一種粉末注塑成型的兩段式脫脂方法與流程

2024-02-20 14:54:15

本發明屬於粉末注塑成型製程技術領域，具體涉及一種粉末注塑成型的兩段式脫脂方法。

背景技術：

近幾年，粉末注塑成型工藝在3c產品如手機及穿戴式產品等領域受到終端客戶的大量運用。粉末注塑成型工藝包括四個階段：混煉、成型、脫脂和燒結，其中，脫脂是粉末注塑成型工藝中最複雜、最重要的環節。目前最主要的脫脂方式有熱脫脂、溶劑脫脂和催化脫脂，在脫脂過程中經常產生很多缺陷，並且脫脂階段產生的缺陷不能在燒結階段消除，催化脫脂具有脫脂缺陷少、脫脂速率快等優點，因此，催化脫脂在國內已成為主要的脫脂方式。

cn102554234a公開了一種金屬注塑成型結構件的加工方法及其支撐治具，其熱脫脂工序；脫脂時間為20小時～30小時，溫度為200℃～500℃，分3到4級逐級提高溫度，從成型坯件中脫出30％～50％的粘接劑，在高溫條件下，粘接劑部分揮發，使成型坯件形成部分通孔狀，得到脫脂坯件，該發明的脫脂溫度高，脫脂反應過快，坯體內產生氣壓過大，容易出現脫脂缺陷，並且溫度太高易使坯體變形及高分子完全去除後胚體無強度。

催化脫脂程序一般依basf提供的脫脂條件來進行脫脂，其建議最高的脫脂溫度為145℃，脫脂速率為1mm/h×產品厚度，而酸脫脫脂率依不同粉體的粒徑、外型分布在7.0～10.2％，所以當成型胚體經過催化脫脂製程後，大概80～95％的pom已脫除，只剩下5～20％的高分子材料零散分布在粉體表面，因此造成脫脂胚體強度驟減，不利於短距離或長距離的輸送處理，因此如何解決當前缺點是非常有必要的。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種粉末注塑成型的兩段式脫脂方法，製得的脫脂胚的強度高，便於運輸，同時可以改善高溫燒結產品變形的問題，可增加產品密度。

為達此目的，本發明採用以下技術方案：

一種粉末注塑成型的兩段式脫脂方法，所述兩段式脫脂方法包括低溫脫脂段和高溫強化段，所述低溫脫脂段的溫度為40～145℃，所述高溫強化段的溫度為150～200℃。其中，低溫脫脂段的溫度又分為溶劑脫脂和催化脫脂的低溫脫脂段的脫脂溫度：溶劑脫脂的低溫脫脂段的脫脂溫度為40～100℃，催化脫脂的低溫脫脂段的脫脂溫度為85～145℃。

前段低溫脫脂可以增加脫脂效率，降低因成型應力所造成的部份裂痕；後段高溫強化段可以增加脫脂後胚體強度，以利於運輸過程中碰撞傷所造成的凹陷、缺料及擦傷等不良，縮短粉體間的距離，增加燒結的緻密度，同時改善部份燒結變形，增加產品密度。

脫脂是通過加熱及其它物理方法將成型體內的有機物排除並產生少量燒結的過程。脫脂方式可分為催化脫脂和溶劑脫脂，本發明所述兩段式脫脂方法中的低溫脫脂和所述高溫強化段的脫脂適用於催化脫脂或溶劑脫脂，即本發明的兩段式脫脂方法適用於蠟基系統的溶劑脫脂方式和塑基系統的催化脫脂方式，兩個脫脂方式的高溫強化段作用原理是一樣的，雖然依照餵料內部高分子使材料成份及量的差異，製得的脫脂胚體的強度會有差異，但總體仍比傳統分散方式的強度好很多。

催化脫脂的原理是利用一種催化劑把有機載體分子分解為較小的可揮發的分子，這些分子比其他脫脂過程中的有機載體分子有較高的蒸汽壓，能迅速地擴散出坯體。催化脫脂工藝所採用的粘結劑體系一般是由聚醛樹脂和起穩定作用的添加劑組成。聚醛基體系由於極性高和粉體之間的相容性好，成型坯體強度高。在酸蒸汽的催化作用下，聚醛類的解聚反應一般在110～150℃之間快速進行，反應產物是氣態甲醛單體。此反應溫度低於聚甲醛樹脂的熔點，以防止液相生成。這樣就避免了熱脫脂過程中由於生成液相而導致生坯軟化，或由於重力、內應力或粘性流動影響而產生的變形和缺陷。氣態酸不透過粘結劑，反應只是在氣體和粘結劑的界面上進行。氣體的擴散限制在已形成的多孔外殼上，在生坯內部不會形成壓力。本發明所述的催化脫脂工藝，採用聚甲醛(pom)作為主粘結劑，聚丙烯、聚乙烯等作為輔助材料，在酸性氣氛中快速催化分解為甲醛，酸性氣氛可以為硝酸、草酸氣體，能達到快速脫除粘結劑的效果，在整個脫脂過程中不會產生液相，從而避免了變形、坍塌等脫脂缺陷的產生。

溶劑脫脂首先是溶劑分子擴散進入成型坯，然後粘結劑溶解於溶劑中形成粘結劑-溶劑溶體，粘結劑分子在成型坯內通過粘結劑-溶劑溶體擴散至成型坯表面，擴散到成型坯表面的粘結劑分子脫離成型坯進入溶劑溶液中。溶劑脫脂的特點是效率高，脫脂時間短，同時，由於其中聚合物不溶解，脫脂時仍可保持坯體不變形。本發明所述的脫脂工藝，採用石蠟系(wax)作為主粘結劑，聚甲醛、聚丙烯、聚乙烯等材料為輔助材料，以丙酮、石化劑、氯仿等為溶劑，隨著溫度的增加石蠟溶解在丙酮、石化劑、氯仿等溶劑內的量及速率也增加。

本發明中，在溶劑脫脂製程中的所述溶劑脫脂的低溫脫脂段的脫脂溫度為40～100℃，例如脫脂溫度為40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃，脫脂時間依產品厚度以0.2～0.7mm/h×產品厚度來計算，例如脫脂時間為0.2mm/h×產品厚度、0.3mm/h×產品厚度、0.4mm/h×產品厚度、0.5mm/h×產品厚度、0.6mm/h×產品厚度、0.7mm/h×產品厚度。

催化脫脂製程中的低溫脫脂可以減少高分子因熱漲冷縮效果及成型應力造成生胚產品的裂痕產生，導致燒結後產品的開裂。所述催化脫脂的低溫脫脂段的脫脂溫度為85～145℃，例如脫脂溫度為85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、140℃、145℃，脫脂時間依產品厚度以0.7～1.5mm/h×產品厚度來計算，例如脫脂時間為0.7mm/h×產品厚度、0.8mm/h×產品厚度、0.9mm/h×產品厚度、1mm/h×產品厚度、1.1mm/h×產品厚度、1.2mm/h×產品厚度、1.3mm/h×產品厚度、1.4mm/h×產品厚度、1.5mm/h×產品厚度。

所述高溫強化段的強化溫度為150～200℃，例如強化溫度為150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃，強化時間為60～120min，例如強化時間為60min、70min、80min、90min、100min、110min、120min。優選地，所述高溫強化段的脫脂溫度為160～170℃，例如160℃、161℃、162℃、163℃、164℃、165℃、166℃、167℃、168℃、139℃、170℃，強化時間為90min。本發明所述的高溫強化段同時適用於溶劑脫脂和催化脫脂這兩個不同的脫脂系統。

所述粉末包括金屬粉末和陶瓷粉末。

本發明的一種粉末注塑成型的兩段式脫脂方法，將此兩段式脫脂方法引入了粉末注塑成型工藝，結合低溫脫脂的優異效率以及高溫強化效果，可以得到性能優異的脫脂胚體(褐胚)。

作為優選方案，本發明的粉末注塑成型的兩段式脫脂方法，包括如下步驟：將粉末與粘結劑混煉成蠟基餵料，經注塑成型製成坯件後，將坯件浸泡於40～100℃的溶劑內20～24小時，冷卻風乾後得到脫脂胚體，再將脫脂胚體置於烘箱中加熱升溫至150～200℃保溫60～120min，冷卻後得到強化的脫脂胚體。

作為另一個優選方案，本發明的粉末注塑成型的兩段式脫脂方法，包括如下步驟：將粉末與粘結劑混煉成塑基餵料，經注塑成型製成坯件，開啟注酸系統將坯件於85～145℃溫度下催化脫脂，脫脂時間依產品厚度以0.7～1.5mm/h×產品厚度來計算，關閉注酸系統後，升溫至150～200℃保溫60～120min，冷卻後得到強化的脫脂胚體。

本發明的另一個目的還在於提供一種如上所述的兩段式脫脂方法製備得到的脫脂胚體，其強度高、產品密度大，便於運輸。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

(1)本發明的低溫脫脂段，低溫燒結可以降低因熱漲冷縮及成型應力所造成的褐胚開裂所致的燒結產品開裂，提高了脫脂效率。

(2)本發明的高溫強化段，可以有效將剩餘的高分子均布在粉體表面形成有強度的胚體，胚體可以承受高於傳統方式2.5倍以上的荷重，同時起到保護作用，避免粉體與空氣中水分子接觸，並因高分子流體的毛細作用力縮短粉體與粉體間距離，最大可縮短的距離為0.06mm，有利於後續燒結密度的提升。

(3)本發明將一種粉末注塑成型的兩段式脫脂方法應用於粉末注射成型工藝中，有利於延長脫脂胚的儲存時間，便於長途運輸。

附圖說明

圖1為本發明的粉末注塑成型的兩段式脫脂方法的催化脫脂程序示意圖。

圖2為本發明的粉末注塑成型的兩段式脫脂方法中高溫強化段的原理示意圖。

具體實施方式

下面結合圖1、圖2並通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。

圖1為本發明的催化脫脂程序示意圖。圖中分為兩段：低溫脫脂段及高溫強化段。其中，低溫脫脂的溫度範圍85～145℃，硝酸的汽化溫度約85℃，隨著脫脂溫度的增加，腔體內的汽體分子鍵變長濃度降低但活性增加，低溫脫脂可以使硝酸濃度最高、脫脂效率最高，同時因低溫高分子的熱膨脹應力較低，不會與成型應力形成累加效果而造成脫脂胚體裂痕產生或開裂，但考慮硝酸液體具有腐蝕性問題，為安全起見，優選的脫脂溫度在90～115℃；其脫脂時間依產品大小有差異，一般以0.5～1.5mm/h×產品厚度為範圍，優選的脫脂時間為0.7～0.8mm/h×產品厚度。而高溫強化段的強化溫度設計主要是依照常用高分子熔點來考慮，大部份的高分子在150～200℃都能熔成液體，強化時間以60～120min來計算，優選的強化溫度是160～170℃，進一步優選的強化時間是90min。

圖2為本發明的兩段式脫脂方法中高溫強化段的原理示意圖。由圖中可知，高分子中除80～95％的pom主體外，還有5～20％的高分子均勻分布在粉體表面。當主體pom被脫除後，這些剩餘的高分子成不規則且孤島狀的分布在粉體表面，無法提供胚體強度，這也是傳統方法中製得的一般胚體經過脫脂製程後胚體呈現低強度的主要原因，因此長途搬運甚至短程搬運都無法實現，導致褐胚的碰撞傷所引起的產品凹陷及刮傷甚至造成內應力。因此，最後階段將溫度提高至所用高分子材料的熔點以上即150～200℃，這些孤立的高分子熔融後順著粉體間的毛細力作用而披覆在粉體表面，同時拉近粉體與粉體間的距離，形成一連續性的高分子薄膜，此連續薄膜形成後具有一定強度，且保護粉體表面避免與空氣中水分子接觸反應形成氧化層。

實施例一

使用模具放大率(osf)1.165的316l塑基餵料，分別比較傳統的單段脫脂及兩段式脫脂數據。傳統方式以145℃脫脂四小時後，關閉注酸系統後直接降溫至25℃。而兩段式脫脂方式以115℃低溫脫脂四小時，關閉注酸系統後，直接再升溫至160℃持溫90分鐘。比較兩種產品特性有下列數據：二段式的胚體可以承受高於傳統方式3倍的荷重，且其尺寸有微量縮小0.02～0.05mm，表示粉體間的距離有縮短且堆棧的更緻密。隨著高溫區溫度的提高，胚體中的其餘較高熔點的高分子再度熔化，使得包覆性更好且包覆的材料強度更大，所以其胚體強度增加。由本實施例的數據及實驗結果顯示，兩段式脫脂方式確實比傳統單段脫脂有利於生產。

實施例二

使用模具放大率(osf)1.185的316l蠟基餵料，分別比較傳統的單段脫脂及兩段式脫脂數據。傳統方式將樣品浸泡在30～60℃的溶劑內20～24小時後，風乾後即成脫脂胚。而兩段式脫脂方式是在傳統方式下增加一道高溫強化段將溫度升至170℃持溫120分鐘以輔助高分子熔化後包覆在粉體表面增加其強度。二段式的胚體可以承受高於傳統方式2.5倍的荷重，且其尺寸有微量縮小0.03～0.06mm，表示粉體間的距離有縮短且堆棧的更緻密。隨著高溫區溫度的提高，胚體中的其餘較高熔點的高分子再度熔化，使得包覆性更好且包覆的材料強度更大，所以其胚體強度增加。同樣，由本實施例的數據及實驗結果顯示，兩段式脫脂方式比傳統單段脫脂更有利於生產。

本發明的粉末注塑成型的兩段式脫脂方法，通過低溫脫脂段和高溫強化段兩段式脫脂，將此兩段式脫脂方法引入了粉末注塑成型工藝，結合低溫脫脂的優異效率以及高溫強化效果，可以得到性能優異的脫脂胚體，有利於生產結構複雜、性能優異、精度要求高的零部件，增加了粉末注塑成型的應用面。

申請人聲明，本發明通過上述實施例來說明本發明的詳細工藝設備和工藝流程，但本發明並不局限於上述詳細工藝設備和工藝流程，即不意味著本發明必須依賴上述詳細工藝設備和工藝流程才能實施。所屬技術領域的技術人員應該明了，對本發明的任何改進，對本發明產品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護範圍和公開範圍之內。