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专家论文特辑(上)|粉末注射成形的粉末、黏结剂与喂料

日期: 2018-02-01
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特辑(下)|粉末注射成形的粉末、黏结剂与喂料  特辑(下)|粉末注射成形的粉末、黏结剂与喂料


前言


粉末注射成形(PIM)的喂料已经是许多学术与工业研究报告的主题,事实上,喂料的配方在PIM中具有最多的专利覆盖范围。然而,尽管努力在多,喂料的设计是PIM的从业者感到挫折的项目之一(Dr. Q认为喂料的挫折感应该是整个制程中最大的、最困难的)。理想的喂料容易注射、容易脱脂,还要具有较高的固体(金属或陶瓷等无机物粉末)含量,但却是相互有冲突的。


本文主要介绍有关PIM喂料设计是以过去的历史趋势作为基础,文章会叙述到其成分的原料配方标准,例如:讨论到如何制造一个好的粉末, 整合粉末和聚合物的原料配方,以及一种有效的混合技术的发展,都会反应到喂料的好坏之上。虽然喂料是PIM一个复杂的议题,但是探索的时代似乎已经结束,目前的研究主要集中在低成本的钛喂料配方和成型微型组件。同时,也提供一些意见给进入这一行业领域的朋友,要能有一个新的想法是多么的困难!如果没有坚持和恒心,成功的机会就很低。


PIM简介


粉末注射成形(PIM)的喂料是一种聚合物和粉体的混合物,在适合的注射温度下,喂料是呈现粘性的混合物,即使这内含的聚合物都是的低粘度体,但固体颗粒含量比例很高(体积比)。从宏观来看,PIM喂料是类似于油漆﹑冰淇淋﹑牙膏和巧克力(朱古力),因为这些物质也都是聚合物与粉末的混合物,只不过PIM喂料中固体颗粒的物质比重非常高,固体的体积比也几乎接近极限流动的装载量。


爱因斯坦先生有一个简单、经典的实验,有助于各位了解PIM的喂料配方。开始在一瓶水中加少许沙子,该混合物的粘度是很低的,他预测混合体的浓度与球体的总数有关,这样的混合物中,显示出固体颗粒的比例越多,会使得混合物的粘度开始增加。然而,添加更多的沙子进到水中,最终混合物就变成粘稠浆液,然后粘度会因为再加入少量固体而急剧增加。在这过程中,持续加沙进入水中,直到超过临界固体装载时便会阻挡混合物的流动。事实上,在临界固体装载的混合物是固体状的特征,因此,关键的固体装载所对应的组合物,其中的每一固体颗粒互相接触,颗粒之间有足够的摩擦力以抑制流动。在此混合物中的所有粒子之间的空隙充满水,即使水具有非常低的粘度,但该混合物却是黏稠的表现。类似这个概念方法也发生在当我们按顺序将粉末倒入熔融的粘结助剂中,用于来调配PIM的喂料之过程,这些喂料的测试则是使用一个高转矩流变仪,在高温下熔融粘结助剂来进行喂料的黏度测试。(这是过去使用蜡基配方的现象和配料程序,可不是配塑基料的程序。配塑基喂料的过程必须先烘干粉体,然后逐项添加粘结剂并逐项升温,在超过200℃以上产生黏稠团再降温混炼。)


对于大多数PIM喂料而言,临界固体装载发生于近60 vol% (体积分率)的固体粉末。这与粉末的形状和粒度分布而变化,但其中60%是一个典型的PIM粉末的平均固体装载。如表1中所示,这对应于低密度粉末状的氧化铝(Al2O3、密度2.7g/cc),其约有14 wt% (重量分率) 的黏结剂;如使用高密度的粉末如钨(W、密度19.2g/cc),黏结剂仅占有3wt%的重量分率。


表上所列,这些各种不同的粘结助剂按重量比来呈现于制造工段上,以固体体积百分比来形容喂料比较适用于研究。反过来说,固体比例会直接导致烧结过程中的收缩。低的固体装载的喂料需要更多的烧结收缩,以达到良好的性能,烧结收缩比(线性收缩比)例大于15%的组件,在烧结过程中容易有崩裂的倾向。在60 vol% (体积分率) 的固体装载,大部分PIM喂料可以获得一维的线性收缩率约为15%,在烧结过程中收缩就不会产生裂纹。


体积分率为60 vol% 时,不同粉体所出现的不同重量分率。

特辑(上)|粉末注射成形的粉末、黏结剂与喂料


补充说明:以当时的时代PIM喂料60 vol%已经算很了不起,目前常用的BASF喂料都标榜在63.2vol% (OSF = Oversize Shrinkage Factor =1.165);传统的粉末压制也仅有到达80vol%,但去年山东潍坊中泰合金所推出的OSF = 1.126,固体粉末装载量直逼70vol%。


在固体装载临界点附近的粉末和聚合物之混合物的成型条件,对:温度﹑压力与剪切速率敏感。任何小的变化,这些因素会使混合物为非作歹起来,这种复杂的行为之研究属于学名”流变学,涉及材料的弹性﹑粘度﹑强度和时间 - 依赖的函数包含压力﹑温度﹑剪切速率﹑粉末特性和高分子化学反应的种种因素。在成型过程中,PIM喂料是不是一个均匀的流体粒子﹑有无产生固体和聚合物两相分离(俗称粉胶分离),导致许多的“有趣“缺陷(令人痛苦的!!)是无法被看到,直到最后检查才挑出来。因此,PIM过程的计算机计算器仿真,我们需要流变信息进一步需要对喂料的密度﹑热膨胀﹑热容量,以及熔点范围﹑导热系数,甚至是喂料体的延展性信息。


目前使用计算机仿真PIM的喂料填充模穴,都是假设喂料为一个均质流动的系统(和一般聚合物或液态的金属一样)。然而,实际测试表现,粉体颗粒与颗粒间的粘结剂,有着极为明显的相互作用