CN116900305A - 一种粉末冶金精密构件的流变压制成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种粉末冶金构的流变压制成形方法：将含陶瓷、金属的粉末与热塑性粘接剂混炼获得半固态热物料，将半固态热物料破碎获得喂料颗粒，将喂料颗粒预热至60～80℃，同时将模具预热至60～100℃，然后将喂料颗粒填充至模具中，加压至30～60MPa，并升温至高于有机粘结剂软化点温度以上5～50℃，保温及保压15～60min，停止模具加热，待模具冷却，坯料固化后脱模得到精密坯体。本发明实现了低成形压力下高性能精密复杂零件的近净成形，提供喂料在恒温条件下浆料的流动性好，对材料的适应性好，所制备的精密构建在粉末冶金领域可广泛应用于机制制造、生物医药、能源环境等行业，具有良好的应用前景。

Description

一种粉末冶金精密构件的流变压制成形方法

技术领域

本发明属于粉末冶金与粉末工程技术领域，具体涉及一种粉末冶金构的流变压制成形方法。

背景技术

精密构建的成形技术是目前粉末冶金技术研究和开发的热点。传统压制成形技术通常将需要成形的混合粉末装入钢模内，在压力机上通过单向或双向施压而使其致密和成形。但是，受限于粉末填装、压模设计和粉末压力分布，传统压制方式对于大高径比、形状复杂的精密构件往往成形难度较大。目前，针对等截面的精密构件的成形，新技术、新工艺层出穷，如温压成形、注射成形、冷等静压等，它们的出现大大降低了精密粉末冶金构件的成形难度，为此类工件的近净成形提供了可能性。

德国Fraunhofer先进材料与制造研究所曾于2001年提出的流动温压成形技术(Warm Forming Compaction,WFC)，是将具有一定流动性的混合粉末装入型腔中，然后再一定温度下压制成形，不经过脱脂工艺直接烧结制得的复杂形状粉末冶金零件的技术，如专利号CN109434093A公开了一种WFC制备高密度粉末冶金零件的方法；专利号CN1660527A提供了一种铁基和钨基合金工件的低温流动温压成型方法，实现了低成本短流程生产高性能高密度复杂形状零件的近净成形；专利号CN102941347B公开了一种利用流动温压成型法制造旋梭锁门扳手的方法。然而，该方法需要高达400～700MPa的轴向压力来完成坯体的成形，并且只限于烧结钨、钛、钢等材料，对于低压力下实现精密构建的成形尚无报道。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供了一种粉末冶金精密构建的流变压制成形方法，具有成形压力低、成型温度低、喂料流动性好、填充均匀等特点，适用于大批量制造具有复杂几何形状、高长径比、高性能、高精度的等截面构件。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明一种粉末冶金精密构件的流变压制成形方法，将含陶瓷、金属的粉末与热塑性粘接剂混炼获得半固态热物料，将半固态热物料破碎获得喂料颗粒，将喂料颗粒预热至60～80℃，同时将模具预热至60～100℃，然后将喂料颗粒填充至模具中，加压至30～60MPa，并升温至高于有机粘结剂软化点温度以上5-50℃，保温及保压15～60min，停止模具加热，待模具冷却，坯料固化后脱模得到精密坯体，所述含陶瓷、金属的粉末为陶瓷相细粉与金属相细粉组成的混合粉末。

本发明首创的提供一种粉末冶金精密构件的流变压制成形方法，通过将喂料颗粒预热后，直接置于模腔中，将模腔加热至热塑性粘接剂软化点以上，利用粘结剂与粉末间的界面高润湿特性，在毛细管力作用力下，粘结剂产生流动，并带动物料中粉末二次分布与颗粒重排，实现对复杂形状精细结构的稳定填充，获得高均匀高致密的精密零件坯体。

优选的方案，所述含陶瓷、金属的粉末为陶瓷相细粉与金属相细粉组成的混合粉末

进一步的优选，所述陶瓷相细粉与金属相细粉的粒度为0.05～1μm。

进一步的优选，所述陶瓷相细粉与金属相细粉由陶瓷相粉末、金属相粉末经进行破碎、分级获得。

通过破碎和分级，得到粒度均匀且分布范围窄的原料粉末。

更进一步的优选，所述破碎的方式为采用涡轮式纳米砂磨机进行纳米研磨，所述纳米研磨时的工作参数为：转速为580～1500rpm，流量为50～500L/H，锆珠装填比为60～70％。

更进一步的优选，所述分级的方式为采用喷式气流分级机进行分级，所述分级时的工作参数为：进料速度50～100kg/h，工作压力1.5～20MPa，旋风收集器风压1.5～20KPa。

进一步的优选，所述陶瓷相细粉中的陶瓷选自选自碳化钨、碳化钼、碳化钛、碳化硅、氮化钛、硼化钛、氮化硼、氧化铁、氧化镍、氧化铝、氧化镁、氧化锆，铁酸镍、铁酸锰、铁酸钴、铁酸锌、铁酸铜、铁酸铬、铁酸铁中的至少一种。

进一步的优选，所述金属相细粉中的金属选自W、Mo、Zr、Ti、Co、Ni、Fe、Cu、Al、Zn、Sn、Ag、Au、Pb中的至少一种。

进一步的优选，所述陶瓷相细粉与金属相细粉的体积比为1～9：1～6；优选为1～4：1～6。

优选的方案，所述半固态热物料中，含陶瓷、金属的粉末的体积分数为60％～80％；优选为68-75％。

优选的方案，所述热塑性粘接剂按体积百分比计，组成如下：填充粘结剂60-92vol％，骨干粘结剂5-30vol％，表面活性剂0-8vol％，增塑剂0.5-5％；所述填充粘结剂的熔融指数≥80g/min，所述骨干粘结剂的熔融指数≥35g/min。

本发明所提供的精密构件的半固态热物料，有机粘结剂与原料粉末之前具有界面高润湿特性，原料粉末的体积分数占比较高，但低的粘结剂含量，能保持较好的坯件强度，在加热到有机粘结剂软化点温度以上，在一定的压力作用下，在毛细管力作用力下，将发生缓慢的黏性迁移，并带动物料中粉末二次分布/颗粒重排，此阶段下，孔隙率逐渐下降，获得高均匀高致密的精密零件坯体，实现致密化过程。

在本发明中，有机粘结剂体积分数不能过高，因为若物料粘度过低，将导致模冲与阴模的配合间隙中物料呈剪切变稀而不断流出，引起泄压和局部粉胶分离，降低坯体的成形密度与表面质量；基于此，流变压制成形物料的粘结剂含量可以较注射成型过程得到进一步降低，因此可以提高制造零部件的尺寸精度。

进一步的优选，所述热塑性粘接剂，按体积百分比计，组成如下：填充粘结剂65-85vol％，骨干粘结剂10-25vol％，表面活性剂3-6vol％，增塑剂2-4％。采用该优选配方下的有机粘结剂，所得粉末冶金流变压制用物料经流变压制烧结后所得制品性能最优。

优选的方案，所述填充粘结剂选自石蜡、巴西棕榈蜡、微晶蜡、聚乙烯蜡、聚乙二醇、聚甲醛、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯、甲基纤维素中的至少一种，优选为巴西棕榈蜡、聚甲醛、聚乙二醇中的至少一种，进一步优选为聚甲醛；

所述骨干粘结剂选自聚丙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中至少一种，

所述表面活性剂选自硬脂酸、硬脂酸锌、丙三醇、蓖麻油、花生油中的至少一种；

所述增塑剂选自邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸异辛醇酯、4[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、4,4'-亚甲基双(2,6-二叔丁基苯酚)、3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八烷醇酯中的至少一种。

在本发明中，高密度聚乙烯是指密度为0.94-0.97g/cm³的聚乙烯，低密度聚乙烯是指密度为0.91-0.93g/cm³的聚乙烯。

优选的方案，所述混炼的温度为120～200℃，混炼的时间为30～60min。本发明的混炼在轧辊式中温密炼机中进行。

优选的方案，所述破碎时的加热温度为60～150℃，螺杆转速为400～600r/min。破碎在螺杆挤出式热切造粒机进行。

优选的方案，所述喂料颗粒的粒径为-10目～+200目。将喂料颗粒的粒径控制在该范围内，填充性能最优。

在实际操作过程中，将喂料颗粒填充至带有加热包套的可加热模具中后，采用四柱液压机进行加压压制。

优选的方案，精密坯体经脱脂、烧结获得精密构件。

原理与优势

本发明首创的提供了一种精密构件的粉末冶金流变压制成形方法，本发明的流变成压制是指将粉末冶金流变压制用物料置入模具腔体中，并在特定的温度和压力下，利用粘结剂与粉末间的界面高润湿特性，在毛细管力作用力下，实现物料的缓慢致密化，获得高均匀高致密的精密零件坯体，结合后续脱脂与烧结致密化，得到最终制品。

流变压制成形一大特点就是物料在模腔中逐渐致密化过程，即由粘结剂与粉末组成的物料在模腔中处于疏松多孔的开始阶段，再压力的作用下，粉末间的粘结剂开始软化，产生流动，并带动物料中粉末颗粒重排，此阶段下，孔隙率逐渐下降，并一定程度伴随着粘结剂的二次再分布。

相比粉末注射成型、挤压成型等粉体增塑成型方法，粉末冶金流变压制可显著降低成形物料中的粘结剂含量，其直接将特定物料置入模具腔体中，并在特定的温度和压力下，利用粘结剂与粉末间的界面高润湿特性，在毛细管力作用力下，实现物料的缓慢致密化，获得高均匀高致密的精密零件坯体，结合后续脱脂与烧结致密化，得到最终制品。基于此，粉末冶金流变制造技术在制造精密零件具有以下四点优势：1)摒弃了传统增塑成形过程物料的流道设计，降低了物料粘结剂含量，若进一步结合粉末颗粒级配，其粉体固相体积分数可达60-80vol％之间；2)相对较低的粘结剂含量降低了成形坯体脱脂难度，并降低了成形坯件的线收缩率，利于提高精密制品的尺寸控制精度；3)可实现形状复杂结构制品的流变压制成形，物料中粘结剂的二次分布可降低成形坯件各部位的成形应力，获得具有均匀密度分布的坯件；4)由于成形坯件相对密度较高(粘结剂含量少)，对粉末粒度要求不高，可以选择粗颗粒粉末代替高活性的细颗粒粉末来进行后续烧结致密化，降低了原料成本。

本发明的优势如下：

(1)本发明实现了低成形压力下高性能精密复杂零件的近净成形，工艺简单、实用性好、适用性强，所制备的精密构建在粉末冶金领域可广泛应用于机制制造、生物医药、能源环境等行业，具有良好的应用前景。

(2)本发明提供喂料在恒温条件下浆料的流动性好，能够实现对复杂形状精细结构的稳定填充。

(3)本发明对材料的适应性好，无需专门的球形粉末，用一般的金属、陶瓷和复合材料粉末经过球化预处理后即可。

附图说明

图1为本发明实施例1中模具结构示意图。

图2为本发明实施例1的一种粉末冶金精密齿轮构件压坯示意图。

图3为本发明实施例2的一种粉末冶金带孔等截面构件压坯示意图。

图4为本发明实施例3的一种粉末冶金大高径比台阶构件压坯示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。本发明实施例包括：

实施例1

一种粉末冶金精密齿轮构件的流变压制成形方法。具体实施步骤如下：

步骤S1，采用纳米研磨和气流分级技术分别将TiN、TiC陶瓷相粉末和Co

金属相粉末进行破碎和分级，得到平均粒度为0.8μm的原料粉末；涡轮式纳米砂磨机进行工作参数为：转速800rpm，流量60L/H，锆珠装填比60％；对喷式气流分级机工作参数为：进料速度60kg/h，工作压力10MPa，旋风收集器风压15KPa；

步骤S2，将TiN、TiC和Co粉末按体积比1:1:0.6充分混合后，加入体积分数30％热塑性粘接剂充分混炼均匀得到半固态热物料，粘接剂按体积比包含聚乙二醇：聚甲基丙烯酸甲酯：丙三醇：邻苯二甲酸二锌酯＝75％：20％：3％：2％；混炼温度为150℃，混炼时间为45min；

步骤S3，将步骤S2得到的半固态热物料迅速转移至螺杆挤出式热切造粒机进行破碎，工作参数加热温度100℃，螺杆转速400r/min；过-20目+100目筛后得到金属陶瓷喂料颗粒；

步骤S4，将步骤S3得到的喂料颗粒预热至80℃；采用可加热模具，并将模具预热至100℃，模具结构如图1所示；

步骤S5，将预热后的喂料粉末填充于模具腔内，加压至40MPa并保持压力12min使坯料成形，同时持续加热模具到150℃(软化点为130℃)；

步骤S6，停止模具加热，待模具冷却，坯料固化后脱模得到精密构建；所述构建如图2所示。脱模后所得精密齿轮坯料如图2所示，精度优于±0.1mm/100mm，气孔率小于3％，压溃强度54MPa。

然后将精密齿轮坯料烧结，具体烧结参数为：流动氮气气氛，烧结温度1400℃，烧结时间180min，最终获得精密齿轮构件的尺寸精度优于±0.5mm/100mm，相对密度达97.0％，维氏硬度为1400N/mm²，压溃强度42MPa。

实施例2

一种粉末冶金带孔等截面构件的流变压制成形方法。具体实施步骤如下：

步骤S1，采用纳米研磨和气流分级技术分别将SiC陶瓷相粉末和Zr金属相粉末进行破碎和分级，得到平均粒度为0.8μm的原料粉末；涡轮式纳米砂磨机进行工作参数为：转速800rpm，流量60L/H，锆珠装填比60％；对喷式气流分级机工作参数为：进料速度60kg/h，工作压力10MPa，旋风收集器风压15KPa；

步骤S2，将SiC和Zr粉末按体积比4:1充分混合后，加入体积分数25％热塑性粘接剂得到半固态热物料，粘接剂按体积比包含聚甲醛：聚丙烯：硬脂酸锌：邻苯二甲酸二锌酯＝85％：10％：3％：2％；混炼温度为180℃，混炼时间为60min；

步骤S3，将步骤S2得到的半固态热物料迅速转移至螺杆挤出式热切造粒机进行破碎，工作参数加热温度130℃，螺杆转速500r/min；过-20目+100目筛后得到金属陶瓷喂料颗粒；

步骤S4，将步骤S3得到的喂料颗粒预热至70℃；采用可加热模具，并将模具预热至80℃，模具结构如图1所示；

步骤S5，将预热后的喂料粉末填充于模具腔内，加压至40MPa并保持压力12min使坯料成形，同时持续加热模具到150℃(软化点为140℃)；

步骤S6，停止模具加热，待模具冷却，坯料固化后脱模得到精密构建坏件；所述构建坏件如图3所示，最终获得精密齿轮构件坯料的尺寸精度优于±0.5mm/100mm，气孔率小于3％，压溃强度42MPa。

然后将粉末冶金带孔等截面构件烧结，烧结温度为1800℃，烧结时间为1h，最终获得精密齿轮构件的尺寸精度优于±0.2mm/100mm，相对密度达96.0％。

实施例3

一种粉末冶金大高径比台阶构件的流变压制成形方法。具体实施步骤如下：

步骤S1，采用纳米研磨和气流分级技术分别将WC陶瓷相粉末和Fe金属相粉末进行破碎和分级，得到平均粒度为0.8μm的原料粉末；涡轮式纳米砂磨机进行工作参数为：转速800rpm，流量60L/H，锆珠装填比60％；对喷式气流分级机工作参数为：进料速度60kg/h，工作压力10MPa，旋风收集器风压15KPa；

步骤S2，将WC、Fe粉末按体积比1:6充分混合后，加入体积分数25％热塑性粘接剂得到半固态热物料，粘接剂按质量比包含巴西棕榈蜡：高密度聚乙烯：聚丙烯：硬脂酸＝65％：25％：6％：4％；混炼温度为160℃，混炼时间为45min；

步骤S3，将步骤S2得到的半固态热物料迅速转移至螺杆挤出式热切造粒机进行破碎，工作参数加热温度120℃，螺杆转速600r/min；过-20目+100目筛后得到金属陶瓷喂料颗粒；

步骤S4，将步骤S3得到的喂料颗粒预热至75℃；；采用可加热模具，并将模具预热至75℃，模具结构如图1所示；

步骤S5，将预热后的喂料粉末填充于模具腔内，加压至40MPa并保持压力12min使坯料成形，同时持续加热模具到150℃(软化点以上30℃)；

步骤S6，停止模具加热，待模具冷却，坯料固化后脱模得到精密构建；所述构建如图4所示。最终获得精密齿轮构件坯料的尺寸精度优于±0.5mm/100mm，气孔率小于5％，压溃强度61MPa。

然后将粉末冶金大高径比台阶构件烧结，烧结温度为1380℃，烧结时间为2h，最终获得精密齿轮构件的尺寸精度优于±0.5mm/100mm，相对密度达99.0％。，精密构件的维氏硬度为1500N/mm²。

对比例1

其他条件与实施例1相同，仅是粘接剂的比例不在优选范围，按体积比计，聚乙二醇：聚甲基丙烯酸甲酯：丙三醇：邻苯二甲酸二锌酯＝75％：20％：4.8％：0.2％。

所得精密齿轮的精度低于±0.8mm/100mm。经烧结后，零件的尺寸精度低于±1.5mm/100mm，相对密度达95.0％。

对比例2

其他条件与实施例1相同，仅步骤S5中模具加热温度为100℃(低于软化温度)，结果获得的坯料孔隙率大于40％，压溃强度低于5MPa。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种粉末冶金精密构件的流变压制成形方法，其特征在于：将含陶瓷、金属的粉末与热塑性粘接剂混炼获得半固态热物料，将半固态热物料破碎获得喂料颗粒，将喂料颗粒预热至60～80℃，同时将模具预热至60～100℃，然后将喂料颗粒填充至模具中，加压至30～60MPa，并升温至高于有机粘结剂软化点温度以上5～50℃，保温及保压15～60min，停止模具加热，待模具冷却，坯料固化后脱模得到精密坯体；所述含陶瓷、金属的粉末为陶瓷相细粉与金属相细粉组成的混合粉末。

2.根据权利要求1所述的一种粉末冶金精密构件的流变压制成形方法，其特征在于：

所述陶瓷相细粉与金属相细粉的粒度为0.05～1μm；

所述陶瓷相细粉与金属相细粉由陶瓷相粉末、金属相粉末经进行破碎、分级获得。

3.根据权利要求2所述的一种粉末冶金精密构件的流变压制成形方法，其特征在于：

所述破碎的方式为采用涡轮式纳米砂磨机进行纳米研磨，所述纳米研磨时的工作参数为：转速为580～1500rpm，流量为50～500L/H，锆珠装填比为60～70％；

所述分级的方式为采用喷式气流分级机进行分级，所述分级时的工作参数为：进料速度50～100kg/h，工作压力1.5～20MPa，旋风收集器风压1.5～20Kpa。

4.根据权利要求2所述的一种粉末冶金精密构件的流变压制成形方法，其特征在于：所述陶瓷相细粉中的陶瓷选自选自碳化钨、碳化钼、碳化钛、碳化硅、氮化钛、硼化钛、氮化硼、氧化铁、氧化镍、氧化铝、氧化镁、氧化锆，铁酸镍、铁酸锰、铁酸钴、铁酸锌、铁酸铜、铁酸铬、铁酸铁中的至少一种；

所述金属相细粉中的金属选自W、Mo、Zr、Ti、Co、Ni、Fe、Cu、Al、Zn、Sn、Ag、Au、Pb中的至少一种；

所述陶瓷相细粉与金属相细粉的体积比为1～9：1～6。

5.根据权利要求1所述的一种粉末冶金精密构件的流变压制成形方法，其特征在于：

所述热塑性粘接剂，按体积百分比计，组成如下：填充粘结剂60-92vol％，骨干粘结剂5-30vol％，表面活性剂2-8vol％，增塑剂0.5-5％；所述填充粘结剂的熔融指数≥80g/min，所述骨干粘结剂的熔融指数≥35g/min。

6.根据权利要求5所述的一种粉末冶金精密构件的流变压制成形方法，其特征在于：

所述热塑性粘接剂，按体积百分比计，组成如下：填充粘结剂65-85vol％，骨干粘结剂10-25vol％，表面活性剂3-6vol％，增塑剂2-4％。

7.根据权利要求1或5所述的一种粉末冶金精密构件的流变压制成形方法，其特征在于：

所述填充粘结剂选自石蜡、巴西棕榈蜡、微晶蜡、聚乙烯蜡、聚乙二醇、聚甲醛、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯、甲基纤维素中的至少一种，

所述骨干粘结剂选自聚丙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中至少一种，

所述表面活性剂选自硬脂酸、硬脂酸锌、丙三醇、蓖麻油、花生油中的至少一种；

所述增塑剂选自邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸异辛醇酯、4[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、4,4'-亚甲基双(2,6-二叔丁基苯酚)、3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八烷醇酯中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的一种粉末冶金精密构件的流变压制成形方法，其特征在于：

所述混炼的温度为120～200℃，混炼的时间为30～60min。

9.根据权利要求1所述的一种粉末冶金精密构件的流变压制成形方法，其特征在于：

所述破碎时的加热温度为60～150℃，螺杆转速为400～600r/min；

所述喂料颗粒的粒径为-10目～+200目。

10.根据权利要求1所述的一种粉末冶金精密构件的流变压制成形方法，其特征在于：

精密坯体经脱脂、烧结获得精密构件。