金属注射成形的脱脂临界厚度.docx

金属注射成形的脱脂临界厚度李益民 1,2，赵利刚 1，黄伯云 1(1. 中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南 长沙 410083) (2. 湖南英捷高科技有限公司，湖南 长沙 410083)摘 要：通过对脱脂动力学的分析，发现在脱脂过程中，存在动力学控制步骤转化的过程，提出了临界厚度的概念。临界厚度越大，意味着脱脂初始阶段升温速率可以较快，脱脂所需时间可以相对缩短。临界厚度越小，那么脱脂初始 阶段必须缓慢升温，以免产生鼓泡、裂纹、变形等缺陷。生产实践中临界厚度越大，脱脂处理越容易进行。对脱脂过 程中控制步骤的理论计算，得到脱脂临界厚度与粉末大小、脱脂温度和装载量的关系：临界厚度与粉末颗粒大小成正 比，粉末颗粒越大，临界厚度也大；临界厚度与保温温度成反比关系，温度越高，临界厚度越小；临界厚度与装载量 成反比，装载量越高，临界厚度越小。关键词：金属注射成形；脱脂动力学；控制步骤；临界厚度中图法分类号：TG 124.39文献标识码：A文章编号：1002-185X(2004)08-0797-07金属注射成形坯是 1 种粉末/粘结剂两相体系，粉末分散在作为连续相的粘结剂中。随着粘结剂的脱除， 坯块内逐渐形成连通孔隙，并伴随粘结剂的重新分布。 这一粘结剂脱除阶段一直到粉末颗粒之间发生点接触 并发生部分预烧结为结束标志。有部分学者在粘结剂 脱除过程的某些方面做了一些基础的研究工作。 Cima[4]和 Shaw[5]研究了粘结剂脱除时粘结剂在坯块中 的流动和重新分布现象，Dong[6]和 Calvert[7]研究了粘 结剂热脱除过程中气泡的生成，Baron [8]，Angermann[9] 和 Matar[10]等研究了粘结剂热分解产品在坯块中的液 相传输现象，German [11]则提出了粘结剂热分解气体在 坯块内孔隙通道中的气体扩散和渗透模型。Masia[12] 和 Nogueira[13]研究了不同粉末对粘结剂脱除的影响和 部分粉末的催化作用，Wright[14]研究了粘结剂在坯块 内的热分解，Edirisinghe[15] 研究了不同气氛对粘结剂 脱除过程的影响。Lewis[16]则在微观层次上对粘结剂的 热脱除过程作了计算机模拟工作。所有这些都极大地 丰富了人们的粘结剂热脱除过程基本机理的认识，但 是迄今为止，所有这些基础研究都没有考虑成形坯尺 寸因素(厚度)的影响。而在实际生产中，厚度是 1 个 最重要的影响粘结剂脱除成败的因素。现有金属注射 成形工艺只能适用于小尺寸（10mm 以下，一般为 5mm 以下）。如果能研究清楚厚度对脱脂的影响，就能优化1前言金属注射成形（Metal Injection Molding, MIM）由于能够低成本地制备具有复杂形状的高性能异形金属 零部件，正引起材料科学及工业界越来越多的重视。 MIM 技术的特色在于采用大量的粘结剂作为载体赋 予金属粉末良好的流动性，可采用注射成形方法一次 获得复杂形状，然后经过烧结致密化而获得高性能。 但是在烧结之前，成形坯中的粘结剂必须脱除掉，以 避免烧结时损坏坯块及粘结剂残留。这一粘结剂脱除 过程对金属注射成形最终产品有两个很关键的影响方 面。一方面，如果这一过程控制不当，容易出现鼓泡、 开裂、塌陷、变形等各种缺陷，影响最终产品的使用 性能和尺寸精度，另一方面，这一前致密化过程一般 占整个金属注射成形工艺 2/3 以上的时间，而且随着 产品尺寸的上升，这一过程所需时间成指数形式增加。 粘结剂脱除的方法可基本分为热脱脂、溶剂萃取脱脂、 虹吸脱脂三大类[1,2]，其中热脱脂由于简单、易于控制 而成为生产中的首选方法。由于粘结剂一般在 MIM 成 形坯中占 30%~50%，在实际生产中往往采用长时间缓 慢加热方法加以脱除，以避免产生裂纹、孔洞、变形 等各种缺陷。脱除时间经常长达十几个小时，对于较 细金属粉末和陶瓷粉末，甚至达到几天[3]。收到初稿日期：2003-01-07；收到修改稿日期：2004-02-17基金项目：国家 863 高科技计划项目（2001AA337050）；国家自然科学基金资助项目；全国优秀博士论文作者专项资助基金 项目（200135）；霍英东基金资助项目作者简介：李益民，男，1971 年生，博士，教授（博导），中南大学粉末冶金研究院，湖南 长沙 410083，电话：0731-8830693，E-mail: mailto:yingjie@public.cn.hn.cnyingjie@public.cn.hn.cn·798·稀有金属材料与工程33 卷金属注射成形的脱脂工艺，使其能适用于较大尺寸的零部件。至第 1 个保温区，ab 段为对应脱除低分子量、低熔点的第Ⅰ组元。随后升温至 c 点，开始 cd 段保温，对应 为脱除较高分