金屬注射成形(Metal Injection Molding,簡(jiǎn)稱MIM)是傳統(tǒng)粉末冶金和塑料注射成形相結(jié)合發(fā)展起來(lái)的一種嶄新的粉末冶金接近最終形狀成形技術(shù)｡眾所周知,塑料注射成形技術(shù)能以低廉的價(jià)格生產(chǎn)各種復(fù)雜形狀的制品,但是強(qiáng)度不高｡為了改善其性能可以在塑料中加入金屬或陶瓷粉以得到強(qiáng)度較高､耐磨性好的制品｡這一想法已經(jīng)發(fā)展演變?yōu)樽畲笙薅鹊靥岣吖腆w粒子的含量并且在隨后的脫脂和燒結(jié)過(guò)程中完全脫去粘結(jié)劑并使成形坯致密化｡這種新的粉末冶金成形技術(shù)就稱為金屬注射成形｡金屬注射成形技術(shù)包括粉末與大量的有機(jī)粘結(jié)劑混煉､注射成形､去掉粘結(jié)劑的脫脂過(guò)程､燒結(jié)過(guò)程｡由此可以看出,注射成形與傳統(tǒng)粉末冶金工藝最大的不同就是它加入了大量的粘結(jié)劑｡粘結(jié)劑的性能好壞直接影響最終產(chǎn)品的性能｡眾所周知,硬質(zhì)合金以其高硬度､高強(qiáng)度和高熔點(diǎn)､高耐磨性稱雄于各類(lèi)工程材料｡然而,正是這個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致了硬質(zhì)合金制品異型件的難加工性｡MIM技術(shù)的出現(xiàn)為硬質(zhì)合金異型件的生產(chǎn)帶來(lái)了契機(jī),但MIM硬質(zhì)合金生產(chǎn)對(duì)粘結(jié)劑的要求很高｡本文采用硬質(zhì)合金粉末為原料,詳細(xì)研究了表面活性劑對(duì)MIM硬質(zhì)合金粘結(jié)劑和喂料性能的影響｡

1 實(shí)驗(yàn)材料與工藝
　　采用原料粉末為硬質(zhì)合金混合粉末,其性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1｡

粘結(jié)劑包括石蠟(PW)､微晶蠟(MW)､高密度聚乙烯(HDPE)､乙烯 乙酸共聚物(EVA)､硬脂酸(SA),其性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表2｡

采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)法,將石蠟在90℃于不銹鋼混煉器中完全熔化后升溫,依次加入MW､EVA､HDPE,采用螺旋葉輪攪拌,經(jīng)熔混后加入SA再攪拌2小時(shí),配成的粘結(jié)劑編號(hào)為2^#;未加入SA的粘結(jié)劑編號(hào)為1^#,(各組元的百分含量見(jiàn)表3)｡

對(duì)混煉好的粘結(jié)劑分別做粘結(jié)劑潤(rùn)濕性能實(shí)驗(yàn)｡喂料的混煉在LH60 Roller型轉(zhuǎn)距流變儀上進(jìn)行,混煉溫度為120℃､混煉時(shí)間為2.5小時(shí)､粉末體積占喂料體積的百分?jǐn)?shù)為56%(即粉末裝載量為56%)｡混煉完畢后,采用Instron3211毛細(xì)管流變儀分別對(duì)兩種粘結(jié)劑的喂料進(jìn)行流變性能的測(cè)試,經(jīng)過(guò)在不同溫度下測(cè)試喂料的剪切應(yīng)力和剪切速率,來(lái)確定粘度隨溫度的變化程度｡然后將兩種喂料在LSJ20塑料擠出裝置上制粒后在SZ/28 250型臥立兩用注射成形機(jī)上注射成形后得到MIM成形坯,注射壓力為104~108MPa;注射溫度為120℃;模溫為35℃｡觀測(cè)兩種喂料制成的注射坯的缺陷量｡脫脂采用熱脫脂法,氣氛為氫氣氣氛,氫氣的流量為5L/min｡燒結(jié)在真空爐中進(jìn)行,真空度為10^-2~10^-3Pa,在燒結(jié)溫度1440℃保溫1小時(shí)｡分別觀測(cè)兩種喂料的脫脂坯和燒結(jié)坯的缺陷量｡

2 結(jié)果與討論

2.1表面活性劑對(duì)粘結(jié)劑潤(rùn)濕性能的影響

粘結(jié)劑對(duì)粉末的潤(rùn)濕性的好壞直接影響粉末裝載量和粘結(jié)劑與粉末的結(jié)合強(qiáng)度｡而粉末的裝載量又對(duì)喂料的流動(dòng)性,合金燒結(jié)收縮率起著決定作用｡采用與粉末潤(rùn)濕性好的粘結(jié)劑可以提高粉末的裝載量､減少脫脂缺陷､減少燒結(jié)收縮､提高產(chǎn)品的尺寸精度｡

由表1所示的特征粉末加工出的硬質(zhì)合金粉體板,經(jīng)過(guò)機(jī)加工后獲得光滑表面,將熔化的粘結(jié)劑滴在板上來(lái)測(cè)量粘結(jié)劑與金屬粉末的潤(rùn)濕角｡結(jié)果發(fā)現(xiàn),1#粘結(jié)劑的潤(rùn)濕角為23°;2^#為18°｡眾所周知,潤(rùn)濕角越小潤(rùn)濕性越好,所以,2^#粘結(jié)劑的潤(rùn)濕性比1#粘結(jié)劑的好｡因此加入表面活性劑能夠改善粘結(jié)劑對(duì)硬質(zhì)合金粉末的潤(rùn)濕性｡這是因?yàn)?/SPAN>,未加入表面活性劑時(shí),粘結(jié)劑對(duì)粉末的潤(rùn)濕是依靠粉末的表面對(duì)粘結(jié)劑的吸附作用;加入表面活性劑后,表面活性劑分子鏈上不同親和性的基團(tuán)選擇地結(jié)合粘結(jié)劑和金屬粉末,通過(guò)這個(gè)媒介,形成牢固的粘結(jié)劑和金屬粉末界面搭橋,從而改善了潤(rùn)濕性｡

2.2 表面活性劑對(duì)粘結(jié)劑與粉末分離的影響

粘結(jié)劑與粉末分離是指在注射過(guò)程中,喂料通過(guò)澆口注入模腔時(shí),由于冷卻作用,模壁處的喂料形成凝固層,使流道減少,出現(xiàn)喂料塞積,使得在這些區(qū)域喂料壓力劇增,粉末間接觸緊密,造成摩擦力增大,粉末運(yùn)動(dòng)困難,而低粘度的粘結(jié)劑在壓力作用下沿著粉末間隙繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),從而造成注射坯宏觀不均勻,局部粘結(jié)劑量偏高｡粘結(jié)劑和粉末分離所造成的缺陷主要有澆口表面皺紋､樣品變形､鼓泡､凹痕､收縮裂紋等｡實(shí)驗(yàn)表明:用1#粘結(jié)劑喂料做出的樣品比用2^#粘結(jié)劑喂料做出的樣品出現(xiàn)了更多的以上缺陷｡這在一定程度上說(shuō)明,表面活性劑的加入可以降低粘結(jié)劑與粉末的分離｡

下面從理論上證實(shí)表面活性劑的加入,可以有效地降低粘結(jié)劑與粉末的分離｡

根據(jù)Dupre粘附功的定義:Wa=γ_S+γ_LV×γ_sL(1)

式中Wa為粘附功;γ_S為真空下固體的表面能;γLV為液氣平衡狀態(tài)下的表面能;γ_sL為固液界面自由能｡

又根據(jù)Young氏方程: γ_sL =γ_SV+γ_SCOS θ(2)

式中γ_SV 是固氣平衡狀態(tài)下的表面能,θ為潤(rùn)濕角｡由公式(1)､(2)可以得出下公式:Wa=γs+γS_V γ1_V(1+cosθ)(3)

根據(jù)上述可知表面活性劑的加入,可以降低潤(rùn)濕角｡而由公式(3)又可以得出:潤(rùn)濕角的降低可以導(dǎo)致粘附功增加,從而說(shuō)明粘結(jié)劑與粉末的結(jié)合力增加,兩者分離的可能性減小｡由此可見(jiàn),加入表面活性劑可以減少粘結(jié)劑與金屬粉末的分離｡

2.3 表面活性劑對(duì)喂料流變性能的影響

粘度是衡量喂料流變性能的重要的參數(shù)｡由于有機(jī)粘結(jié)劑本身就是成分復(fù)雜､結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子聚合物體系,它的性能容易受溫度等因素的變化而發(fā)生變化｡粘度是喂料的一個(gè)重要的性質(zhì)｡理想的喂料是一個(gè)穩(wěn)定的均勻的混合體系,它的性質(zhì)不受工藝條件和環(huán)境的影響而變化｡因此,要求在注射溫度范圍內(nèi),喂料的粘度隨溫度變化小;變化越小,喂料的流變性能越優(yōu)良,由此種喂料制成的產(chǎn)品的缺陷量就越小｡

一般認(rèn)為,粘度是流動(dòng)流體的內(nèi)部阻力｡聚合物熔體通常為假塑性體｡一定溫度下,粘度隨剪切速率的增加而降低,可以用下列公式表示:τ=Kγn (4)  

其中:τ—剪切應(yīng)力;γ—剪切速率;n—流動(dòng)指數(shù);K是常數(shù)｡n反映了喂料的粘度,n越大,喂料的粘度越小;n變化越大,喂料的粘度變化越大｡

公式(4)可以變形為lgτ=lgK+nlgγ｡根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),做出了兩種喂料在不同溫度下的lgτ-lgγ關(guān)系曲線(如圖1所示)｡圖1中的B､D､F曲線是通過(guò)測(cè)試含有1#粘結(jié)劑的喂料在不同溫度下的γ､τ做出的;C､E､G是通過(guò)測(cè)試含有2^#粘結(jié)劑的喂料在不同溫度下的γ､τ做出的｡其中B､C是170℃得到的;D､E是150℃得到的;F､G是130℃得到的｡由圖1可以看出:對(duì)于一種粘結(jié)劑體系的喂料而言,隨著溫度的升高,曲線的斜率變大即n變大,粘度變小;但是B､D､F的之間斜率的差別比C､E､G要大的多｡所以可以看出,隨著溫度的變化采用1^#粘結(jié)劑體系的喂料比采用2^#的喂料的粘度變化大,即采用2#體系的喂料的流變性能較采用1^#粘結(jié)劑體系的喂料的流變性能優(yōu)良｡所以,加入表面活性劑可以改善喂料的流變性能｡

3結(jié) 論

1 在配制粘結(jié)劑時(shí),加入少量的表面活性劑可以有效的改善粘結(jié)劑對(duì)硬質(zhì)合金粉末的潤(rùn)濕性能;

2 加入表面活性劑可以降低粘結(jié)劑與粉末的分離,從而減少由于粘結(jié)劑和粉末分離所產(chǎn)生的產(chǎn)品缺陷;

3 表面活性劑的加入可以改善喂料的流變性能｡