不锈钢较粗粉末的注射成形

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.03.009 第18卷第3期 北京科技大学学报 Vol.18 No.3 1996年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jm1996 不锈钢较粗粉末的注射成形 贾成厂山吕效森2)解子章) 朱家喜》 1)北京科技大学材料科学与L程系，北京1000832)北京硬质合金厂3)湖北安陆铝厂 摘要研究了粒度为一200目的不锈钢316粉末的注射成形.通过原材料的选择、注射成形工艺 和性能测试等实验工作发现，用较粗粉术（较一般注射成形用粉末粒度而言）作注射成形，也可 以得到密度较高的制品，并且有较稳定的收缩率，很好的韧性和硬度.说明用不锈钢粉末注射成 形法制造生产实际中的零件是完全可行的· 关键词注射成形，不锈钢，粉末冶金 中图分类号TF124.3 金属粉末注射成形(Mcta!Injection Molding)是一种综合塑料注射成形技术和粉末冶金 高温烧结技术的新型工艺·它是将细的金属粉末与粘结剂均匀混合而成为在加热状态下具有流变 性的膏状物，然后像塑料那样注射成形；去除粘结剂后烧结，产生显著收缩而达到致密化， 采用MM的方法，可以生产出形状复杂，性能优良的零件，带有内外螺纹的零件可以一次成形 出来斗.在注射成形时，压力通过液态传递，可以使制品达到均匀和高的密度，相对密渡可达5% 以上，且品粒细小，组织均匀·这种方法可以获得优良的物理和力学性能的产品，其屈服强度、 抗拉强度、韧性、耐腐蚀性等都高于或相当于铸造和锻造制品)，此外，注射成形还有其他诸如 尺寸偏差小、材料范围宽、适合于小型批量生产等一系列优点· 目前，在国外注射成形技术已成为一种具有经济效益的生产技术，涉及领域较广.而国内只 有少数厂家和单位进行注射成形的研究和生产，且多数限于硬质合金，这与国外迅猛发展的状况 是不相适应的，另外，在现行的注射成形技术中，大多使用高价的细粉末，这是限制注射成形技 术发展的重要因素之一，本工作选择了-200目的不锈钢316粉末，对其进行了注射成形的研究. 1试验方法 工艺流程为： 君有剂卜混料一注射成形一茶取（除蜡）·烘干·预烧→烧结·（性能测试） 原材料粉末采用冶金部钢铁研究总院生产的-200目水雾化不锈钢粉，名称为FJ316. 粘结剂采用低压聚乙烯塑料和40号石蜡. 配料：金属粉末90%，粘结剂10%，混料使用上海塑料机械厂的双辊筒炼塑机· 混料工艺如下：将两转辊加热到一定的温度，并使两辊以不同的速度向内转动.调节两辊间 距到适当，将粘结剂放人两辊之间，使之熔化，加人不锈钢粉末·经过两辊间的反复挤轧混合直 1995-10-10收稿 第一作者男46岁博士后副教授

第 18 卷 第 3 期 1 9 96 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 oJ u m a l o f U n i v e sr ity o f S d en 优 a dn 于戈h n o l o g y eB ij i n g V o l . 18 N o . 3 J . 几 19 9 6 不锈钢较粗粉末 的注射成形 贾成厂 ” 吕效森 2) 解子章 ’ ) 朱家喜 3) l) 北 京科 技大学材料科学与 工 程 系 , 北 京 l以刃83 2 )北 京 硬质合金 厂 3) 湖北 安陆铝厂 摘要 研 究了 粒度 为 一 2以〕 目的不 锈钢 316 粉末的 注射成形 . 通 过 原材料 的选 择 、 注射 成形 工 艺 和性能测 试等 实验工 作 发现 , 用 较粗粉末 (较一 般注射成形用粉末粒度而 言 ) 作注射成形 , 也可 以得到密度较高 的制 品 , 并且有较稳定的 收缩率 , 很好的韧性和 硬度 . 说 明用 不 锈钢粉末注射 成 形法制造生产 实际 中的零件是完全可 行的 . 关键 词 注射成形 , 不锈钢 , 粉末冶金 中图 分类号 T F 124 3 金属 粉末 注射成形 ( M et al Inj ce it o n M ol id n g ) 是一种综合塑料注射成形技术和粉末 冶金 高温烧结技术 的新型工 艺 . 它是将细的金属粉末 与粘结剂均匀混合而成 为在加热状态下具有流变 性 的膏状物 , 然后 像塑料那 样注 射成形 ; 去除粘 结剂后 烧结 , 产生显 著收缩 而 达 到 致 密 化 . 采用 M IM 的方法 , 可以 生产 出形状复杂 , 性 能优 良的零件 . 带有内外螺纹 的零件可以 一次成 形 出来 [ ’ , ’ 1 . 在注射成形 时 , 压力通 过液态传递 , 可以使制品达到均匀和高的密度 , 相又招渡可达95 % 以上 , 且 晶粒 细小 , 组 织均匀 . 这种方法可以 获得优 良的物理和力学性 能的产品 , 其屈服 强度 、 抗拉强度 、 韧性 、 耐腐蚀性等都高于或相 当于铸造 和锻造制 品 13 . 此外 , 注射成形还有 其他诸 如 尺 寸偏差小 、 材料范围宽 、 适合于小型批量生产等一 系列优点 . 目前 , 在国外注射成形技术 已成为一种具有经济效益 的生产技术 , 涉及领域较广 . 而 国内只 有少数厂家和单位进行 注射成形 的研究和生产 , 且 多数限于硬质合金 , 这与国外迅猛 发展 的状况 是不相适 应的 . 另外 , 在现行 的注射成形技术中 , 大多使用高价的细粉末 , 这是限制注射成形技 术发展的重要 因素之一 . 本工作选择了 一 2田 目的不锈钢 31 6 粉末 , 对其进行了注射成形的研究 . 1 试验方法 工艺流程为: 粉末 粘结剂 卜 混料 ~ 注射成形 一 萃取 滁蜡 ) 一 烘干 一 预烧 一 烧结 ~ 胜能测试 ) 原材料粉末采用冶金部钢铁研究总院生产 的 一 2《X) 目水雾化不锈钢粉 , 名称为 曰3 16 . 粘结剂采用低压聚乙 烯塑料和 40 号石蜡 . 配料 : 金属粉末 卯 % , 粘结剂 10 % ; 混料使用上海塑料机械厂的双辊筒炼塑机 . 混料工艺如下: 将两转辊加热到一定的温度 , 并使两辊 以不 同的速度向内转动 . 调节两辊间 距到适 当 , 将粘结剂放人两辊之 间 , 使之熔化 , 加人不锈钢粉末 . 经过两辊间的反复挤轧混合直 I卯5 一 10 一 10 收 稿 第一 作 者 男 46 岁 博士 后 副 教 授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1996. 03. 009

…242· 北京科技大学学报 1996年N0.3 至不锈钢粉未与粘结剂混合均匀. 注射成形采用宁波永泰塑料机械有限公司生产的立式塑料注射成形机.将混合料装入缸体， 对缸体进行加热，使料达到一定的粘度和流动性.由柱塞下压，使混合料进人模具成形.注射成 形的参数为：注射温度200~210℃，注射压力7.2MPa,注射时间3s. 粘结剂的去除分为两步：第一步用有机溶剂室温浸泡4h,除去石蜡；然后将成形坯放入干 燥器中干燥，温度150℃，时间3h.第二步预烧除去残留石蜡和塑料.预烧工艺如图1所示. 将试样放入真空炉中预烧，烧结过程中不断抽真空，烧结程序由微机自动控制.在预烧的过程 中，粘结剂不断地挥发逸出，同时金属粉末互相联结.预烧结后的试样放人真空炉中烧结，工艺 如图2. 1400 600 炉冷 1300 1200 300 1100 1000-- 100 80 160 240320 400 060120180240300360 t/min t/min 图1预烧工艺 图2烧结工艺图 2结果与分析 (1)收缩率 表1给出了试样烧结后的收缩率，从表1可以看出，注射成形产品在三维方向上的收缩基本 相同，这与一般粉末冶金制品有明显的差别，这是因为在注射成形时所受的是等静压力，各方 向上的密度均匀、收缩也相同.另外，注射成形制品的收缩率较大，这是由于粘结剂的加人量较 大·在保证能顺利注射成形和密度均匀的前题下，应尽量减少粘结剂的比例. 表1试样烧结后的收缩率 试样编号 烧结前尺寸/mm 烧结后尺寸/mm 收缩率/% 长宽高 K宽高 长宽 高 42.286.12 6.10 35.105.12 5.10 17.0 16.3 16.4 42.306.106.08 35.305.02 5.00 16.5 17.7 17.8 42.326.096.10 34885.00 5.02 17.617.5 17.7 平均 42306.09609 35.10 5.05 5.04 17.2 17.2 17.3 (2)密度 将试样先在空气中称重，然后在液体中称重，用下面公式计算出密度： d=m:p/(m,-m）

. 24 2 · 北 京 科 技 大 学 学 报 19 96 年 N o . 3 至不锈钢粉末 与粘结剂混合均匀 . 注射成形采用宁波永泰塑料机械有 限公司生产的立式塑料 注射成形机 . 将混 合料 装人缸 体 , 对缸体进行加热 , 使料达到一定的粘度和流动性 . 由柱塞下压 , 使混合料进入模具成形 . 注射成 形 的参数为: 注射温度 2以) 一 2 10 ℃ , 注射压力 .7 2 M F恤 , 注射时间 35 . 粘结剂的去除分为两步 : 第一步用有机溶剂室温浸泡 4 h , 除去 石蜡 ; 然 后将 成形坯放入干 燥器 中干燥 , 温度 150 ℃ , 时间 3 h . 第 二步 预烧除 去残 留石蜡 和塑 料 . 预烧 工艺如 图 1 所示 . 将试样放人真空炉 中预烧 , 烧结过程 中不断抽真空 . 烧 结 程序 由微机 自动控 制 . 在 预烧 的过程 中 , 粘结剂不断地挥发逸 出 , 同时金属粉末互相联结 . 预烧结后 的试样放入真空炉中烧结 , 工艺 如图 2 . 1 4( 幻 炉 冷 1 3(叉〕 尸 g 3(X) 尸 1姗 9 1 1加 2粼) ’t/ r n m 印 120 1 80 24() 引】〕 3印 t / n 刀1 1 仆小J 日什践l 八U n à - nUǎ “ 勺且. 甲. 1| ù一,、 `1, 图 1 预烧工艺 图 2 烧结工艺图 2 结果与分析 ( 1) 收缩率 表 1 给出了试样烧结后的收缩率 . 从表 1可 以看 出 , 注射成形产品在三维方 向上的收缩基 本 相 同 , 这 与一般粉末冶金制 品有 明显的差别 . 这是 因为在注射成形时所 受的 是等静 压 力 , 各 方 向上 的密度均匀 , 收缩也相 同 . 另外 , 注射成形制 品的收缩率较大 , 这是由于粘结剂 的加人量较 大 . 在保证能顺 利注射成形和密度均匀的前题下 , 应尽量减少粘结剂的 比例 . 表 1 试样烧结后的收缩 率 试样编号 烧结前尺 寸 / n ” n 长 宽 高 烧结后尺 寸 / ~ 长 宽 高 收缩率 / % 长 宽 高 平均 35 . 10 35 . 30 抖名8 35 . 10 5 . 12 5 . 10 17刀 5 . 02 .5 田 16 . 5 5 . X() 5刀2 17石 5D 5 5 . 04 172 16 3 16 4 17刀 1 7名 17乃 17刀 17 2 173 的0810 乙`U了 田的1012 O `曰`U了O 42 . 28 423 0 4 2 . 32 423 0 ( 2 ) 密度 将试样先在空气中称重 , 然后在液体中称重 , 用下 面公式计算出密度 : d = m : p /( m : 一 m Z )

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. 24 2 · 北 京 科 技 大 学 学 报 19 96 年 N o . 3 至不锈钢粉末 与粘结剂混合均匀 . 注射成形采用宁波永泰塑料机械有 限公司生产的立式塑料 注射成形机 . 将混 合料 装人缸 体 , 对缸体进行加热 , 使料达到一定的粘度和流动性 . 由柱塞下压 , 使混合料进入模具成形 . 注射成 形 的参数为: 注射温度 2以) 一 2 10 ℃ , 注射压力 .7 2 M F恤 , 注射时间 35 . 粘结剂的去除分为两步 : 第一步用有机溶剂室温浸泡 4 h , 除去 石蜡 ; 然 后将 成形坯放入干 燥器 中干燥 , 温度 150 ℃ , 时间 3 h . 第 二步 预烧除 去残 留石蜡 和塑 料 . 预烧 工艺如 图 1 所示 . 将试样放人真空炉 中预烧 , 烧结过程 中不断抽真空 . 烧 结 程序 由微机 自动控 制 . 在 预烧 的过程 中 , 粘结剂不断地挥发逸 出 , 同时金属粉末互相联结 . 预烧结后 的试样放入真空炉中烧结 , 工艺 如图 2 . 1 4( 幻 炉 冷 1 3(叉〕 尸 g 3(X) 尸 1姗 9 1 1加 2粼) ’t/ r n m 印 120 1 80 24() 引】〕 3印 t / n 刀1 1 仆小J 日什践l 八U n à - nUǎ “ 勺且. 甲. 1| ù一,、 `1, 图 1 预烧工艺 图 2 烧结工艺图 2 结果与分析 ( 1) 收缩率 表 1 给出了试样烧结后的收缩率 . 从表 1可 以看 出 , 注射成形产品在三维方 向上的收缩基 本 相 同 , 这 与一般粉末冶金制 品有 明显的差别 . 这是 因为在注射成形时所 受的 是等静 压 力 , 各 方 向上 的密度均匀 , 收缩也相 同 . 另外 , 注射成形制 品的收缩率较大 , 这是由于粘结剂 的加人量较 大 . 在保证能顺 利注射成形和密度均匀的前题下 , 应尽量减少粘结剂的 比例 . 表 1 试样烧结后的收缩 率 试样编号 烧结前尺 寸 / n ” n 长 宽 高 烧结后尺 寸 / ~ 长 宽 高 收缩率 / % 长 宽 高 平均 35 . 10 35 . 30 抖名8 35 . 10 5 . 12 5 . 10 17刀 5 . 02 .5 田 16 . 5 5 . X() 5刀2 17石 5D 5 5 . 04 172 16 3 16 4 17刀 1 7名 17乃 17刀 17 2 173 的0810 乙`U了 田的1012 O `曰`U了O 42 . 28 423 0 4 2 . 32 423 0 ( 2 ) 密度 将试样先在空气中称重 , 然后在液体中称重 , 用下 面公式计算出密度 : d = m : p /( m : 一 m Z )

·244· 北京科技大学学报 1996年No.3 通过注射成形达到较高的密度，并且硬度、强度等性能可以达到或接近铸造产品·这对于降低注 射成形工艺的成本，推动这一技术的发展能起到一定的作用· (2)粗粉注射成形产品的收缩率比细粉的相应收缩率要低· 参考文献 1 Erickson A R,Wiech R W.Metals Handbook.9th Ed.ASM,1984,7:491 2 German R M.Powder Injection Molding.Princeton:Metal Powder Industry Federation. 1990.321~346 3 Zhang H.German R M.Sintering Temperature and Mechanical Properties of Injection Molded Fe-2Ni Steel.Powder Metall Int,1990,22(6):15~17 Injection Molding of Coarser Stainless Steel Powder Jia Chengchang"Lu Xiaosen2)Xie Zizhang Zhu Jiaxi3 1)Department of Materials Science and Engineering,USTB,Beijing 100083.PRC 2)Beijing Hard Alloy Factory 3)Hubei Anlu Aluminum Factory ABSTRACT The injection molding of stainless steel 316 powder (-200 mesh)is studied.Through the election of materials,procedure of injection molding and proper- ties measurement,the research work is found that it is possible to make injection molding using coarser powder(comparing with the usual injection molding powder)and to get samples with higher density,stable sintering shrinkage,better tenacity and hardness.It is feasible to produce practical parts with the method of stainless steel powder injection molding. KEY WORDS injection molding,stainless steels,powder metallurgy

24 北 京 科 技 大 学 学 报 通过 注射成形达 到较高 的密度 , 并且硬度 、 强度等性能可 以达到或接近铸造产 品 射成形工 艺的成本 , 推动这一技术的发展能起到一定 的作用 . 199 6 年 N O . 3 . 这对于降低注 ( 2) 粗粉注射成形 产品的收缩率比细粉的相应收缩率要低 参 考 文 献 E r i e k s o n A R , Wi e c h R W . M e t a l s H a n d b o o k . g t h E d . A S M , 1 9 84 , 7 : 4 9 1 G e r m a n R M . P o w d e r I nj e e t i o n M o ld i n g . P r i n e t o n : M e t a l P o w d e r I n d us t r y 1 990 . 3 2 1 一 3 46 Z h a n g H , G e r m a n R M . S i n t e r i n g T e m P e r a t u r e a n d M e e h a n ica l P r o P e r t i e s M o l d e d F e 一 ZN i S t e e l . P o w d e r M e t a l l I n t , 19 90 , 22 ( 6) : 1 5 一 17 F e d e f a ti o n o f I nj e e t i o n I nj e e t i o n M o l d i n g o f C o a r s e r S t a i n l e s s S t e e l P o w d e r J i a C h e n 夕e h a n g ’ ) L u iX a o s e n Z ) iX e Z i z h a n a ’ ) Z h u 了i a x i 3 ) l ) D e P a rt m e n t o f M a t e r j a l s S c i e n eC a n d E n g i n e e r i n g , U S T B , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , p R C 2 ) B e l j i n g H a r d A l l o y F a e t o r y 3 ) H u b e i A n l u A l u m i n u m F a e t o 卿 A B S T R A C T T h e i nj e c t i o n mo ld i n g o f s t a i n les s s t e e l 3 16 P o w d e r ( 一 2 0 0 m e s h ) 1 5 s t u d i e d . T h r o u g h t h e e l e e t i o n o f m a t e r i a l s , P r o e d u r e o f inj e e t i o n m o ld i n g a n d p r o p e r - t i e s me a s u r e me n t , t h e r es e a r c h w o r k 1 5 fo u n d t h a t it 1 5 P o s s ib l e t o m a k e inj e e t i o n mo ld i n g u s i n g c o a sr e r P o w d e (r co m P a r i n g w it h t h e u s u a l inj e e t i o n mo l d i n g P o w d e r ) a n d t o g e t s a m P les w it h h i g h e r d e n s it y , s t a b l e s i n t e r i n g s h r i n k a g e , b e t t e r t e n a c i t y a n d h a r d n e s s . I t 1 5 fe a s ib l e t o P r o d u ce P r a e t ica l P a r t s w i t h t h e m e t h o d o f s t a i n l e s s s t e e l P o w d e r inj e e t i o n mo ld i n g . K E Y W O R D S inj e e t i o n m o ld i n g , s t a i n l e s s s t e e l s , P o w d e r me t a ll u r g y