1、YG8硬质合金聚甲醛基黏结剂注射成形工艺的研究何泽1袁建坤2,3杨宇2,3郎宏彬1原文1陈鹏起2,3程继贵2,3*（1.成都邦普切削刀具股份有限公司，四川成都 611731；2.合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥 230009；3.安徽省粉末冶金工程技术研究中心，安徽合肥 230009）摘要采用以聚甲醛（POM）为主要组元的多组元黏结剂，进行WC-8%Co（YG8）硬质合金注射成形。考察了注射温度、注射压力、保压压力等注射工艺参数对注射生坯组织性能的影响，在草酸气氛中对注射生坯进行催化脱脂后，在真空烧结炉中进行热脱脂和烧结。实验结果表明，在注射温度175、注射压力10 MPa、保压压力9
2、 MPa、保压时间5 s、模温60 的注射工艺下，可获得密度较高且无缺陷的注射生坯。在脱脂温度135、草酸气体通入速率10 gmin1、氮气通入速率50 mLmin1、脱脂时间8 h的催化脱脂工艺下，注射生坯中 POM的脱除率可达到 97%以上。在 1420 下真空烧结90 min，可获得相对密度超过99%、抗弯强度和硬度HRA分别达1872 MPa、89.5，钴磁为7.2%的YG8硬质合金烧结体。关键词WC-8%Co硬质合金；注射成形；聚甲醛；催化脱脂Injection Molding Process of YG8 Cemented Carbides with Paraformaldehyd
3、e-Based BinderHe Ze1Yuan Jiankun2,3Yang Yu2,3Lang Hongbin1Yuan Wen1Chen Pengqi2,3Cheng Jigui2,3*（1.Chengdu Bangpu Cutting Tools Co.,Ltd.,Chengdu Sichuan 611731,China;2.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei Anhui 230009,China;3.Engineering Research Center of
4、 Powder Metallurgy of Anhui Province,Hefei Anhui 230009,China）ABSTRACTThis study carried out injection molding of WC-8%Co(YG8)cemented carbide by use of a multi-componentbinder with polyoxymethylene(POM)as the main component.It investigated the effects of injection process parameters suchas injectio
5、n temperature,injection pressure,and holding pressure on the microstructure and properties of green compacts.In addition,the green compacts underwent catalytic debinding in an oxalic acid atmosphere,and then they were thermallydebinded and sintered in a vacuum sintering furnace.The results show that
6、 under the injection temperature of 175,基金项目：成都市科技计划项目 新型硬质合金刀具研究开发（2016-CP01-00055-GX）；合肥工业大学科技开发项目 高性能硬质合金及不锈钢产品注射成形技术开发（W2020JSKF0166）作者简介:何泽(1968-)，男，本科，高级工程师，成都邦普切削刀具股份有限公司总经理。主要研究方向：硬质合金。E-mail:heze 。通信作者：程继贵(1963-)，男，博士，教授，主要研究方向:先进粉末冶金材料及技术。E-mail:。DOI：10.3969/j.issn.1003-7292.2023.01.002引文格
7、式：何泽，袁建坤，杨宇，等.YG8硬质合金聚甲醛基黏结剂注射成形工艺的研究J.硬质合金，2023,40（1）：8-15.HE Z,YUAN J K,YANG Y,et al.Injection molding process of YG8 cemented carbides with paraformaldehyde-Based binderJ.Cemented Cabides，2023,40（1）：8-15.2023年2月Feb.2023第40卷第1期Vol.40 No.1硬质合金CEMENTED CARBIDES材料科学与工程第40卷injection pressure of 10 MPa
8、,holding pressure of 9 MPa,holding time of 5 s,and mold temperature of 60,defect-freegreen compacts with high density can be obtained.Under the catalytic debinding process with a debinding temperature of135,an oxalic acid gas influx rate of 10 gmin1,a nitrogen gas influx rate of 50 mLmin1,and a debi
9、nding period of 8 h,more than 97%of POM can be debinded from the green compacts.Sintered YG8 cemented carbide compacts can beobtained by vacuum sintering of the debinded green compacts at 1420 for 90 min,with relative density above 99%,transverse rupture strength of 1872 MPa,hardness of 89.5 HRA,and
10、 cobalt magnetism of 7.2%.KEY WORDSWC-8%Co cemented carbide;injection molding;polyoxymethylene;catalytic debinding硬质合金是由碳、氮化物等硬质相和黏结相组成的（金属陶瓷）复合材料1，具有高硬度、高强度和高耐磨性等特点，广泛应用于切削刀具、耐磨零件、电子通讯等领域2。通过传统模压成形、烧结工艺生产的硬质合金产品的形状受到一定限制，影响其广泛应用3。探索复杂形状零件的近净成形制备工艺是硬质合金领域的热点之一。金属粉末注射成形（Metal powder injection molding
11、,MIM）是将塑料注射成形与粉末冶金工艺结合的一种近净成形零件加工工艺，具有产品形状设计自由度高，材料利用率、生产效率高，批量化生产成本低等优点，为硬质合金零件的发展带来了新的契机2-5。黏结剂的选择是MIM技术的关键之一6，黏结剂体系根据脱脂路线的不同主要可分为蜡基、聚甲醛基、芳基和水溶性黏结剂等7，传统的硬质合金注射成形通常使用以石蜡（PW）作为主要组元的蜡基黏结剂，但因其组元易挥发、脱脂时间长，已逐渐在实际生产中被取代8-10。近些年来，科研人员除了研究开发石蜡外的其他蜡基黏结剂，还对以非蜡基热塑性树脂作黏结剂的MIM进行了一定的研究。其中，以聚甲醛（POM）作为主要组元的聚甲醛基黏结剂
12、受到重视。与传统蜡基黏结剂相比，聚甲醛基黏结剂具有注射坯强度高、脱脂速度快和脱脂缺陷少、变形小等优点11-12，而与该体系黏结剂相适应的催化脱脂工艺被认为是最先进的脱脂技术之一13-14。催化脱脂技术的原理是黏结剂中聚醛树脂类主要组元在酸性气氛中能快速分解脱除，而骨架组元由于对脱脂气氛并不敏感能继续起到维持坯体形状的作用13-16。总体来看，催化脱脂工艺虽然存在脱脂气氛污染环境、具有腐蚀性，脱脂产生的甲醛具有毒性等缺陷，但可通过使用脱脂烧结一体化设备直接高温氧化废气、添加活性炭吸附箱尾气处理装置等方式，无害化处理废气，可以达到排放标准17-18。因其众多优点，聚甲醛基黏结剂具备广泛的应用前景。
13、聚甲醛目前在硬质合金MIM工艺中的应用报道较少。本文采用聚甲醛基黏结剂，对WC-8%Co（YG8。未特别说明时，本文含量为质量分数）硬质合金进行注射成形的研究。考察混炼、注射成形、脱脂和烧结的工艺参数对注射成形坯体性能的影响，进而优化工艺参数，获得YG8硬质合金生产的新工艺。1 实验1.1 原料粉末及喂料的制备实验采用厦门金鹭特种合金有限公司生产的WC粉（0.8 m，纯度99.9%）和Co粉（1.2 m，纯度99.9%），图1为两种粉末的扫描电镜照片。实验中，按 WC-8%Co的质量分数称取 WC和 Co粉，以无水乙醇为混合介质，湿磨混合36 h，得到混合浆料。黏结剂以聚甲醛（POM）为主要组
14、元，其他组元包括高密度聚乙烯（HDPE）、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、硬脂酸（SA）等。将 WC-8%Co 粉末混合料和黏结剂按体积分数50%的装载量加入密炼机于180 下混炼2 h，冷却后破碎过筛，得到注射成形喂料。1.2 注射成形、脱脂和烧结上述喂料在TFV4-20型注塑成形机上以一定的注射温度、注射压力、保压压力注射成形，得到尺寸为 44.20 mm7.50 mm7.50 mm 的长方体抗弯样、12.5 mm3 mm 的圆片样及 12.5 mm12.5 mm3 mm的方形样注射生坯。注射生坯的脱脂采用催化脱脂结合热脱脂两步脱脂法，采用草酸作为催化脱脂气氛，具体催化脱脂工艺参数如表1
15、所示。将催化脱脂后的样品干燥称重，并计算脱脂率，之后根据喂料的热重曲线制定热脱脂工艺，氢气气氛下何泽，袁建坤，杨宇，郎宏彬，原文，陈鹏起，程继贵：YG8硬质合金聚甲醛基黏结剂注射成形工艺的研究-9硬质合金第40卷在真空烧结炉于260、360、460、675 多段温度下保温进行热脱脂，脱去坯体中剩余的黏结剂组元，并于1420 下烧结90 min得到YG8烧结体。1.3 分析与测试通过对注射成形坯体在催化脱脂、热脱脂前后的质量的测量，计算其脱脂率。采用阿基米德排水法测定注射生坯和烧结体密度；使用德国蔡司扫描电子显微镜对原料粉末的形貌和注射生坯、脱脂坯、烧结体的微观结构进行观察；使用德国耐驰STA4
16、49F5热分析仪对催化脱脂、热脱脂的坯体进行热重分析；使用洛氏硬度计测定烧结体的 HRA 硬度；使用岛津CMT5105万能材料试验机对烧结体样品的抗弯性能进行测试；使用长沙贤友MCOM-2钴磁测量仪对烧结体的钴磁含量进行测试。2 结果与分析2.1 注射成形工艺参数对注射坯性能的影响本实验设定保压时间为5 s，模温设定为60，重点考察注射温度、注射压力和保压压力等参数对注射生坯质量的影响，以优化注射工艺参数。图2是注射生坯密度与注射温度、注射压力和保压压力的关系。图2(a)为不同注射温度下获得的注射生坯密度。从图中可以看出，生坯密度随着注射温度的升高呈现先增加后保持稳定并略微降低的趋势，于 175 时达到最大值。温度超过 180 时，黏结剂中聚甲醛组元开始分解，导致坯体内部因夹杂气体存在孔洞，使得坯体密度降低。图2(b)为不同注射压力下的注射生坯密度。图中可以看出，生坯密度随着注射压力的升高呈现先增加后恒定的趋势，在压力为10 MPa时达到最大值。当注射压力大于10 MPa时，坯体密度保持相对稳定，但此时坯体会出现明显的飞边，即坯体在模具分合处溢料产生一圈外延薄片的现象，代表此时压力已过