[发明专利]一种用粉末微注射成形方法制备微型模具的方法

说明书

 

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1μm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：

（1）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50~75%，高分子聚合物为高密度聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯，共占24~35wt.%，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1~15wt.%。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100~200℃，制成粉末装载量为40vol.%~58vol.%的均匀喂料，即高硬度材料粉末含量为40vol.%~58vol.%；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15μm，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0~40℃，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℃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180~300℃之间保温60~120min，第二步在410~500℃之间保温60~120min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℃~1000℃，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：

（1）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。