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1 前言
增塑粉末挤压成形是粉末冶金新技术中一种近净形成形方法。它主要包括成形剂设计与制备、挤压过程工艺调控、脱脂及烧结等主要工序[1,2]。成形剂直接决定着挤压制品的质量,成形剂的设计、制备及其脱除工艺技术是该技术成败的关键[3～6]。
本文首先优化设计并制备出了多组元新成形剂体系。在此基础上,分析探讨了成形剂配方对挤压工艺及制品质量的综合影响。研究了成形剂的热脱脂机理,考察了成形剂的挤压,脱脂特性。
2 试验
试验制备成形剂时采用了加热熔融与溶剂溶解相结合的方法,将多组元成形剂各组元按一定的优化配方依序加入混合器,其具体方法见参考文献[6,7]。试验中所用粉末为ＹＧ8硬质合金混合粉。将成形剂与ＹＧ8粉末在Ｂｒａｂｅｎｄｅｒ塑化仪上进行混练,用扭矩-混合时间曲线来判断混合的均匀性。当系统扭矩不随时间而变,经历了大约10ｍｉｎ的恒扭矩值后,即认为成形剂与ＹＧ8硬质合金粉末已混合均匀。表1列出了三种优化后的成形剂配方。与之相对应,分别配制了三组挤压料ＢＰ1、ＢＰ2、ＢＰ3,其ＹＧ8粉含量均为95.3%(质量分数),成形剂含量为4.7%。
挤压料制成后,用Ｄｏｒｓｔ双螺杆真空挤压机进进行了挤压实验。将挤压料温度控制在40～80℃之间,牛顿剪切速率控制在3～800/秒之内,反复优化组合工艺条件,成功制备出了直径达Φ5～25ｃｍ的挤压圆棒。经脱脂、烧结最终制备出了性能优良的硬质合金挤压棒。
3 结果与分析
3.1 成形剂及挤压料制备方式的优化选择
优化成形剂及挤压料制备方式与工艺条件十分重要。根据选择的成形剂组元及配方,在充分考虑各组元的基本性质、相互间作用机理及其它物化性质的基础上,采用了溶剂溶解与加热熔融相结合的粘结剂制备方式。已成功开发出一种条件温和、成本较低、耗能少的成形剂制备技术。用它制备的成形剂组元分散均一、保存时间长。成形剂与粉体制成挤压料的方式及各组分加入的顺序对挤压料性能起着决定性的作用;对同样的配方,挤压料制备方式的不同会极大影响挤压毛坯断口的形貌,方式不当会直接导致孔洞、裂纹的形成(如图1所示)。
3.2 配方对挤压料流变特性的影响
成形剂配方决定挤压料在挤压流道内的流型(图2)。图2(ｂ)中在入口区形成了较大的环流和涡流,形成了死空间。当死空间与收敛流线之间的流体界面发生畸变,稳定的层流就被破坏,挤出毛坯就发生旋转,挤出毛坯严重畸变(图3)。当挤压料呈图2(ａ)的流型,则不会出现中心流线断开的流体破裂现象,挤出毛坯外观光滑,内部无裂纹等缺陷。
3.3 配方对挤压毛坯保形的影响
成形剂配方直接决定挤压毛坯能否保持挤出时的形状。如成形剂中液态组份太多,挤出毛坯则很难保形;高分子组分太多或高分子组分的分子量太大,均不利于成形过程,对挤出毛坯形状会产生预料不到的不良影响。图4是一组挤压毛坏断口形状照片,二者之间的主要差别起因于成形剂中高分子组元含量的不同。含量太多,断口呈韧断。当毛坯弹性太大时就容易弯曲,不利于挤压毛坯后续工艺过程中的搬运,将导致保形困难。
3.4 挤压料宏观与微观均一性的考查
挤压料均一性直接决定于成形剂配方与制备工艺。成形剂分布不均会导致在脱脂过程中发生收缩不均与制品开裂现象。同一批挤压料以及不同批次挤压料之间宏观上的不均匀会导致挤压过程与脱脂工艺难以控制,影响产品质量的稳定性。采用加热脱除成形剂的办法检验了挤压料宏观均匀性(表2)同时用ＳＥＭ断口形貌相来判断挤压料的微观均匀性(图5)。
3.5热脱脂机理与工艺研究
成形剂应具备有利成形与保形,易于脱除,工艺上操作简单方便,对大气、人员、设备等不产生不良影响的优良的综合性能。脱脂特性是考查成形剂性能的一项关键指标。成形剂应能完全脱除干净,不残存任何灰分或有害杂质。为了制定合理的脱脂工艺,探求成形剂脱除的机理十分必要。热脱脂机理研究表明,成形剂热脱除特性曲线一般可分为各具特征的两段(图6)。低温区以低分子量组元的挥发脱除为主,高温区以高聚物组元的裂解及其裂解产物的失重为主,其脱脂速率控制机制均是三维热扩散[6,7]。针对大直径硬质合金挤压棒,脱脂工艺研究发现,低温区升温速度不能太快,否则会产生裂纹等缺陷,此温区内对气氛不太敏感;而在高温区升温速度可较快,但对气氛有较高的要求。工艺研究(表3)表明,采用上述粘结剂设计与制备方法、挤压料中的粘结剂能完全脱除,脱脂毛坯无开裂、孔洞等缺陷。
4 结论
通过优化成形剂配方设计,选择合适的成形剂与挤压料的制备工艺条件,制得了性能优良、分布均匀的成形剂及挤压料。研究了成形剂的热脱脂机理,考察了成形剂的挤压、脱脂等特性,制备了高质量的大直径硬质合金挤压棒。通过较长时间的工艺考查,证明已研制出了一种适用于增塑粉末挤压成形技术的新成形剂体系。
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