专利名称：一种用粉末微注射成形方法制备微型模具的方法
技术领域：
本发明涉及粉末冶金领域，特别是采用粉末微注射成形技术制备微米尺度形状复杂的微型模具的方法。
背景技术：
在微机电、通讯、光学、化学、微流体学等领域中，微型零件的需求量正逐年增加。目前主流微制造工艺包括体微加工、面微加工和LIGA技术，此外电子溅射加工(EDM)、衬底结合光刻技术也广泛应用于微机电系统的制造。这些技术都不能同时满足尺寸要求、规模化生产和低成本的要求，而粉末微注射成形提供了这种可能性，粉末微注射成形技术以容 易实现低成本大规模生产具有精密微细结构零件的优点成为世界制造技术的研究热点之一。粉末微注射成形技术始于20世纪80年代末，最早是德国IFAM研究所在传统粉末注射成形的基础上针对尺寸小到I μ m的零件所开发的一种成形技术，该技术是一种适合于低成本、大规模的制造尺寸微小且形状复杂的金属和陶瓷零部件的近净成形技术。目前制造微米尺度模具最普遍的材料就是硅。然而，由于硅非常脆，且耐磨性很差，在微型零件的制造过程中容易损坏，需要经常跟换，既增加的成本又降低了效率，且对微型零件的尺寸精度和表面质量都有不利影响，因此也限制了具有精密微细结构零件的生产。粉末微注射成形技术继承了粉末注射成形技术的一系列优点，如适应材料品种多、低成本、高效率、尺寸适应性好等。因此可选用硬质合金、氧化锆增韧陶瓷等具有高强度，高硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀，且具有一定韧性的材料。粉末微注射成形方法制备微型模具也存在很多困难，如粉末装载量和脱脂、烧结过程中工艺选择不当，都会引起变形、裂纹、鼓泡等缺陷。WC-Co硬质合金对碳含量的波动极为敏感，而粉末微注射成形过程中又引入大量有机粘结剂，因此给硬质合金的控碳和控制烧结尺寸精度都增加了难度。
发明内容
本发明目的是解决粉末微注射成形过程中采用高硬度材料粉末，由于引入大量有机粘结剂，造成高硬度材料的控碳和控制烧结尺寸精度难度大的问题。本发明以硬质合金粉末和氧化锆粉末为原料，采用粉末微注射成形技术制备微米尺度的形状复杂的微型模具。粘结剂采用蜡+高分子聚合物+表面活性剂组成的多组员粘结剂，将粉末与粘结剂按照装载量在混炼机上制备成均匀的喂料。将喂料在注射剂上注射出具有微型零件形状的模具注射坯，微模具注射坯在有机溶剂中经溶剂脱脂后在脱脂炉中进行热脱脂和预烧结，最后将预烧结坯在烧结炉中进行高温烧结，制备出高性能的微型模具。
本发明所采用方案的具体步骤如下
(O制备蜡基多组元粘结剂，粘结剂各组元构成及各组元的质量百分含量为蜡为石蜡、微晶蜡、蜂蜡或棕榈蜡，共占5(Γ75%，高分子聚合物为高密度聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯，共占24 35被.％，表面活性剂为硬脂酸、钛酸酯、丁基硬脂酸脂或含脂的油酸，共占ri5wt. %。搅拌均匀使各组元充分混合均匀；
(2 )将高硬度材料粉末与粘结剂在混炼机上混合均匀，混炼机的加热温度为10(T200°C，制成粉末装载量为40vol. 9T58vol. %的均匀喂料，即高硬度材料粉末含量为40νο1. °/Γ58νο1. % ;高硬度材料为硬质合金或陶瓷材料,粉末的特征为近球形等轴颗粒，粒径小于15//m，颗粒致密、内部无空洞、表面干净；
(3)将喂料在注射机上注射，得到微型模具的注射坯；
(4)将微型模具的注射坯浸泡在有机溶剂中进行溶剂脱脂，溶剂脱脂的溶剂温度为(T40°C，脱脂时间为4 15h;
(5)将溶剂脱脂坯在热脱脂炉和烧结炉中进行热脱脂和预烧结，在600°C下采用两步保温来脱除溶剂脱脂坯中残留的粘结剂，第一步在18(T30(TC之间保温6(Tl20min，第二步在41(T50(TC之间保温6(Tl20min根据不同的粉末来制定相应的预烧结温度和保温时间。预烧结温度为600°C 1000°C，保温时间为30-120分钟。步骤(2)中陶瓷材料为Al2O3或ZrO2和Y2O3的混合物等。步骤(3)中将喂料在注射机上注射，在动模上安装具有微型零件形状的凸模，注射得到的坯体即具有微型零件形状的凹模，且此微型模具不仅可以作为粉末微注射成形工艺的模具，也可作为粉末压制等其他微型零件的粉末冶金成形工艺的模具。本发明的优点表现在
(I)本发明所采用的材料制备的微型模具具有耐磨性好，硬度高，强度高的优点。(2)本发明采用粉末微注射成形的方法制备微型模具，相比其他微型模具的制备方法具有适应材料品种多、低成本、高效率、尺寸适应性好的优点。
具体实施例方式 实例I:
(1)按质量百分配比(以IOOg粘结剂为例)称取各粘结剂组元质量
组元I石蜡I高密度聚乙烯I硬脂酸
质量(g) |63 \27IlO
将三种组元均匀混合制成粘结剂；
(2)根据粉末装载量(如54%)称取1000gWC-8Co硬质合金粉末和56.68g粘结剂，将粉末和粘结剂在混炼机上混炼lh，得到混合均匀的喂料；
(3)将喂料在注射剂上注射出具有微型零件形状的微模具注射坯，注射参数为注射压力为90MPa，注射温度为160°C，保压压力为60MPa，保压时间为ls，模具温度为60°C ；
(4)将微模具注射坯在三氯乙烯中进行溶脱，脱脂温度为25°C，脱脂时间为6-10h；
(5)将微模具脱脂坯在热脱脂炉中进行热脱脂和预烧结，采用N2为保护气氛，具体工艺
为、 (6)将预烧结坯在真空烧结炉中进行高温烧结，真空度为KT1Pa,烧结温度为1350-1450°C，烧结时间为lh。
实例 2:
(O 按质量百分配比(以IOOg粘结剂为例)称取各粘结剂组元质量
组元I石蜡I高密度聚乙烯I硬脂酸
质量(g) |60 丨30IlO -
将三种组元均匀混合制成粘结剂；
(2)根据粉末装载量(如46%)称取500g Zr02-3mol%Y203陶瓷粉末和89. 29g粘结
齐U，在混炼机上混炼I. 5h，得到混合均匀的喂料；
(3)将喂料在注射剂上注射出具有微型零件形状的微模具注射坯，注射参数为注射压力为lOOMPa，注射温度为150°C，保压压力为60MPa，保压时间为ls，模具温度为80°C ；
(4)将微模具注射坯在三氯乙烯中进行溶脱，脱脂温度为25°C，脱脂时间为4h；`
(5)将溶脱坯在热脱脂炉中进行热脱脂和预烧结，热脱脂和烧结工艺为
(6)将预烧结坯在管式烧结炉中进行高温烧结，烧结温度为1350-1550°C，烧结时间为l_2h。
权利要求
1.一种用粉末微注射成形的方法制备微型模具的方法，其特征在于 (1)蜡基多组元粘结剂，粘结剂各组元构成及各组元的质量百分含量为蜡为石蜡、微晶蜡、蜂蜡或棕榈蜡，共占5(Γ75%，高分子聚合物为高密度聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯，共占2r35wt. %，表面活性剂为硬脂酸、钛酸酯、丁基硬脂酸脂或含脂的油酸，共占f 15wt. % ;搅拌均匀使各组元充分混合均匀； (2)将高硬度材料粉末与粘结剂在混炼机上混合均匀，混炼机的加热温度为10(T200°C，制成粉末装载量为50vol. 9T58vol. %的均匀喂料，即高硬度材料粉末含量为50νο1.9Γ58νο1. % ;高硬度材料为硬质合金或硬质合金或陶瓷材料，粉末的特征为近球形等轴颗粒，粒径小于5//m，颗粒致密、内部无空洞、表面干净； (3)将喂料在注射机上注射，得到微型模具的注射坯； (4)将微型模具的注射坯浸泡在有机溶剂中进行溶剂脱脂，溶剂脱脂的溶剂温度为(T40°C，脱脂时间为4 15h; (5)将溶剂脱脂坯在热脱脂炉和烧结炉中进行热脱脂和预烧结，在600°C下采用两步保温来脱除溶剂脱脂坯中残留的粘结剂，根据不同的粉末来制定相应的预烧结温度和保温时间，预烧结温度为600°C 1000°C，保温时间为30-120分钟。
2.根据权利要求I所述的微型模具的制备方法，其特征在于步骤(3)中将喂料在注射机上注射，在动模上安装具有微型零件形状的凸模，注射得到的坯体即具有微型零件形状的凹模，且此微型模具不仅可以作为粉末微注射成形工艺的模具，也可作为粉末压制等其他微型零件的粉末冶金成形工艺的模具。
3.根据权利要求I所述的微型模具的制备方法，其特征在于步骤(5)的热脱脂工艺采用两步保温的方法，分别是第一步在18(T300°C之间保温6(Tl20min，第二步在41(T550°C之间保温6(Tl20min。
4.根据权利要求I所述的微型模具的制备方法，其特征在于步骤(2)中陶瓷材料为Al2O3或ZrO2和Y2O3的混合物。
全文摘要
一种用粉末微注射成形的方法制备微型模具的方法，本发明采用高硬度材料粉末与蜡基多组分粘结剂混合制备成均匀喂料，将喂料在注射成形机上注射得到具有微型零件形状的微模具的注射坯，注射坯经溶剂脱脂后在脱脂炉中进行热脱脂和预烧结，最后将预烧结的试样进行高温烧结，得到形状保持良好的微型模具。本发明能够制造出微米尺度的形状复杂的微型模具，模具具有高硬度、高耐磨性、低导热系数等特点，能够很好地满足微型零件的批量生产。
文档编号B22F1/00GK102717081SQ20121020347
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者刘烨, 尹海清, 易善杰, 曲选辉, 童锦燕, 许慧 申请人:北京科技大学