注射成形在TiC基金屬陶瓷手表外觀件上的應用

靳磊　崔曉龍　張峰　鮑賢勇

摘 要：TiC基金屬陶瓷是較為理想的手表外觀件材料，但制備難度大。本文總結了通過注射成形技術制備TiC基金屬陶瓷手表外觀件中的關鍵因素，包括粘結劑、喂料性能評價、模具設計、脫脂工藝的選擇。

關鍵詞：TiC基金屬陶瓷；注射成形；手表外觀件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.181

0 引言

傳統的手表外觀件以不銹鋼、銅、鈦合金等材料為主，這些材料通常硬度低，耐磨性差，在佩戴過程中極易出現劃痕，從而影響手表的外觀效果。1962年，瑞士RADO公司首次將硬質合金材料引入手表外觀件中，提出“永不磨損”的概念。自此，硬材料以其具有的獨特優勢，在手表外觀件材料中逐漸發展壯大。經過幾十年的發展，手表外觀件硬材料體系不斷豐富，目前已包括WC基硬質合金[1]、TiC基金屬陶瓷[2]、TiN基陶瓷[3]、氧化鋯陶瓷等[4]。

TiC基金屬陶瓷密度低，耐磨性好，并且具有能與鈦合金相媲美的耐腐蝕性，銀白色金屬光澤和極佳的人體親和性，在手表外觀件硬材料中極具優勢。雖然TiC基金屬陶瓷已作為切削刀具在工業上應用多年，但作為手表外觀件材料，有著其他諸如形狀復雜、外觀和耐腐蝕要求高、鎳釋放嚴等特殊要求。這使得制備合格的TiC基金屬陶瓷手表外觀件極為困難。筆者所在的飛亞達公司自2003年開始開展TiC基金屬陶瓷手表外觀件注射成形研究，在此之前，國內尚未見采用注射成形技術成功制備TiC基金屬陶瓷外觀件，迄今為止，仍鮮見能制備高質量的TiC基金屬陶瓷手表外觀件的報導。本文介紹了制備過程中的經驗，以期對相關材料的研究開發提供借鑒意義。

1 粘結劑的開發

在TiC基金屬陶瓷手表外觀件的制備工藝中，成形是最關鍵的步驟之一。傳統的成型工藝以模壓成形為主[5]。但是，模壓成形存在較多的不足：如形狀尺寸較難精確控制，使得燒結零件研磨余量大，不利于后期加工。此外燒結體存在較多的孔隙，造成材料的綜合力學性能較低，并使得成品的外觀存在砂眼等缺陷。另外，采用模壓成形難以制備形狀復雜的零件，因此在面對手表殼這類復雜的零件時顯得無能為力。陶瓷注射成形是從塑料工藝中引入的技術，能較好的解決模壓成形存在的缺陷[6，7]，在TiC基金屬陶瓷手表外觀件的制備中具有較大的發展潛力。采用注射成形制備TiC基金屬陶瓷手表外觀件的工藝流程如圖1所示。

粘結劑的選擇是控制注射成形質量的關鍵。TiC基金屬陶瓷注射成形常用的粘結劑主要分為熱塑性體系、熱固性體系、凝膠體系、水溶性體系，其中熱塑性粘結劑體系是目前應用最廣的粘結劑[8]。然而，熱塑性粘結劑體系也存在著一些缺點，如易產生相分離、注射料性能不穩定、所需脫脂時間長、工藝復雜等問題[8，9]。熱塑性體系的主要脫脂方法有直接熱脫脂和有機溶劑萃取脫脂。直接熱脫脂工藝設備簡單、工藝成本低，但對于大尺寸的樣品，熱脫脂時間較長；有機溶劑萃取脫脂工藝復雜，存在易變形，脫脂后坯件強度低等問題[10]。

基于上述原因，筆者所在的公司開發了一種新的粘結劑（China Patent，200510033196.6），其主要成分包括20%～30%的56#蠟、15%～25%的微晶蠟、15%～25%的棕櫚蠟、8%～12%的高密度聚乙烯、6%～10%的聚丙烯、5%～9%的聚醋酸乙烯脂、5%～9%的鄰苯丙甲酸二丁脂，以及作為增塑劑的5%～15%的硬脂酸。該粘結劑與普通粘結劑相比，具有高強度、可溶劑脫脂、脫脂后不溶脹開裂、注射毛坯壁厚可大于5mm等優點。在TiC基金屬陶瓷手表外觀件的注射成形研究中使用該粘結劑，成功制備了具有較高強度和尺寸精度的坯件。

2 喂料的性能評價

流動性是影響注射成形坯件性能的最為關鍵的因素之一，因此對喂料的流動性進行評價十分重要。較多研究者采用流變儀來對喂料的性能進行評價，但流變儀的測試過程與喂料在注射成形中的實際環境存在較大的差異，這使得測試結果的參考意義有限。在TiC基金屬陶瓷手表外觀件的注射成形研究中，依據ASTM D3123-98（2004） ，進行了螺旋流道模具設計，并采用該模具在注射成形機上對喂料進行了螺旋流道試驗[11]，其結果如圖2所示。多次研究證明，采用該方法可以較好的評判喂料的流動性能，對后期模具設計、注射成形工藝參數的選擇具有重要意義。

3 模具設計

模具結構和工藝參數是影響注射成形件的另一關鍵因素。考慮到模具設計、制造的費用較高，試驗的復雜性等因素，研究者往往先通過軟件模擬不同模具中的注射成形過程，確定出相應的模具結構及工藝參數后，再進行實際的試驗，從而可以大大的節約試驗成本[12，13]。然而，目前市場上主要的注射成形模擬軟件多集中在塑料的注射成形上，而金屬陶瓷粉末由于配方復雜多樣，各種配方的特性參數也各不相同，因此找到合適的用于模擬金屬陶瓷注射成形研究的參考數據也比較少[14]，這使得獲得準確的喂料參數尤為重要。在TiC基金屬陶瓷注射成形模具設計之前，根據TiC基金屬陶瓷注射料的螺旋流道試驗結果和粘結劑的溫度性能，在現有數據庫中找到一種與金屬陶瓷注射料溫度范圍和流動性相近的材料，采用塑料注射成形的軟件進行了金屬陶瓷注射成形的模擬。在該模擬過程中，分析了澆口尺寸對注射成形的影響（如表1所示），進而優化了模具的結構設計。

4 脫脂工藝

采用上述粘結劑制備的TiC基金屬陶瓷料喂料，經注射成形后，可以采用溶劑脫脂和熱脫脂相結合的工藝，其脫脂工藝如下：注射成形的毛坯先在50～65℃之間置于正乙烷或者三氯乙烷的有機溶劑中浸泡18～36小時，再把溶劑脫脂后的坯件置于真空脫脂燒結一體爐內進行熱脫脂燒結。其中熱脫脂工藝曲線如圖3所示。該工藝具有的優勢包括：在有機溶劑中脫脂后，坯件仍保持一定的強度，有利于后續坯件的移動、擺放；同時，在有機溶劑中脫出了部分粘結劑，可以減少真空脫脂燒結一體爐的污染，從而降低設備的維護成本；此外，有機溶劑脫脂結合熱脫脂的工藝，還在一定程度上節約了生產周期，降低了能源損耗。

5 綜合性能與應用

基于上述研究并結合專利200510033196.6，制備了TiC基金屬陶瓷測試樣塊（圖4）和手表外觀件坯件（如圖5）。通過對樣塊的測試表明，采用該技術制備的TiC基金屬陶瓷具有較好的綜合性能，其孔隙率達到A02（圖6），組織細小且均勻分布（圖7），維氏硬度達到HV 1670，抗彎強度達到1257MPa，彈性模量達到468GPa。手表外觀件坯件經研磨拋光成為最終的零件，裝配成手表后，尺寸、外觀、縱向徑拉力、柔和性、耐跌落、耐拉扭疲勞、耐搖擺疲勞等性能均可滿足相關手表標準。圖8是采用注射成形技術生產的TiC基金屬陶瓷手表，該手表輕盈、佩戴舒適、抗磨花性能好、極大的減小了鎳釋放超標的風險，一經推出，就受到了客戶的青睞。

6 結語

TiC基金屬陶瓷手表外觀件的制備難度大，在制備過程中，優化粘結劑配方、科學的進行喂料性能評價、采用合理的模具設計、高效的脫脂工藝都對最終產品的性能具有至關重要的作用。但 TiC基金屬陶瓷的注射成形是一個系統工程，只有在各環節科學選擇、各環節之間有效配合，才能制備出高質量的TiC基金屬陶瓷手表外觀件。

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作者簡介：靳磊（1982-），男，湖北隨州人，碩士，工程師，主要從事硬質合金、金屬陶瓷、特殊不銹鋼等的粉末冶金研究工作。

*為通訊作者。