【博士论文】Ti_C_N_基金属陶瓷粉末注射成形工艺的研究(PDF)

清风明月

【题目】Ti_C_N_基金属陶瓷粉末注射成形工艺的研究
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【摘要】
4 r2 W* a2 V6 A0 j2 a  s        Ti(C,N)基金属陶瓷是高硬度、高耐磨性的结构材料。由于传统的模压成型技术不能成型复杂几何形状的产品；且该材料机械加工极为困难，较大地限制了Ti(C,N)基金属陶瓷的应用范围。粉末注射成形(PIM)是一种能高效率地生产小型复杂形状零件的近净成形技术，该技术应用于金属陶瓷成型上，开发出具有复杂几何形状的Ti(C,N)基金属陶瓷产品，将为扩大Ti(C,N)金属陶瓷的应用领域，开辟一条新的途径。为此，简要地综述了粉末注射成形近十几年来的研究成果，分析了采用PIM技术制备Ti(C,N)基金属陶瓷过程中的难点，较系统地研了Ti(C,N)基金属陶瓷粉末注射成形工艺及相关的基础问题，其主要工作如下：       评价了粘结剂体系中的粉末表面改性剂(添加剂)：硬脂酸(SA)、油酸(OA)、钛酸酯偶联剂(TC)对Ti(C,N)基金属陶瓷粉末表面改性的作用；用热力学、动力学和流变学，分析了高密度聚乙烯(HDPE)和乙烯-醋酸乙烯酯共混物(EVA)混合的相容性和流变性，以及粉末表面改性剂对粘结剂的流变性能的影响；用偏光显微镜和扫描电镜分析了高分子混合物在溶剂石蜡中的结晶态分布和断口形貌；开发出Ti(C,N)基金属陶瓷PIM蜡基系粘结剂体系，其组成为:68PW-10HDPE-20EVA-2TC(wt.%)。该粘结剂体系中低分子组元PW与高分子组元之间的相容性好，结晶态聚合物均匀地分散在溶剂石蜡中，有机粘结剂与Ti(C,N)基金属陶瓷球磨粉表面的润湿性好。
& L( G& O, j5 ~& T6 x        用动力学分析了热脱脂和溶剂脱脂过程。热脱脂初期和中期阶段，粘结剂中低分子组元(PW)的热解气体或蒸气，在粘结剂液体中的扩散是动力学控制步骤。在170℃～300℃时，PW脱除过程中的饱和蒸气压高，当热脱脂炉内的压力过低，脱脂升温过快，气体在粘结剂液体中的扩散速率较高时，易造成脱脂坯坍塌或开裂；当热脱脂炉内环境压力超过0.12MPa时，热解的气体在粘结剂液体中的扩散速率较低，不    能即时排除，易造成脱脂坯起泡。试验结果表明：在N2保护下，脱脂炉中的环境压力为0.11MPa～0.12MPa时，热解的气体速率约等于气体在粘结剂液体的扩散速率，脱脂坯的缺陷率大大降低。在温度>300℃时，PW基本脱除，高聚物共混物（HDPE、EVA共混物）的裂解成为控制性步骤，因低分子组元脱除后存在大量孔隙，采用低压或真空热脱脂的方法，可以提高脱脂速率，缩短热脱脂时间。
       溶剂脱脂过程中溶剂的成分、脱脂温度、脱脂时间对蜡基粘结剂中的石蜡脱除具有较大的影响。溶剂脱脂初期，PW在溶液中的扩散是控制环节，随着脱脂的进行，逐渐转变由粘结剂溶解、扩散共同控制。试验结果表明：溶剂脱脂+热脱脂有利于脱脂坯的碳含量控制和精度控制，但该工艺生产手续较复杂，控制条件较严格，此外有机溶剂易对环境造成污染。
- ]$ V& x% N# z4 b. D  [4 A       Ti(C,N)基金属陶瓷PIM脱脂坯烧结时，升温速率、最高烧结温度与保温时间、冷却速率等较大地影响Ti(C,N)基金属陶瓷PIM制品的微观组织和力学性能。传统模压烧结法与两阶段烧结法比较其结果表明：由于两阶段烧结法缩短了最高烧结温度时的保温时间,延长第二阶段烧结温度下的保温时间(≥5h)，烧结坯的缺陷率下降，微观组织均匀，力学性能得到了提高。
5 J0 f  E: c" a! D6 i" a       应用数理统计方法，探讨了Ti(C,N)基金属陶瓷球磨粉与有机粘结剂体系混合物(喂料)的流变特性，建立了喂料均匀性Hs与混炼次数n的关系式，Hs=90+exp(0.04n+1.88)用正交实验方法考查了注射参数及其交互作用对注射坯质量的影响。结果表明：不仅注射参数的水平影响注射坯质量，而且注射参数的交互作用对注射坯质量也产生较严重的影响。确立了注射压力为8MPa，注射温度为135℃，注射速度为40mm·s－1，保压压力为8MPa的注射工艺参数。
- ^5 V5 t! U/ B: P' Q* U       比较了粉末注射成形和模压成形工艺的优缺点，指出了粉末注射成形工艺有待进一步改进，力学性能有待提高。
0 i' u6 F. f7 ^【关键词】Ti(C,N)基金属陶瓷  粉末注射成形工艺  粘结剂  脱脂 烧结
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8 H% D8 Z! s2 x
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【目录】
摘要Ⅰ
2 v' h- a* ?! M* B$ [/ ]( B8 V- RAbstractIII
9 e3 U! _! T9 A# O1概论
1.1研究目的和意义1
1.2粉末注射成形的特点、发展历程和技术现状2
1.3 Ti(C,N)基金属陶瓷PIM技术现状及存在问题14
1.4论文选题的依据及基本设想15
9 ?7 x6 d" @% p+ j1 n  s2 Ti(C,N)基金属陶瓷PIM粉末的特性
2.1实验17
2.2结果与讨论19
2 y. ]3 n; X. B+ N& [! \2.3本章小结23
3 Ti(C,N)基金属陶瓷PIM粘结剂的研制
- |2 o  [) b, V7 v3.1相容性原理24
3.2实验28
; U1 t; g) H% B' W, `3.3试验结果与讨论29
3.4粉末表面改性33
3.5小结36
4喂料的制备
4.1混炼机制38
4.2实验38
4.3实验结果与分析41
. q; |/ Z0 ^2 R9 v3 h8 O4.4小结45
2 @' P! E3 Q) R, z" ~- n5 Ti(C,N)基金属陶瓷粉末注射成形工艺参数的优化
' L# M$ P6 {8 R* o! b2 P5.1实验47
5.2矩形抗弯条试样注射参数的优化48
/ p" u  }) }; G" ^6 Q5.3小结52
6 Ti(C,N)基金属陶瓷注射成形脱脂工艺研究
5 R& H9 k& I7 t6.1热脱脂53
& |. q% U' g2 P1 r; f6.2溶剂脱脂63
6.3小结67
7 x- T. u+ @- y7 [7 Ti(C,N)基金属陶瓷粉末注射成形的烧结工艺研究
/ y9 Q$ X0 k; l; n2 C! M7.1实验方法69
" c$ A6 P4 k4 n6 T# z/ m2 {7.2结果与讨论70
& r! m1 d: A. {: P2 e. [7.3小结77
5 ]8 c. ~; h: l8模压成形与注射成形对比
& p" `+ X: Y+ }$ [8.1试验78
8.2结果与讨论79
8.3结论82
9全文主要结论与创新点
9.1全文主要结论83
9.2全文主要创新点84
5 H  [' s8 F% _2 ^致谢85
参考文献86
, C$ S( G5 ]% ]* O附录1攻读学位期间发表、接受和已投稿的论文94

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