高性能钨球注射成型工艺的研究

一、前言

金属粉末注射成型（MIM）技术是注射成型工艺和传统粉末冶金技术相结合的产物，被誉为当今世界最热门的粉末冶金，接近最终成型技术。MIM工艺主要包括混炼、注射、脱脂、烧结等工序，MIM工艺的材料利用率高，制取的零件具有形状复杂、密度均匀、尺寸精度高等优点，因而备受各界的关注。

钨基合金是由球型或近球型的钨颗粒和网状的粘结相组成的两相合金，具有许多优异的性能，例如密度、强度及韧性较高，具有好的导电、导热性、抗腐性和切削加工性，因此在材料领域，高比重钨合金是最经济最有效的，特别是在当今国际形势日益复杂，军需品量呈直线上升的情况下，开发高性能的军品，不但具有重大的经济效益，而且具有重要的国防意义。

目前国内作为钨球的批量生产工艺不成熟，产品性能低下，压溃强度偏低（小于40KN），因此研制开发钨球市场前景广阔，经济效益诱人。

二、实验方法和实验过程

1．原料

本实验使用的粘结剂由石蜡、聚乙烯、EVA、613、DBP等组元组成，各组元按一定顺序加入到混料器中熔化，充分混合均匀后，制成粘结剂1#、2#、3#备用。经过优选，2#配方为最佳配方。

注射成型用的注射料由粘结剂配方2#与金属粉末制得，所用金属粉末为钨粉、羰基铁粉、羰基镍粉、钴粉，其中钨粉、铁粉、镍粉的粉末特性如表所示：

2．混料

对于注射成型工艺，混料是关键工序，其混料均匀程度直接关系到整个工艺过程和最终烧结产品的性能。

①将无机粉中，钨粉、羰基铁粉、羰基镍粉、钴粉。按配方比例在V型混合机中混合8h。

②将上述混合粉与粘结剂配方2＃按比例在高混机组内在140－160℃下混合45min。

③将高混后的物料经双螺杆机组挤出2遍。

3．注射成型

经过正交试验优选，该产品选用注射温度150℃，注射压力90，注射速度90，注射时间5秒，冷却时间5秒，成型效果优良，同时用水温调节模具温度保持在30－40℃，毛坯成型最完整，否则浇道杆断裂，造成毛坯缺料。

4．脱脂

此工序是将毛坯内混入的有机物分阶段地逐渐脱除，该过程必须严格控制脱脂速度，其快慢直接关系到有机物脱除的效果，进而影响到产品的性能。本产品采取两步脱脂法：即首先在70℃下用溶剂将毛坯中一部分低熔点的有机物排除，使毛坯内形成互相连通的网络，这个网络为残存粘结剂地热排除提供通道。溶剂脱脂后，进行热脱脂，在脱脂炉内以3.5cm/分的推舟速度脱脂，脱脂温度为：一段180℃、二段280℃、三段380℃、四段580℃、五段800℃。

采用此工艺脱脂后，毛坯内有机物脱除彻底，毛坯预烧结后，具有一定强度，质量稳定，含碳量小于0.05%，这就为下一步的烧结创造了良好的条件。

5．烧结

烧结是在钼丝炉中进行，通氨分解保护气保护，烧结的温度为一段200℃、二段400℃、三段700℃、四段1260℃，推舟速度0.4cm/分。

为了分析烧结温度对烧结毛坯形状和力学性能的影响，试样在粘结相熔点附近，选取几个温度点进行烧结，分别为1240℃、1260℃、1280℃，温度间隔为20℃，最后根据烧结试样的力学性能和保持样品形状完整的程度，确定产品的最终烧结条件。

三、实验结果与分析讨论

在烧结后发现，钨球在1240℃、1260℃、1280℃烧结形状基本不变，表面具有金属光泽，在1280℃时粘结相大量溢出，产品表面出现小泡，成分分布不均，在1240℃以下烧结属固相烧结，试样形状保持较好，但强度低。

从表2看出：烧结温度低，合金中的液相烧结不充分或者仍属于固相烧结，烧结温度过高，烧结充分，会使合金内原来分布均匀的细小微孔聚集而形成较大孔洞，粘结相金属外溢至表面，同时粘结相部分金属损失，导致密度偏高（超出理论密度），实验结果表明：1260℃时烧结效果最好（压溃强度60KN，变形性38％，密度18.10，表观优良）。

四、结论

1．采用注射成型技术生产的钨球，产品质量稳定，产品尺寸公差和性能完全符合图纸要求，可以实现大批量生产。

2．脱脂工序是该工艺中最关键的一环，必须严格控制气流量在1.0~2.0m3/h，保证毛坯内有机物完全分解排除，生产出高品质高性能的钨球。

3．采用该工艺生产的钨球，每吨利润在4万元以上，实现批量生产以后经济效益显著，可见该产品不仅具有开发生产的可行性，而且经济效益十分可观。

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