金属粉末注射成形石蜡—油—聚乙烯粘结剂的研究

金属粉末注射成形石蜡—油—聚乙烯粘结剂的研究 第18卷 增刊材料科学与工程 V01(18 Materials Science&Engineering Sep(2000 金属粉末注射成形石蜡一油一聚乙烯粘结剂的研究 李益民，李松林，曲选辉，黄伯云 (中南工业大学粉末冶金国家重点实验室，长沙410083) 【摘要】本文开发了用于Fe(2Ni粉末注射成形石蜡一油一聚乙烯粘结剂，选择了石蜡和聚乙烯 组份，考察了油的加入对组份相容性、生坯强度、粉末装载量、喂料热容、溶剂脱脂速率的影响。该粘 结剂用于Fe(2Ni注射成形，粉末装载量达60,(体积分数)，生坯强度5(5MPa，溶剂脱脂速率2mm,h 以上。 【关键词】金属粉末注射成形粘结剂 温下呈液态的特性，油在注射冷却过程中没有收 1前言 缩，且可以用溶剂溶解而没有相变，但液态油本 身没有强度，油加入量多后势必会降低生坯强 度。因此尝试将石蜡基粘结剂和油基粘结剂的特 金属粉末注射成形(Metal Injection 点结合起来，开发出石蜡一油一聚烯烃粘结剂是Molding，简称MIM)是粉末冶金与塑料注射成 很有前景的体系。本文对该粘结剂各组份石蜡、 形相结合产生的一门新技术，它的特色在于粉末 聚乙烯组份进行了选择，着重研究了油的加入对 中加入了大量粘结剂(30--50v01(,)，因而增强 粘结剂性能的表现。 了粉末的流动性，可以近净形成形各种形状复杂 的零部件。粘结荆是MIM技 术的核心。石蜡基 粘结剂是广泛应用的粉末注射成形用粘结剂m 2实验方法鲥，已开发出多种石蜡,聚烯烃粘结剂。石蜡基粘 2(1结剂流变性好，注射工艺范围宽，但石蜡在注射 成形冷却过程中，相变收缩大(1l~20,)，注 实验中采用的金属粉末是羰基铁粉和羰基镍 实验原料 射后产生较大的热应力，易出现缩孔。不宜注射 粉，组成和性质如表l。厚的试样【6I。油,聚烯烃粘结剂17母I利用了油在常 表l 金属铁粉和镍粉的性质 杂质不大于(,)松装密度 费氏粒度 摇实密度 粉末 形貌 纯度 SCO N(u m) (g?cnld) Q?cm。) >96 |1(64 2(97 1(5 1(5 O(3 3(97 球形 羰基、铁粉 2(60 I(95 0(75 >99(5 O(15 0'25 , O(005 球形 羰基、镍粉 ?385? 粘结剂原料有巴西棕榈蜡、徽晶石蜡、油、 3实验结果与讨论两种分子量的聚乙烯等。 2(2实验过程 3(1石蜡组份的选择实验过程:粘结剂混合一粘结剂与粉末混炼 一注射成形一脱脂 在油一聚乙烯中加入不同种类的石蜡，考察 粘结剂混合在自制的装置中进行。喂料热容 粘结剂的性能见表2。 测定采用DSC法，粘结剂 X(衍射 由表2可见，虽然文献报道巴西棕榈蜡、微 组份相容性用 测定。生坯强度采用标准抗弯试样，三点抗弯法 晶石蜡能增加粘结剂与粉末的亲和力，但这两种 测定。 表2不同石蜡对石蜡一油一聚乙烯粘结剂性能的影响 组份相容性 生坯强度 蜡是否溶于CH2C12或了石蜡、,?《 CHCl3 巴西棕榈蜡 两相分离 不溶 较高 ( 微晶石蜡 工艺相容 高 不溶 石蜡A 工艺相容 较高 可溶 石蜡不宜作此粘结剂中的石蜡组份，因为溶剂要 油的加入使最大粉末装载量比未加入油的石 溶解超过30--40,(质量分数)的粘结剂，才能 利于在后续热脱蜡一聚乙烯混炼的最大粉末装载量减小了约1, (体积分数，下同)(这可能是石蜡和油流变性 要能溶于溶剂，才能使脂时快速升温，所以石蜡成分也 轻微不同所致。实验中采用了两种分子量的聚乙 总的可溶成分的比例足够 火，脱脂速率增加。石蜡A综合性能较好，适 烯，当PE分子量降低时，粉末装载量可从57, 宜作粘结剂的组份。 提高到60,。 3(2油加入对混炼扭矩和最大粉末装载量的影晌 3(3油加入对注射坯冷却过程的影响 图l揭示了油加入对混炼过程的影响，随着 油加入对粘结剂平均热容的影响见图2。从 油加入量的增加，混炼扭矩减小，因为油可在粘 图中可见，随粘结剂中油含量增加，粘剂热容有 结剂和粉末问流动，在喂料和混炼的转子间充当 所降低，这可能是因为石蜡热容大于油的热容， 润滑剂的作用，从而减小喂料对混炼设各的磨 而石蜡的热容在相变前后变化大，油加入并使喂 损，较小的扭矩还可减少喂料对注射成形机螺杆 料在冷却过程中吸热减小，更重要的是，油在喂 的磨损。 料冷却过程中没有相变，从而使金属粉末能迅速 将热量传给油，从而迅速将热应力释放，减小注 射过程中缩孔、开裂的可能。 dI‘om?-?(?? with It(PE hiBh州?ule能i暑k 础a?-d《,) I口w mal鲫Ic k PE'rith wciPht 图2油对粘结剂热容的影响图1油对扭矩和粉末装载量的影响 ?386? 3(4油加入对生坯强度的影响 3(6油加入对溶剂脱脂速率的影响 粘结剂中油含量对生坯强度的影响见图3。 随着油的加入，生坯强度降低较多，因为油本身 无强度，油加入量增加，一方面使石蜡含量降低， ?一??(VO,(O 另一方面部分溶于PE链中或分散在石蜡和聚乙 卜??(Vo-I? c—lOr(、???-烯间，降低了分子间作用力，故生坯强度下降。 ‘一20?(Vo-，O'当油含量为30,(质量分数，下同)，生坯强 t‘，，?， -_-jll?一??(、，o?O? 度为5(5MPa，而油含量40,时，生坯强度只有 I一"?(Vo-抑? 42MPaGerman(，给出注射强度一般要大于 5MPa，所以油含量不能超过30,为宜。 3(5粘结剂组份相容性 图4分别是石蜡(wax)、石蜡一油(wax,oil)、 图5油的含量和温度对脱脂速率的影响 PEwaxoilPEX及,,的(衍射图，图中显示 wax,oil,PE粘结剂的衍射峰位与WaX、wax,oil、 以粘结剂waxJoil,PE=(70-x),x,30(质量比)， PE完全相同，没有新的衍射峰出现，说明三个 与Fe(2Ni以粉末装载量58,(体积百分比)混 组份间无化学反应存在，粘结剂是各组份的物理 炼的喂料，注射成标准抗弯样(厚约 6(37mm)， 机械混合，文献110I用DSC对石蜡一聚丙烯研究， 研究它们在CH:CI:溶剂中的脱脂速率，X分 峰位一致。也证明该粘结剂组份无相互作用，是 别 取10，20，30，40，测得的结果见图5。未加 入 不相容的。 油时的曲线a，脱脂速率最低，从b—c—d—c， 随油含量的增加，脱脂速率增加较快，因为油比 石蜡更易溶于CH:CI:，曲线f与d相比，脱脂 速率随温度升高提高很大，这可归因于石蜡的溶 解度随温度升高增加很大。 4结 论 图3油加入对生坯强度的影响 通过对石蜡一油一聚乙烯粘结剂用于Fe(2Ni 注射成形的研究可得到以下结论: 1(石蜡A能溶于二氯甲烷、低分子量的聚乙烯具 有较高的粉末装载量，适宜于作粘结剂的组份。 2(x(衍射表明，石蜡一油一聚乙烯粘结剂是热力 学不相容的体系。 3(油加入降低了混炼扭矩，最大粉末装载量和生 坯强度;但同时也使溶剂脱脂速率增加，冷却过 程吸热增加，该粘结剂对Fe(2Ni粉末装载量可 达60,(体积分数)，生坯强度5(5MPa，溶 剂 脱脂速率大于2mm,1?，l h。 图4石蜡一油一聚乙烯粘结剂与组份的衍射图 ?387? C C M Lo(Powder Lin，G 【5】K Hsu，C 参考文献 Metallurgy，1994， 37(4):272 Y W I Kankawa et a1(粉体扫工扩粉末冶金，1996，43 Cao，J Oconnor，C 【1】Y [6】M Chung(Powder Injection (7):840 992:85Molding Symposium，MPIF，Princeton，NJ，1 K Journal of Powder et Patent International a1(US Adee 4225345【2】B Lograsso(The 【7】7 T F Lin(Powder Lee，S Metallurgy，1989，25(4):337 Hens，DMetallurgy【8]K Y R in Powder 0 [3】B Rhee，M Cao，H Zhang(Advance International，1991，23(1):15 P Patent (US JohnsonMaterials，V01(2，MPIF， Metallurgy,Particulate 【9】K 4765950，1988 International，1991，17:89Princeton，NJ，1991:46 【10】Ceramics 【4】齐藤胜羲(合成树脂，1988，34(6):9 ?388?