關于硬質(zhì)合金的粉末注射成形技術

　　1、硬質(zhì)合金粉末注射成形技術的優(yōu)勢

　　注射成形技術生產(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)原料基本上是屬于該粒度范圍，滿足MIM技術對原料粉末的要求，因此硬質(zhì)合金的原料粉末就可以直接應用于注射成形工藝，不增加原料成本，這是硬質(zhì)合金注射成形技術的一大優(yōu)勢。

　　硬質(zhì)合金具有高硬度、高強度、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫和膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)點，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)合金的應用范圍。冷、熱等靜壓能生產(chǎn)形狀復雜的制品，但成本很高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。硬質(zhì)合金注射成形技術的產(chǎn)生拓寬了硬質(zhì)合金的應用領域，該技術能以較低的成本生產(chǎn)出接近最終形狀的、幾何形狀復雜而普通模壓和其他方法難以生產(chǎn)的制品。幾何形狀復雜而普通模壓和其他方法難以生產(chǎn)的制品。幾何形狀復雜而普通模壓和其他方法難以生產(chǎn)的制品。幾何形狀復雜而普通模壓和其他方法難以生產(chǎn)的制品。幾何形狀復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技術的研究進展

　　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)劑會導致脫脂時間長，易于產(chǎn)生缺陷等問題，使得該專利影響范圍不大.但進入80年代后，隨著MIM技術在粘結(jié)劑配方，脫脂技術等方面的突破性進展，這就對硬質(zhì)合金注射成形技術的日趨成熟提供了強大的技術支持，再加上硬質(zhì)合金注射成形技術本身得天獨厚的優(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構。

　　美國Leco碳化物公司Leco總公司下的一個分公司，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)。這個公司主要從事進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，第一組元用化學溶劑萃取脫除，剩余的熱塑性粘結(jié)劑在燒結(jié)時脫除。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，中南大學粉冶所等都投入了對CCIM技術的研究和生產(chǎn)，產(chǎn)值在穩(wěn)定上升。

　　英國Loughborough工業(yè)大學聚合物技術和材料工程研究所在英國科學與工程研究會、英國硬質(zhì)合金協(xié)會和英國有色金屬技術中心的資助下，自1985年開始研究硬質(zhì)合金的注射成形技術。重點研究粉末特性、粘結(jié)劑技術、混合、流變性、流動和變形、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領域。以下是他們得出的研究結(jié)果[39]，也代表過去在CCIM技術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)動力學，他可是脫脂作業(yè)于控制下進行，而極性較小的石蠟在剪切應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的表觀活化能，對多種配方的可成形性作了有效的評價。影響溫度的工藝參數(shù)對可成形性具有顯著影響。模具的設計對成形性的完整性起關鍵作用，充模時避免形成噴射行為，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)構有關鍵性的影響。惰性氣氛產(chǎn)生嚴重的碳缺陷，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;

　　(6) 燒結(jié)后的收縮與模具幾何形狀和注射壓力有關，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模腔內(nèi)壓力場和溫度場的梯度應起。燒結(jié)制品密度大于理論密度的99%。

　　美國賓州州立大學的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，在納米和超細硬質(zhì)合金粉末的注射成形技術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German教授和德國Degussa公司報道的硬質(zhì)合金注射成形制品的有關性能。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，雖然出自世界先進水平生產(chǎn)廠家和科研機構，制品的力學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。

　　4、硬質(zhì)合金MIM產(chǎn)品的應用及發(fā)展趨勢

　　硬質(zhì)合金具有高硬度、高強度和高耐磨性，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、機加工困難，限制了硬質(zhì)合金更廣泛的應用。注射成形是一種近凈成形技術，具有生產(chǎn)率高、制品形狀復雜、成本低等優(yōu)點，因此，硬質(zhì)合金注射成形技術的出現(xiàn)和發(fā)展必將擴大硬質(zhì)合金的應用范圍。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、紡織機械用導線器等。近年來人們直接利用MIM制品的美學價值，生產(chǎn)了高爾夫球頭、表帶、表殼等制品。未來將會在銘牌LOGO、飾品、工藝品方面有所突破。

　　MIM技術的發(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)合金注射成形技術的主要力量。可以預見，不久的將來，隨著廣大設計人員和使用者對硬質(zhì)合金注射成形技術的深入了解，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。