用于数控刀片注射成型的粘结剂及喂料制备方法与流程

本发明涉及硬质合金注射成型技术领域，具体涉及一种用于数控刀片注射成型的粘结剂及喂料制备方法。

背景技术：

超细硬质合金，是由小于0.3um的碳化钨或其他碳化物粉末与钴黏结相组成的硬质合金，其具有高强度、高硬度及耐磨等性能。基于超细硬质合金的高强度、高硬度及耐磨性能，其被广泛应用于数控加工设备的刀片制备。然而，随着科学技术的发展，数控刀片的结构越来越复杂，采用传统的模压成形技术难以制备出复杂形状的刀片。

为此，出现了一种将高分子注射成型与粉末冶金相结合的粉末注射成型(powderinjectionmolding，pim)技术，目前用于超细硬质合金注射成型的粘结剂以蜡基粘结剂为主。该粉末注射成型技术适合制造几何形状复杂、组织结构均匀的粉末冶金产品，为生产形状复杂的超细硬质合金数控刀片产品提供了新的思路。但是，由于超细硬质合金粉末的粒径较小(一般在0.5um以下)，形状不规则，其真实密度只有理论密度的30％-40％，导致了数控刀片的喂料存在粉末装载量小及流变性差等缺陷。另外，由于超细硬质合金的颗粒细小，比表面积大，导致了数控刀片的喂料存在容易被氧化的缺陷，而粘结剂对于被氧化的金属粉末的润湿性较差且粘附力低，在混炼过程中容易出现金属粉末与粘结剂的分离，进而引起密度不均匀、分层及夹心等缺陷。

然而，传统的蜡基粘结剂中的石蜡比例较高，导致其粘度较低；同时，由于石蜡强度较低，导致其凝缩时收缩较大，存在注塑坯强度低、异形件生产过程中掉缺、产品精度控制困难、注塑坯密度不均匀等问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提出一种用于数控刀片注射成型的粘结剂，以解决利用超细硬质合金注射成型的数控刀片存在的质量缺陷的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种用于数控刀片注射成型的粘结剂，该粘结剂由工业石蜡、微晶蜡、高密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和硬脂酸混合组成，各组分的重量百分比如下：工业石蜡30-60％、微晶蜡5-20％、高密度聚乙烯10-35％、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物1-15％和硬脂酸1-10％。

优选地，所述各组分的重量百分比为工业石蜡45％、微晶蜡15％、高密度聚乙烯30％、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物5％和硬脂酸5％。

本发明进一步提出一种用于数控刀片注射成型的喂料制备方法，所述喂料由超细硬质合金制成的金属粉末和上述的粘结剂组成，所述金属粉末和粘结剂的重量百分比如下：金属粉末94％-96％和粘结剂4％-6％；所述用于数控刀片注射成型的喂料制备方法包括：

(1)配料：按照所述金属粉末和粘结剂的重量百分比，分别称量金属粉末和粘结剂；

(2)混炼：将金属粉末加入混合机的混炼桶内进行预热，预热预设时间后，加入粘结剂进行充分混合，以制得原料混合物；

(3)挤出：将所述原料混合物放入挤出机中挤出，以获得注塑坯；

(4)在所述注塑坯冷却后进行破碎处理，以获得所述喂料。

优选地，所述金属粉末包括粒度小于0.5um的碳化钨粉末和粒度小于1.0um的球形钴粉，所述喂料制备方法还包括：对碳化钨粉末和球形钴粉进行混匀处理，混匀后进行过筛、干燥及再过筛处理，以获得所述金属粉末。

优选地，所述对碳化钨粉末和球形钴粉进行混匀处理的步骤包括：将称量好的碳化钨粉末和球形钴粉倒入球磨机的罐体内，并加入预设量的无水乙醇，对所述碳化钨粉末和球形钴粉进行球磨。

优选地，所述无水乙醇与金属粉末的重量比为(0.2～0.6):1，所述球磨机的研磨体与金属粉末的重量比为(3～10):1。

优选地，所述球磨机的磨球的直径为5～7mm的硬质合金球，所述对所述碳化钨粉末和球形钴粉进行球磨的步骤包括：控制所述球磨机的转速为50～150r/min，所述球磨机的球磨时间为50～100h。

优选地，所述挤出机为双螺杆挤出机。

优选地，所述粘结剂与金属粉末的混炼温度为110℃～140℃。

优选地，所述将金属粉末加入混合机的混炼桶内进行预热，预热预设时间后，加入粘结剂进行充分混合，以制得原料混合物的步骤包括：当所述金属粉末的温度达到55～65℃时，加入粘结剂，升温并调整所述混合机的转速至200r/min；当所述金属粉末和粘结剂的温度达到105～115℃时，升温并调整所述混合机的转速至400r/min；当所述金属粉末和粘结剂的温度达到135～145℃时，且金属粉末与粘结剂充分混合后，所述混合机停止转动和加热，以制得原料混合物。

本发明技术方案的有益效果在于：本发明所提出的粘结剂相较于传统的硬质合金用蜡基粘结剂，其成分和比例均有所变动，使得金属粉末的装载量得到保证，同时，改善了注塑坯的强度低及密度不均匀等缺陷。

附图说明

图1为本发明用于数控刀片注射成型的喂料制备方法一实施例的流程示意图；

图2为本发明用于数控刀片注射成型的喂料制备方法另一实施例的流程示意图；

图3为本发明用于数控刀片注射成型的喂料制备方法又一实施例的流程示意图；

图4为本发明用于数控刀片注射成型的喂料制备方法再一实施例的流程示意图；

图5为通过本发明方法制造出的数控刀片的注塑坯的示意图；

图6为通过本发明方法制造出的数控刀片的烧结坯的示意图；

图7为使用传统硬质合金粘结剂制备的数控刀片的注塑坯的刀尖部的放大示意图；

图8为使用传统硬质合金粘结剂制备的数控刀片的注塑坯萃取后的刀尖部的放大示意图；

图9为使用传统硬质合金粘结剂制备的数控刀片的烧结坯的刀尖部的放大示意图；

图10为通过本发明方法制造出的数控刀片的注塑坯的刀尖部的放大示意图；

图11为通过本发明方法制造出的数控刀片的注塑坯萃取后的刀尖部的放大示意图；

图12为通过本发明方法制造出的数控刀片的烧结坯的刀尖部的放大示意图；

图13使用传统硬质合金粘结剂制备的数控刀片萃取后的断面示意图；

图14为过本发明方法制造出的数控刀片的注塑坯萃取后的断面示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决上述技术问题，本发明提出一种用于数控刀片注射成型的粘结剂，该粘结剂属于蜡基粘结剂，但在传统的硬质合金用的蜡基粘结剂的基础上进行了成分和比例的改进，其中，该粘结剂的高低熔点组分均由多种成分构成。

在本发明实施例中，粘结剂由工业石蜡、微晶蜡、高密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和硬脂酸混合组成，各组分的重量百分比如下：工业石蜡30-60％、微晶蜡5-20％、高密度聚乙烯10-35％、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物1-15％和硬脂酸1-10％。

具体的，本发明所提出的粘结剂，其在低熔点组分设计上注重收缩特性的配合、溶剂脱脂的速度差异、溶剂的低温脱除和综合粉末装载量。该粘结剂与传统硬质合金用蜡基粘结剂相比，低熔点组分仍以石蜡为主体，但是加入了一定比例的微晶蜡。其中，微晶蜡与石蜡配合，一方面可以保证粘结剂的粉末装载量，另一方面可以减少石蜡凝固时的收缩、提高粘结剂分散均匀性和注塑坯强度。而在高熔点组分设计上则注重高的注塑坯强度、热分解温度梯度分布、低的残碳和残氧。高熔点组分选择高密度聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，两者的分解温度存在梯度分布，有利于分步脱除，能够保证注塑坯体的强度要求，并且两者分解产物残碳量和和残氧量均较小。另外，选用硬脂酸作为表面活性剂，能够改善粘结剂与金属粉末的润湿性，以保证混料的均匀性，从而避免两相分离。

在本发明一具体实施例中，各组分的重量百分比为工业石蜡45％、微晶蜡15％、高密度聚乙烯30％、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物5％和硬脂酸5％。具体的，对应称取一定量的工业石蜡、微晶蜡、高密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和硬脂酸，加入反应容器内，同时，倒入一定量的水进行搅拌，以制得用于数控刀片注射成型的粘结剂。

本发明进一步提出一种用于数控刀片注射成型的喂料制备方法，其中，喂料由超细硬质合金制成的金属粉末和上述提及的粘结剂组成，而金属粉末和粘结剂的重量百分比如下：金属粉末94％-96％和粘结剂4％-6％。参见图1，本发明所提出的数控刀片的喂料的制备方法包括：

步骤s10，按照金属粉末和粘结剂的重量百分比，分别称量金属粉末和粘结剂；其中，金属粉末为小于0.3um的碳化物粉末与钴黏结相组成的硬质合金。

步骤s20，将金属粉末加入混合机的混炼桶内进行预热，预热预设时间后，加入粘结剂进行充分混合，以制得原料混合物；其中，混合机是一种利用机械力和重力等，将两种或两种以上物料均匀混合的机械设备，本发明优先选择高速混合机对金属粉末进行混合。

步骤s30，将所述原料混合物放入挤出机中挤出，以获得注塑坯；其中，挤出机是一种依靠螺杆旋转产生的压力及剪切力，使得物料充分塑化以及均匀混合，并通过口模成型的机械设备。

步骤s40，在所述注塑坯冷却后进行破碎处理，以获得所述喂料。

在上述实施例中，金属粉末由粒度小于0.5um的超细碳化钨粉末和粒度小于1.0um的球形钴粉组成。本发明所提出的粘结剂，其与金属粉末的相容性好，尤其是与微米级的co粉和超细wc粉末混合良好，具有制造成本低、制备工艺简单和操作性强等特点。另外，本发明所提出的喂料的制备方法所用的粘结剂的装载量较高，其对于平均粒径小于0.5um的碳化钨粉末的装载量可达60％以上。参见图2，本发明所提出的用于数控刀片注射成型的喂料制备方法还包括：

步骤s50，对碳化钨粉末和球形钴粉进行混匀处理，混匀后进行过筛、干燥及再过筛处理，以获得所述金属粉末。本实施例中，在对金属粉末体系和粘结剂进行混炼之前，需先将金属粉末体系混合均匀。

在本实施例中，由于双螺杆挤出机的喂料特性好，适用于粉料加工及异形制品的生产，且双螺杆挤出机相较于单螺杆挤出机，具有更好的混炼、排气、反应和自洁功能。因此，在本实施例中，物料挤出工序中使用的挤出机为双螺杆挤出机。

在本发明一较佳实施例中，采用球磨的方式对金属粉末进行混匀处理。具体参见图3，在对碳化钨粉末和球形钴粉进行混匀处理的步骤包括：

步骤s51，将称量好的碳化钨粉末和球形钴粉倒入球磨机的罐体内，并加入预设量的无水乙醇，对碳化钨粉末和球形钴粉进行球磨。球磨机，一种磨碎或研磨的常用设备，其利用下落的研磨体(如钢球、鹅孵石等)的冲击作用以及研磨体与球磨内壁的研磨作用而将物料粉碎并混合。当球磨转动时，由于研磨体与球磨内壁之间的摩擦作用，将研磨体依旋转的方向带上后再落下，如此，物料将连续不断地被粉碎。

步骤s52，控制球磨机的转速为50～150r/min，球磨机的球磨时间为50～100h。如此，能够进一步保证采用本发明所提出的喂料制得的数控刀片的质量。

在上述提及的较佳实施例中，无水乙醇与金属粉末的重量比为(0.2～0.6):1，球磨机的研磨体与金属粉末的重量比为(3～10):1。另外，球磨机的磨球的直径为5～7mm的硬质合金球。

参见图4，在将金属粉末加入混合机的混炼桶内进行预热，预热预设时间后，加入粘结剂进行充分混合，以制得原料混合物的步骤包括：

步骤s21，当金属粉末的温度达到55～65℃时，加入粘结剂，升温并调整混合机的转速至200r/min；

步骤s22，当金属粉末和粘结剂的温度达到105～115℃时，升温并调整混合机的转速至400r/min；

步骤s23，当金属粉末和粘结剂的温度达到135～145℃时，且金属粉末与粘结剂充分混合后，混合机停止转动和加热，以制得原料混合物。

具体的，先将金属粉末加入混炼桶进行预热，当混炼桶的物料温度为60℃左右时，加入粘结剂，升温并调整转速至200r/min，当物料温度升至110℃左右时，升温调节转速至400r/min，当升温至140℃左右，充分混合后，出料冷却，并将其破碎成粒状。

在本发明一具体实施例中，本发明所提出的注射成形的数控刀片的喂料由4.8％的粘结剂和95.2％的金属粉末组成，其中，粘结剂中各组分的质量百分比为工业石蜡45％、微晶蜡15％、高密度聚乙烯30％、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物5％和硬脂酸5％。按照上述方法，将4.8％的粘结剂和95.2％的金属粉末放入混炼桶进行混炼，以制得数控刀片的喂料。喂料采用四缸全液压注塑机，控制注射温度为180℃、注射压力为85mpa，以注射成型硬质合金数控刀片，如图5所示。采用正庚烷在45℃下进行萃取，萃取时间为2～3小时，萃取后采用氢气脱脂加压烧结，烧结温度为1400℃×1h，烧结后产品如图6所示。

采用本发明所提出的粘结剂制得的数控刀片相较于采用传统硬质合金用的粘结剂制得的数控刀片，其具有如下优势：

(1)刀尖强度明显提高

硬质合金数控刀片的刀尖致密、强度高，传统的粘结剂在注塑、萃取、烧结的过程中由于刀尖密度较低，容易导致刀尖掉缺的情况发生。使用传统硬质合金粘结剂经注塑、萃取、烧结后，将其刀尖放大180倍观察，如图7、图8、图9所示，在注塑、萃取、烧结后，三个方向的刀尖均发生了一定程度的掉缺，刀尖强度较低。使用本发明的粘结剂和喂料，刀尖放大180倍后如图10、图11、图12所示。可以观察到，经注塑、萃取、烧结后，三个方向的刀尖均无掉缺的情况发生，刀尖强度明显提高。

(2)密度均匀性明显改善

超细硬质合金因其粉末的特性，在注射成形的过程中很容易发生两相分离，造成注塑坯密度分布不均的情况，从而引起夹心、分层等缺陷。如图13所示，使用传统硬质合金粘结剂注塑萃取后，可以观察到数控刀片的断面上内层和外层颜色有差异，有较为严重的分层和夹心，说明注塑坯密度均匀性较差。如图14所示，使用本发明的粘结剂和喂料注塑萃取后，数控刀片的断面颜色均匀一致，没有观察到夹心、分层等缺陷，密度均匀性明显改善。

(3)产品孔隙减少，致密度提高，尺寸精度提高

超细硬质合金粉末的真实密度较低，造成其喂料的粉末装载量较低，进而使得产品烧结后孔隙度较高，致密度偏低，尺寸缩水较大，精度控制困难。根据国标gb/t3489-2015，在金相显微镜下放大200倍观察金相磨面。使用传统硬质合金粘结剂注射成型硬质合金刀片烧结产品的磨面上，小于10μm的a类孔隙，部分视场为a02，部分视场为a04，没有观察到10μm～25μm的b类孔隙。使用本发明所用的粘结剂和喂料方法烧结后的硬质合金刀片产品的磨面上，小于10μm的a类孔隙，部分视场为a00，部分视场为a02，没有观察到10μm～25μm的b类孔隙，产品孔隙减少，致密度提高。

测量使用本发明提出的粘结剂制得的产品在烧结前后的尺寸，发现烧结后产品的各个尺寸缩水较为均匀，平均缩水为1.20左右。用线切割将产品的刀尖切下来，进行密度测量。发现刀尖密度和非刀尖密度接近，可达14.39g/cm3，达到理论密度的99.9％，满足超细硬质合金的要求。

另外，通过本发明方法制造出的数控刀片的注塑坯的溶剂脱脂率较高，具体的，在45℃下使用正庚烷进行脱脂，2h的脱脂率可达57.7％，3h的脱脂率可达62.2％。

再者，通过本发明制造出的数控刀片的注塑坯在烧结后，其产品精度得到控制，产品的各个方向的缩水均匀且缩水程度较小，可以减至1.20。

以上所述的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。