CN114472879B - 一种纯钛粉末注射成形用粘结剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种纯钛粉末注射成形用粘结剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纯钛粉末注射成形用粘结剂及其制备方法和应用，纯钛粉末注射成形用粘结剂按质量百分比计，包括，聚甲醛75～85％、高密度聚乙烯5～15％、石蜡5％、硬脂酸1％、超支化聚酰胺树脂1～5％。使用本发明粘结剂制备的钛粉末喂料流动性好、制备成本低、杂质含量少；脱脂产物为H2O和CO2，不污染环境；制备出的注射成形钛制品氧含量低、致密度高、性能稳定，适合注射成形工业化生产。

Description

一种纯钛粉末注射成形用粘结剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于粉末冶金注射成形技术领域，具体涉及到一种纯钛粉末注射成形用粘结剂及其制备方法和应用。
背景技术
金属粉末注射成形是一种成熟的近净成形制造工艺，其特征是将粉末冶金与塑料注射成形相结合，利用粉末冶金的特性(例如，低成本，材料利用率高和成分选择灵活)和塑料注射成形的特性(例如，制造复杂零件的能力和快速生产等)来制造中小型复杂零部件，特别适用于大批量生产。注射成形工艺克服了传统粉末冶金对特别复杂零部件的局限性，可以生产薄壁状，螺纹状和空心球状产品。
近年来，纯钛粉末的注射成形工艺也越来越受关注，尤其是在生物钛材料领域，但是适用于纯钛粉末注射成形用的粘结剂却鲜有研究。粘结剂是金属粉末注射成形的核心，主要起着增强流动性与维持生坯形状两方面的作用，粘结剂体系的选择对粉末注射成形工艺有着重大的影响，粘结剂体系若发生改变，则会对金属粉末的分散情况产生影响，也会对粘结剂与金属粉末之间的相互作用产生影响，最终对喂料的流变性能、注射性能和脱脂性能等造成不利影响。由于纯钛的高活泼性，在注射成形纯钛工艺过程中，选择合适的粘合剂体系可在脱脂后留下最少的氧气和残余碳是至关重要的一步。用于纯钛粉末注射成形的粘合剂最重要特征包括但不限于：1)对钛粉末颗粒具有良好的附着力；2)注射温度低；3)脱脂过程中尺寸稳定；4)真空热脱脂后，在较低温度(＜260℃)下完全分解，没有任何残留物；5)不与钛发生化学反应；6)提供足够的生坯强度。由于没有一种单一的粘合剂材料可以满足所有这些标准，因此通常将不同组分的混合物用作粘合剂体系。
聚甲醛基粘结剂属于热塑性粘结剂体系，是该体系的典型粘结剂，聚甲醛基粘结剂压坯强度高，且具有能较好保形性和无相分离等优势。然而，该粘结剂体系现主要的问题是喂料的粘度较高，其流动性较差，因而往往导致注射时出现欠注和开裂等缺陷，同时因其粘度较高会对相关设备有着比较大的磨损，因此对聚甲醛基粘结剂体系进行优化改性，提高其流动性等性能显得尤为重要。
因此，研发一种新的适用于纯钛粉末注射成形用粘结剂成了亟待解决的技术问题。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的不足，本发明的其中一个目的是提供一种纯钛粉末注射成形用粘结剂的制备方法，所用原料和制备方法简单，制得的该种粘结剂使用后，有利于纯钛粉末的注射成形。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种纯钛粉末注射成形用粘结剂，按质量百分比计，包括，聚甲醛75～85％、高密度聚乙烯5～15％、石蜡5％、硬脂酸1％、超支化聚酰胺树脂1～5％。
作为本发明纯钛粉末注射成形用粘结剂的一种优选方案，其中：按质量百分比计，包括，聚甲醛79～83％、高密度聚乙烯10％、石蜡5％、硬脂酸1％、超支化聚酰胺树脂1～5％。
作为本发明纯钛粉末注射成形用粘结剂的一种优选方案，其中：按质量百分比计，聚甲醛80％、高密度聚乙烯10％、石蜡5％、硬脂酸1％、超支化聚酰胺树脂4％。
本发明的另一个目的是提供纯钛粉末注射成形用粘结剂的制备方法，包括，将聚甲醛、高密度聚乙烯、石蜡、硬脂酸和超支化聚酰胺树脂按质量百分比混合制备。
本发明的另一个目的是提供纯钛粉末注射成形用粘结剂的应用，所述粘结剂用于纯钛粉末的注射成形，所述粘结剂与所述纯钛粉末的质量百分比为：10～15％：85～90％；
所用纯钛粉末为气雾化球形钛粉，粉末的含氧量为0.3％，粉末的粒度为-325目。
作为本发明纯钛粉末注射成形用粘结剂的应用的一种优选方案，其中：所述粘结剂与所述纯钛粉末的质量百分比为：12％：88％。
作为本发明纯钛粉末注射成形用粘结剂的应用的一种优选方案，其中：将所述粘结剂与所述纯钛粉末混合注入粉末密炼机，200℃密炼120min，转速为40r/min；
密炼结束后，将混合物经捏合机挤出、破碎造粒，得到喂料；
将所述喂料注入注射成形机，注射温度为190℃，注射压力为90bar，制得生坯；
将所述生坯经过催化脱脂、真空热脱脂、真空烧结和后处理，制得注射成形产品。
作为本发明纯钛粉末注射成形用粘结剂的应用的一种优选方案，其中：所述催化脱脂的方法为：将所述生坯放置于草酸催化脱脂炉中，进草酸量为8g/min，并在120～135℃的温度下进行催化脱脂；
其中，使用惰性气体作为催化脱脂时的保护气体，惰性气体流量70L/min。
作为本发明纯钛粉末注射成形用粘结剂的应用的一种优选方案，其中：所述真空热脱脂的方法为：将催化脱脂后的生坯放置于真空烧结炉，以2℃/min的升温速度升温至450℃并保温120min。
作为本发明纯钛粉末注射成形用粘结剂的应用的一种优选方案，其中：所述真空烧结的方法为：在真空热脱脂完成后，继续以2℃/min的升温速度升温至烧结温度1200～1350℃，并保温30min，最后随炉冷却至室温。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明制备了一种含超支化聚酰胺树脂的聚甲醛基粘结剂，降低粘结剂的生产成本。超支化聚酰胺树脂具有低粘度和良好的溶解性，有利于喂料的注射和生坯的脱脂。低粘度超支化聚酰胺树脂的加入使得注射喂料时的压力降低，减小设备的磨损。
采用本发明粘结剂注射成形的钛制品；致密度高，在95％以上，氧含量低，在0.3％以下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明对比例1与实施例1制备的钛粉末喂料的实物照片对比。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
(1)粘结剂的制备：称取聚甲醛83份，高密度聚乙烯10份，石蜡5份，硬脂酸1份，超支化聚酰胺树脂1份；将其密炼混合均匀，然后挤出造粒成颗粒状固体。
(2)喂料的制备：将钛粉末(钛粉末粒度为-325目)和所述粘结剂按质量比88％:12％置于密炼机中密炼，密炼温度、密炼时间和密炼转速分别为：200℃、120min和40r/min。
(3)喂料的注射成形：密炼完成后，钛粉末与粘结剂混合物经单螺杆挤出机挤出，在破碎机破碎后得到注射成形喂料，喂料经注射成形机注射后得到注射生坯，注射温度为190℃，注射压力为90bar。将喂料放入阿基米德螺线测试模具中，加热挤出，测量长度，结果显示，注射的阿基米德螺旋线长度为24.1cm。
(4)催化脱脂：将注射生坯置于草酸脱脂炉中进行草酸脱脂，升温速率为2℃/min，脱脂温度为130℃，进草酸量8g/min。使用惰性气体氩气作为脱脂时的保护气体，其中，氩气流量70L/min。
(5)真空热脱脂：将草酸脱脂后的生坯置于真空炉中，以2℃/min的升温速率升温至450℃并保温120min。
(6)真空烧结：将脱脂生坯置于真空烧结炉内，以2℃/min的升温速率升温至1300℃，并保温30min，然后随炉冷却至室温，制得钛制品。
对得到的钛制品进行物理性能测试，测试结果显示，其实际密度为4.35g/cm3，钛的理论密度以4.51g/cm3计，相对密度达到96.5％；钛制品的氧含量为0.24％。
实施例2
(1)粘结剂的制备：称取聚甲醛81份，高密度聚乙烯10份，石蜡5份，硬脂酸1份，超支化聚酰胺树脂3份；将其密炼混合均匀，然后挤出造粒成颗粒状固体。
步骤(2)、(3)、(4)、(5)、(6)与实施例1完全相同，制得钛制品。
经测试，喂料注射的阿基米德螺旋线长度为26.6cm。
对得到的钛制品进行物理性能测试，测试结果显示，其实际密度为4.30g/cm3，相对密度达到95.3％；钛制品的氧含量为0.2％。
实施例3
(1)粘结剂的制备：称取聚甲醛79份，高密度聚乙烯10份，石蜡5份，硬脂酸1份，超支化聚酰胺树脂5份；将其密炼混合均匀，然后挤出造粒成颗粒状固体。
步骤(2)、(3)、(4)、(5)、(6)与实施例1完全相同，制得钛制品。
经测试，喂料注射的阿基米德螺旋线长度为27.8cm。
对得到的钛制品进行物理性能测试，测试结果显示，其实际密度为4.32g/cm3，相对密度达到95.8％；钛制品的氧含量为0.22％。
对比例1
(1)粘结剂的制备：称取聚甲醛84份，高密度聚乙烯10份，石蜡5份，硬脂酸1份；将其密炼混合均匀，然后挤出造粒成颗粒状固体。
步骤(2)、(3)、(4)、(5)、(6)与实施例1完全相同，制得钛制品。
经测试，喂料注射的阿基米德螺旋线长度为22.6cm。
对得到的钛制品进行物理性能测试，测试结果显示，其实际密度为4.21g/cm3，相对密度达到93.3％；钛制品的氧含量为0.36％。
对比例1与实施例1的钛粉末喂料实物照片对比如图1所示。由图1中对比可以看出，实施例1制备的喂料(图1b)相较于对比例1制备的喂料(图1a)而言具有更好的球形度、表面光滑度，喂料表现出更优异的流动性能，更适合注射成形。
实施例1～3、对比例1制备的喂料的阿基米德螺旋线长度、钛制品的相对密度、氧含量、抗拉强度数据列表结果见表1。
表1
阿基米德螺旋线长度(cm) 相对密度(％) 氧含量(％) 抗拉强度(MPa)
实施例1 24.1 96.5 0.24 820
实施例2 26.6 95.3 0.20 841
实施例3 27.8 95.8 0.22 817
对比例1 22.6 93.3 0.36 803
从实施例与对比例1的数据对比可以看出，添加超支化聚酰胺树脂后，喂料的流动性明显增加，最终制得钛制品的相对密度、力学性能也显著增加，钛制品的氧含量降低，钛制品性能得到明显改善。
从实施例1～3的数据对比可以看出，超支化聚酰胺树脂的添加量达5％时，喂料的流动性虽然仍在增加，但是最终制得钛制品的力学性能缺在下降，氧含量也在增多，相对密度略微下降，超支化聚酰胺树脂的添加量不宜过高。
本发明制备了一种含超支化聚酰胺树脂的聚甲醛基粘结剂，降低粘结剂的生产成本。超支化聚酰胺树脂具有低粘度和良好的溶解性，有利于喂料的注射和生坯的脱脂。低粘度超支化聚酰胺树脂的加入使得注射喂料时的压力降低，减小设备的磨损。
采用本发明粘结剂注射成形的钛制品；致密度高，在95％以上，氧含量低，在0.3％以下。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种纯钛粉末注射成形用粘结剂，其特征在于：按质量百分比计，包括，聚甲醛81%、高密度聚乙烯10%、石蜡5%、硬脂酸1%、超支化聚酰胺树脂3%。
2.如权利要求1所述的纯钛粉末注射成形用粘结剂的制备方法，其特征在于：将聚甲醛、高密度聚乙烯、石蜡、硬脂酸和超支化聚酰胺树脂按质量百分比混合制备。
3.如权利要求1所述的纯钛粉末注射成形用粘结剂的应用，其特征在于：所述粘结剂用于纯钛粉末的注射成形，所述粘结剂与所述纯钛粉末的质量百分比为10~15%：85~90%；
所用纯钛粉末为气雾化球形钛粉，粉末的含氧量为0.3%，粉末的粒度为-325目。
4.如权利要求3所述的纯钛粉末注射成形用粘结剂的应用，其特征在于：所述粘结剂与所述纯钛粉末的质量百分比为12%：88%。
5.如权利要求3或4所述的纯钛粉末注射成形用粘结剂的应用，其特征在于：将所述粘结剂与所述纯钛粉末混合注入粉末密炼机，200℃密炼120min，转速为40r/min；
密炼结束后，将混合物经捏合机挤出、破碎造粒，得到喂料；
将所述喂料注入注射成形机，注射温度为190℃，注射压力为90bar，制得生坯；
将所述生坯经过催化脱脂、真空热脱脂、真空烧结和后处理，制得注射成形产品。
6.如权利要求5所述的纯钛粉末注射成形用粘结剂的应用，其特征在于：所述催化脱脂的方法为：将所述生坯放置于草酸催化脱脂炉中，进草酸量为8g/min，并在120~135℃的温度下进行催化脱脂；
其中，使用惰性气体作为催化脱脂时的保护气体，惰性气体流量70L/min。
7.如权利要求5所述的纯钛粉末注射成形用粘结剂的应用，其特征在于：所述真空热脱脂的方法为：将催化脱脂后的生坯放置于真空烧结炉，以2℃/min的升温速度升温至450℃并保温120min。
8.如权利要求6或7所述的纯钛粉末注射成形用粘结剂的应用，其特征在于：所述真空烧结的方法为：在真空热脱脂完成后，继续以2℃/min的升温速度升温至烧结温度1200~1350℃，并保温30min，最后随炉冷却至室温。
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