TWI690380B - 異形複雜金屬製品的製造方法及異形複雜金屬製品 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種異形複雜金屬製品的製造方法，其包括如下步驟：S1.混煉造粒：提供粉末及黏結劑，將上述粉末及黏結劑混合後混煉均勻，再通過造粒機造成餵料；S2.注射成型：將餵料加熱，然後通過注射機將餵料分別注射到第一異形零件模具及第二異形零件模具中，形成第一生胚及第二生胚；S3.將第一生胚及第二生胚焊接在一起形成組合式胚體；S4.對所述組合式胚體進行脫脂；及S5.提供燒結爐，在所述燒結爐中對脫脂後的所述組合式胚體進行燒結及冷卻，即得最終金屬製品。

Description

異形複雜金屬製品的製造方法及異形複雜金屬製品
本發明涉及粉末注射成型技術領域，尤其涉及一種異形複雜金屬製品的製造方法及由此方法製作形成的異形複雜金屬製品。
粉末注射成型技術結合了粉末冶金與塑膠注射成型兩大技術的優點，突破了傳統金屬粉末模壓成型工藝在產品形狀上的限製，同時利用了塑膠注射成型技術能大批量、高效率成型具有複雜形狀的金屬製品的特點，成為現代製造高品質精密金屬製品的一項近淨成型技術，具有常規粉末冶金、機加工和精密鑄造等加工方法無法比擬的優勢，目前在國防、通信、機械、汽車、醫療等行業得到廣泛應用。
該工藝採用金屬、陶瓷或預合金粉末、以及黏結劑按照一定比例混合，通過混煉、造粒製成餵料，然後經過脫脂、燒結製成產品。受限於注射成型的限製，當產品需要形成中空腔或無法脫模形成所需產品時，就必需先燒結出成品後，再進行焊接加工，將兩個金屬件結合在一起，以解決具有中空腔或無法脫模得到產品的技術問題。但是這樣的產品製程，有以下問題：(1)焊接的動作發生在金屬狀態，須要極高的溫度才能實現焊接的動作，如此會造成能源上的浪費； (2)焊接高溫會產生金屬融熔區、基材熱影響區等，不利於最後形成的產品的品質掌控；(3)在焊接時，融接組織易產生裂紋、變形等冶金缺陷。
因此，有必要提供一種異形複雜金屬製品的製造方法以克服以上技術問題。
有鑑於此，有必要提供一種能夠解決上述技術問題的異形複雜金屬製品的製造方法及由此製造形成的異形複雜金屬製品。
一種異形複雜金屬製品的製造方法，其包括如下步驟：S1.混煉造粒：提供粉末及黏結劑，將上述粉末及黏結劑混合後混煉均勻，再通過造粒機造成餵料；S2.注射成型：將餵料加熱，然後通過注射機將餵料分別注射到第一異形零件模具及第二異形零件模具中，形成第一生胚及第二生胚；S3.將第一生胚及第二生胚焊接在一起形成組合式胚體；S4.對所述組合式胚體進行脫脂；及S5.提供燒結爐，在所述燒結爐中對脫脂後的所述組合式胚體進行燒結及冷卻，即得最終金屬製品。
在一個優選實施例中，將第一生胚及第二生胚焊接在一起形成預製品的方法包括超聲波焊接、摩擦加壓焊接或者加熱加壓焊接。
在一個優選實施例中，所述粉末是金屬、陶瓷或預合金粉末。
在一個優選實施例中，注射成型形成的第一生胚及第二生胚的結構相同或者不相同。
在一個優選實施例中，所述的異形複雜金屬製品為不能直接通過注射成型脫模後燒結獲得的金屬製品。
在一個優選實施例中，所述第一生胚的邊緣是與第二生胚的邊緣焊接固定且第一生胚及第二生胚共同形成內空腔。
在一個優選實施例中，所述的異形複雜金屬製品為不能直接注射成型脫模後燒結獲得的金屬製品。
在一個優選實施例中，所述的異形複雜金屬製品包括有內空腔。
在一個優選實施例中，所述第一生胚包括第一結合面以及由第一結合面環繞的第一腔穴，第一結合面包括有第一結合部；第二生胚包括第二結合面以及由第二結合面環繞的第二腔穴，第二結合面包括有第二結合部；第一結合部與所述第二結合對準結合，所述第一腔穴與所述第二腔穴通過第一結合部與第二結合共同形成內空腔。
在一個優選實施例中，所述第一生胚為包括有底板以及沿所述底板上表面凸出支撐軸的基座，第二生胚為倒扣件，所述第二生胚包括有與所述支撐軸配合的插孔，所述第一生胚與所述第二生胚通過支撐軸與插孔配合以形成組合式胚體。
本發明還提供一種金屬注射成型的異形複雜金屬製品，其採用上述方法製得。
與先前技術相比，在脫脂與燒結前，先以生胚態焊接第一生胚及第二生胚形成組合式胚體，而後再對組合式胚體進行脫脂與燒結製程形成金屬製品，由於本案的焊接動作是發生在生胚階段，所以，不會需要很高的溫度，從而可以節省焊接能量，進而也不會產生金屬融熔區、基材熱影響區，有利於最後形成的產品的品質掌控，在焊接時，焊接的工作是發生在生胚階段，從而， 融接組織不會產生裂紋、變形等冶金缺陷。也即本發明是將原本需要高溫結合的金屬製程，調整在形成生胚之後、脫脂之前，更能一體化地生產中空或者無法直接脫模即可獲得的最終產品。
100，200:金屬製品
10，30:第一生胚
20，40:第二生胚
35，45:組合式胚體
12:第一結合面
14:第一腔穴
120:第一結合部
22:第二結合面
24:第二腔穴
220:第二結合部
101:內空腔
32:底板
34:支撐軸
42:插孔
50:加熱加壓裝置
圖1是本發明提供的異形複雜金屬製品的製造方法的流程圖。
圖2A是利用本發明第一實施方式中提供的第一生胚及第二生胚的剖面示意圖。
圖2B是將圖2A中的第一生胚及第二生胚組裝在一起的剖面示意圖。
圖2C是圖2A中的第一生胚及第二生胚焊接後形成組合式胚體的剖面示意圖。
圖3是圖2B的第一生胚及第二生胚在焊接前的部分放大圖。
圖4A是本發明第二實施方式中提供的第一生胚及第二生胚的剖面示意圖。
圖4B是將圖4A中的第一生胚及第二生胚組裝在一起並且提供加熱加壓裝置的剖面示意圖。
圖4C是利用加熱加壓裝置對組裝後的生胚進行焊接的剖面示意圖。
圖4D是焊接後形成組合式胚體的剖面示意圖。
下面結合將結合附圖及實施例，對本發明提供的異形複雜金屬製品的製造方法及由此製造形成的異形複雜金屬製品作進一步的詳細說明。
請參閱圖1，第一步S1，混煉造粒：提供粉末及黏結劑，將上述粉末及黏結劑混合後混煉均勻，再通過造粒機造成餵料。
所述粉末是金屬、陶瓷或預合金粉末。所述粉末的直徑優選地介於0.1-50μm。但也不限於此。
黏結劑選用蠟基黏結劑或者塑基黏結劑。
第二步S2，注射成型：將餵料加熱，然後通過注射機將餵料分別注射到第一異形零件模具及第二異形零件模具中，形成第一生胚及第二生胚。第一異形零件模具及第一異形零件模具的結構可以相同，也可以不同。
第三步S3，將第一生胚及第二生胚焊接在一起形成組合式胚體。在生胚的階段，通過焊接的方式將第一生胚及第二生胚焊接在一起，兩個對焊的胚體材料上有熔融，材料會相互擴散，相互焊接的兩個生胚中的鐵粉有更大的接觸機會或者接觸面積，使第一生胚及第二生胚的接著更緻密，也即焊接增加了第一生胚及第二生胚後續形成的異形複雜金屬製品的可靠程度，防止產品在跌落時分離。將第一生胚及第二生胚焊接在一起形成預製品的方法包括超聲波焊接(ultrasonic welding)、摩擦加壓焊接或者加熱加壓焊接。這些焊接方式也是本技術領域習知的，在此不再贅述。
第四步S4，對所述組合式胚體進行脫脂。如果是蠟基黏結劑，在脫脂時先進行溶劑脫脂，再進行熱脫脂。如果是塑基黏結劑，是進行催化脫脂。
第五步S5，提供燒結爐，在所述燒結爐中對脫脂後的所述組合式胚體進行燒結及冷卻，即得最終金屬製品。所述燒結爐中的燒結條件為1100-1350℃，持溫0.5-5小時，冷卻速率為3-30℃/分。
第六步S6，對燒結後的組合式胚體進行熱處理，熱處理是為一低溫回火熱處理，回火溫度為150-400℃，回火時間為0.5至5小時。
本案提供的異形複雜金屬製品的製造方法可以用於製作五金零件，3C產品中的零部件，工業機械零部件等。本案以兩個不同的實施例為例來說明本發明。
第一實施例
請參閱圖2，第一實施例為一種利用上述的注射成型技術製備異形複雜金屬製品的製造方法製作形成的金屬製品100。所述金屬製品100是由第一生胚10的邊緣以及第二生胚20的邊緣經過焊接、脫脂劑燒結後形成具有內空腔的金屬製品。
所述內空腔可以為密封腔，類似乒乓球形狀，還可以為非密封的內空腔，類似茶壺這種形狀。具有如此中空腔的金屬製品一般不能直接注射成型脫模後燒結即可獲得的金屬製品。本實施例是以類似乒乓球形狀的內空腔為例來說明。其它形狀的產品，包括具中心對稱的、或者中心不對稱的均可以以此類推形成。
具體地，第一生胚10包括第一結合面12以及由第一結合面環繞的第一腔穴14，第一結合面包括有第一結合部120；第二生胚20包括第二結合面22以及由第二結合面環繞的第二腔穴24，第二結合面22包括有第二結合部220。第一結合部120與第二結合部220用於使第一生胚10及第二生胚20精準對位，方便焊接。
在本實施方式中，第一結合部120的剖面為三角形，第二結合部220為方形凹槽，從而第一結合部120與第二結合部220為點接觸，在利用超聲波焊接時，請參閱圖3，第一結合部120與第二結合部220配合後的放大示意圖， 第一結合部120與第二結合部220有干涉的部分，在超聲波的作用下，其表面將微微熔融而密著，最後第一結合面12與第二結合面22通過第一結合部120及第二結合部220無縫對接，第一腔穴14與所述第二腔穴24對準後共同形成所述內空腔101，所述內空腔101可以為球形、橢球型等任何形狀。後續再進行脫脂及燒結的步驟，以形成包括有內空腔的金屬製品100。
第二實施例
請參閱圖4，第二實施例為一種利用上述的注射成型技術製備異形複雜金屬製品的製造方法製作形成的金屬製品200，這種異形複雜金屬製品200，也是由第一生胚30及第二生胚40經裝配、焊接、脫脂及燒結形成，只是第一生胚30及第二生胚30焊接的部位是位於第一生胚30及第二生胚40的非邊緣位置，譬如，本案是在第一生胚30及第二生胚40的中間位置焊接，邊緣位置是相間隔的。這種異形複雜金屬製品200也不能直接注射成型且經過脫模後燒結獲得。
圖4(a)為注射成型形成的第一生胚30及第二生胚40。所述第一生胚30為包括有底板32以及沿所述底板32上表面凸出有支撐軸34；所述支撐軸34的頂部為一階梯形狀，第二生胚40為倒扣件，所述第二生胚40包括有與所述支撐軸34配合的插孔42。
圖4(b)為將第一生胚30及第二生胚40組合在一起。所述第一生胚30的支撐軸34與所述第二生胚40插孔42配合，且所述支撐軸34突出於所述插孔42。
圖4(c)為提供加熱加壓裝置50，利用加熱加壓裝置50對其進行焊接，具體地，加熱加壓裝置50是施壓於所述支撐軸34。在加壓時，加壓的壓力能使第一生胚30及第二生胚40的金屬粉末接觸緻密，防止兩者在跌落時分離。
圖4(d)為移除加熱加壓裝置50，以形成組合式胚體45，再通過脫脂及燒結步驟包括有倒扣件的得到金屬製品200。
也即，本案提供的異形複雜金屬製品的製造方法，在脫脂與燒結前，先以生胚態焊接第一生胚及第二生胚形成組合式胚體，而後再進行脫脂與燒結製程形成金屬制品，由於，本案的焊接動作是發生在生胚階段，所以，可以節省焊接能量，由於焊接的工作是發生在生胚階段，所以，不會需要很高的溫度，進而不會產生金屬融熔區、基材熱影響區，有利於最後形成的產品的品質掌控，在焊接時，焊接的工作是發生在生胚階段，從而，融接組織不會產生裂紋、變形等冶金缺陷。從而，本發明是將原本需要高溫結合的金屬製程，調整在形成生胚之後、脫脂之前，更能一體化地生產中空或者無法直接脫模即可獲得的最終產品。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限製本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

Claims (10)

  1. 一種異形複雜金屬製品的製造方法，其包括如下步驟：S1.混煉造粒：提供粉末及黏結劑，將上述粉末及黏結劑混合後混煉均勻，再通過造粒機造成餵料；S2.注射成型：將餵料加熱，然後通過注射機將餵料分別注射到第一異形零件模具及第二異形零件模具中，形成第一生胚及第二生胚；S3.將第一生胚及第二生胚焊接在一起形成組合式胚體；S4.對所述組合式胚體進行脫脂；及S5.提供燒結爐，在所述燒結爐中對脫脂後的所述組合式胚體進行燒結及冷卻，即得最終金屬製品。
  2. 如請求項1所述的異形複雜金屬製品的製造方法，其中，將第一生胚及第二生胚焊接在一起形成預製品的方法包括超聲波焊接、摩擦加壓焊接或者加熱加壓焊接。
  3. 如請求項1所述的異形複雜金屬製品的製造方法，其中，所述粉末是金屬、陶瓷或預合金粉末。
  4. 如請求項1所述的異形複雜金屬製品的製造方法，其中，注射成型形成的第一生胚及第二生胚的結構相同或者不相同。
  5. 如請求項1~4任意一項所述的異形複雜金屬製品的製造方法，其中，所述的異形複雜金屬製品為不能直接通過注射成型脫模後燒結獲得的金屬製品。
  6. 如請求項5所述的異形複雜金屬製品的製造方法，其中，所述第一生胚的邊緣是與第二生胚的邊緣焊接固定且第一生胚及第二生胚共同形成內空腔。
  7. 如請求項6所述的異形複雜金屬製品的製造方法，其中，所述第一生胚包括第一結合面以及由第一結合面環繞的第一腔穴，第一結合面包括有第一結合部；第二生胚包括第二結合面以及由第二結合面環繞的第二腔穴，第二結合面包括有第二結合部；第一結合部與所述第二結合對準結合，所述第一腔穴與所述第二腔穴通過第一結合部與第二結合共同形成所述內空腔。
  8. 如請求項1所述的異形複雜金屬製品的製造方法，其中，所述第一生胚的非邊緣位置與所述第二生胚的非邊緣位置焊接固定，第一生胚的邊緣與所述第二生胚的邊緣相間隔。
  9. 如請求項8所述的異形複雜金屬製品的製造方法，其中，第一生胚為包括有底板以及沿所述底板上表面凸出支撐軸的基座，第二生胚為倒扣件，所述第二生胚包括有與所述支撐軸配合的插孔，所述第一生胚與所述第二生胚通過支撐軸與插孔配合以形成組合式胚體。
  10. 一種異形複雜金屬製品，其採用如請求項1~4中任一項所述的異形複雜金屬製品的製造方法製得。
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