粉末注射成型工艺参数对产品性能的影响

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文章编号:1003-1545(2008) 01-0030-05

粉末注射成型工艺参数对产品性能的影响

李 伟, 史庆南, 裴和衷, 张国亮, 王效琪

(昆明理工大学云南省新材料制备与加工重点实验室, 云南昆明 650093)

摘 要:粉末注射成型是一项新型近净成型技术, 被用于生产较小尺寸及形状复杂的制品。相比较传统的加工技术, 虽然粉末注射成型工艺经济技术优势明显, 但是该技术面临的技术问题也十分突出。结合该工艺的特点, 本文论述了包括混料、注射成型、脱脂、烧结4道工序中涉及的工艺参数对制品质量的影响。粉末注射成型工艺在陶瓷、金属材料方面得到了很好的应用。关键词:粉末注射成型; 工艺参数; 产品性能中图分类号:T F 124. 39 文献标识码:A

粉末注射成型[1~6](Pow der Injectio n M old -ing, 简称PIM ) 源于塑料注射成型, 是粉末冶金技

术与塑料注射成型技术、金属压铸成型技术相结合而产生的一项新型近净成型技术。这项新技术的工艺过程为:先将粉末与热塑性粘结剂混炼成均匀的具有粘塑性的注射成型喂料, 制粒后在注塑机上经一定的温度和压力注入模具内成型, 再脱除粘结剂, 烧结成各种致密的制品。

PIM 技术的发展已经有70多年了, 但该工艺直到近年来才发展成熟并得到广泛应用。与传统的材料冲压技术、粉末冶金技术、等静压制、机械加工技术及浇铸工艺相比, PIM 在保证制品性能良好的情况下, 能够满足复杂形貌的要求且后续加工少、制造成本低廉、生产效率高及易于实现自动化[3, 7, 9~13]。尽管如此, 粉末注射成型工艺也存在许多不足之处, 本文从注射成型工艺特点出发, 论述在各个工序中合理设置参数以及各个参数对产品性能造成的影响。

[7, 8]

品方面是有限的[14, 15]。并且, PIM 工艺步骤繁多, 包括混料、成型、脱脂、烧结等工序, 成型制品的尺寸精度和性能受到每道工序各种参数及材料本身性质的影响[12, 14, 16]。1. 1 粉末特性的影响

粉末粒径一般在0. 5~20 m , 适合于PIM 工艺要求。粉末的形状、平均粒径、粒度分布、密度大小及稳定性等因素对喂料的粘度及注射试样的尺寸精度具有影响。对于粒径差异较大的粉末, 少量粒径较小的粉末填充大颗粒间隙, 粉末的堆积密度提高, 从而使喂料粘度降低。球形粉末颗粒容易被压实, 粘结剂可以填充颗粒间的所有空隙, 喂料粘度降低, 粉末体积比例较高但脱脂后制品强度较低; 当粉末呈不规则形状且粒度分布较宽时, 颗粒间不是球形粉末那样的点接触, 在脱脂过程中虽能更好地保持注射试样的形状, 但其压实密度较低[7, 13, 18]。

1. 2 粘结剂与粘度的影响

目前, 对于粘结剂的研究主要集中在粘结剂配方及其在PIM 工艺中所起到的作用方面[17]。粘结剂的作用在于增加粉末的流动性和成型性, 其比例一般为30%~50%( ) , 很大程度上影响后续几个工序的成败。

粘结剂的设计和选择总是与脱除方法相联系, 该部分在喂料中所占的比例直接影响制品的尺寸精度及最终性能。熔点和升华温度较低的粘

[7, 19]

[9]

[15, 17]

[7]

1 注射成型制品性能的影响因素

虽然在成型复杂形状的零部件方面PIM 与传统加工工艺相比具有技术上的优势, 但由于生坯中固相含量低, 一般其体积分数为50%~70%, 在烧结获得高密度制品后, 线收缩达到11%~20%, 故PIM 成型技术在获得精密公差制

收稿日期:2007-09-19

, ,

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结剂不但混料容易, 在脱脂过程中由于表面张力引起的体积变化较小, 还避免了脱脂常出现的变形和开裂等缺陷问题。脱脂温度、粘结剂类别及其在喂料中占的比例要选择合理, 以避免注射试样出现变形、起泡或开裂等缺陷[14, 20~22]。

粘结剂的选择主要考虑以下几点[23, 24]:(1) 粘结剂与粉末混合的均匀性; (2) 增加粉末的流动性; (3) 脱模性与生坯强度; (4) 脱脂特性。PIM 一般选用多组分粘结剂。一方面由于粘结剂各组分性质(可溶性、热解性等) 不同, 先脱除的粘结剂为后续脱脂留下了通道并增加了表面积, 热解速率提高, 缩短了整个脱脂时间, 并且脱脂过程中制品受气体产物扩散的影响也较小。另一方面, 混合组分的粘结剂较单组分粘结剂具有低的热解温度, 从而减少由热应力引起的微裂纹[20, 25, 26]。

在粉末注射成型中, 喂料的粘度、密度、热学性质和热解性决定其成型性能, 其中喂料粘度是影响注射成型的最大因素。热塑性粘结剂及其在喂料中所占的比例是影响喂料粘度的主要因素, 当粘度较大时, 注射成型较为困难。根据以下公式, 可以计算出PIM 喂料的最大粉末体积配比[17]:

f r ==1-b m

-2[9]

采用DSC 法来测定粘结剂的熔化和结晶温度, 从而确定混料和注射成型温度。若模具温度与粘结剂重结晶温度相近, 注射试样容易粘附在模壁上

并且使制品的力学性能在注射过程中受到影响[26]。此外, 模具的设计和加工不当、喂料粘度差异大以及粉末与粘结剂相互分离都将引起注射料在型腔中不均匀流动, 注射试样密度差异大, 导致其在脱脂和烧结过程中出现裂纹和各向异性收缩[9, 14]。

1. 4 脱脂参数的影响

脱脂过程是PIM 最困难和耗时较长的一道工序, 被认为是影响制品质量和制造成本的关键步骤

[28, 29]

。脱脂技术有热脱脂、溶剂脱脂、超临

[30]

界流体脱脂和催化分解等。影响脱脂过程的

因素主要有气氛、压力和温度[31]。在一定的气氛压力下脱脂, 可缩小有机物挥发及分解产生的有效体积, 从而减少由于体积膨胀引起的坯体开裂。

目前PIM 常采用溶剂脱脂和热脱脂结合的方法。其优点在于:(1) 降低烧结试样中的碳含量

[1, 3, 24]

。由于粘结剂多为碳氢化合物, 在脱脂和

(1)

烧结时引入了大量的碳, 影响制品的力学性能和尺寸稳定性, 而当采用溶剂脱脂和热脱脂结合的方法时碳含量要低于热脱脂方法的。(2) 减少脱脂过程中出现的缺陷。例如对于石蜡基粘结剂, 由于石蜡熔化温度范围狭窄, 常采用溶剂脱脂和热脱脂结合的方法, 通过溶剂脱脂将大部分石蜡脱去, 为热脱脂留下敞开的气孔, 残留的粘结剂通过气孔脱去, 避免试样出现裂纹。(3) 缩短脱脂时间[32]。合理设计溶剂脱脂的温度和热脱脂升温速率以及保证脱脂 烧结设备具有良好的温度稳定性和均匀性, 可以避免注射试样在该工序中出现缺陷。大量的研究表明[33], 热脱脂成功与否的关键在于控制脱脂温度在低温阶段(150~350 ) 低速升温(1 /min) , 避免试样产生变形或其它缺陷。1. 5 烧结温度、时间和气氛等因素的影响

PIM 烧结试样的力学性能与孔隙率、杂质含量、氧含量及其他冶金方面的因素有关。烧结试样的孔隙率由于烧结条件不同而差异很大, Ger -ling R 等采用热等静压方法来减小孔隙率[12, 34]。烧结过程中, 颗粒粘结面上发生的量与质的变化[3]

式中, 为喂料中粉末的体积分数; m 为最大粉末体积分数; b 为粘结剂粘度; f 为喂料粘度; r 为相对粘度。根据以上公式, 虽然能获得最大的粉末配比, 且随着粉末体积分数提高, 在脱脂和

烧结过程中注射试样体积收缩较小, 但由于喂料粘度很高, 实际加工起来十分困难。所以, 在此基础上适当增加粘结剂的比例来提高喂料的流动性能, 可获得PIM 最佳粉末体积分数

[7, 11, 17]

。当喂

料粘度控制在比较窄的变化范围内时, 更容易制得合格生坯[9]。1. 3 成型参数的影响

注射试样的许多缺陷均出现在成型阶段, 并在脱脂和烧结阶段进一步扩大

[27]

。注射压力及

保压时间影响喂料在成型过程中的充型性能及注射试样的密度大小。在注射成型阶段, 若注射试样在模具中冷却速率较快, 注射试样粘度将迅速提高, 从而导致变形或开裂等缺陷出现。因此, 在注射成型当中应该减小由温度波动而引起的应力[7]

,

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质的迁移为前提。绝大多数材料的烧结致密化机理是由晶界扩散或体积扩散引起的, 当粉末粒度细小时还存在界面扩散, 但是扩散却因原子移动的距离较长, 过程的激活能较大, 故只有在足够高的温度或外力作用下才能发生[3, 5]。

以晶粒生长对材料致密化起作用为前提, 根据下面的公式可以了解材料致密化的影响因素[3]:

0p

=n ex p -3 d t k T (G ) R T

(2)

艺参数多, 制品的质量受到各个工艺参数的影响较大, 特别是采用该成型技术制备不同组分的材料时, 确定各个工艺参数是粉末注射成型技术的

一大难点。随着当今科技的发展, 各种先进的分析测试技术及模拟软件被用于粉末注射成型工艺研究, 为该技术的进步提供了极大的帮助, 相信将来粉末注射成型技术在材料行业中的应用将更加广泛。参考文献:

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界扩散; 为表面能, 为原子体积, k 为波尔兹曼常数, 为材料性能, D 0为扩散率指数, G 为粒度大小, Q p 为扩散活化能, t 为时间, T 为绝对温度。虽然对材料的烧结致密化起主导作用的是体积扩散或者晶界扩散, 但是大部分材料的致密化是由于不同的致密化机理相结合起作用的, 并且随着烧结过程中材料微观结构发生变化而交替起作用。

随着烧结温度的提高, 体积扩散和界面扩散的作用更加明显。在高温下, 由于部分液相的产生, 在粉末颗粒间形成烧结颈, 物质通过表面张力作用引起的流动或原子扩散迁移进入该区域, 使烧结试样致密化。但如果烧结设备和烧结试样内部温度分布不均匀、粉末成分不一致或者烧结过程中液相过多, 容易造成试样各向异性收缩, 甚至坍塌[3, 14, 35]。Gaur av Agg ar wal 等通过延长烧结时间、提高烧结温度并在低压条件下得到接近理论密度的PIM 制品。但是, 延长烧结时间和提高烧结温度也容易造成烧结试样变形、坍塌以及由于晶粒长大而晶界数量减少, 致使位错滑移阻力减小, 材料性能降低。

烧结气氛一般采用保护气氛、氢气还原气氛和真空烧结等。合理选择烧结气氛不仅可以避免烧结试样被引入杂质, 保证其物理力学性能, 还可以提高粘结剂的热解挥发, 减小制品碳含量。通常根据烧结试样不同来选择烧结气氛。

[3, 26]

2 结语

粉末注射成型技术作为一种粉末冶金零件净成型和近致密化的高新技术, 在成型复杂形貌的小型零部件方面, 相比传统的加工技术而言, 经济

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Product Performance Affected by Powder Injection

Molding Process Parameters

L I Wei , S H I Qing -nan, P EI H e -z hong , ZH A N G Guo -liang , W AN G X iao -qi

(Yun nan Provincial Key Lab oratory of Fabrication an d Processin g of Advanced M aterials , Kunming University of S cien ce and Techn olo -gy, Kun ming 650093, C hina)

Abstract:Po wder inject ion mo lding (PIM ) is a kind of net -shape fo rming t echnolog y for manufactur ing of small size and co mplex -shaped pro duction. Co mpar ed w ith the tr adit ional pr ocessing techno lo gy , a lthough PIM has g reat technique and co st adv antag es, many pro blems ex ist in it. Co nsidering the characteristics of PIM , this paper describes the pro cedure o f feedstock, injection molding , debinding and sinter ing in which parameters influence t he quality o f the pr oducts and the a p -plication of PIM in manufactur ing complex -shaped co mpo nents fro m met al and ceramic mat erials. Keywords:Pow der injectio n mo lding; Pr ocess parameter s; P roduct per formance

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Research on Low -temperature Sintering of Boracic Silicate Glass

X IA S hu -gang , ZH A N G Shu -ren, ZH O U X iao -hua , TA N G Bin

(State Key Lab oratory of Electronic T hin Film and Integrated Devices, U nivers ity of Electronic Science and T ech nology of C hina, C hengdu 610054, Ch ina)

Abstract:A s mullit e ceramic becomes a candidate mater ial fo r high -capability IC, its fo reg ro und beco mes w ide in the a rea o f electric package substrate, while o ver -hig h sinter ing temper atur e limits its development. Bor acic silicate g lass w hich can be sinter ed at low t em perat ur e w as pr epar ed by so-l g el process. M ullite ceramic can be sintered at low temper at ur e w hen the bo racic silicate glass is int roduced into it. P ro po rtio n o f CaO, B 2O 3, SiO 2w as studied and ZnO, P 2O 5was int roduced, and then bor acic silicate g lass sintered at 800 with ex cellent dielectr ic propert ies o f linear ity shrink rat e=22. 4%~24. 0%, sur face =2. 21 0. 1g /cm 3, =4. 1 0. 2, tg 1. 0 1012 cm was obtained. Keywords:M ullite cer amic; So-l g ol pr ocess; L T CC; Bo racic silicate glass