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微小齒輪的金屬粉末注射成型(MIM)技術
 

發布日期:[2020/12/1]
 

1微小齒輪MIM生產工藝過程及參數選擇

大批量生產某微小齒輪的工藝參數及其主要參數的實驗選擇方法。

 


2金屬粉末及粘結劑的選擇
MIM工藝所用金屬粉末顆粒尺寸一般在0.5-20 μm。從理論上講,顆粒越細,比表面積也越大,易于成型和燒結。目前生產MIM用粉末的主要方法有:水霧化法、氣體霧化法、撥基法。每種方法各有其優缺點:水霧化法是主要的制粉工藝,其效率高、大規模生產比較經濟,可使粉末細微化,但形狀不規則,這有利于保形,可是用粘結劑較多,影響精度。此外,水與金屬高溫反應形成的氧化膜妨礙燒結。氣體霧化法是生產MIM用粉的主要方法,它生產的粉末為球形,氧化程度低,所需粘結劑少,成形性好,但價格高,保形性差。撥基法生產的粉末純度高、粒度極細,它最適合于MIM ,但僅限于Fe, Ni等粉體,不能滿足材料多品種的要求。為了滿足MIM用粉的要求,許多制粉公司對上述方法進行了改進,還發展了微霧化、層流霧化等制粉方法。選用粉末要從MIM技術、產品形狀、性能、價格等多方面綜合考慮,現在通常是水霧化粉和氣霧化粉混合使用,前者提高振實密度后者維持保形性。由于該齒輪使用在腐蝕性的環境中,故而采用水霧化316L不銹鋼粉末,其化學成分(質量分數)為,Cr:17. 0%,N:11.5%, Mo:2.2%,C:不大于0.3%,Fe:69%左右。其物理性質如表1。

 


在MIM中工藝,粘結劑起著十分重要的作用,它直接影響著混合、注射成形、脫脂等工序,對注射成形坯的質量、脫脂及尺寸精度、合金成分等有很大的影響。MIM所使用的粘結劑包括熱塑性體系、熱固性體系、水溶性體系、凝膠體系及特殊體系,它們各有其優缺點,熱塑性粘結劑體系是MIM粘結劑的主流和先導,熱固性體系粘結劑應用較少,雖然這類粘結劑的保形性好,但是脫除比較困難。在此,粘結劑采用熱塑性粘結劑,其配方為70%的石蠟和30%高密度聚乙烯。

 

3混煉、制粒與注射成形
粉末和粘結劑確定后要進行混煉,混煉是一個復雜的改善粉末流動性和完成分散的過程。常用的混煉裝置有雙螺桿擠出機、Z形葉輪混料機、雙行星混煉機等,目前正在發展連續混煉工藝;鞜挄r的加料速率、混煉溫度、轉速等都會影響混煉的效果。在此將粉末和粘結劑按63 : 37的裝載量(體積分數)在雙行星混煉機上混煉1.5 h,混煉溫度為130土10℃,使粉末和粘結劑充分混合然后在單螺桿擠出裝置上制粒,制粒溫度采用130℃-150℃,螺桿旋轉轉速為40 r/min。使用TMC60EV型注射機注射成形。注射成形關鍵問題之一是有關成形的各項設計,其中包括產品設計、模具設計。盡管目前生產的產品可從0.003 g-200 g,而且在改進精度方面已取得了重要進步,然而大多數設計特別是模具設計是憑經驗,缺少可靠的設計知識,CAD系統難以很好地應用于MIM,F已運用塑料模具的原理逐步將MIM的模具標準化,隨著經驗的積累,模具設計和制作的時間將會大大減少,盡可能多地使用多模腔模具以提高注射效率。


注射成形的目的是獲得所需形狀的無缺陷成形坯,注射缺陷在后續工藝中不可消除,因此這個步驟要嚴格控制。采用超聲檢測技術可檢測出注射成形坯的內部缺陷。注射階段的缺陷控制目前主要還是憑經驗操作。隨著科學技術的進步,采用計算機模擬喂料的注射充模過程,并將其和喂料性能等相聯系,優化注射條件參數,消除注射缺陷是目前先進的實驗手段,也是未來的發展趨勢。國外有報道將moldflow應用于MIM注射過程分析,并取的較好效果,我們也試應用該技術,但發現模擬結果與實驗結果不能很好符合,這方面還有待與進一步研究。

 

4脫脂與預燒結
脫脂方法采用熱脫脂,熱脫脂工藝要根據粘結劑組元的熱分解特性合理確定,同時還要防止因為脫脂速度過快,使脫脂坯產生鼓泡、開裂等缺陷。由于不銹鋼粉對含碳量十分敏感,因此要選擇還原性氣氛,防止因粘結劑分解而產生殘碳,在室溫到200℃的溫度區內主要為石蠟的分解,本工藝過程中粘結劑中石蠟為最主要的組份,因此為了成功脫除石蠟,加溫速度一般要低于1℃/min。本工藝的脫脂爐內是氫氣氣氛,脫脂溫度為200℃以下以0.8℃/min的加熱速度升溫,待溫度達到200℃時保溫1.5 h,然后以1.5℃/min的速度升至450℃保溫h,以脫去粘結劑的聚合物組元高密度聚乙烯,并形成連通孔。450℃以后用4℃/min的速度快速升溫至800℃后保溫45 min,使粘結劑中的聚合物組份完全分解,并完成脫脂和毛坯的預燒結。

 

 

5燒結
燒結在真空燒結爐中進行,真空度為0.1 Pa,


燒結過程為:開始以4℃/min的升溫速度升至1000℃,保溫45 min,再以6 ℃/min快速升至燒結溫度1 380 ±10(℃),保溫45 min,然后隨爐冷卻至常溫。燒結溫度應盡可能穩定,燒結溫度波動幾十攝氏度,可導致燒結密度波動10%,收縮率改變3%。

最終產品的尺寸精度及機械性能:

成品零件(如圖3),對與零件一同備制的標準試樣進行了金相分析和力學性能試驗。零件的金相組織為純奧氏體,其力學性能試驗結果:屈服強度為220 MPa,拉伸強度為510 MPa,延伸率為45%,

任取10件測得其平均密度為理論密度得98. 8%;具_到了理論上的性能指標,滿足使用要求。結構及尺寸均滿足精度要求,不需要加工處理。

 




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