粉末注射成形技術在某緊固扣生產中的應用

吳福

【摘 要】緊固扣零件尺寸小、結構復雜，采用機加工比較困難，本文采用粉末注射成形近凈成形技術生產緊固扣零件進行探討，確定出適合生產緊固扣零件的原材料、粘結劑、混煉工藝、脫脂和燒結等工藝，高效率低成本地制備出滿足要求的緊固扣產品。

【關鍵詞】粉末注射成形；緊固扣；脫脂；燒結

緊固扣是設備中起輔助緊固作用的零部件，零件形狀尺寸小，批量大，帶有孔、槽、支臂和緊固頭等復雜結構，零件的材料為鎳銅合金。一直以來該零件采用機加工生產，經過鉆、銑、車、磨等多道次加工成活，加工工時長，在加工過程中還需要進行多次裝卡，零件的尺寸精度很難保證，加工廢品率較高，產品制造成本高。

金屬粉末注射成形技術是傳統粉末冶金技術結合塑料成形技術而發展起來的一種金屬零部件近凈成形技術[1]。該技術可以自動化連續生產制造出最終形狀的零部件產品，解決了小型復雜零部件加工的困難。把金屬粉末注射成形技術應用到緊固扣工件的生產，充分發揮注射成形的近凈成形技術優勢，采用自動化連續生產的方式大批量制造出零部件產品，對提高緊固扣的生產效率降低生產成本具有重大的意義。

1 粉末原材的選擇

金屬粉末注射成形對粉末原材料的要求相對較高，選擇合適的原材料有利于后續的混煉、成形、脫脂和燒結進程，金屬粉末的主要性能指標有粉末粒度、松裝密度、振實密度、流動性等，理想的粉末材料的平均粒徑0.5～20μm，松裝密度為0.4～0.5T.D（理論密度），振實密度為0.5T.D以上，粉末顆粒要近似球形，粉末具有大的比表面積，在成形時流動性好，填充量大，燒結的收縮率低，有利于成形和尺寸精度控制[2]。

緊固扣主要含有銅和鎳兩種元素，原材料選擇粉末粒度較小球形最佳的羰基銅粉和羰基鎳粉，這兩種粉末的平均粒度為5μm，松裝密度和振實密度也符合要求。

2 粘結劑

注射成形要求喂料在一定溫度下呈熔融態并具有良好的流動性，一般在金屬粉末中加入占體積百分數40%～60%的粘結劑，依據混合粘結劑后的粉末喂料的流變特性和粘結劑的脫脂特性來選擇。通常采用的粘結劑有熱塑性體系、凝膠體系、水溶性體系和熱固性體系等[3]。根據緊固扣原料特性，選用了石蠟基多元聚合物粘結劑，其主要組成為：65wt%的石蠟+25wt%的高密度聚乙烯+10wt%的硬脂酸。選用熔點低、流動性好的石蠟作為主要組分，保證了喂料的流變特性，添加較高熔點的高密度聚乙烯作為骨架材料，給注射坯體提供足夠的強度，另外少量的硬脂酸作為表面活性劑，增加粘結劑和金屬粉末的潤濕性能。

3 注射成形

注射成形是為了獲得緊固扣零件形狀的無缺陷的成形坯，在成形過程中產生的缺陷在后續工序中是不可消除的，因此要嚴格控制該步工序。緊固扣的喂料采用石蠟基粘結劑，成形溫度要比粘結劑中各個聚合物組分的熔點高。成形壓力越高越有利于喂料的成形，但過高的壓力會導致粘結劑和金屬粉體的分離并出現飛邊。經過反復試驗，最終確定成形溫度為165℃～170℃，成形壓力120MPa，在該工藝成形的緊固扣注射坯形狀保持好，表面光滑、顏色均勻，沒有缺陷。

4 脫脂和燒結

脫脂的目的是把成形坯中的粘結劑脫除，脫脂不當會導致成形坯開裂變形，如何快速高效地將粘結劑脫除又避免缺陷產生是關鍵，一般采用溶劑法和熱脫脂相結合的方法進行[4]。對于石蠟基粘結劑，選用三氯乙烯作為溶劑，石蠟在該溶劑中具有高的溶解度，而高密度聚乙烯在其中的溶解度要低，通過浸泡，把注射坯中60%以上的石蠟溶解出來，形成開孔連續通道，而高密度聚乙烯未發生溶解，作為支架支撐保持著注射坯的形狀。熱脫脂是使粘結劑在高溫下以氣體方式從坯體中脫出，根據喂料的熱分解特性，制定出在150℃、350℃和450℃三個溫度區間保溫的熱脫脂工藝，在150℃主要脫除水汽和溶劑殘留，在350℃溫度區間脫出石蠟，該區間要保持慢的升溫速率和較長的保溫時間。450℃溫度區間，高密度聚乙烯裂解脫出。經過溶劑脫脂和熱脫脂，成形坯中的粘結劑基本全部脫除。

燒結是將成形坯經過高溫加熱得到強化和致密化制品的技術，成形坯經過脫脂后其內部保留大量的孔隙，燒結產品收縮率一般達到15%～25%，對于緊固扣這種結構復雜的異形件，燒結產品的尺寸精度和變形控制是關鍵因素。通過試驗，確定緊固扣的銅鎳合金燒結工藝為1230℃真空燒結2小時，燒結的緊固扣產品形狀保持好，形位公差小，零件的尺寸公差也符合要求。

5 結論

羰基銅粉和羰基鎳粉為原材料，結合石蠟加高密度聚乙烯和硬脂酸的聚合物粘結劑制成喂料，在成形溫度為165℃～170℃，成形壓力120MPa下制備出成形坯，經溶劑脫脂和真空脫脂后在1230℃真空燒結制造出緊固扣工件，產品形狀和尺寸滿足要求，實現低成本高效率生產。

【參考文獻】

[1]韓鳳麟.金屬注射成形-21世紀的金屬零件成形工藝[J].粉末冶金工業，2012，22（2）：1-9.

[2]曲選輝.粉末注射成形的研究進展[J].中國材料進展，2010，29（5）：42-46.

[3]李篤信，李益民，曲選輝，等.金屬粉末注射成形粘結劑[J].材料導報，2000，14（5）：36-39.

[4]王光耀，何浩，李益民，等.工藝參數對金屬粉末注射成形芯層熔體形貌的影響[J].中國有色金屬學報，2011，21（8）：1847-1854.

[責任編輯：湯靜]