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关于硬质合金的粉末注射成形技术

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关于硬质合金的粉末注射成形技术的优势和发展

1、硬质合金粉末注射成形技术的优势

   注射成形技术生产粉末冶金零件对原料粉末要求苛刻,在0.1-10μm粒度范围内的粉末生产的制品才易于达到高的尺寸精度。现行硬质合金所用生产原料基本上都属于该粒度范围,满足MIM技术对原料粉末的要求,因此硬质合金的原料粉末可直接应用于注射成形工艺,不增加原料成本,这是硬质合金注射成形技术的一大优势。
硬质合金具有高硬度、高强度、耐磨损、耐腐蚀、耐高温和膨胀系数小等一系列优点,是金属加工、矿山开采、石油钻探、国防军工等不可缺少的工具材料,此外,近年来硬质合金在手表表壳等耐磨装饰零件中也得到了广泛应用。传统的硬质合金生产方法(压制-烧结法)只能生产形状较为简单的制品,因而限制了硬质合金的应用范围。冷、热等静压能生产形状复杂的制品,但成本很高,不适合大规模生产。硬质合金注射成形技术的产生拓宽了硬质合金的应用领域,该技术能以较低的成本生产出接近最终形状的、几何形状复杂而普通模压和其他方法难以生产的制品。

2、硬质合金MIM技术的研究进展

   早在1977年Curry就获得了用石蜡做粘结剂的硬质合金注射成形技术专利,后来转让给Leco公司,成为Leco工艺。但由于单组元石蜡作粘结剂会导致脱脂时间长,易于产生缺陷等问题,使得该专利影响范围不大.但进入80年代后,随着MIM技术在粘结剂配方,脱脂技术等方面的突破性进展,这就对硬质合金注射成形技术的日趋成熟提供了强大的技术支持,再加上硬质合金注射成形技术本身得天独厚的优势,从80年代初就在世界范围内涌现出一批从事硬质合金注射成形生产与研究的厂家和研究机构。
美国Leco碳化物公司Leco总公司下的一个分公司,该公司是最早用注射成形方法生产硬质合金制品的公司。此公司采用两种方法生产WC基硬质合金,一种是传统压制-烧结法,产品占销售额60%;另一种是采用新的硬质合金注射成形方法(Cemented Carbide Injection Molding),产品占销售额的40%。该公司生产的CCIM产品的重量在0.3-2kg范围内,最大制品直径为10.59吋。据称该公司是目前世界上最大的硬质合金注射成形制品生产厂。德国Degussa公司从80年代开始MIM研究,1986年正式出产品。他们采用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等热塑性塑料与蜡、树脂和其他特殊添加剂的混合物做为成形剂,将其与0.8μm左右的WC-Co合金粉混合,接着制粒、注射成形、脱除粘结剂以及最终烧结。这个公司主要从事进给架以及切削刀具的整体或刀头等的生产。现在他们已经能按照用户的要求进行小批量多品种、多材质的生产。制品体积最大的为1000cm3,最长的为100mm,最重约为100g,制品偏差为±0.3%,厚度为1-5mm,最终密度可达理论密度的95%以上。另外Forn物理公司生产有碳化钨基硬质合金旋转凿,是用二组元以上的粘结剂,第一组元用化学溶剂萃取脱除,剩余的热塑性粘结剂在烧结时脱除。其他许多厂家如新加坡Phimax公司,IBM公司,国内的山东金珠粉末注射制造有限公司,上海富驰高科技有限公司,青岛同翔特种粉末冶金有限公司,北京钢铁研究总院,中南大学粉冶所等都投入了对CCIM技术的研究和生产,产值在稳定上升。
   英国Loughborough工业大学聚合物技术和材料工程研究所在英国科学与工程研究会、英国硬质合金协会和英国有色金属技术中心的资助下,自1985年开始研究硬质合金的注射成形技术。重点研究粉末特性、粘结剂技术、混合、流变性、流动和变形、脱出成形剂速度、烧结以及成形品完整性,该研究涉及许多相关领域。以下是他们得出的研究结果[39],也代表过去在CCIM

技术研究中取得的主要成果。
(1) 由于硬质合金粉末的流变性差,不宜用硬质合金粉末体积比高于65%的混合料进行注射成形;
(2) 采用极性蜡,主要是褐煤酯蜡,由于其流变性适合于粉末注射成形,可以生产出合乎要求的较高粉末体积百分比的混合料。这类蜡还有有利的挥发动力学,他可是脱脂作业于控制下进行,而极性较小的石蜡在剪切应力的影响下又从较低体积百分比的混合料中偏析出来的倾向。完全采用结晶褐煤酯蜡也有在成形坯内产生裂纹的倾向,但这通过混合适当比例的不同类型的蜡可得到调整;
(3) 采用高剪切熔融混合技术可最有效地产生均匀的混合料;
(4) 通过分析流变行为及其粘性流动的表观活化能,对多种配方的可成形性作了有效的评价。影响温度的工艺参数对可成形性具有显著影响。模具的设计对成形性的完整性起关键作用,充模时避免形成喷射行为,否则容易产生注射缺陷;
(5) 脱脂气氛对烧结制品显微结构有关键性的影响。惰性气氛产生严重的碳缺陷,而还原性气氛则可使烧结产品具有较清晰地显微结构;
(6) 烧结后的收缩与模具几何形状和注射压力有关,但在每一批成形制品中收缩是一致的。一般线性收缩率为17%,但不是各向同性,其原因可能是由于成形时模腔内压力场和温度场的梯度应起。烧结制品密度大于理论密度的99%。
美国宾州州立大学的Mu-Jen-Yang等也较系统的展开了硬质合金注射成形工艺的研究,在纳米和超细硬质合金粉末的注射成形技术方面取得了阶段性成果,为提高硬质合金粉末装载量找出了较合适的途径。

3、硬质合金注射成形制品的性能

   表1和表2分别列出了美国宾州州立大学German教授和德国Degussa公司报道的硬质合金注射成形制品的有关性能。表中*表示该制品由常规压制­-烧结法制得,在此作为参考对比。由表可见,虽然出自世界先进水平生产厂家和科研机构,制品的力学性能仍劣于同牌号压制-烧结制品。原因是注射成形过程中的缺陷产生和碳含量波动没有得到有效控制。以上情况表明注射成形工艺已成功地解决了制品形状复杂性问题,但在提高制品性能特别是碳含量的控制方面还有许多工作要做。

表1 German教授报道的部分硬质合金注射成形件的力学性能

合金成分(wt%)

相对密度(%)

抗弯强度(N/mm2)

维氏硬度

WC-10Co

100

1410

780

WC-8Co

100

2400

1300

WC-7Co-1TaC

100

2200

1700

WC-7Ni

100

2000

2000

WC-12Co

99

2200

1250

表2德国Degussa公司用PIM法生产的部分硬质合金牌号的力学性能

FX15

K15-K40*

FX30

牌号不详*

Ni15

WC(wt%)

91.0

91.0

83.0

83.95

93.0

TaC/NbC(wt%)

1.0

1.0

2.0

1.0

Co(wt%)

7.5

7.5

15.0

15.0

Ni(wt%)

7

粒度(μ)

0.8

0.8

0.8

0.8

1.5

密度(g/cm3)

14.8

14.7

13.9

13.9

14.8

硬度(HRA)

92.5

93

90

91.5

91

横向断裂强度(N/mm2)

2200

24..

2600

4900

2000

抗压强度(KN/mm2)

5.9

6.2

5.1

5.1

5.4

4、硬质合金MIM产品的应用及发展趋势
   硬质合金具有高硬度、高强度和高耐磨性,因而被广泛用作各种切削刀具和各种耐磨件。由于传统压制-烧结法生产成本高、制品形状简单、机加工困难,限制了硬质合金更广泛的应用。注射成形是一种近净成形技术,具有生产率高、制品形状复杂、成本低等优点,因此,硬质合金注射成形技术的出现和发展必将扩大硬质合金的应用范围。目前用硬质合金MIM工艺成功生产的制品包括硬质合金刀具[42,43]、微型钻头、离心器、喷嘴、各种泵用零件、活塞、过滤器、各种体育用品、纺织机械用导线器等。近年来人们直接利用MIM制品的美学价值,生产了高尔夫球头、表带、表壳等制品。未来将会在铭牌LOGO、饰品、工艺品方面有所突破。
MIM技术的发展对硬质合金制品的生产产生了重大影响。优越的产品性能、低的生产成本和潜在的高利润率将吸引越来越多的生产者和使用者的关注和加盟。由于硬质合金生产厂家已经很熟悉脱脂、烧结等工艺过程,因此,他们仍然是发展硬质合金注射成形技术的主要力量。可以预见,不久的将来,随着广大设计人员和使用者对硬质合金注射成形技术的深入了解,随着制品性能的逐步提高,硬质合金注射成形必将拥有广阔的市场前景,必将带来可观的经济效益,成为继不锈钢注射成形后粉末注射成形新的发展热点。

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