科研训练报告书
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金属注射成型用粘结剂 高分子材料与工程
2017年 07月15日
金属注射成型用粘结剂
摘要：本文主要介绍金属注射成型用粘结剂的种类，发展，以及现在的研究进展。金属注射成形是一种用来制造形状复杂金属零部件的新型近净成形技术,其物料组成为金属粉末和粘结剂。粘结剂在该技术中占据核心地位,是影响金属注射成形的关键因素。粘结剂一般由低熔点组分、主体聚合物和助剂三个部分组成。当前国内粘结剂的使用还停留在经验选择的水平上,无法满足形势发展的需要。本文针对这一情况,提出了粘结剂设计的新思路,并合成理想的粘结剂体系。 以聚乙二醇和聚甲醛为主体组分制备了一种用于金属粉末动态注射成型的水溶性粘结剂.通过扫描电镜分析、差示扫描量分析、热重分析、动态流变性能测试、热性能测试、脱脂率实验等对所制备的粘结剂体系进行分析表征.结果表明:粘结剂体系各组分之间有很好的相容性,粘结剂与金属粉末的混合性良好;该粘结剂体系对振动力场的响应良好,能够在振动力场下降低挤出压力,压力最大降幅达6.07%;该粘结剂在水中脱脂速度快,脱脂率高,在75℃水中4h内的脱脂率达43.06%;该粘结剂体系具有良好的热分解性能,添加剂的加入使得热分解温度降低,有利于烧结的进行。
关键词： 注射成型，粘结剂，金属粉末，进展
一、 背景知识介绍 1、 金属注射成型简介
金属注射成形(MIM)是当今国际粉末冶金领域发展最快、最具应用潜力的新型粉末冶金近净成形技术。它是传统粉末冶金成形与塑料注射成形相结合的产物,在制备几何形状复杂、组织结构均匀的高性能近净成形产品方面,尤其具有优势。它可以实现不同材料零部件一体化,材料适应性广,自动化程度高,材料利用率近乎100%,生产成本低。粘结剂是MIM技术的核心,其加入与脱除是MIM的关键技术。它对注射成形坯的质量、脱脂、尺寸精度、合金中碳和氧的含量[1]等有很大影响,是科研工作者研究得最多的问题。国内外许多公司和研究机构已开了多种粘结剂体系。本文将结合作者近些年来的工作,对各种类型的粘结剂体系和 脱脂技术分别进行分析和评价。
金属注射成形技术的物料组成包括金属粉末和粘结剂两大部分,简单说来,金属粉末和粘结剂以一定的比例,按规定的进料方式和顺序在较高的温度和剪切力作用下进行混炼并得到结构均匀的喂料,经制粒机制粒。由于粘结剂的存在,制粒
后的物料在注射机上进行注射时具有较好的流变性能可以完全填充到模具的模腔中。成形后,得到的坯体又由于粘结剂中高熔点组分的作用而能顺利从模腔中脱离,不发生变形并获得相当的强度。坯体再经过脱脂工艺脱掉其中的有机组分并进行烧结致密化处理,可得到成品。金属注射成形作为一种制造高质量精密零件的接近最终形状的成形技术,具有常规粉末冶金和机床加工方法无法比拟的优越性,特别是在制造外部切槽、外螺纹锥形外交面、交叉孔、盲孔、凹台、键槽、加强板、表面滚花等形状复杂的零部件方面优势明显。同时该技术制造的产品有组织均匀、性能各向同性和尺寸精度高等优点。与传统方法比较,MD边的生产成本有大幅度下降,其物料利用率高,材料损耗小,产品可小批量生产,生产转向灵活机动,有很好的经济效益。此外,该技术的使用范围广,几乎适用任何可以制成细粉的金属、金属氧化物、金属合金、金属间化合物、金属陶瓷和其它材料。 2. 粘结剂的功能和特性
在MIM中,粘结剂的加入量通常为25%～50%(体积分数),它是与注射成形所有步骤相关的工艺过程载体,担负着在成形阶段增强粉末流动性、成形后保持坯块形状的两大功能。增强粉末的流动性主要表现在:
(1)带动粉末充填复杂形状的模腔。在充填模腔的过程,由于其压力梯度较小,密度分布就比较均匀,有利于最终产品的组织均匀性;
(2)坯块的密度均匀使得以后的脱脂和烧结过程中的收缩也均匀,这样不仅有利于保持坯块的复杂几何形状,也有利于尺寸公差的控制。
保持坯块形状可使MIM工艺得以顺利进行,主要体现在: (1)有利于脱模后坯块的搬运,可以避免由此造成的一些缺陷;
(2)保持坯块从脱脂到烧结前不变形。粘结剂选择不当可能造成各种缺陷而任何由上一步骤产生的缺陷都不能在后一工序中得到消除,所以,粘结剂的选择是十分重要的。理想的粘结剂要求具备以下特征:
(1)熔点低,固化性好,在室温具有较高的强度(≥ 4MPa),粘度低(一般小于10Pa·s),流动性好,且粘度随温度变化小,粒度对应变速率的敏感性小;
(2)与原料粉末间不发生化学反应,与粉末润湿性好(润湿角小于5°),粘附性强;
(3)粘结剂中各组元可化学部分互溶,不发生相分离,热分解温度范围宽,其分解产物无腐蚀性、无毒,残留量低,金属含量低,分解温度应高于混合温度和成形温度;
(4)粘结剂的成本低,易获取,生产安全,不污染环境,不吸水,无易挥发组元,循
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