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《中南大学》 2002年
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硬质合金注射成形工艺研究

祝宝军  
【摘要】:硬质合金是一类高硬度的工具材料和耐磨材料。由于传统的模压成形技术不能制备出复杂形状的产品,且该材料机械加工极为困难,这限制了其应用领域的进一步扩大。粉末注射成形(PIM)是一种新型近净成形技术,该技术应用于硬质合金将为开发具有复杂形状的硬质合金产品,扩大硬质合金应用领域开辟一条新途径。基于以上思想,本文对硬质合金注射成形工艺及相关基础问题进行了较为系统的研究,内容包括: 开发了一种具有良好流动性、强度和保形性的新型蜡基粘结剂,其组成为:60%PW、10%HDPE、5%LPW、10%PP、5%EPR、5%DOP、5%SA。该粘结剂各组元之间相容性好,粘结剂与硬质合金粉末润湿性好(接触角3.76°),克服了高比重粉末注射成形过程中粉末与粘结剂分离的现象。喂料临界装载量高(65%),粉末容易分散均匀。喂料的流变性能良好,160℃,剪切速率为1185s~(-1)时,其粘流指数n和活化能E分别为0.331和24.6kJ/mol。 采用统计分析的方法研究了原料粉末特性对PIM工艺过程的影响,筛选出显著影响混合料性质和PIM工艺过程的参数,并建立相应的经验模型。多元回归分析得到堆积密度与粉末特性的关系式为:f_t=129.4-1.2Dv+0.72σ-17.9Sw-44.2Ar;粉末特性影响粉末流动性的表达式为:Mi=5.82-0.065Dv-0.28σ+1.47Ar。 粉末特性影响喂料粘度的表达式为:η=-70.9-0.55σ+91.5Ar-11.76Sw;粉末特性影响注射温度、压力、保压时间的表达式分别为:Ti=1.48+0.995σ-11.6Sw+112.45Ar,P_p=—236.63-12.28Sw+197.28Ar,t_h=-3.84+3.35Ar+0.02Dv-0.51Sw。 采用正交实验考查了注射参数及其交互作用对注射坯质量的影响。并对硬质合金矩形试样,环形表壳试样的注射参数进行了优化,其最佳注射参数分别为注射压力144MPa、注射温度165℃、注射速度60%、模具温度30~C和注射压力80MPa、注射温度155℃、注射速度60%、模具温度25℃。参数交互作用对注射坯质量有重要影响。 动力学研究表明,热脱脂初期和中期阶段,低分子量组元气体在粘结剂液体中的扩散是动力学控制步骤,350℃时的扩散速率为2.66×10~(-6)cm~2/s,扩散激活能Q=30.4kJ/mol。当低分子量组元完全脱除后,高聚物共混物(HDPE、PP、EPR共混物)的裂解成为控制性环节。硬质合金注射坯(采用6#粘结剂)可以采用一步热脱脂方法进行脱脂,在25%H_2/75%N_2保护气氛下,脱脂坯能获得较满意的碳含量控制。 研究了温度、生坯形状、厚度、表面积、固体粉木装载量和液固比对蜡基粘结剂溶剂脱脂行为的影响。实验结果表明:生坯形状对脱脂速率影响的本质是样品厚度和表面积的影响。粘结剂平均脱除速率与生坯表面积成正比,与生坯厚度的平方成反比。动力学分析表明,溶剂脱脂初期,粘结剂在溶液中的扩散是控制环节,随着脱脂的进行,脱脂过程逐渐转变成由粘结剂溶解、粘结剂扩散共同控制。采用二步法脱脂有利于硬质合金脱脂坯及合金的碳含量控制,该方法对工艺条件的适应性增强,过程的可调控性增强。 提出并应用了增压冷凝溶剂脱脂新方法。由于容器内的高压气氛能够缓解脱脂坯内粘结剂的溶胀和残余应力的释放,因此在增压冷凝溶剂脱脂过程中不易产生缺陷,脱脂坯具有完整紧密的组织结构,并且保形性良好,脱脂坯强度高(0.384MPa)。根据Fick第二定律建立的平板试样的加压冷凝溶剂脱脂数学模型 为: 一in(l一T)= 球形.试样的模型为: 0 .01078 a2 厂一2559、 texP}一,二厂一~} \1/ :=。飞{平匡 丫a一L汀 +2艺ierfc 湍! 3D刁。t a2 圆棒试样的模型为: T一,一兰交典叭exp(--肠,,,2‘) a石D心l气Dna) 并采:用上述数学模型的图形解法对脱脂过程进行了预测,结果表明,该方法简单 易行·,预测准确,具有较高的实用价值。 研究了烧结温度、保温时间、冷却速率、粉末装载量对合金性能的影响。在 1460℃真空烧结,保温2小时,合金密度和抗弯强度达到最大值,分别为14.72妙耐 和2‘480MPa。 研究了硬质合金真空烧结过程中碳氧反应及其热力学,建立了WC一Co合金 真空烧结碳含量控制的优化工艺。在本文的实验中,对于YGS合金的真空烧结, 采取.在1100~1300℃之间缓慢升温并且分段保温的方法使碳氧反应进行完全;对 于YTS合金,采取在1 150~1 350℃之间缓慢升温并且分段保温的方法使碳氧反应 进行完全。 对PIM硬质合金产品变形影响因素的研究结果表明:PJM硬质合金烧结变形 的原.因主要包括:成形坯密度不均匀、不均衡的碳浓度、烧结过程中环境温度不 均匀等。经优化的PIM工艺制备的硬质合金制品最小尺寸偏差达到士 0.02mm。 发明了热塑一热固性粘结剂RGI一2和RGZ一3。粘结剂RGI一2的成分为:35 %Pw,10%EVA,50%E一20 ePoxy,5%DICY。粘结剂RGZ一3的成分为:40%PW, 10叱HDPE,50%ePo}于。在注射完成之前粘结剂和喂料完全表现为热塑性。RGI一2、 RGZ一3喂料的临界装载量均达到了59VoL%。剪切速率为1 1855一,时,其粘流活化 能石’值分别为11.gkjmol一,和16.Ikjmol一,。R.(玉1一2喂料在90oC、100℃和110oC 下的n值分别为0.3:27、0.354和0.354,RGZ一3喂料在120
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