純鉬注射成形工藝的研究

1、第18卷第1期粉末冶金工業(yè)Vol.18No.1POWDERMETALLURGYINDUSTRY純鉬注射成形工藝的研究譚兆強(qiáng),李篤信,李昆,侯海濤(中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摘要:研究了純鉬注射成形工藝過程,。研究表明,%,直接熱脫脂和燒結(jié)工藝,得到了無缺陷的燒結(jié)坯,在燒結(jié)溫度為1850,燒結(jié)時間為3200MPa,硬度為193HV10。關(guān)鍵詞;粉末預(yù)處理;脫脂;燒結(jié):文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-6543(2008)01-0019-05STUDYONMETALINJECTIONMOLDINGOFPUREMOLYBDENUMTANZhao2qiang,LIDu2xin,LIKun,HOUH

2、ai2tao(TheStateKeyLaboratoryforPowderMetallurgy,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:Theprocessofpowderinjectionmoldingpuremolybdenum,includingmilling,mix2ing,debindingandsintering,wasstudied.Theresultsindicatethatthepowderloadingofthemilledpowdercanbeincreasedto50%.Theoptimumprocess

3、parametersofmixinganddebindingwereestablishedanddefect2freepartsweresuccessfullyproduced.Theeffectofsinteringtemperatureonthedensitywasstudied.Thepartssinteredat1850for120minex2hibitethehighestdensityof9170g/cm3withtensilestrengthandhardnessof200MPaand193HV10respectively.Keywords:molybdenum;metalinj

4、ectionmolding;pretreatmentofpowder;debinding;sinte2ring金屬鉬屬體心立方結(jié)構(gòu),具有高的熔點(diǎn)(2610)和好的高溫強(qiáng)度,早期用作高溫器皿和爐膛結(jié)構(gòu)件。但是大部分鉬作為合金元素,應(yīng)用在鋼鐵工業(yè)中,約占鉬總消耗量的80%左右1。同時純鉬具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和低的膨脹系數(shù),在現(xiàn)代電子技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用,尤其是在發(fā)電、計算機(jī)電路、微電子技術(shù)、固體照明和平板顯示器方面2。鉬及鉬合金材料加工方法有:鍛制、拉制、矯直、磨光、機(jī)加工、傳統(tǒng)的粉末冶金,其中90%的鉬制品是用采用傳統(tǒng)的粉末冶金方法生產(chǎn)的3。由于純鉬的塑脆性轉(zhuǎn)變溫度處于室溫下,這些加工方法都遇

5、到了許多的困難。例如沖壓、沖孔和剪切坯,尤其容易在成型板材內(nèi)產(chǎn)生平面裂紋,這就是在軋制時沿晶界平面擴(kuò)散的晶間裂縫;在對鉬及鉬合金進(jìn)行焊接加工時,焊接點(diǎn)及周圍基體出現(xiàn)再結(jié)晶,造成該區(qū)域強(qiáng)度極低4;傳統(tǒng)的粉末冶金,不能生產(chǎn)過于復(fù)雜的零件。加工時容易出現(xiàn)裂紋、成形性差,限制鉬產(chǎn)品的形狀和性能,同時也增加了成本等。因此鉬及其合金成形難,加工性能差成為急待解決的問題。金屬注射成形(MetalInjectionMolding,MIM)是將現(xiàn)代塑料注射成形技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域而形成的一門近凈成形新技術(shù)5。金屬注射成形應(yīng)用領(lǐng)收稿日期:2007-08-22基金項目:中南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育項目(LA06027

6、)。作者簡介:譚兆強(qiáng)(1983-),男(漢),江西南昌縣人,碩士研究生,從事金屬注射成形的研究。02粉末冶金工業(yè)第18卷域從結(jié)構(gòu)材料逐漸向功能材料發(fā)展,如熱沉材料、磁性材料和形狀記憶合金等。注射成形可以制造形狀復(fù)雜、精度高的零件,結(jié)合純鉬良好的高溫強(qiáng)度、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和低的膨脹系數(shù),能有力地推動純鉬制品在電子技術(shù)廣泛的應(yīng)用。純鉬的注射成形工藝研究在國內(nèi)外還未見有報道。本文對純鉬的注射成形工藝進(jìn)行了研究,分析了純鉬的粉末特性,探索了粉末預(yù)處理、混料、脫脂和燒結(jié)等工藝,為純鉬注射成形的工業(yè)化生產(chǎn)提供了工藝保障。1實(shí)驗(yàn)原料與過程111原料,粉末中、氧含量,1a和基本1。1松裝密度/gcm0189-3/

7、21-3210形狀不規(guī)則化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/×10-6C490O7000Fe9Cr9Ni19Ti20,由石蠟(PW)、硬脂酸(SA)和高聚合物等組成,在自制的設(shè)備下混煉制備。112實(shí)驗(yàn)過程粉末首先在XQM-4球磨機(jī)中進(jìn)行球磨,用不銹鋼球,球料比51,球磨4h,轉(zhuǎn)速為258r/min,加入115%SA(質(zhì)量分?jǐn)?shù))作為過程控制劑。粉末與粘結(jié)劑在XSM1/20-80型橡膠密煉機(jī)進(jìn)行混練,時間為2h,再在單螺桿擠壓機(jī)上擠出制粒,使喂料進(jìn)一步均勻。經(jīng)干燥后在BOY50T2注射成型機(jī)注射標(biāo)準(zhǔn)拉伸樣(50100mm×9150mm×3115mm)。采用H2氣氛熱脫脂,然后用Ce

8、rorrSeries60高溫?zé)Y(jié)爐燒結(jié),以H2作為保護(hù)氣體。2結(jié)果與討論211粉末預(yù)處理對于金屬注射成形而言,粉末的形狀、粒度分布、聚集度等因素會影響粉末的裝載量、喂料的性能和燒結(jié)收縮與產(chǎn)品的致密化6。從圖1(a)和圖2中圖1鉬粉的SEM形貌(a)未球磨粉末;(b)已球磨粉末可以看出,鉬粉顆粒粒度細(xì)、形狀不規(guī)則,并且在粒m時出現(xiàn)了團(tuán)聚峰。這種粉末團(tuán)聚程度會徑為25使粉末不能產(chǎn)生有效的堆積,混料時粘結(jié)劑不易滲透到團(tuán)聚顆粒內(nèi),在很大程度上影響了喂料的流變性,使混料的均勻性變差7。球磨可降低團(tuán)聚粉末的聚集f度,改善粉末的流變性8。球磨后,如圖1(b)所示,粉末被很好的分散,原來粒度分布的團(tuán)聚m減少到

9、峰被消除,粉末的中位粒徑從5187m。這種粉末特性對金屬注射成形更有利。2153212喂料的制備圖2鉬粉球磨前后的粒徑分布第1期譚兆強(qiáng)等:純鉬注射成形工藝的研究12表2為3種不同混合料的混料工藝參數(shù)及其狀況?？梢钥闯?未球磨的鉬粉在150混煉,當(dāng)裝載量為47%(體積分?jǐn)?shù))時,喂料效果較好,具有很好的流變性能;而粉末的裝載量提高到50%時,混料干燥,沒有假塑性流體的流變行為,這主要是因?yàn)榉勰┝６仍郊?xì),比表面積越大,粉末團(tuán)聚程度越大,粉末內(nèi)孔隙越多,在粉末表面和粉末內(nèi)孔隙中產(chǎn)生很厚的吸附層,潤滑粉末表面所需的粘結(jié)劑越多,導(dǎo)致了粉末裝載量較低9,10。而球磨后,裝載量為50%,在145下,混料濕潤,

10、具有很好的流變性能,經(jīng)注射成形后,可得到無缺陷的拉伸樣。從而可以說明,對粉末進(jìn)行適當(dāng)?shù)那蚰ヮA(yù)處理對提高粉末裝。粉末裝載量的提高,有利于產(chǎn)2裝載量(體積分?jǐn)?shù))/%475050150170145混料狀況流動性較好、較易混合均勻干燥,呈粉末狀,沒有假塑性流體特性流動性較好、較易混合均勻擠料溫度/140-130混料狀況喂料流動性好、表面光潔-喂料流動性好、表面光潔213脫脂根據(jù)粘結(jié)劑各組元的熱性能,制定了H2氣氛熱脫脂工藝曲線,如圖3所示。在脫脂初期,以2/min升溫速率,從室溫升到160,而在160250,升溫速率緩慢(為1/min)。因?yàn)樵?60以下,粘結(jié)劑尚未熱解,低相對分子質(zhì)量粘結(jié)劑蒸發(fā)較慢,

11、產(chǎn)生的蒸汽少,不會對脫脂坯造成影響。而加到160以上時,低熔點(diǎn)組元開始熔融熱解,但是粉末間的孔隙通道尚未形成,如果此時升溫過快,有機(jī)物熱解過快,就會產(chǎn)生大量揮發(fā)的小分子氣體,導(dǎo)致脫脂坯鼓泡、開裂和變形等缺陷。當(dāng)溫度達(dá)到350時,低熔點(diǎn)組元已全部脫除,僅剩下少量粘結(jié)劑骨架組元維持脫脂坯的形狀,而脫脂坯也形成了大量的連通孔隙,因此后面的升溫速率可以加快(為3/min),直到500粘結(jié)劑全部脫除。然后以4/min升到900下預(yù)燒。圖4為脫脂坯預(yù)燒后11圖4脫脂預(yù)燒樣的斷口形貌214燒結(jié)和燒結(jié)性能純鉬的高溫?zé)Y(jié)屬于單元系固相燒結(jié),采用低溫預(yù)燒、中溫升溫和高溫保溫三個階段來完成。在900預(yù)燒好的燒結(jié)坯,

12、以10/min從室溫升到1400,保溫30min,再以同樣的速率升到燒結(jié)溫的斷口形貌,粉末之間已經(jīng)形成燒結(jié)頸,顆粒之間孔隙分布均勻。脫脂坯無明顯的缺陷產(chǎn)生,維形能力較好。度,燒結(jié)溫度分別為1550、1750、1850和1900,保溫120min,然后隨爐冷卻。鉬中的碳、氧,尤其當(dāng)富集到晶界上時,會對鉬的化學(xué)、物理和力學(xué)性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響12。因此,采用H2作為保護(hù)氣體來保護(hù)鉬在高溫下不氧化,同時能使燒結(jié)坯的碳、氧含量減少。21411燒結(jié)密度如圖5所示,為純鉬燒結(jié)坯密度與燒結(jié)溫度和保溫時間的關(guān)系。純鉬燒結(jié)坯隨著燒結(jié)溫度的升高和保溫時間的延長,其致密度也增大。在溫度低于1850時,燒結(jié)密度增加較快

13、,在1850達(dá)到最大值9170g/cm3,相對密度為94191%,溫度繼續(xù)升圖3氫氣熱脫脂工藝曲線高,燒結(jié)密度反而略有降低;純鉬燒結(jié)坯隨著燒結(jié)時間的延長,其致密度也增大,當(dāng)燒結(jié)時間多于22粉末冶金工業(yè)第18卷120min時,其密度變化不大(達(dá)到9171g/cm3),高5h時的密度(819911g/cm3)。于文獻(xiàn)13采用冷靜壓成形在18501900燒結(jié)圖5燒結(jié)溫度和保溫時間對燒結(jié)密度的影響(a)燒結(jié)溫度對燒結(jié)密度的影響;(b)保溫時間對燒結(jié)密度的影響21412燒結(jié)收縮率從表3可見,在燒結(jié)溫度為1850時燒結(jié)坯在三個方向上的收縮率都較大,而在厚度方向上的收縮率最大,高達(dá)23178%。因?yàn)殚L度和寬

14、度方向在燒結(jié)收縮時,受到了支撐物底部摩擦力的阻礙。表31850燒結(jié)坯的收縮率方向長厚寬收縮率/%2118023178231363結(jié)論(1)采用適當(dāng)?shù)那蚰スに噷Ψ勰┻M(jìn)行預(yù)處理,能消除鉬粉的團(tuán)聚現(xiàn)象,并且球磨后鉬粉的裝載量可以達(dá)到50%(體積分?jǐn)?shù))。(2)采用H2氣氛熱脫脂,900預(yù)燒后,粉末顆粒之間已形成了燒結(jié)頸,孔隙分布均勻,沒有產(chǎn)生缺陷。(3)鉬的燒結(jié)密度隨著燒結(jié)溫度的升高而增大,21413顯微組織,C、O含量和力學(xué)性能在1850時,燒結(jié)密度達(dá)到最大值,為9170g/cm3,相對密度為94191%。(4)在1850燒結(jié),保溫120min,長、寬、高三個方向的收縮率較大,但在厚度方向上的收縮率

15、最大(為23178%),燒結(jié)坯未發(fā)生變形。(5)經(jīng)1850×120min燒結(jié),晶內(nèi)殘留孔隙,圖6為純鉬在1850燒結(jié)的顯微組織。從圖6可見,只剩下了一些閉孔隙殘留于晶內(nèi),呈球形,這是阻礙燒結(jié)坯全致密的主要原因,晶粒尺寸達(dá)到了m左右。燒結(jié)坯C、40O含量分別為01036%和01003%,與原料相比,C、O含量大大減少。這時燒結(jié)坯的抗拉強(qiáng)度達(dá)到200MPa,硬度為193HV10。阻礙致密化,這時燒結(jié)坯的C、O含量分別為01036%、01003%,抗拉強(qiáng)度達(dá)到200MPa,硬度為193HV10。參考文獻(xiàn)1李兵.鉬在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用J.金屬世界,2005,(1):48.2JohnA.Shie

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20、逐漸完善;大學(xué)和科研院所與企業(yè)之間,以及行業(yè)和領(lǐng)域間、區(qū)域間、國際間的知識流動和技術(shù)轉(zhuǎn)移進(jìn)一步活躍;國家公共財政資金投入項目的產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化取得重大突破;企業(yè)的自主創(chuàng)新能力和核心競爭力獲得較大提升,為建設(shè)創(chuàng)新型國家提供有力支撐。根據(jù)要求“十一五”,期間,引導(dǎo)和支持建立10個區(qū)域技術(shù)轉(zhuǎn)移及服務(wù)聯(lián)盟、40個綜合性、70個行業(yè)或?qū)I(yè)性、80個大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)、30個國際技術(shù)轉(zhuǎn)移基地等多層次的國家技術(shù)轉(zhuǎn)移示范機(jī)構(gòu);建設(shè)中國創(chuàng)新驛站工作網(wǎng)絡(luò),建立100家工作站點(diǎn);推動一批國家重大計劃項目和行業(yè)共性技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)的轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散;實(shí)現(xiàn)全國技術(shù)合同成交額每年以15%的速度遞增,到2010年達(dá)到3000億元。據(jù)了解,下一步科技部等有關(guān)部委將組織開展技術(shù)市場和技術(shù)轉(zhuǎn)移工作的戰(zhàn)略