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1 前言
金属粉末注射成形(ＭｅｔａｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎＭｏｌｄｉｎｇ,简称ＭＩＭ)是粉末冶金与塑料注射成形相结合产生的一门新技术,它的特色是在粉末中加入了大量粘结剂(φｂ=30%50%),因而增强了粉末的流动性,可以近净形成形各种形状复杂的零部件。粘结剂是ＭＩＭ技术的核心。石蜡基粘结剂是广泛应用的粉末注射成形用粘结剂[15],已开发出多种石蜡/聚烯烃粘结剂。石蜡基粘结剂流变性好,注射工艺范围宽,但石蜡在注射成形冷却过程中,相变收缩大(11%20%),注射后产生较大的热应力,易出现缩孔,不宜注射厚的试样[6],且常用热脱脂的方法脱脂。油/聚烯烃粘结[79]利用了油在常温下呈液态的特性,在注射冷却过程中收缩甚微,且可以用溶剂溶解而没有相变。但液态油本身没有强度,油基粘结剂生坯强度低(2ＭＰａ以下)。因此尝试将石蜡基粘结剂和油基粘结剂的特点结合起来,开发出新型的石蜡—油—聚烯烃粘结剂。
本文研究了在石蜡—聚烯烃粘结剂中加入油的作用,首次用偏光显微镜观察到了油加入对粘结剂中各组份分布的影响。
2 实验方法
实验中采用的金属粉末是羰基铁粉和羰基镍粉,组成和性质如表1。
表1 金属铁粉和镍粉的性质
粘结剂原料有石蜡、油、两种分子量的聚乙烯等。
实验过程:粘结剂混合→粘结剂与粉末混练→注射成形→脱脂。粘结剂混合在自制的装置中进行。注射料热容测定采用ＤＳＣ法,粘结剂组份相容性用Ｘ射线衍射法测定,粘结剂的分布用偏光显微镜观察,生坯强度依据ＧＢ/Ｔ5160-1985《金属粉末———用矩形压坯的横向断裂测定压坯强度的方法》测定。把注射料密度与粉末装载量之间的关系曲线上转折点处的粉末装载量定为最大粉末装载量。
3 实验结果与讨论
3.1 加入油对混练扭矩和最大粉末装载量的影响
图1揭示了加入油对混练过程的影响。随着油加入量的增加,混练扭矩减小。因为油可在粘结剂和粉末间流动,在注射料和混练转子间充当润滑剂的作用,从而减小注射料对混练设备的磨损。较小的扭矩还可减少注射料对注射成形机螺杆的磨损。
图1 油对扭矩和粉末装载量的影响
图2 油对粘结剂热容的影响 (ａ)高分子量聚乙烯 (ｂ)低分子量聚乙烯
油的加入使最大粉末装载量比未加入油的石蜡—聚乙烯混练的最大粉末装载量减小了约1%(体积分数,下同),这可能是石蜡和油流变性略有不同所致。实验中采用了两种分子量的聚乙烯,当ＰＥ分子量降低时,粉末装载量可从57%提高到60%。
3.2 加入油对注射坯冷却过程的影响
加入油对粘结剂平均热容的影响见图2。从图中可见,随粘结剂中油含量增加,粘结剂热容有所降低,这可能是因为石蜡热容大于油的热容,而石蜡的热容在相变前后变化大,加入油使注射料在冷却过程中吸热减小。更重要的是,油在注射料冷却过程中没有相变,从而使金属粉末能迅速将热量传给油,从而迅速将热应力释放,减小注射过程中缩孔、开裂的可能。
3.3 加入油对生坯强度的影响
粘结剂中油含量对生坯强度的影响见图3。随着油的加入,生坯强度降低较多,因为油本身无强度,油加入量增加,一方面使石蜡含量降低,另一方面,油部分溶于ＰＥ链中或分散在石蜡和聚乙烯间,降低了分子间作用力,故生坯强度下降。当油含量为30%(质量分数,下同),生坯强度为5.5ＭＰａ,而油含量40%时,生坯强度只有4.2ＭＰａ,Ｇｅｒｍａｎ给出注射强度一般要大于5ＭＰａ,故油含量不超过30%为宜。
3.4 粘结剂组份相容性
图4分别是石蜡、石蜡-油、ＰＥ及石蜡-油-ＰＥ的Ｘ线衍射图,图中石蜡-油-ＰＥ显示粘结剂的衍射峰位与石蜡、石蜡-油、ＰＥ完全相同,没有新的衍射峰出现,说明三个组份间无化学反应存在,粘结剂是各组份的物理机械混合,文献[10]用ＤＳＣ对石蜡—聚丙烯研究,峰位一致,也证明该粘结剂组分无相互作用,是不相容的。
图3 加入油对生坯强度的影响
图4 石蜡-油-聚乙烯粘结剂与组分的Ｘ射线衍射图
3.5 油在粘结剂中的分布
在粘结剂中,以油代替石蜡,混练成粘结剂。图5(ａ),(ｂ)分别是未加油,和加入30%的油时粘结剂的偏光显微照片。从中可以看出,未加油时石蜡和聚乙烯分布不够均匀,石蜡为连续相而聚乙烯为分散相,当油加入30%时,聚乙烯仍然为分散相,但分布均匀性改善。
图5 粘结剂中组分的分布(200×)油含量(ａ)0% (ｂ)30%
3.6 加入油对溶剂脱脂速率的影响
以粘结剂石蜡/油/ＰＥ=(70-Ｘ)/Ｘ/30(质量比),与Ｆｅ-2Ｎｉ以粉末装载量58%(体积分数)混练的注射料,注射成横向断裂试样(厚度约6.37ｍｍ),研究它们在ＣＨ2Ｃｌ2溶剂中的脱脂速率,Ｘ分别取10,20,30,40,其结果见图6。未加入油时的曲线ａ,脱脂速率最低,从ｂ→ｃ→ｄ→ｅ,随油含量的增加,脱脂速率增加较快,因为油比石蜡更易溶于ＣＨ2Ｃｌ2,曲线ｆ与ｄ相比,脱脂速率随温度升高提高很大,这可归因于石蜡的溶解度随温度升高增加很大。从图ｆ线中看到,对于6.37ｍｍ厚的试样,脱脂3ｈ即可溶去45%的粘结剂,而溶剂脱去40%以上的粘结剂,就可以认为完成了溶剂脱脂过程,坯内的连通孔道已经打开,可以在后续热脱脂过程中快速升温脱除剩余的粘结剂。因此,使用该粘结剂,溶剂脱脂速率可达2ｍｍ/ｈ以上。
图6 油的含量和温度对脱脂速率的影响ａ-20℃,φ=0;ｂ-20℃,φ=10%;ｃ-20℃,φ=20%;ｄ-20℃,φ=30%;ｅ-20℃,φ=40%;ｆ-35℃,φ=30%;
4 结论
1)Ｘ线衍射表明,石蜡—油—聚乙烯粘结剂是热力学不相容的体系。无油时,聚乙烯在粘结剂中分布不均匀;当油占30%时,分布均匀性得以改善。
2)加入油降低了混练扭矩、最大粉末装载量、和生坯强度,但同时也使溶剂脱脂速率增加,冷却过程吸热增加。该粘结剂对Ｆｅ-2Ｎｉ粉末装载量可达60%(体积分数),生坯强度5.5ＭＰａ,溶剂脱脂速率大于2ｍｍ/ｈ。
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