關于硬質合金的粉末注射成形技術

發布日期：[2014/3/17]

1、硬質合金粉末注射成形技術的優勢

注射成形技術生產粉末冶金零件對原料粉末要求苛刻，在0.1-10μm粒度范圍內的粉末生產的制品才易于達到高的尺寸精度。現行硬質合金所用生產原料基本上都屬于該粒度范圍，滿足MIM技術對原料粉末的要求，因此硬質合金的原料粉末可直接應用于注射成形工藝，不增加原料成本，這是硬質合金注射成形技術的一大優勢。
硬質合金具有高硬度、高強度、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫和膨脹系數小等一系列優點，是金屬加工、礦山開采、石油鉆探、國防軍工等不可缺少的工具材料，此外，近年來硬質合金在手表表殼等耐磨裝飾零件中也得到了廣泛應用。傳統的硬質合金生產方法（壓制－燒結法）只能生產形狀較為簡單的制品，因而限制了硬質合金的應用范圍。冷、熱等靜壓能生產形狀復雜的制品，但成本很高，不適合大規模生產。硬質合金注射成形技術的產生拓寬了硬質合金的應用領域，該技術能以較低的成本生產出接近最終形狀的、幾何形狀復雜而普通模壓和其他方法難以生產的制品。

2、硬質合金MIM技術的研究進展

   早在1977年Curry就獲得了用石蠟做粘結劑的硬質合金注射成形技術專利，后來轉讓給Leco公司，成為Leco工藝。但由于單組元石蠟作粘結劑會導致脫脂時間長，易于產生缺陷等問題，使得該專利影響范圍不大．但進入80年代后，隨著MIM技術在粘結劑配方，脫脂技術等方面的突破性進展，這就對硬質合金注射成形技術的日趨成熟提供了強大的技術支持，再加上硬質合金注射成形技術本身得天獨厚的優勢，從80年代初就在世界范圍內涌現出一批從事硬質合金注射成形生產與研究的廠家和研究機構。
    美國Leco碳化物公司Leco總公司下的一個分公司，該公司是最早用注射成形方法生產硬質合金制品的公司。此公司采用兩種方法生產WC基硬質合金，一種是傳統壓制－燒結法，產品占銷售額60%；另一種是采用新的硬質合金注射成形方法(Cemented Carbide Injection Molding)，產品占銷售額的40%。該公司生產的CCIM產品的重量在0.3-2kg范圍內，最大制品直徑為10.59吋。據稱該公司是目前世界上最大的硬質合金注射成形制品生產廠。德國Degussa公司從80年代開始MIM研究，1986年正式出產品。他們采用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等熱塑性塑料與蠟、樹脂和其他特殊添加劑的混合物做為成形劑，將其與0.8μm左右的WC-Co合金粉混合，接著制粒、注射成形、脫除粘結劑以及最終燒結。這個公司主要從事進給架以及切削刀具的整體或刀頭等的生產。現在他們已經能按照用戶的要求進行小批量多品種、多材質的生產。制品體積最大的為1000cm3,最長的為100mm，最重約為100g，制品偏差為±0.3%，厚度為1-5mm，最終密度可達理論密度的95%以上。另外Forn物理公司生產有碳化鎢基硬質合金旋轉鑿，是用二組元以上的粘結劑，第一組元用化學溶劑萃取脫除，剩余的熱塑性粘結劑在燒結時脫除。其他許多廠家如新加坡Phimax公司，IBM公司，國內的山東金珠粉末注射制造有限公司，上海富馳高科技有限公司，青島同翔特種粉末冶金有限公司，北京鋼鐵研究總院，中南大學粉冶所等都投入了對CCIM技術的研究和生產，產值在穩定上升。
    英國Loughborough工業大學聚合物技術和材料工程研究所在英國科學與工程研究會、英國硬質合金協會和英國有色金屬技術中心的資助下，自1985年開始研究硬質合金的注射成形技術。重點研究粉末特性、粘結劑技術、混合、流變性、流動和變形、脫出成形劑速度、燒結以及成形品完整性，該研究涉及許多相關領域。以下是他們得出的研究結果[39]，也代表過去在CCIM技術研究中取得的主要成果。
(1) 由于硬質合金粉末的流變性差，不宜用硬質合金粉末體積比高于65%的混合料進行注射成形；
(2) 采用極性蠟，主要是褐煤酯蠟，由于其流變性適合于粉末注射成形，可以生產出合乎要求的較高粉末體積百分比的混合料。這類蠟還有有利的揮發動力學，他可是脫脂作業于控制下進行，而極性較小的石蠟在剪切應力的影響下又從較低體積百分比的混合料中偏析出來的傾向。完全采用結晶褐煤酯蠟也有在成形坯內產生裂紋的傾向，但這通過混合適當比例的不同類型的蠟可得到調整；
(3) 采用高剪切熔融混合技術可最有效地產生均勻的混合料；
(4) 通過分析流變行為及其粘性流動的表觀活化能，對多種配方的可成形性作了有效的評價。影響溫度的工藝參數對可成形性具有顯著影響。模具的設計對成形性的完整性起關鍵作用，充模時避免形成噴射行為，否則容易產生注射缺陷；
(5) 脫脂氣氛對燒結制品顯微結構有關鍵性的影響。惰性氣氛產生嚴重的碳缺陷，而還原性氣氛則可使燒結產品具有較清晰地顯微結構；
(6) 燒結后的收縮與模具幾何形狀和注射壓力有關，但在每一批成形制品中收縮是一致的。一般線性收縮率為17%，但不是各向同性，其原因可能是由于成形時模腔內壓力場和溫度場的梯度應起。燒結制品密度大于理論密度的99%。
美國賓州州立大學的Mu-Jen-Yang等也較系統的展開了硬質合金注射成形工藝的研究，在納米和超細硬質合金粉末的注射成形技術方面取得了階段性成果，為提高硬質合金粉末裝載量找出了較合適的途徑。

3、硬質合金注射成形制品的性能

表1和表2分別列出了美國賓州州立大學German教授和德國Degussa公司報道的硬質合金注射成形制品的有關性能。表中*表示該制品由常規壓制－燒結法制得，在此作為參考對比。由表可見，雖然出自世界先進水平生產廠家和科研機構，制品的力學性能仍劣于同牌號壓制－燒結制品。原因是注射成形過程中的缺陷產生和碳含量波動沒有得到有效控制。以上情況表明注射成形工藝已成功地解決了制品形狀復雜性問題，但在提高制品性能特別是碳含量的控制方面還有許多工作要做。

表1 German教授報道的部分硬質合金注射成形件的力學性能

合金成分(wt%)	相對密度(%)	抗彎強度(N/mm2)	維氏硬度
WC-10Co	100	1410	780
WC-8Co	100	2400	1300
WC-7Co-1TaC	100	2200	1700
WC-7Ni	100	2000	2000
WC-12Co	99	2200	1250

表2德國Degussa公司用PIM法生產的部分硬質合金牌號的力學性能

	FX15	K15-K40*	FX30	牌號不詳*	Ni15
WC(wt%)	91.0	91.0	83.0	83.95	93.0
TaC/NbC(wt%)	1.0	1.0	2.0	1.0	－
Co(wt%)	7.5	7.5	15.0	15.0	－
Ni(wt%)	－	－	－	－	7
粒度(μ)	0.8	0.8	0.8	0.8	1.5
密度(g/cm3)	14.8	14.7	13.9	13.9	14.8
硬度(HRA)	92.5	93	90	91.5	91
橫向斷裂強度(N/mm2)	2200	24..	2600	4900	2000
抗壓強度(KN/mm2)	5.9	6.2	5.1	5.1	5.4

4、硬質合金MIM產品的應用及發展趨勢
硬質合金具有高硬度、高強度和高耐磨性，因而被廣泛用作各種切削刀具和各種耐磨件。由于傳統壓制－燒結法生產成本高、制品形狀簡單、機加工困難，限制了硬質合金更廣泛的應用。注射成形是一種近凈成形技術，具有生產率高、制品形狀復雜、成本低等優點，因此，硬質合金注射成形技術的出現和發展必將擴大硬質合金的應用范圍。目前用硬質合金MIM工藝成功生產的制品包括硬質合金刀具[42,43]、微型鉆頭、離心器、噴嘴、各種泵用零件、活塞、過濾器、各種體育用品、紡織機械用導線器等。近年來人們直接利用MIM制品的美學價值，生產了高爾夫球頭、表帶、表殼等制品。未來將會在銘牌LOGO、飾品、工藝品方面有所突破。
MIM技術的發展對硬質合金制品的生產產生了重大影響。優越的產品性能、低的生產成本和潛在的高利潤率將吸引越來越多的生產者和使用者的關注和加盟。由于硬質合金生產廠家已經很熟悉脫脂、燒結等工藝過程，因此，他們仍然是發展硬質合金注射成形技術的主要力量。可以預見，不久的將來，隨著廣大設計人員和使用者對硬質合金注射成形技術的深入了解，隨著制品性能的逐步提高，硬質合金注射成形必將擁有廣闊的市場前景，必將帶來可觀的經濟效益，成為繼不銹鋼注射成形后粉末注射成形新的發展熱點。

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