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聚甲醛为什么能用作金属粉末冶金MIM粘结剂?

MIM全名为金属粉末注射成型,MIM是一种将金属粉末与其粘结剂的增塑混合料注射于模型中的成形方法。今天的故事从PIM开始,PIM全名为粉末注塑成型,它包括金属粉末注射成型(MIM)、陶瓷粉末注射成型(CIM)等。


一、最初的粘结剂都有哪些?

在PIM的发展初期,原料的配方并不是很复杂。任何一个配料工程师都可以去杂货店购买一些石蜡和汽车抛光润滑剂,再添加一些花生油,融化某些塑料(如三明治包装袋),便可以发明一种秘密的粘结剂;然后,添加足够小的固体颗粒,粉末射料就诞生了。事实上,从1940年开始,第一项专利公开了使用樟脑丸、虫胶、环氧树脂和粘合剂的纤维素,并以水作为混合溶剂。


图:生坯龟裂现象(左)和横截面有裂纹(放大效果,右)

这些自制的射料系统工作的似乎很好﹐射料很容填充到简单造型的模具。因此,在90年代后期,有近300家PIM工厂在世界各地运转。然而,真正的问题慢慢显现出来,如何解决以下4个问题成了PIM的关键!

1.缺陷控制:如何才能消除熔接痕,裂缝,空洞,和其他缺陷?

2.提高制程良率:当你成形良率仅有80%的时候,很难有利可图。

3.尺寸控制:尽可能做到同样大小、同样形状的产品。

4.碳控制:粘合助剂很容易污染产品,所以很难达到可热处理钢的碳含量特定的要求;因此,即使在今天,低碳不锈钢很难以PIM做出来。


二、PIM选择粘结剂的标准有哪些?

通过长时间的探索,人们发现选好粘接剂是PIM的关键因素。粉末注射成型(PIM)的粘结剂应该至少满足一下5个条件:

1.在成型温度下,助剂通常是一种短的聚合物填料﹐有较低的粘度

2.在加热过程中,要有主链聚合物使生坯维持形状不变

3.分子量较小,避免残留应力变形,方便与固体粉末表面结合;

4.固体粉体表面可以确保与助剂有良好的润湿性,使之结合性好而不容易分离;

5.价格不贵、环保、吸水率低。


三、MIM如何选择粘结剂?

我们最开始讲过,PIM包括MIM,PIM选择粘接剂时所需的条件MIM一般也要满足。除此之外,MIM还需要考虑其他问题,如生锈的问题等。


图:随着产品尺寸越来越小,粘结剂的稳定性也越来越重要

1.水溶性粘结助剂可以使用吗?

MIM在脱脂的时候,水溶性粘结助剂如聚乙二醇或聚乙烯醇,可溶解在温水中便于移除。尽管它们非常有吸引力,因为成本低、环境影响最小,但在MIM中不能使用。

主要原因有二:

a.水溶性粘结助剂易从空气中吸收水分,从固体变为橡胶态,影响尺寸稳定性;

b.钢铁粉末易生锈。

2.为什么POM可以用作粘结剂?

图:聚甲醛分子式



a.从化学结构分析:主链为碳氧原子交替结构,具有一定的极性,能和金属粉末表面充分接触;侧链为氢原子,空间阻碍小,主链的规整性强,故POM结晶度高,一般在70%以上,低粘度和具备维持生坯形状的能力,这两种特性估计只能用结晶来调和了。


图:POM由于具有良好的自润滑性,可用来制作齿轮

b.从分子量分析:POM聚合度不高,受热易解聚。POM分子量较小,粘度小,保证尽可能少的粘结剂即能满足注射成型条件,此外,较小的分子量使之容易从生坯中脱除,且不易产生残留应力;结晶度高,POM具有很好的自润滑性。

c.最后,POM为热塑性材料,不良品可以回收利用,从另一个方面降低了成本。


本文部分内容节选R.M. Greman先生的文章《Powders, binders and feedstocks for powder injection molding》,邱耀弘先生翻译。



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