CN113458398A - 一种注射浆料实现金属注射成形的方法 - Google Patents

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Abstract

一种注射浆料实现金属注射成形的方法，属于金属注射成形领域。本发明以金属粉末、聚合物单体、分散剂、溶剂为原料，混合均匀后得到注射浆料，通过注射机注入加热的模具中(模具的模芯为多孔金属)，通过多孔通道排除浆料中的气泡和溶剂，并在模温作用下实现溶剂挥发，进而实现注射坯体的原位固化成形，脱模后的注射坯体经过脱脂烧结获得复杂形状的金属零件。利用多孔金属作为注射模具实现注射浆料溶剂挥发，从而引发原位固化，获得注射坯体。注射浆料配制及注射可在常温下进行，降低了对生产环境的要求，省去了传统溶脱/酸脱工艺，可直接进行脱胶烧结，工艺简单，流程短，适用性强，适合大规模工业化生产。

Description

一种注射浆料实现金属注射成形的方法
技术领域
本发明属于金属注射成形领域，提供了一种注射浆料实现金属注射成形的方法。
背景技术
金属注射成形(MIM)是一种将塑料注射成形与新型粉末冶金技术结合的近净成形技术，在金属粉末中添加粘结剂以使其具有一定流动性，注射进模具后成形，再脱除粘结剂并烧结得到强度较高、耐磨性好的金属制品。金属注射成形兼具塑料注射成形与粉末冶金的优势，既可以生产形状复杂的金属零件，又可以最大限度地减少合金成分偏析，即形状与性能同时兼顾。
一般来说，在制作注射喂料过程中，需要将粘结剂加热至熔融状态，才能与粉末搅拌均匀，获得注射喂料；在注射成形过程中，也需要将喂料加热至熔融状态，才可在一定压力下将熔融态的喂料注入模具中获得形状，一般模具的加热温度都高于80℃。但是金属在粉末状态下比表面积大，一些活泼金属，如钛，对氧、碳等间隙元素高度敏感，且在制作喂料与注射过程中都需要加热，更加剧了粉末氧化的风险。同时，传统喂料需要采用溶脱或酸脱才能将注射坯体中的主体粘接剂脱除，以进行后续的脱脂烧结，工艺繁复复杂。因此，如何避免注射喂料烧结前反复加热并简化脱脂工艺具有十分重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种注射浆料实现金属注射成形的方法，属于粉末冶金注射成形领域。本发明以金属粉末、聚合物单体、分散剂、溶剂为原料，混合均匀后得到注射浆料，通过注射机注入加热的模具中(模具的模芯为多孔金属)，通过多孔通道排除浆料中的气泡和溶剂，并在模温作用下实现溶剂挥发，进而实现注射坯体的原位固化成形，脱模后的注射坯体经过脱脂烧结获得复杂形状的金属零件。本发明中，利用注射浆料溶剂挥发引发固化的特性实现注射浆料原位固化成形，利用多孔模具为溶剂、气泡创建挥发通道，使注射浆料在压力作用下直接将溶剂、气泡等挤入多孔模具中，并在模温作用下实现溶剂快速挥发逸出，实现原位固化获得注射坯体，且金属粉末颗粒无法进入到多孔模具中。注射浆料在常温下配制进行，注射过程通过压力实现，而不需要高温注射(＞150℃)，只需通过模温机将模具温度控制(40～60℃)实现溶剂挥发，远低于常规注射温度，可以避免活泼金属粉(如钛)反复加热冷却造成的氧化，极大程度地控制了对氧含量敏感的金属氧含量，从而保证烧结后的注射产品具有良好性能。此外，注射坯体不需要溶脱或酸脱，可直接进行脱胶烧结，缩短了工艺流程。由于注射浆料制作和注射过程可在常温下进行，降低了对生产环境的要求，简化了金属注射成形的制备工序，有利于实现金属注射成形的低成本化。
为了获得上述的一种注射浆料实现金属注射成形的方法，其特征在于，具体制备步骤如下：
(1)模具准备：按照目标形状设计模具，模具的模芯选用相对密度80～90％、孔隙相互连通的多孔金属，模架上预留排气孔。
(2)注射浆料制备：将金属粉体原料和聚合物单体、分散剂根据成型需求按比例加入到溶剂中，通过球磨或超声振荡方式进行打浆，获得均匀的悬浮浆料；
(3)坯体成型：用模温机加热模具至40～60℃，将步骤(2)中的注射浆料倒入注射机的料仓中，通过压力注射进入模具中，随后取出注射坯体；
(4)脱脂烧结：将步骤(3)中的注射坯体在脱脂烧结炉中进行脱胶烧结，脱胶温度为250～800℃，保温4～10h，随后进行真空烧结，烧结温度为1000～1500℃，保温2～5h，真空度为10-3-10-1Pa，冷却后获得复杂形状的金属零部件。
进一步地，步骤(1)中所述的多孔金属材质为合金工具钢，如调质45钢、Q235钢或淬火Cr12钢，其通过粉末冶金方法制备得到，最大孔径＜5μm。
进一步地，步骤(2)中所述的聚合物为聚异丁烯、改性丙烯酸酯合成树脂、聚乙酸乙烯酯或氯磺化聚乙烯；分散剂为油酸、聚乙二醇、柠檬酸铵或聚甲基丙烯酸铵等；溶剂为乙酸乙酯、丙酮、叔丁醇或异丙醇。
进一步地，步骤(2)中所述的金属粉体原料为市售的各种不锈钢、铁基、硬质合金或钛合金粉末，粉末粒径≤45μm且≥5μm。
进一步地，步骤(2)中所述的注射浆料中的溶剂体积百分比为15～30％，分散剂体积量百分比为0.5～3％，聚合物单体体积百分比为15～30％，余量为金属粉体原料。
本发明的技术关键点在于：
(1)注射浆料为低黏度、高固相含量的悬浮浆料，在保证良好的注射流动性的同时，实现了生坯的高强度、高密度；
(2)浆料配制及注射过程可在常温下进行，省去了常规注射喂料和注射成形工艺需要反复高温加热的麻烦，极大降低了金属粉末氧化的机会；
(3)模具创新性采多孔金属，为溶剂挥发提供了通道，通过注射压力实现溶剂挤入多孔模具中去，并配合模温实现溶剂加速挥发，实现注射浆料的原位固化并成形；
(4)多孔模具的致密度80～90％是经过大量实验验证获得，保证注射浆料中溶剂可被全部挤出，且通过粉末冶金方法制备得到多孔金属，孔隙相互连通，实现通孔结构，且最大孔径＜5μm；
(5)注射坯体无需酸脱或溶脱可直接进行脱胶烧结，简化了金属注射成形工艺流程。
本发明的优点：
1、本发明采取配制浆料，常温成形的方法，解决了金属粉末在反复加热过程中容易吸收间隙原子的问题，为零件性能提供了先决保障。
2、利用多孔金属模具实现注射浆料中溶剂挥发，进而实现原位固化成形，为注射成形喂料的粘结剂体系开发提供了新思路。
3、模具创新性采用多孔材料，为溶剂挥发提供了通道，加热模具可以加速溶剂挥发，实现注射浆料原位固化成形。
4、发挥粉末冶金与注射成形的优势，既避免成分偏析又近净成形。
5、该方法制备工艺简单，流程短，适用性强，适合大规模工业化生产。
附图说明：
图1是本发明实施案例中多孔模具示意图。
具体实施方式
实施例1：
一种注射浆料实现金属注射成形的方法，具体制备步骤如下：
(1)按照目标形状设计模具，模具的模芯选用相对密度88％的布满连通孔隙的多孔45钢，模架选用Q235钢，预留排气孔。
(2)将40μm球形钛粉和异丙醇、聚乙酸乙烯酯、油酸按体积百分比60：19：20：1混合，用球磨机混合均匀，获得均匀粉体悬浮浆料；
(3)用模温机将模具加热至50℃，将步骤(2)中的注射浆料注射进模具中，设定合模时间为15s，待溶剂挥发固化后取出得到注射坯体；
(4)将步骤(3)中的注射坯体在脱脂烧结炉中进行脱胶烧结，脱胶工艺为300℃保温2h，500℃下保温3h，随后，进行真空烧结，烧结温度为1200℃，保温3h，冷却后获得注射钛零部件。
实施例2：
一种注射浆料实现金属注射成形的方法，具体制备步骤如下：
(1)按照目标形状设计模具，模具的模芯选用相对密度85％的布满连通孔隙的多孔45钢，模架选用Cr12钢，预留排气孔。
(2)将10μm 316L不锈钢粉和叔丁醇、聚异丁烯、聚乙二醇按53：25：20：2混合，用超声振荡进行打浆，获得均匀粉体悬浮浆料；
(3)用模温机将模具加热至40℃，将步骤(2)中的注射浆料注射进模具中，设定合模时间为10s，待溶剂挥发固化后取出得到注射坯体；
(4)将步骤(3)中的注射坯体在脱脂烧结炉中进行脱胶烧结，脱胶工艺为450℃下保温3h，600℃下保温4h，随后，进行真空烧结，烧结温度为1180℃，保温2h，冷却后获得注射316L不锈钢零部件。
实施例3：
一种注射浆料实现金属注射成形的方法，具体制备步骤如下：
(1)按照目标形状设计模具，模具的模芯选用相对密度80％的布满连通孔隙的多孔Cr12钢，模架选用Q235钢，预留排气孔。
(2)将20μm高速钢W18Cr4V粉和去离子水、氯磺化聚乙烯、柠檬酸铵按60.5：18：20：1.5混合，通过超声振荡混合均匀，获得均匀粉体悬浮料浆；
(3)用模温机将模具加热至55℃，将步骤(2)中的注射浆料注射进模具中，设定合模时间为8s，待溶剂挥发固化后取出得到注射坯体；
(4)将步骤(3)中的注射坯体在脱脂烧结炉中进行脱胶烧结，脱胶工艺为400℃保温4h，750℃下保温4h，随后，进行真空烧结，烧结温度为1410℃，保温2h，冷却后获得注射高速钢W18Cr4V零部件。

Claims (5)

1.一种注射浆料实现金属注射成形的方法，其特征在于，具体制备步骤如下：
(1)模具准备：按照目标形状设计模具，模具的模芯选用相对密度80～90％、孔隙相互连通的多孔金属，模架上预留排气孔；
(2)注射浆料制备：将金属粉体原料和聚合物单体、分散剂根据成型需求按比例加入到溶剂中，通过球磨或超声振荡方式进行打浆，获得均匀的悬浮浆料；
(3)坯体成型：用模温机加热模具至40～60℃，将步骤(2)中的注射浆料倒入注射机的料仓中，通过压力注射进入模具中，随后取出注射坯体；
(4)脱脂烧结：将步骤(3)中的注射坯体在脱脂烧结炉中进行脱胶烧结，脱胶温度为250～800℃，保温4～10h，随后进行真空烧结，烧结温度为1000～1500℃，保温2～5h，真空度为10-3-10-1Pa，冷却后获得复杂形状的金属零部件。
2.根据权利要求1所述的一种注射浆料实现金属注射成形的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的多孔金属材质为合金工具钢，包括调质45钢、Q235钢或淬火Cr12钢，工具钢材料通过粉末冶金方法制备得到，最大孔径＜5μm。
3.根据权利要求1所述的一种注射浆料实现金属注射成形的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的聚合物为聚异丁烯、改性丙烯酸酯合成树脂、聚乙酸乙烯酯或氯磺化聚乙烯；分散剂为油酸、聚乙二醇、柠檬酸铵或聚甲基丙烯酸铵；溶剂为乙酸乙酯、丙酮、叔丁醇或异丙醇。
4.根据权利要求1所述的一种注射浆料实现金属注射成形的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的金属粉体原料为市售的各种不锈钢、铁基、硬质合金或钛合金粉末，粉末粒径≤45μm且≥5μm。
5.根据权利要求1所述的一种注射浆料实现金属注射成形的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的注射浆料中的溶剂体积百分比为15～30％，分散剂体积量百分比为0.5～3％，聚合物单体体积百分比为15～30％，余量为金属粉体原料。
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