金属注射成形(Metal Injection Molding,简称MIM)是传统粉末冶金和塑料注射成形相结合发展起来的一种崭新的粉末冶金接近最终形状成形技术｡众所周知,塑料注射成形技术能以低廉的价格生产各种复杂形状的制品,但是强度不高｡为了改善其性能可以在塑料中加入金属或陶瓷粉以得到强度较高､耐磨性好的制品｡这一想法已经发展演变为最大限度地提高固体粒子的含量并且在随后的脱脂和烧结过程中完全脱去粘结剂并使成形坯致密化｡这种新的粉末冶金成形技术就称为金属注射成形｡金属注射成形技术包括粉末与大量的有机粘结剂混炼､注射成形､去掉粘结剂的脱脂过程､烧结过程｡由此可以看出,注射成形与传统粉末冶金工艺最大的不同就是它加入了大量的粘结剂｡粘结剂的性能好坏直接影响最终产品的性能｡众所周知,硬质合金以其高硬度､高强度和高熔点､高耐磨性称雄于各类工程材料｡然而,正是这个特点导致了硬质合金制品异型件的难加工性｡MIM技术的出现为硬质合金异型件的生产带来了契机,但MIM硬质合金生产对粘结剂的要求很高｡本文采用硬质合金粉末为原料,详细研究了表面活性剂对MIM硬质合金粘结剂和喂料性能的影响｡
1 实验材料与工艺
采用原料粉末为硬质合金混合粉末,其性能数据见表1｡
粘结剂包括石蜡(PW)､微晶蜡(MW)､高密度聚乙烯(HDPE)､乙烯 乙酸共聚物(EVA)､硬脂酸(SA),其性能数据见表2｡
采用对比实验法,将石蜡在90℃于不锈钢混炼器中完全熔化后升温,依次加入MW､EVA､HDPE,采用螺旋叶轮搅拌,经熔混后加入SA再搅拌2小时,配成的粘结剂编号为2#;未加入SA的粘结剂编号为1#,(各组元的百分含量见表3)｡
对混炼好的粘结剂分别做粘结剂润湿性能实验｡喂料的混炼在LH60 Roller型转距流变仪上进行,混炼温度为120℃､混炼时间为2.5小时､粉末体积占喂料体积的百分数为56%(即粉末装载量为56%)｡混炼完毕后,采用Instron3211毛细管流变仪分别对两种粘结剂的喂料进行流变性能的测试,经过在不同温度下测试喂料的剪切应力和剪切速率,来确定粘度随温度的变化程度｡然后将两种喂料在LSJ20塑料挤出装置上制粒后在SZ/28 250型卧立两用注射成形机上注射成形后得到MIM成形坯,注射压力为104~108MPa;注射温度为120℃;模温为35℃｡观测两种喂料制成的注射坯的缺陷量｡脱脂采用热脱脂法,气氛为氢气气氛,氢气的流量为5L/min｡烧结在真空炉中进行,真空度为10-2~10-3Pa,在烧结温度1440℃保温1小时｡分别观测两种喂料的脱脂坯和烧结坯的缺陷量｡
2 结果与讨论
2.1表面活性剂对粘结剂润湿性能的影响
粘结剂对粉末的润湿性的好坏直接影响粉末装载量和粘结剂与粉末的结合强度｡而粉末的装载量又对喂料的流动性,合金烧结收缩率起着决定作用｡采用与粉末润湿性好的粘结剂可以提高粉末的装载量､减少脱脂缺陷､减少烧结收缩､提高产品的尺寸精度｡
由表1所示的特征粉末加工出的硬质合金粉体板,经过机加工后获得光滑表面,将熔化的粘结剂滴在板上来测量粘结剂与金属粉末的润湿角｡结果发现,1#粘结剂的润湿角为23°;2#为18°｡众所周知,润湿角越小润湿性越好,所以,2#粘结剂的润湿性比1#粘结剂的好｡因此加入表面活性剂能够改善粘结剂对硬质合金粉末的润湿性｡这是因为,未加入表面活性剂时,粘结剂对粉末的润湿是依靠粉末的表面对粘结剂的吸附作用;加入表面活性剂后,表面活性剂分子链上不同亲和性的基团选择地结合粘结剂和金属粉末,通过这个媒介,形成牢固的粘结剂和金属粉末界面搭桥,从而改善了润湿性｡
2.2 表面活性剂对粘结剂与粉末分离的影响
粘结剂与粉末分离是指在注射过程中,喂料通过浇口注入模腔时,由于冷却作用,模壁处的喂料形成凝固层,使流道减少,出现喂料塞积,使得在这些区域喂料压力剧增,粉末间接触紧密,造成摩擦力增大,粉末运动困难,而低粘度的粘结剂在压力作用下沿着粉末间隙继续向前运动,从而造成注射坯宏观不均匀,局部粘结剂量偏高｡粘结剂和粉末分离所造成的缺陷主要有浇口表面皱纹､样品变形､鼓泡､凹痕､收缩裂纹等｡实验表明:用1#粘结剂喂料做出的样品比用2#粘结剂喂料做出的样品出现了更多的以上缺陷｡这在一定程度上说明,表面活性剂的加入可以降低粘结剂与粉末的分离｡
下面从理论上证实表面活性剂的加入,可以有效地降低粘结剂与粉末的分离｡
根据Dupre粘附功的定义:Wa=γS+γLV×γsL(1)
式中Wa为粘附功;γS为真空下固体的表面能;γLV为液气平衡状态下的表面能;γsL为固液界面自由能｡
又根据Young氏方程: γsL =γSV+γSCOS θ(2)
式中γSV 是固气平衡状态下的表面能,θ为润湿角｡由公式(1)､(2)可以得出下公式:Wa=γs+γSV γ1V(1+cosθ)(3)
根据上述可知表面活性剂的加入,可以降低润湿角｡而由公式(3)又可以得出:润湿角的降低可以导致粘附功增加,从而说明粘结剂与粉末的结合力增加,两者分离的可能性减小｡由此可见,加入表面活性剂可以减少粘结剂与金属粉末的分离｡
2.3 表面活性剂对喂料流变性能的影响
粘度是衡量喂料流变性能的重要的参数｡由于有机粘结剂本身就是成分复杂､结构复杂的高分子聚合物体系,它的性能容易受温度等因素的变化而发生变化｡粘度是喂料的一个重要的性质｡理想的喂料是一个稳定的均匀的混合体系,它的性质不受工艺条件和环境的影响而变化｡因此,要求在注射温度范围内,喂料的粘度随温度变化小;变化越小,喂料的流变性能越优良,由此种喂料制成的产品的缺陷量就越小｡
一般认为,粘度是流动流体的内部阻力｡聚合物熔体通常为假塑性体｡一定温度下,粘度随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—剪切应力;γ—剪切速率;n—流动指数;K是常数｡n反映了喂料的粘度,n越大,喂料的粘度越小;n变化越大,喂料的粘度变化越大｡
公式(4)可以变形为lgτ=lgK+nlgγ｡根据实验数据,做出了两种喂料在不同温度下的lgτ-lgγ关系曲线(如图1所示)｡图1中的B､D､F曲线是通过测试含有1#粘结剂的喂料在不同温度下的γ､τ做出的;C､E､G是通过测试含有2#粘结剂的喂料在不同温度下的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｡由图1可以看出:对于一种粘结剂体系的喂料而言,随着温度的升高,曲线的斜率变大即n变大,粘度变小;但是B､D､F的之间斜率的差别比C､E､G要大的多｡所以可以看出,随着温度的变化采用1#粘结剂体系的喂料比采用2#的喂料的粘度变化大,即采用2#体系的喂料的流变性能较采用1#粘结剂体系的喂料的流变性能优良｡所以,加入表面活性剂可以改善喂料的流变性能｡
3结 论
1 在配制粘结剂时,加入少量的表面活性剂可以有效的改善粘结剂对硬质合金粉末的润湿性能;
2 加入表面活性剂可以降低粘结剂与粉末的分离,从而减少由于粘结剂和粉末分离所产生的产品缺陷;
3 表面活性剂的加入可以改善喂料的流变性能｡
