W-Ni-Fe重合金的注射成形工艺

金属注射成形(Metal Injection Molding,MIM)技术是近年来国际上发展最迅猛的一项新型粉末冶金近净成形技术。它的优势在于能够象成形塑料件一样一次直接成形各种复杂形状的金属零部件，并且由于是流体流动充填模腔成形，零件各部位密度均匀，不存在传统粉末冶金压制-烧结工艺(P/S—Press/Sinter)中不可避免的密度梯度现象。且由于废料可以重复利用，材料利用率几乎为100%[1.2]。

钨基重合金零件广泛应用于军工、医疗和科学实验器材等方面，随着技术的进步，各部门对钨基重合金零件形状的要求越来越复杂，加工难度越来越大，生产成本高。金属注射成形技术则可解决这一问题，由于钨粉粒度小，采用MIM工艺不需要增加粉末成本，较之低合金钢、不锈钢等材料的注射成形又具有独特的原材料成本优势。本研究利用注射成形方法制备了后弹心及拉伸试样，对工艺过程和材料性能进行了分析和测定。

1实验过程

1.1原料

金属粉末采用W粉、Ni粉、Fe粉，其中W,Ni,Fe的质量比为97:2:1。粘结剂以聚苯乙烯和聚丙烯为主，另外添加少量活性物质。原料粉末和粘结剂性能分别如表1、2所示。

1.2实验过程

首先将W,Ni,Fe粉在V型混料器上预混合8h,然后将粉末与粘结剂混炼4h,粉末装载量为47.8%(体积分数);喂料经过制粒后萃取除掉聚苯乙烯，淬取时间2～3h,溶剂温度50℃;然后进行干燥、热脱脂和预烧结，整个过程约2~3h;最后进入钼丝炉中于1530℃烧结2h。采用了该工艺制备了两种零件，一是美国MIM协会标准拉伸试样，一是双头手枪弹后弹心。

2结果

2.1喂料流变学性能

采用Instron 3211流变仪测定了喂料在不同温度和流变速率下的粘度值，毛细管直径为12.7mm,长度76.2mm,使压头速率变化，得到不同的负荷值，再换算成粘度，实验结果如表3所示。

2.2试样力学性能

将标准拉伸试样在Instron材料试验机上进行拉伸试验，得到的力学性能如表4所示。表4中同时列出了Rabin(4)采用P/S方法制得的97W-2.1Ni-0.9Fe试样的力学性能。

2.3注射成形坯密度分布

将图1所示的拉伸试样的成形坯分成三段，各段的密度测量结果如下图所示。

2.4注射成形坯尺寸变化

图2是形状较为复杂的后弹心半剖示意图，其尺寸变化如表5所示。

3讨论

3.1喂料流变学行为

假定MIM喂料属于假塑性体。假塑性体的粘度-剪切速率关系可以用下式表达。

求出7。作出粘度.剪切速率的双对数曲线(图3),可以看出3条不同温度条件下的曲线光滑并表现出很好的线性关系。通过拟合所得到的n值均在0.5左右。这既说明把喂料当作假塑性体处理是恰当的，也表明喂料是均匀的熔体。

由实验结果可以看出，喂料在剪切速率为1100s'时(接近于注射成形机的剪切速率).温度由170℃升至190℃(注射温度范围)粘度只由47.9Pa·s降至39.7Pa·s,表现了较为理想的稳定性，这对注射成形是有利的。

3.2与压制-烧结工艺材料力学性能的比较

尽管Rabin和German采用了复杂的烧结和热处理工艺，仅烧结气氛就交替使用了干氢、氩气和湿氢，其理论密度达到了99.5%以上，但含W为97%的合金的力学性能除其延性与MIM产品相当外，其强度要明显低于MIM产品。

钨基重合金的微观组织由粒状钨颗粒和网状分布的粘结相组成。钨颗粒与钨颗粒之间直接接触处是断裂源最易产生的地方[8]。因此，通过使粘结相均匀分布在钨颗粒周围，减少它们之间的直接接触，是提高合金性能的有效途。径，特别是对钨含量较高(>93%)的重合金更是如此。与传统粉末冶金工艺相比，MIM T.艺增加了混炼工艺，由于有机粘结剂和表面活性剂的加入，使得钨粉更加分散，消除了团聚现象。此外，这种混炼过程可消除干混工艺所存在的粉末密度偏聚，这样使粘结相的分布更加均匀(如图4所示),此外，注射成形过程几乎不存在压力梯度，产品密度分布均匀(图1),因此MIM产品的强度得到显著提高。

3.3产品的尺寸变化和收缩均匀性

由于在粉末中加入大量的粘结剂，使得成形坯烧结时收缩很大。在各向同性的情况下可由下式算出成形坯的收缩率：

式中  δ为收缩率；Lx为成形坯尺寸；L=为产品尺寸；V为喂料中粉末的装载量；p,为产品的相对密度。

如果烧结产品已全致密化，即pr=1,则由(6)式可得本实验生坯的收缩率应为21.89%。略大于本实验的测试值，这主要是由于pr<1的缘故。由此式可以推算出本实验烧结试验的相对密度为99.46%,这与本实验测试结果的99.41%相对密度是吻合的。

由上述对比结果和表5可见，注射成形产品烧结收缩基本上是各向同性的，这是由于成形坯中密度梯度小，烧结时各处均匀收缩。

4结论

(1)MIM工艺过程中，由于提高了粉末分布的均匀性，消除了成形坯的密度梯度，使得合金表现出较好的力学性能，所达到的性能分别为ob=936MPa,co.2=649MPa,δ=11.4%,HRC=31。

(2)MIM喂料的流变行为可用假塑性体来描述，线性度好的粘度-剪切速率的双对数曲线是喂料均匀性的反映。

(3)MIM工艺制得的重合金产品尺寸烧结收缩，基本上为各向同性，约为22%,烧结相对密度为99.4%,产品的尺寸偏差范围为±0.02mm。

论文引用信息：

中国有色金属学会第三届学术会议论文集

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钨镍铁合金（W-Ni-Fe）

钨镍铁合金是一种钨基重合金，属于粉末冶金材料，由钨（W）、镍（Ni）、铁（Fe）三种金属通过特定工艺制备而成。它结合了钨的高密度、高强度和镍铁粘结相的韧性，是工业领域的重要结构材料。

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