金属粉末注射成形用石蜡

金属粉末注射成形用石蜡-油-聚乙烯粘结剂金属粉末注射成形（MetallnjectionMolding，简称MIM）是粉末冶金与塑料注射成形相结合而产生的一门新技术,其优点在于粉末中加入了大量粘结剂（体积分数为30%〜50%），从而增强了粉末的流动性，可以近净成形各种形状复杂的零部件•选用粘结剂是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<1〜5>，已开发出多种石蜡/聚烯烃粘结剂•石蜡基粘结剂流变性好，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（11%〜20%），注射后产生较大的热应力，易出现缩孔，不宜注射厚的试样<6>•油/聚烯烃粘结剂<7〜9>利用了油在常温下呈液态，并在注射冷却过程中没有收缩的特性，且可以用溶剂溶解而没有相变;但液态油本身没有强度，油加入量多时势必会降低生坯强度•因此，将石蜡基粘结剂和油基粘结剂混合使用，开发石蜡油聚烯烃粘结剂体系具有广阔的应用前景•在此，作者对该粘结剂组分中石蜡、聚乙烯进行选择，并着重研究油的加入对粘结剂性能的影响•1实验方法11实验原料实验中采用羰基铁粉和羰基镍粉作为原料，其性能如表1所示•粘结剂原料有巴西棕榈蜡、微晶石蜡以及2种相对分子质量不同的聚乙烯等•12实验过程实验过程为：粘结剂混合一粘结剂与粉末混炼一注射成形一脱脂•粘结剂混合在自制的装置中进行•采用DSC法测定喂料比热容，采用X衍射仪测定粘结剂组分相容性，采用标准抗弯试样和三点抗弯法测定生坯强度•表1羰基铁粉和镍粉的性能粉末费氏粒径/pm摇实密度/（g・cm-3）松装密度/（g・cm-3）形貌纯度/%w杂质/%CONS羰基铁粉3.972.971.64球形>960W1.5W1.5<0.3羰基镍粉2.601.950.75球形>99.5W0.15W0.25W0.0052实验结果与讨论21石蜡组分的选择在油聚乙烯中加入不同种类的石蜡，观察粘结剂的性质，其结果见表2.可见：从组分相容性看，微晶石蜡和石蜡A较好；从溶解性看，石蜡A可溶于CH2C12或CHC13等通用溶剂•因为只有溶解质量分数超过30%〜40%的粘结剂，溶剂才能在后续热脱脂时有利于快速升温.所以，石蜡组分也只有溶于溶剂，才能使总的可溶成分的比例足够大，脱脂速率增加•这样，从溶解性看，石蜡A较好•可见，虽然巴西棕榈蜡、微晶石蜡能增加粘结剂与粉末的亲和力，但这2种石蜡不宜作此粘结剂中的石蜡组分•石蜡A综合性能较好，适宜作粘结剂的组分•表2不同石蜡对石蜡油聚乙烯粘结剂性能的影响性能组份相容性生坯强度蜡是否溶于CH2C12或CHC13巴西棕榈蜡两相分离较高不溶微晶石蜡工艺相容高不溶石蜡A工艺相容较高可溶22油加入量对混炼扭矩和最大粉末装载量的影响如图1所示，随着油加入量的增加，混炼扭矩减小.因为油可在粘结剂和粉末间流动，在喂料和混炼的转子间起润滑剂的作用，从而减小喂料对混炼设备的磨损，较小的扭矩还可减少喂料对注射成形机螺杆的磨损.1,3—w油（pmax曲线;2—w油P曲线图1油加入量对扭矩P和最大粉末装载量pmax的影响油的加入使石蜡聚乙烯混炼的最大粉末装载量比未加入油时减小了约1%（体积分数，下同），这可能是石蜡和油流变性轻微不同所致.不过，当油的加入量超过10%时，粉末装载量不再减小.实验中采用了2种相对分子质量不同的聚乙烯.当聚乙烯相对分子质量降低时，粉末装载量可从57%提高到60%.2.3油加入量对注射坯冷却过程的影响油加入量对粘结剂平均比热容的影响见图2.可见，随着粘结剂中油含量增加，粘结剂比热容有所降低，这可能是由于石蜡比热容大于油的比热容，而石蜡的比热容在相变前、后变化大，油加入后使喂料在冷却过程中吸热减小.更重要的是，油在喂料冷却过程中没有相变，从而在注射过程中缩孔、开裂的可能性减少.图2油加入量对粘结剂比热容c的影响2.4油加入量对生坯强度的影响粘结剂中油含量对生坯强度的影响见图3•可见：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，另一方面部分油溶于聚乙烯链中或分散在石蜡和聚乙烯间，降低了粘结剂分子间作用力，故生坯强度下降•当油含量为30%（质量分数，下同）时，生坯强度为5.5MPa而油含量40%时，生坯强度只有4.2MPa.故要保证注射生坯强度大于5MPa,则油含量不能超过30%.图3油加入量对生坯强度O的影响2.5粘结剂组分相容性图4所示为石蜡（wax）、石蜡油（wax/oil）、聚乙烯（PE）及wax/oil/PE的X射线衍射射图.可见，wax/oil/PE粘结剂的衍射峰位与wax,wax/oil,PE的完全相同，没有新的衍射峰出现，说明3个组分间无化学反应存在，粘结剂是各组分的机械混合物•EdirisingheMJ用DSC对石蜡聚丙烯进行了研究，发现峰位一致<10>，说明该粘结剂组分无相互作用，是不相容的.1—waxoilPE;2—waxoil;3—PE;4—wax图4石蜡油聚乙烯粘结剂与组分的X射线衍射图2.6油加入量对溶剂脱脂速率的影响以m（wax）：m（oil）：m（PE）=（70-x）：x：30的粘结剂与（p（Fe2Ni）=58%粉末装载量混炼的喂料，注射成标准抗弯样（厚度约6.37mm），研究它们在CH2Cl2溶剂中的脱脂速率，x分别取10，20，30，40，测得的结果见图5.可见，未加入油时，曲线1的脱脂速率最低，随着油含量增加，脱脂速率增加较快，这是因为油比石蜡更易溶于CH2Cl2;曲线6与曲线4相比，两者的含量相同，但脱脂温度不同，脱脂速率随温度升高大幅度提高.从图5可以看到:曲线6与曲线5相比，两者油含量不同，脱脂温度也不同；在曲线6中，当脱脂5h后脱脂量达到粘结剂的52%，而曲线5仅为34%.考虑到粘结剂中30%的油都较易通过溶解和扩散脱除，因此，曲线5和6所示的脱脂量的差别显然不能仅仅用脱脂温度升高而导致溶剂或溶解产物在坯中扩散加快来解释•从石蜡在CH2Cl2中溶解度随温度的变化关系可以推断，脱脂温度升高时，石蜡在CH2Cl2中溶解度及溶解速率增加是另一个重要因素•因为在20°C时，石蜡在CH2Cl2中溶解度非常小；而在35C时，石蜡的溶解度激增，约为2Og/L.所以，温度升高，石蜡被溶解的量大大增加，使曲线6脱脂量远远大于曲线5的脱脂量.这一结果间接地反映了该粘结剂的脱脂原因可能是由粘结剂的溶解和扩散造成的.1—20C，⑷油=0;2—20C代油=10%;3—20C代油=20%;4—20C代油=30%;5—20C，w油=40%;6—35C代油=30%图5油的含量和温度对脱脂速率的影响3结论a石蜡A能溶于二氯甲烷，采用低相对分子质量的聚乙烯能得到较高的粉末装载量，适宜于作粘结剂的组分.bX射线衍射结果表明，石蜡油聚乙烯粘结剂组分是不相容的.c油的加入降低了混炼扭矩、最大粉末装载量和生坯强度，但同时也减少了注射缺陷，并使溶剂脱脂速率增加.采用该粘结剂，可使Fe2Ni粉末装载量（体积分数）达60%，生坯强度达5.5MPa，溶剂脱脂速率大于2mm/h.金属粉末注射成形用石蜡-油-聚乙烯粘结剂@李益民$中南大学粉末冶金国家重点实验室!湖南长沙410083@李松林$中南大学粉末冶金国家重点实验室!湖南长沙410083@曲选辉$中南大学粉末冶金国家重点实验室!湖南长沙410083@黄伯云$中南大学粉末冶金国家重点实验室!湖南长沙410083金属粉末;;注射成形;;粘结剂研制了用于Fe2Ni粉末注射成形的石蜡油聚乙烯粘结剂，选择了石蜡和聚乙烯组分，考察了油的加入对组分相容性、生坯强度、粉末装载量、喂料比热容、溶剂脱脂速率的影响.实验结果表明:石蜡油聚乙烯粘结剂是热力学不相容的体系;油的加入降低了混炼扭矩、最大粉末装载量和生坯强度，但同时也减少了注射缺陷，并使溶剂脱脂速率增大；加入该粘结剂，可使Fe2Ni粉末装载量（体积分数）达60%，生坯强度达5.5MPa，溶剂脱脂速率大于2mm/h.<1>