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第12期 尹海清等：金属微型元器件的制备与性能检测 ,1429 1试验方法 至室温后脱模，注射坯通过在25℃的三氯乙烯溶 液中浸没12h的溶剂脱脂，去除大部分的石蜡成 1.1粉末微注射成形用原料 分，在坯体表面制造出大量深入内部的小孔，使其后 粉末微注射成形技术的工艺流程与传统粉末注 的热脱脂过程的挥发物得以毛细作用排出，提高了 射成形技术基本相同，只是由于所制备零件的尺寸 脱脂效率，然后在H2气氛下完成热脱脂，将剩余粘 很小，故粉末微注射成形技术在粉末粒度及分布、模 结剂成分彻底去除，热脱脂工序的工艺路线示于 具设计与制造、注射及脱模等方面存在特殊性，条件 图2.随后在H2气氛下烧结，升温速率为10℃· 更加严格. min1,烧结温度为1260℃，保温1h. 本实验的粉末原料为羰基铁粉，其平均粒度为 700 2.3m,粒度分布合理，粉末的形状为球形或近球 600 形，其形貌如图1所示.可以看出，粉末的形状及粒 500 度分布较为合理，有利于粉末装载量的增加和烧结 E400 密度的提高，微注射成形用粘结剂采用石蜡基粘结 黄00 剂体系，为三种材料的混合物，其成分和配比如表1 200 所示.粉末的装载量确定为58%（体积分数） 100 100200300400500600 脱脂时间min 图2注射坯的热脱脂工艺 Fig-2 Thermal debinding process for the injection compact 1.3分析测试 采用S一250型电子扫描电镜观察粉末微注射 成形用粉末、纯铁齿轮的注射坯体以及烧结坯的形 貌，采用英国泰勒霍普森公司生产的Talysurf CCI A 2000三维非接触式白光干涉表面轮廓仪测量样品 图1实验用羰基铁粉的形貌 的表面粗糙度 Fig.1 Morphology of carbonyl iron powder 2结果与讨论 表1粉末微注射成形用粘结剂的成分（质量分数） Table 1 Components of the binder for PIM % 2.1微型齿轮注射坯体的制备 石蜡 硬脂酸 高密度聚乙烯 对于粉末微注射成形工艺，由于所选用的粉末 的 S 27 的粒度很小，其充型过程与传统粉末注射成形相比， 存在一定的复杂性，采用优化的注射参数，可以得 1.2纯铁微型齿轮的制备 到成形良好的注射坯，形状较复杂的齿轮，可以从 本实验采用具有自主知识产权的模具，安装于 多方面反映出注射过程的特点，图3所示为齿顶圆 传统注射机上，同时配备有加热和冷却系统，在注射 直径为700m,中心孔直径为120m的微型齿轮 时加热模具，注射后模具温度能迅速降低，保证注射 可以看出，齿轮的形状保持良好，齿形轮廓清晰，中 时注射喂料充分充满型腔，脱模时注射坯体有足够 心孔的圆度保持良好，边缘光滑.可见，实验中选取 的强度，模腔材料为单晶硅片，其上分布着齿顶圆 的微注射工艺参数基本合理， 直径小于1mm的微型齿轮型腔. 对比齿轮上各齿与中心孔的边缘可以看出，在 羰基铁粉与粘结剂混合物在双螺杆挤出机中混 部分齿的边缘，出现了边缘圆化，在图3所示的齿轮 合，以获得粉末均匀分布的喂料，混炼的温度为 上，圆化现象表现为两种形式，分别用a和b标示， 135℃，混炼周期为4次，喂料的颗粒尺寸小于 其中a处为阶梯状形貌，而b处为齿的高度平缓下 5mm,以保证注射时喂料熔融状态时均匀的流动 降，与图中上部的三个齿的形貌基本相同，结合实 性.注射的温度为165℃，压力为90MPa,模具的温 验结果分析，可以认为，上述两种形貌的形成原因有 度为110℃.启动模具的冷却系统，将模具温度降 所不同，对于a处的阶梯状形貌，原因有以下两点：1 试验方法 1∙1 粉末微注射成形用原料 粉末微注射成形技术的工艺流程与传统粉末注 射成形技术基本相同只是由于所制备零件的尺寸 很小故粉末微注射成形技术在粉末粒度及分布、模 具设计与制造、注射及脱模等方面存在特殊性条件 更加严格． 本实验的粉末原料为羰基铁粉其平均粒度为 2∙3μm粒度分布合理粉末的形状为球形或近球 形其形貌如图1所示．可以看出粉末的形状及粒 度分布较为合理有利于粉末装载量的增加和烧结 密度的提高．微注射成形用粘结剂采用石蜡基粘结 剂体系为三种材料的混合物其成分和配比如表1 所示．粉末的装载量确定为58％（体积分数）． 图1 实验用羰基铁粉的形貌 Fig．1 Morphology of carbonyl iron powder 表1 粉末微注射成形用粘结剂的成分（质量分数） Table1 Components of the binder for PIM ％ 石蜡 硬脂酸 高密度聚乙烯 63 10 27 1∙2 纯铁微型齿轮的制备 本实验采用具有自主知识产权的模具安装于 传统注射机上同时配备有加热和冷却系统在注射 时加热模具注射后模具温度能迅速降低保证注射 时注射喂料充分充满型腔脱模时注射坯体有足够 的强度．模腔材料为单晶硅片其上分布着齿顶圆 直径小于1mm 的微型齿轮型腔． 羰基铁粉与粘结剂混合物在双螺杆挤出机中混 合以获得粉末均匀分布的喂料混炼的温度为 135℃混炼周期为 4 次喂料的颗粒尺寸小于 5mm以保证注射时喂料熔融状态时均匀的流动 性．注射的温度为165℃压力为90MPa模具的温 度为110℃．启动模具的冷却系统将模具温度降 至室温后脱模．注射坯通过在25℃的三氯乙烯溶 液中浸没12h 的溶剂脱脂去除大部分的石蜡成 分在坯体表面制造出大量深入内部的小孔使其后 的热脱脂过程的挥发物得以毛细作用排出提高了 脱脂效率．然后在 H2 气氛下完成热脱脂将剩余粘 结剂成分彻底去除热脱脂工序的工艺路线示于 图2．随后在 H2 气氛下烧结升温速率为10℃· min —1烧结温度为1260℃保温1h． 图2 注射坯的热脱脂工艺 Fig．2 Thermal debinding process for the injection compact 1∙3 分析测试 采用 S—250型电子扫描电镜观察粉末微注射 成形用粉末、纯铁齿轮的注射坯体以及烧结坯的形 貌采用英国泰勒霍普森公司生产的 Talysurf CCI 2000三维非接触式白光干涉表面轮廓仪测量样品 的表面粗糙度． 2 结果与讨论 2∙1 微型齿轮注射坯体的制备 对于粉末微注射成形工艺由于所选用的粉末 的粒度很小其充型过程与传统粉末注射成形相比 存在一定的复杂性．采用优化的注射参数可以得 到成形良好的注射坯．形状较复杂的齿轮可以从 多方面反映出注射过程的特点．图3所示为齿顶圆 直径为700μm中心孔直径为120μm 的微型齿轮． 可以看出齿轮的形状保持良好齿形轮廓清晰中 心孔的圆度保持良好边缘光滑．可见实验中选取 的微注射工艺参数基本合理． 对比齿轮上各齿与中心孔的边缘可以看出在 部分齿的边缘出现了边缘圆化在图3所示的齿轮 上圆化现象表现为两种形式分别用 a 和 b 标示 其中 a 处为阶梯状形貌而 b 处为齿的高度平缓下 降与图中上部的三个齿的形貌基本相同．结合实 验结果分析可以认为上述两种形貌的形成原因有 所不同．对于 a 处的阶梯状形貌原因有以下两点： 第12期 尹海清等： 金属微型元器件的制备与性能检测 ·1429·