關(guān)于硬質(zhì)合金的粉末注射成形技術(shù)

1、硬質(zhì)合金粉末注射成形技術(shù)的優(yōu)勢

    注射成形技術(shù)生產(chǎn)粉末冶金零件對原料粉末要求苛刻，在0.1-10μm粒度范圍內(nèi)的粉末生產(chǎn)的制品才易于達(dá)到高的尺寸精度?，F(xiàn)行硬質(zhì)合金所用生產(chǎn)原料基本上都屬于該粒度范圍，滿足MIM技術(shù)對原料粉末的要求，因此硬質(zhì)合金的原料粉末可直接應(yīng)用于注射成形工藝，不增加原料成本，這是硬質(zhì)合金注射成形技術(shù)的一大優(yōu)勢。
    硬質(zhì)合金具有高硬度、高強(qiáng)度、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫和膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)點(diǎn)，是金屬加工、礦山開采、石油鉆探、國防軍工等不可缺少的工具材料，此外，近年來硬質(zhì)合金在手表表殼等耐磨裝飾零件中也得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金生產(chǎn)方法（壓制－燒結(jié)法）只能生產(chǎn)形狀較為簡單的制品，因而限制了硬質(zhì)合金的應(yīng)用范圍。冷、熱等靜壓能生產(chǎn)形狀復(fù)雜的制品，但成本很高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。硬質(zhì)合金注射成形技術(shù)的產(chǎn)生拓寬了硬質(zhì)合金的應(yīng)用領(lǐng)域，該技術(shù)能以較低的成本生產(chǎn)出接近最終形狀的、幾何形狀復(fù)雜而普通模壓和其他方法難以生產(chǎn)的制品。

2、硬質(zhì)合金MIM技術(shù)的研究進(jìn)展

   早在1977年Curry就獲得了用石蠟做粘結(jié)劑的硬質(zhì)合金注射成形技術(shù)專利，后來轉(zhuǎn)讓給Leco公司，成為Leco工藝。但由于單組元石蠟作粘結(jié)劑會(huì)導(dǎo)致脫脂時(shí)間長，易于產(chǎn)生缺陷等問題，使得該專利影響范圍不大．但進(jìn)入80年代后，隨著MIM技術(shù)在粘結(jié)劑配方，脫脂技術(shù)等方面的突破性進(jìn)展，這就對硬質(zhì)合金注射成形技術(shù)的日趨成熟提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，再加上硬質(zhì)合金注射成形技術(shù)本身得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，從80年代初就在世界范圍內(nèi)涌現(xiàn)出一批從事硬質(zhì)合金注射成形生產(chǎn)與研究的廠家和研究機(jī)構(gòu)。
    美國Leco碳化物公司Leco總公司下的一個(gè)分公司，該公司是最早用注射成形方法生產(chǎn)硬質(zhì)合金制品的公司。此公司采用兩種方法生產(chǎn)WC基硬質(zhì)合金，一種是傳統(tǒng)壓制－燒結(jié)法，產(chǎn)品占銷售額60%；另一種是采用新的硬質(zhì)合金注射成形方法(Cemented Carbide Injection Molding)，產(chǎn)品占銷售額的40%。該公司生產(chǎn)的CCIM產(chǎn)品的重量在0.3-2kg范圍內(nèi)，最大制品直徑為10.59吋。據(jù)稱該公司是目前世界上最大的硬質(zhì)合金注射成形制品生產(chǎn)廠。德國Degussa公司從80年代開始MIM研究，1986年正式出產(chǎn)品。他們采用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等熱塑性塑料與蠟、樹脂和其他特殊添加劑的混合物做為成形劑，將其與0.8μm左右的WC-Co合金粉混合，接著制粒、注射成形、脫除粘結(jié)劑以及最終燒結(jié)。這個(gè)公司主要從事進(jìn)給架以及切削刀具的整體或刀頭等的生產(chǎn)?，F(xiàn)在他們已經(jīng)能按照用戶的要求進(jìn)行小批量多品種、多材質(zhì)的生產(chǎn)。制品體積最大的為1000cm3,最長的為100mm，最重約為100g，制品偏差為±0.3%，厚度為1-5mm，最終密度可達(dá)理論密度的95%以上。另外Forn物理公司生產(chǎn)有碳化鎢基硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)鑿，是用二組元以上的粘結(jié)劑，第一組元用化學(xué)溶劑萃取脫除，剩余的熱塑性粘結(jié)劑在燒結(jié)時(shí)脫除。其他許多廠家如新加坡Phimax公司，IBM公司，國內(nèi)的山東金珠粉末注射制造有限公司，上海富馳高科技有限公司，青島同翔特種粉末冶金有限公司，北京鋼鐵研究總院，中南大學(xué)粉冶所等都投入了對CCIM技術(shù)的研究和生產(chǎn)，產(chǎn)值在穩(wěn)定上升。
    英國Loughborough工業(yè)大學(xué)聚合物技術(shù)和材料工程研究所在英國科學(xué)與工程研究會(huì)、英國硬質(zhì)合金協(xié)會(huì)和英國有色金屬技術(shù)中心的資助下，自1985年開始研究硬質(zhì)合金的注射成形技術(shù)。重點(diǎn)研究粉末特性、粘結(jié)劑技術(shù)、混合、流變性、流動(dòng)和變形、脫出成形劑速度、燒結(jié)以及成形品完整性，該研究涉及許多相關(guān)領(lǐng)域。以下是他們得出的研究結(jié)果[39]，也代表過去在CCIM技術(shù)研究中取得的主要成果。
 (1) 由于硬質(zhì)合金粉末的流變性差，不宜用硬質(zhì)合金粉末體積比高于65%的混合料進(jìn)行注射成形；
 (2) 采用極性蠟，主要是褐煤酯蠟，由于其流變性適合于粉末注射成形，可以生產(chǎn)出合乎要求的較高粉末體積百分比的混合料。這類蠟還有有利的揮發(fā)動(dòng)力學(xué)，他可是脫脂作業(yè)于控制下進(jìn)行，而極性較小的石蠟在剪切應(yīng)力的影響下又從較低體積百分比的混合料中偏析出來的傾向。完全采用結(jié)晶褐煤酯蠟也有在成形坯內(nèi)產(chǎn)生裂紋的傾向，但這通過混合適當(dāng)比例的不同類型的蠟可得到調(diào)整；
 (3) 采用高剪切熔融混合技術(shù)可最有效地產(chǎn)生均勻的混合料；
 (4) 通過分析流變行為及其粘性流動(dòng)的表觀活化能，對多種配方的可成形性作了有效的評價(jià)。影響溫度的工藝參數(shù)對可成形性具有顯著影響。模具的設(shè)計(jì)對成形性的完整性起關(guān)鍵作用，充模時(shí)避免形成噴射行為，否則容易產(chǎn)生注射缺陷；
 (5) 脫脂氣氛對燒結(jié)制品顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)鍵性的影響。惰性氣氛產(chǎn)生嚴(yán)重的碳缺陷，而還原性氣氛則可使燒結(jié)產(chǎn)品具有較清晰地顯微結(jié)構(gòu)；
 (6) 燒結(jié)后的收縮與模具幾何形狀和注射壓力有關(guān)，但在每一批成形制品中收縮是一致的。一般線性收縮率為17%，但不是各向同性，其原因可能是由于成形時(shí)模腔內(nèi)壓力場和溫度場的梯度應(yīng)起。燒結(jié)制品密度大于理論密度的99%。
 美國賓州州立大學(xué)的Mu-Jen-Yang等也較系統(tǒng)的展開了硬質(zhì)合金注射成形工藝的研究，在納米和超細(xì)硬質(zhì)合金粉末的注射成形技術(shù)方面取得了階段性成果，為提高硬質(zhì)合金粉末裝載量找出了較合適的途徑。

3、硬質(zhì)合金注射成形制品的性能

   表1和表2分別列出了美國賓州州立大學(xué)German教授和德國Degussa公司報(bào)道的硬質(zhì)合金注射成形制品的有關(guān)性能。表中*表示該制品由常規(guī)壓制­－燒結(jié)法制得，在此作為參考對比。由表可見，雖然出自世界先進(jìn)水平生產(chǎn)廠家和科研機(jī)構(gòu)，制品的力學(xué)性能仍劣于同牌號壓制－燒結(jié)制品。原因是注射成形過程中的缺陷產(chǎn)生和碳含量波動(dòng)沒有得到有效控制。以上情況表明注射成形工藝已成功地解決了制品形狀復(fù)雜性問題，但在提高制品性能特別是碳含量的控制方面還有許多工作要做。

 表1  German教授報(bào)道的部分硬質(zhì)合金注射成形件的力學(xué)性能

表2德國Degussa公司用PIM法生產(chǎn)的部分硬質(zhì)合金牌號的力學(xué)性能

4、硬質(zhì)合金MIM產(chǎn)品的應(yīng)用及發(fā)展趨勢
   硬質(zhì)合金具有高硬度、高強(qiáng)度和高耐磨性，因而被廣泛用作各種切削刀具和各種耐磨件。由于傳統(tǒng)壓制－燒結(jié)法生產(chǎn)成本高、制品形狀簡單、機(jī)加工困難，限制了硬質(zhì)合金更廣泛的應(yīng)用。注射成形是一種近凈成形技術(shù)，具有生產(chǎn)率高、制品形狀復(fù)雜、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此，硬質(zhì)合金注射成形技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展必將擴(kuò)大硬質(zhì)合金的應(yīng)用范圍。目前用硬質(zhì)合金MIM工藝成功生產(chǎn)的制品包括硬質(zhì)合金刀具[42,43]、微型鉆頭、離心器、噴嘴、各種泵用零件、活塞、過濾器、各種體育用品、紡織機(jī)械用導(dǎo)線器等。近年來人們直接利用MIM制品的美學(xué)價(jià)值，生產(chǎn)了高爾夫球頭、表帶、表殼等制品。未來將會(huì)在銘牌LOGO、飾品、工藝品方面有所突破。
   MIM技術(shù)的發(fā)展對硬質(zhì)合金制品的生產(chǎn)產(chǎn)生了重大影響。優(yōu)越的產(chǎn)品性能、低的生產(chǎn)成本和潛在的高利潤率將吸引越來越多的生產(chǎn)者和使用者的關(guān)注和加盟。由于硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠家已經(jīng)很熟悉脫脂、燒結(jié)等工藝過程，因此，他們?nèi)匀皇前l(fā)展硬質(zhì)合金注射成形技術(shù)的主要力量?？梢灶A(yù)見，不久的將來，隨著廣大設(shè)計(jì)人員和使用者對硬質(zhì)合金注射成形技術(shù)的深入了解，隨著制品性能的逐步提高，硬質(zhì)合金注射成形必將擁有廣闊的市場前景，必將帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，成為繼不銹鋼注射成形后粉末注射成形新的發(fā)展熱點(diǎn)。

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