高性能鎢球注射成型工藝的研究

一、前言

金屬粉末注射成型（MIM）技術(shù)是注射成型工藝和傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，被譽(yù)為當(dāng)今世界最熱門的粉末冶金，接近最終成型技術(shù)。MIM工藝主要包括混煉、注射、脫脂、燒結(jié)等工序，MIM工藝的材料利用率高，制取的零件具有形狀復(fù)雜、密度均勻、尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，因而備受各界的關(guān)注。

鎢基合金是由球型或近球型的鎢顆粒和網(wǎng)狀的粘結(jié)相組成的兩相合金，具有許多優(yōu)異的性能，例如密度、強(qiáng)度及韌性較高，具有好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、抗腐性和切削加工性，因此在材料領(lǐng)域，高比重鎢合金是最經(jīng)濟(jì)最有效的，特別是在當(dāng)今國(guó)際形勢(shì)日益復(fù)雜，軍需品量呈直線上升的情況下，開(kāi)發(fā)高性能的軍品，不但具有重大的經(jīng)濟(jì)效益，而且具有重要的國(guó)防意義。

目前國(guó)內(nèi)作為鎢球的批量生產(chǎn)工藝不成熟，產(chǎn)品性能低下，壓潰強(qiáng)度偏低（小于40KN），因此研制開(kāi)發(fā)鎢球市場(chǎng)前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益誘人。

二、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1．原料

本實(shí)驗(yàn)使用的粘結(jié)劑由石蠟、聚乙烯、EVA、613、DBP等組元組成，各組元按一定順序加入到混料器中熔化，充分混合均勻后，制成粘結(jié)劑1#、2#、3#備用。經(jīng)過(guò)優(yōu)選，2#配方為最佳配方。

注射成型用的注射料由粘結(jié)劑配方2#與金屬粉末制得，所用金屬粉末為鎢粉、羰基鐵粉、羰基鎳粉、鈷粉，其中鎢粉、鐵粉、鎳粉的粉末特性如表所示：

2．混料

對(duì)于注射成型工藝，混料是關(guān)鍵工序，其混料均勻程度直接關(guān)系到整個(gè)工藝過(guò)程和最終燒結(jié)產(chǎn)品的性能。

①將無(wú)機(jī)粉中，鎢粉、羰基鐵粉、羰基鎳粉、鈷粉。按配方比例在V型混合機(jī)中混合8h。

②將上述混合粉與粘結(jié)劑配方2＃按比例在高混機(jī)組內(nèi)在140－160℃下混合45min。

③將高混后的物料經(jīng)雙螺桿機(jī)組擠出2遍。

3．注射成型

經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)選，該產(chǎn)品選用注射溫度150℃，注射壓力90，注射速度90，注射時(shí)間5秒，冷卻時(shí)間5秒，成型效果優(yōu)良，同時(shí)用水溫調(diào)節(jié)模具溫度保持在30－40℃，毛坯成型最完整，否則澆道桿斷裂，造成毛坯缺料。

4．脫脂

此工序是將毛坯內(nèi)混入的有機(jī)物分階段地逐漸脫除，該過(guò)程必須嚴(yán)格控制脫脂速度，其快慢直接關(guān)系到有機(jī)物脫除的效果，進(jìn)而影響到產(chǎn)品的性能。本產(chǎn)品采取兩步脫脂法：即首先在70℃下用溶劑將毛坯中一部分低熔點(diǎn)的有機(jī)物排除，使毛坯內(nèi)形成互相連通的網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)為殘存粘結(jié)劑地?zé)崤懦峁┩ǖ馈Ｈ軇┟撝螅M(jìn)行熱脫脂，在脫脂爐內(nèi)以3.5cm/分的推舟速度脫脂，脫脂溫度為：一段180℃、二段280℃、三段380℃、四段580℃、五段800℃。

采用此工藝脫脂后，毛坯內(nèi)有機(jī)物脫除徹底，毛坯預(yù)燒結(jié)后，具有一定強(qiáng)度，質(zhì)量穩(wěn)定，含碳量小于0.05%，這就為下一步的燒結(jié)創(chuàng)造了良好的條件。

5．燒結(jié)

燒結(jié)是在鉬絲爐中進(jìn)行，通氨分解保護(hù)氣保護(hù)，燒結(jié)的溫度為一段200℃、二段400℃、三段700℃、四段1260℃，推舟速度0.4cm/分。

為了分析燒結(jié)溫度對(duì)燒結(jié)毛坯形狀和力學(xué)性能的影響，試樣在粘結(jié)相熔點(diǎn)附近，選取幾個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行燒結(jié)，分別為1240℃、1260℃、1280℃，溫度間隔為20℃，最后根據(jù)燒結(jié)試樣的力學(xué)性能和保持樣品形狀完整的程度，確定產(chǎn)品的最終燒結(jié)條件。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論

在燒結(jié)后發(fā)現(xiàn)，鎢球在1240℃、1260℃、1280℃燒結(jié)形狀基本不變，表面具有金屬光澤，在1280℃時(shí)粘結(jié)相大量溢出，產(chǎn)品表面出現(xiàn)小泡，成分分布不均，在1240℃以下燒結(jié)屬固相燒結(jié)，試樣形狀保持較好，但強(qiáng)度低。

從表2看出：燒結(jié)溫度低，合金中的液相燒結(jié)不充分或者仍屬于固相燒結(jié)，燒結(jié)溫度過(guò)高，燒結(jié)充分，會(huì)使合金內(nèi)原來(lái)分布均勻的細(xì)小微孔聚集而形成較大孔洞，粘結(jié)相金屬外溢至表面，同時(shí)粘結(jié)相部分金屬損失，導(dǎo)致密度偏高（超出理論密度），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1260℃時(shí)燒結(jié)效果最好（壓潰強(qiáng)度60KN，變形性38％，密度18.10，表觀優(yōu)良）。

四、結(jié)論

1．采用注射成型技術(shù)生產(chǎn)的鎢球，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品尺寸公差和性能完全符合圖紙要求，可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

2．脫脂工序是該工藝中最關(guān)鍵的一環(huán)，必須嚴(yán)格控制氣流量在1.0~2.0m3/h，保證毛坯內(nèi)有機(jī)物完全分解排除，生產(chǎn)出高品質(zhì)高性能的鎢球。

3．采用該工藝生產(chǎn)的鎢球，每噸利潤(rùn)在4萬(wàn)元以上，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)以后經(jīng)濟(jì)效益顯著，可見(jiàn)該產(chǎn)品不僅具有開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的可行性，而且經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。