法，其特征在于：

密炼的温度为180-190℃，密炼时间为1-2h。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法，其特征在于：

注射成型的温度为170-180℃，注射压力为20-25MPa。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法，其特征在于：

催化脱脂的介质为硝酸或草酸，温度为120-130℃，时间为6-8h。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法，其特征在于：

真空烧结的真空度<10^-2Pa，真空烧结最高温度为1200-1300℃，保温时间为2-3h。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法，其特征在于：

热等静压处理温度为930-980℃，压力为100-150MPa，保温时间为3-4小时。

10.一种可穿戴设备用钛原材料，其特征在于，通过权利要求1至9中任一项所述的可穿戴设备用钛原材料的近净成形制备方法制备得到。