CN116493591A - 一种双金属组件高尔夫球头金属注射成型一次性烧结制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料加工技术，具体提供一种双金属组件的高尔夫球头的制备工艺，先将其中一种金属钨合金进行注射成型，成型后的钨合金注射坯嵌入不锈钢注射成型的模具内，将不锈钢喂料与钨合金的注射坯进行注射成型得到模内注射成型的一体注射坯，并通过脱脂烧结制备得到双金属组件高尔夫球头；本发明应用于有配重块组装要求的高尔夫球头，是采用双金属注射成型后一次性脱脂烧结工艺完成，突破现有金属注射成型（MIM）技术一次只能生产一种金属成分零件的限制，可以一次成型不锈钢和钨合金金属部件，具有生产步骤少、工期时间短且成本低等优点，制备得到的高尔夫球头外观好，且韧性高不开裂。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工领域，具体涉及一种双金属组件高尔夫球头金属注射成型一次性烧结制备工艺。
背景技术
高尔夫球头经常包含常规金属主体（不锈钢、低合金钢）和高比重金属配重块（钨合金）两种组件。例如在铁杆、沙杆的底部安装高比重配重块，可以增大挥杆时的转动惯量，增加击球距离；在推杆两侧安装高比重配重块，可以减少摇摆，增加推球时的稳定性。目前生产方法是以不同工艺（例如精密铸造、锻压、CNC加工、粉末冶金等）分别生产两种不同组件，然后通过焊接、螺母固定、铆接等方法组装到一起；
现有高尔夫球头金属加工工艺，存在着工艺流程长，环保压力大，步骤多，生产成本高，生产周期长等缺点，具体表现为：
（a）精密铸造需要先制作模壳，模壳烘干周期10天左右，全制作周期15天左右；模壳产生大量砂粉固废，环保压力大；工作环境恶劣，高温、粉尘导致的职业健康问题；铸造件表面粗糙，后加工抛光成本高；铸造件内部气孔导致良率低下；
（b）锻压成本高，需单个锻压，产能低，无法满足客户需求；无法生产结构复杂的部件；锻压胚后加工余量大，需要CNC加工配合，成本高；
（c）CNC加工，产能最低，每加工一个高尔夫球头，CNC设备加工耗时1-2小时，需要大量投资购买设备才能满足需求，而且对劳动力需求也大。
两个不同金属成分的部件组装成高尔夫球头，目前都是分开制造常规比重金属主体和高比重钨合金配重块，再组装到一起。组装的工艺包括焊接、螺丝、铆接等，步骤多，而且由于钨合金韧性差，容易脆裂，生产和使用过程中容易产生裂纹甚至破碎。
基于粉末冶金技术的金属注射成型（MIM）已是生产高尔夫球头的成熟工艺。可以用于生产球头主体组件，也可以用来生产钨合金配重块组件，但是由于两种金属材料在MIM工艺中的差异，必须分开生产，再组装到一起。这些差异包括但不限于：（a）烧结温度不同，钨合金烧结温度在1400度以上，不锈钢及低合金钢在1200-1380度之间；（b）烧结收缩比不同，钨合金收缩率在1.20或以上，不锈钢及低合金钢收缩比为1.165-1.216之间；（c）烧结气氛不同，钨合金需要在氢气或者惰性气体保护下常压烧结，不锈钢及低合金钢需要在惰性气体保护下真空烧结。
发明内容
发明目的：为解决上述发明问题，本发明将钨合金粉进行组合，得到可以在不锈钢金属模具内可以进行注射成型及后续一系列操作的粉体。
本发明的发明核心为通过调整不锈钢与钨合金的比例，钨合金和不锈钢的收缩比统一起来，使其收缩比一样，能通过膜内注塑工艺使两者嵌合在一起，得到能通过膜内注塑和一次性烧结工艺制备得到的成型率高且质量优异的高尔夫球头。
本发明的技术方案如下：
本发明提供一种双金属组件高尔夫球头，其特征在于，制备原料包括
钨合金、不锈钢和粘结剂；所述的钨合金中钨的质量含量30-99%，其它合金成分的质量含量0-20%；所述的不锈钢选用铁基原材料，选用304不锈钢、316L不锈钢、17-4PH不锈钢的其中一种。
本发明所述的其它合金成分包含以下重量份组分：镍含量为4-15重量份，铜/铁含量2-10重量份。
进一步研究地，所述的钨合金粉末和不锈钢粉末的重量份之比为1:40-1:20。
进一步研究地，所述的不锈钢粉末与粘结剂按重量份1-3:0.4-0.8进行配比。
进一步研究地，所述的高尔夫球头的制备方法包括以下步骤：
步骤1：将钨合金、不锈钢粉末分别与烧结剂进行喂料配比；
步骤2：将钨合金喂料进行一次注塑得到模内注塑内置件，再放入不锈钢喂料的模具中，进行模内注塑得到不锈钢喂料包裹钨合金喂料的注射胚；
步骤3：将坯体进行三步法脱脂；
步骤4：将脱脂后的胚体在温度为1380-1420℃，在40-50KPa氮氢混合气氛下烧结，得到双金属高尔夫球杆头的烧结产物。
进一步研究地，步骤2所述的注塑工艺的塑化温度为180℃~220℃，模具加热温度：90℃~120℃，注射压力为110~130MPa。
进一步研究地，所述的钨合金的密度在烧结前为8-9g/cm3，烧结后为14-15g/cm3。
进一步研究地，步骤3所述的三步法脱脂为：先将胚体前冲洗，置于脱脂炉，在氮气氛围下，氮气流量0.8L/min，温度为100℃~140℃进行脱脂13-22h，再后冲洗，得到粗成型的粗产品高尔夫球杆头。
进一步研究地，步骤4所述的烧结工艺分为三步，分别为负压脱脂，
真空烧结和分压烧结。
进一步研究地，所述的烧结剂其组成为聚甲醛为90%，乙烯共聚物为3%，三元乙丙橡胶为4%，硬脂酸甘油酯为1%，2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚为1%，高密度聚乙烯HDPE含量1%。
有益效果：本发明提供一种双金属组件的高尔夫球头的制备工艺，该制备工艺是采用双金属注射成型后一次性脱脂烧结工艺完成，先将其中一种金属钨合金进行注射成型，成型后的钨合金注射坯嵌入不锈钢注射成型的模具内，将不锈钢喂料与钨合金的注射坯进行注射成型得到模内注射成型的一体注射坯，并通过脱脂烧结制备得到双金属组件高尔夫球头；本发明应用于有配重块组装要求的高尔夫球头，是采用双金属注射成型后一次性脱脂烧结工艺完成，突破现有金属注射成型（MIM）技术一次只能生产一种金属成分零件的限制，可以一次成型不锈钢和钨合金金属部件，具有生产步骤少、工期时间短且成本低等优点，制备得到的高尔夫球头外观好，且韧性高不开裂。
附图说明
图1是双金属组件高尔夫球头结构示意图；其中，1-高比重钨合金；2-不锈钢。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种双金属组件高尔夫球头，制备原料包括钨合金、不锈钢和粘结剂；所述的钨合金包含以下质量百分比组分：80%钨、15%铜、5%镍；所述的不锈钢选用17-4PH不锈钢。
所述的钨合金粉末和不锈钢粉末的重量份之比为1:20。
所述的不锈钢粉末与粘结剂按重量份3:0.8进行配比。
实施例的高尔夫球头的制备方法包括以下步骤：
步骤1：将钨合金与粘结剂粉末混合密炼注塑成型形成一次注塑坯体；
步骤2：喂料形成：将不锈钢金属粉末预热180℃，搅拌，转数为15 r/min; 加入粘结剂，在180℃的温度下，密炼2.5 h，然后降温至160℃，继续密炼2 h，搅拌，转数为45 r/min；密炼完成挤出造粒得到颗粒状的喂料。
所用的粘结剂主要组成为：聚甲醛为90%，乙烯共聚物为3%，三元乙丙橡胶为4%，硬脂酸甘油酯为1%，2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚为1%，高密度聚乙烯HDPE含量1%(CN2018108977446授权的金属注射成型用粘结剂的案例9配方）
步骤3:将钨合金与粘结剂粉末混合密炼注塑成型形成一次注塑坯体，将不锈钢粉末304制备成喂料形式进行一次注射成型，连同注塑好的钨合金坯体放入注塑机内，在304不锈钢合金进行注塑时，将其放入注塑模内，与304不锈钢合金进行再次注塑，将两种金属整合到一个模具上，得到双金属高尔夫球头的坯体，外壳材料为不锈钢合金304，内嵌入钨镍铁合金配重块；
双金属模内注塑成型条件如下：塑化温度为210℃，模具加热温度：120℃，注射压力为130MPa，得到双金属注射成型的高尔夫球头坯体，可得到一次成型坯体。
步骤4:将双金属注射成型的高尔夫球头坯体进行脱脂烧结，先将胚体前冲洗，置于脱脂炉，在氮气氛围下，温度为120℃进行脱脂22h，再后冲洗，脱脂烧结参数如下：脱脂炉内温度130℃，氮气流量0.8L/min，脱脂时间为24小时。烧结炉内温度为1380℃，烧结时间24小时，烧结气氛无需采用钨合金烧结所需的氢气氛，直接在氮气氛下烧结，压力40Kpa，得到双金属注射成型的高尔夫球头粗产品；
经过抛光喷砂等后处理工序，最终得到双金属注射成型的高尔夫球头成品。
实施例2
本实施例提供一种双金属组件高尔夫球头，制备原料包括钨合金、不锈钢和粘结剂；所述的钨合金包含以下质量百分比组分：80%钨、15%铁、5%镍；所述的不锈钢选用304不锈钢。
所述的钨合金喂料和不锈钢喂料的重量份之比为1:30。
所述的不锈钢粉末与粘结剂按重量份2:0.6进行配比。
实施例2的高尔夫球头的制备方法与实施例1一致。
实施例3
本实施例提供一种双金属组件高尔夫球头，制备原料包括钨合金、不锈钢和粘结剂；所述的钨合金包含以下质量百分比组分：90%碳化钨、10%铁；所述的不锈钢选用316L不锈钢；
所述的钨合金喂料和不锈钢喂料的重量份之比为7:2。
所述的不锈钢粉末与粘结剂按重量份1:0.4进行配比。
实施例3的高尔夫球头的制备方法与实施例1一致。
对比例1
对比例1与实施例2的不同之处在于，对比例1选用的钨合金包含以下质量百分比组分：89%钨、3.5%铜、7.5%钼；
对比例2
对比例2与实施例2的不同之处在于，对比例1的不锈钢选用410不锈钢。
对比例3
对比例3与实施例2的不同之处在于，对比例3的钨合金粉末和不锈钢粉末的重量份之比为1：21。
对比例4
对比例4与实施例2的不同之处在于，对比例4的不锈钢粉末与粘结剂按重量份1:1进行配比。
对比例5
对比例5与实施例2的不同之处在于，对比例5的注塑工艺的塑化温度为160℃，模具加热温度为70℃，注射压力为90MPa。
对比例6
对比例6与实施例2的不同之处在于，对比例6的烧结温度为为1280℃。
对比例7
对比例7与实施例2的不同之处在于，对比例7的烧结温度为1480℃。
试验结果
实施例制备得到双金属注射成型的高尔夫球头成品的良率在94.0~97.0%；对比例1采用其他钨合金金属粉末，得到金属空心粉，工艺不成立；对比例2-7制备得到双金属注射成型的高尔夫球头成品的良率在70%-85.0%；由对比例2-4可知，本发明选用不锈钢金属成分配比，钨合金和不锈钢的比重，以及粘结剂与不锈钢的配比，制备得到的两种金属喂料更符合注塑脱脂烧结一体化工艺；由对比例5可知，本发明选用的注塑条件才能注塑成功得到双金属双金属注射成型的高尔夫球头坯体，使得两种金属的契合度高，空心率低；由对比例6-7可知，本发明的烧结温度为最佳烧结条件。
实施例所选用的钨镍铁的配比，降低钨合金的密度，和不锈钢合金的成分契合，增加了与不锈钢合金的粘结性，防止钨合金配重块与不锈钢金属外壳之间有空洞存在，所制得的钨合金粉末的粒径区间0.5~40μm，D50为2.0~4.0μm，不锈钢粉末的粒径分布区间为2.62~23.66μm，D50为8.00μm，松装密度区间3.10 ~ 3.20g/cm3，振实密度区间4.80 ~4.90g/cm3。钨合金粉末相对于不锈钢粉末，粒径更细腻，坯块在后续的脱脂和烧结所需的时间相对较长，时间为22小时，所制得成品的致密性更好。
选用的钨合金成分配比、不锈钢金属成分配比，以及采用的粘结剂以及粘结剂与不锈钢和钨合金的配比，使钨合金和不锈钢的收缩比统一起来以及选用的钨合金和不锈钢的比重，能适应步骤E3和步骤E4都工艺要求。
步骤3选用的注塑工艺条件，在合乎不锈钢金属注射工艺的基础上，又增加了两种不同金属的契合度。
步骤4采用三步法脱脂，能彻底的烧掉低沸点的粘结剂材料，脱脂效率高。
由以上结果表明：本发明的钨合金成分配比、不锈钢金属成分配比，钨合金和不锈钢的比重，采用的粘结剂配方以及粘结剂与不锈钢和钨合金的配比，使两种金属具有相同的收缩比、脱脂烧结温度以及氛围要求，能采用膜内注塑工艺和一次烧结成型工艺制得成品良率极高的高尔夫球头。
实施例制备的高尔夫球头模型如图1所示。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，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实质和范围。
Claims (10)
1.一种双金属组件高尔夫球头，其特征在于，制备原料包括钨合金、不锈钢和粘结剂；所述的钨合金中钨质量含量30-99%，其它合金成分的含量0-20%；所述的不锈钢选用铁基原材料，选用304不锈钢、316L不锈钢、17-4PH不锈钢的其中一种。
2.根据权利要求1所述的一种双金属组件高尔夫球头，其特征在于，
所述的其它合金成分包含以下重量份组分：镍含量为4-15重量份，铜/铁含量2-10重量份。
3.根据权利要求1所述的一种双金属组件高尔夫球头，其特征在于，
所述的钨合金粉末和不锈钢粉末的重量份之比为1:40-1:20。
4.根据权利要求1所述的一种双金属组件高尔夫球头，其特征在于，
所述的不锈钢粉末与粘结剂按重量份1-3:0.4-0.8进行配比。
5.根据权利要求1所述的一种双金属组件高尔夫球头，其特征在于，
所述的高尔夫球头的制备方法包括以下步骤：
步骤1：将钨合金、不锈钢粉末分别与烧结剂进行喂料配比；
步骤2：将钨合金喂料进行一次注塑得到模内注塑内置件，再放入不锈钢喂料的模具中，进行模内注塑得到不锈钢喂料包裹钨合金喂料的注射胚；
步骤3：将坯体进行三步法脱脂；
步骤4：将脱脂后的胚体在温度为1380~1420℃，在压力40 ~ 45Kpa氮氢混合气氛下烧结，得到双金属高尔夫杆头的烧结产物。
6.根据权利要求1所述的一种双金属组件高尔夫球头，其特征在于，
步骤2所述的注塑工艺的塑化温度为180℃~220℃，模具加热温度：90℃~120℃，注射压力为110~130MPa。
7.根据权利要求1所述的一种双金属组件高尔夫球头，其特征在于，
所述的钨合金的密度在烧结前为8~9g/cm3，烧结后为14~15g/cm3。
8.根据权利要求1所述的一种双金属组件高尔夫球头，其特征在于，
步骤3所述的三步法脱脂为：先将胚体前冲洗，置于脱脂炉，在氮气氛围下，氮气流量0.8L/min，温度为100℃ ~ 140℃进行脱脂13 ~ 22h，再后冲洗，得到初成型的粗产品高尔夫球杆头。
9.根据权利要求1所述的一种双金属组件高尔夫球头，其特征在于，
步骤4所述的烧结工艺分为三步，分别为负压脱脂，真空烧结和分压烧结。
10.根据权利要求1所述的一种双金属组件高尔夫球头，其特征在于，
所述的粘结剂的组成为：聚甲醛为90%，乙烯共聚物为3%，三元乙丙橡胶为4%，硬脂酸甘油酯为1%，2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚为1%，高密度聚乙烯HDPE含量1%。
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