專利名稱：制造粉末注射成型體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造粉末注射成型體的方法，更具體而言，涉及一 種制造鈦粉末注射成型體的方法，所述方法能夠生產(chǎn)高質(zhì)量的最終成型
力口 廣BB o
背景技術(shù)：
鈦具有優(yōu)異的機(jī)械特性，并且對(duì)人體無(wú)害。由于這些優(yōu)點(diǎn)，鈦被用 于各種工業(yè)設(shè)備和機(jī)械部件中。使用鈦制造諸如機(jī)械部件等成型體的常 規(guī)方法包括使用鈦粉末的燒結(jié)方法以及使用鈦粉末和粘結(jié)劑的注射成型 方法。
然而，當(dāng)制造成型體時(shí)，鈦粉末的顆粒表面與空氣中的氧氣反應(yīng)， 形成氧化物層。由于氧化物層的原因，純的鈦粉末難于相互粘結(jié)，因而 生成的鈦成型體具有較差的機(jī)械特性。為解決這些問(wèn)題，可以使用鈦氫
化合物粉末(韓國(guó)專利注冊(cè)No. 10-072520)。然而，由于存在多種鈦氫化 合物粉末，因此最終成型體的質(zhì)量取決于鈦氫化合物粉末的種類。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種制造鈦粉末注射成型體的方法，所述方法能夠生產(chǎn) 高質(zhì)量的最終成型產(chǎn)品。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種制造粉末注射成型體的方法，所 述方法包括至少混合鈦氫化合物(TiHx)粉末和粘結(jié)劑，制備成型混合物;粉末注射所述成型混合物，形成成型產(chǎn)品；使所述成型產(chǎn)品脫脂；和燒 結(jié)脫脂的成型產(chǎn)品，其中在所述鈦氫化合物中，氫(H)與鈦(Ti)之比(x)大 于0.45且小于1.98。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，氫(H)與鈦(Ti)之比(x)大于0.5且小于 1.98。此外，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述成型混合物還可以包括 金屬物質(zhì)粉末或非金屬物質(zhì)粉末。


通過(guò)結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方案，將會(huì)更清楚本發(fā) 明的上述和其它特征及優(yōu)點(diǎn)。
圖1是闡明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案制造粉末注射成型體的方法的示圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖更充分地描述本發(fā)明。在附圖中示出了本發(fā)明的示例 性實(shí)施方案。
圖1是闡明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案制造粉末注射成型體的方法的示 圖。參照?qǐng)D1，制備鈦氫化合物(TiHx)粉末。在鈦氫化合物中，氫(H)與 鈦(Ti)之比(x)為0.45~1.98，特別是0.5 1.98，后面將詳細(xì)說(shuō)明。
可以使用各種方法制備鈦氫化合物粉末。例如，在氫氣氣氛中加熱 海綿鈦，形成TiH2，然后TiH2脫氫，形成TiHx。然而，本發(fā)明不限于 這種方法，
一般來(lái)說(shuō)，鈦氫化合物粉末的粒度為225目以下，特別是325目以 下。在過(guò)去，為保證最終成型體的質(zhì)量，TiH2的粒度需要為625目以下。 然而，根據(jù)本實(shí)施方案，即使當(dāng)鈦氫化合物粉末的粒度為225目以下時(shí)， 也可以改善最終成型體的質(zhì)量，因?yàn)榭梢杂行У剡M(jìn)行燒結(jié)。此外， 一些 或全部鈦氫化合物粉末可以具有225目的粒度。此外，為了降低最終成 型體的制造成本和為了提高粉末的填充性能，可以混合使用至少兩種類
5型的選自225目粉末、325目粉末、625目粉末及小于625目粉末的粉末。 還可以使用小于625目的粉末。
鈦氫化合物與粘結(jié)劑混合以制備成型混合物(步驟SllO)。粘結(jié)劑的 例子包括低密度聚乙烯(LPDP)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚乙二醇(PEG) 和石蠟(PW)。在包括鈦氫化合物和粘結(jié)劑的成型混合物中，鈦氫化合物 粉末的含量為40 60vol.%，粘結(jié)劑的含量為余量。
為了改善最終成型體的特性，除了鈦氫化合物粉末之外，可以進(jìn)一 步使用添加劑。添加劑可以是金屬物質(zhì)或非金屬物質(zhì)。金屬物質(zhì)的例子 包括鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)、銅(Cu)、不銹鋼、鎢(W)、釩(V)、鋁(A1)、 錫(Sn)、錳(Mn)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鋯(Zr)和硅(Si)。鈦氫化合物具有HCP 晶體結(jié)構(gòu)，因此，鈦氫化合物具有較差的加工性，并且昂貴。然而，因 為Fe和不銹鋼具有BCC結(jié)構(gòu)，Ni和Cu具有FCC結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)這些金 屬與鈦形成合金時(shí)，柔韌性得以改善，并且加工性提高。此外，合金比 鈦更便宜。此外，合金需要比純鈦更低的燒結(jié)溫度，因此，產(chǎn)品便宜。 此外，當(dāng)Co與鈦氫化合物一起燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)溫度降低。 一般而言，鈦氫 化合物的燒結(jié)溫度為1300。C 1400。C。然而，當(dāng)加入Co粉末時(shí)，燒結(jié)溫 度降低到大約1200°C，因此可以經(jīng)濟(jì)地制造燒結(jié)產(chǎn)品。此外，當(dāng)加入Co 時(shí)，與加入Fe或Ni時(shí)相比，最終成型體的強(qiáng)度得以改善。此外，當(dāng)加 入Mo、 Cr、 V和Mn時(shí)，最終成型體的高溫強(qiáng)度和耐腐蝕性能增強(qiáng)，而 當(dāng)加入Zr時(shí)，特別是加入6wtM以下的Zr時(shí)，最終成型體的高溫強(qiáng)度得 以改善。在包括Si粉末和鈦氫化合物粉末的混合粉末中，當(dāng)Si粉末的含 量小于0.5wt。/。時(shí)，最終成型體的蠕變強(qiáng)度得以改善。
當(dāng)加入A1時(shí)，產(chǎn)品的密度降低，并且產(chǎn)品的抗張強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度得 以改善。當(dāng)加入Sn時(shí)，發(fā)生固溶體硬化，并且機(jī)械特性得以改善。當(dāng)加 入W時(shí)，最終成型體的耐磨特性得以改善。
在包括鈦氫化合物粉末和金屬物質(zhì)的混合粉末中，F(xiàn)e、 Ni和Co的 含量可以為10 wt。/。以下，以提高最終成型體的柔韌性。當(dāng)Cu含量為lO wtn/。 30wt。/。時(shí)，最終成型體的強(qiáng)度得以改善。然而，總體而言，金屬物 質(zhì)的含量可以為20wtM以下，以維持鈦本身的強(qiáng)度、耐侵蝕性和輕質(zhì)性。 所述金屬物質(zhì)可以僅由一種金屬構(gòu)成，或由多種金屬構(gòu)成。常規(guī)鈦粉末是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，因此，當(dāng)球磨(S卩，研磨)大塊鈦時(shí)， 鈦與氧、氮和碳反應(yīng)而產(chǎn)生副產(chǎn)物。因此，很難有效地獲得鈦粉末。然 而，鈦氫化合物是熱力學(xué)穩(wěn)定的，因此，可以研磨大塊鈦氫化合物而獲
得粉末。因此，制造成本極低。這里，最終粉末的粒度可以為225目以 下，特別是325目以下。在這種情況下，在球磨過(guò)程中可以使用金屬粉 末物質(zhì)，以與鈦氫化合物粉末混合?？蛇x擇地，可以在制備鈦氫化合物 粉末之后使用金屬物質(zhì)粉末，B卩，使用混合裝置將金屬粉末與制得的鈦 氫化合物粉末混合。這些混合粉末與粘結(jié)劑混合。
作為添加劑，還可以使用W粉末和碳化鎢(WC)粉末。W粉末與WC 粉末混合，而W和WC粉末的混合物具有優(yōu)異的耐磨特性。包括W和 WC的混合粉末的粒度可以為5微米以下，而鈦氫化合物粉末的粒度可 以為225目以下，特別是325目以下。然而，當(dāng)包括W和WC的混合粉 末的粒度為1微米以下時(shí)，最終成型體的耐磨特性得以改善?；旌习?W和WC的混合粉末、鈦氫化合物粉末和粘結(jié)劑，制備成型混合物。在 包括鈦氫化合物粉末、W和WC的混合粉末中，W和WC的比例可以為 20wt。/。以下。如果包括W和WC的混合粉末的含量大于20 wt%，那么 包括W和WC的混合粉末的含量相對(duì)較高，因此，在成型混合物中形成 偏析，并且成型混合物的均勻性可能變差。
非金屬物質(zhì)可以是陶瓷粉末。陶瓷的例子包括Zr02、 A1203、 TiN、 TiC、 Ti02、 Si3N4、 SiC和Si02。陶瓷是金屬陶瓷復(fù)合材料，并且當(dāng)加入 時(shí)，最終成型體的耐磨特性和高溫強(qiáng)度得以改善。在包括陶瓷粉末和鈦 氫化合物粉末的混合粉末中，陶瓷粉末的含量可以為20wtW以下。陶瓷 的粒度可以為5微米以下，鈦氫化合物粉末的粒度可以為225目以下， 特別是325目以下。然而，當(dāng)陶瓷粉末的粒度為l微米時(shí)，最終成型體 的強(qiáng)度得以改善?；旌咸沾煞勰?、鈦氫化合物粉末和粘結(jié)劑，制備成型 混合物。
下面，詳細(xì)描述成型混合物，假設(shè)沒(méi)有使用添加劑。粘結(jié)劑可以具 有各種混合比例。例如，LDPE的含量可以為10~20 vol.%， HDPE的含 量可以為10~20 vol.%， PEG的含量可以為5~10 vol.%， PW的含量可以 為1 10 vol.%。
7在成型混合物中，每個(gè)鈦氫化合物粉末顆粒被粘結(jié)劑包圍。由于粘 結(jié)劑的相互粘結(jié)，成型混合物可以塊狀形式存在，但也可以容易地破裂 成粉末(原料)。
成型混合物可以在注射成型設(shè)備中保持充分的流動(dòng)性。此外，就在
注射之后，當(dāng)還未進(jìn)行燒結(jié)過(guò)程時(shí)的成型混合物的強(qiáng)度可由HDPE和 LDPE保持。此外，在隨后的脫脂過(guò)程中，使用己垸除去PEG,從而在 成型混合物中形成孔隙，并可以經(jīng)孔隙除去PW，然后除去LDPE和 HDPE,從而使成型產(chǎn)品的形狀變化最小?？梢允褂秒p行星混合機(jī)或螺桿 混合機(jī)進(jìn)行混合。
當(dāng)制備成型混合物時(shí)，使用粉末注射成型裝置將成型混合物注入模 具，以獲得具有選定形狀的成型體(S120)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以選擇各種 粉末注射成型裝置?？梢酝ㄟ^(guò)在1000-5000 [psi]的注射壓力下注射已被 加熱到350°C的成型混合物進(jìn)行粉末注射。
使成型產(chǎn)品脫脂(S130)。通過(guò)在真空爐中熱分解成型產(chǎn)品進(jìn)行脫脂 過(guò)程，以從成型產(chǎn)品除去粘結(jié)劑。例如，在脫脂過(guò)程中，在包括諸如氮 氣(N》或氬氣(Ar)等選定的惰性氣體及氫氣的真空條件下(真空度為 l(T3~10-6atm)，或在大氣中，以0.5 l°C/min的加熱速率將成型體從室溫 (20。C)加熱到300°C，并在300°C的溫度下保持3~5小時(shí)，然后，以 0.5~l°C/min的加熱速率將加熱的成型體從300°C加熱到700°C，并在 700°C的溫度下保持3~5小時(shí)。
如果使包括鈦粉末的傳統(tǒng)成型產(chǎn)品脫脂，鈦粉末由于其較低的熱力 學(xué)穩(wěn)定性而可以在約400。C下與碳、氧、氮和氫反應(yīng)，形成TiC、 Ti02、 TiN、 TiH2等。在燒結(jié)過(guò)程中TiC、 Ti02和TiN不分解，并保留在最終成 型產(chǎn)品中，從而降低最終成型產(chǎn)品的質(zhì)量。此外，即使在鈦氫化合物中， 如果氫的比例為0.45以下，那么鈦氫化合物的熱力學(xué)穩(wěn)定性也低，因此， 鈦氫化合物可以與氧、碳、氮和氫反應(yīng)，形成Ti02、 TiC、 TiN、 TiH2等。 具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)氫的比例為0.5以下時(shí)，與氫的比例高于0.5時(shí)相比，熱力 學(xué)穩(wěn)定性可能會(huì)大幅度下降。因此，氫的比例可以高于0.5。然而，如果氫的比例為1.98以下，那么當(dāng)在脫脂過(guò)程中從鈦氫化合 物分解氫時(shí)，在分解產(chǎn)物之間產(chǎn)生能量。對(duì)于鈦氫化合物而言，當(dāng)從鈦 氫化合物分解氫時(shí)，產(chǎn)生大量的能量，因此，在粉末中發(fā)生輕微爆炸， 從而損壞成型產(chǎn)品，使表面均勻性下降，并增加了組裝過(guò)程中的公差。 因此，最終成型體的質(zhì)量變差。
因此，氫的比例可以為0.45~1.98，特別是0.5~1.98。
下面詳細(xì)描述脫脂過(guò)程。在最初的溫度范圍內(nèi)，在注射成型體中形 成用于除去粘結(jié)劑的通道，在中間溫度范圍內(nèi)，除去低溫粘結(jié)劑，然后， 在高的溫度范圍內(nèi)，除去高溫粘結(jié)劑。
此外，脫脂過(guò)程還可以包括溶劑提取型脫脂過(guò)程。根據(jù)溶劑提取型 脫脂過(guò)程，注射成型產(chǎn)品浸在溶劑中以浸出并除去粘結(jié)劑。在這方面， 可利用的溶劑可以根據(jù)使用的粘結(jié)劑類型而不同。溶劑的例子包括甲醇、 丁醇、己烷和二氯甲醇。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)包括PEG作為粘結(jié)劑時(shí)，注射成 型產(chǎn)品浸在50~80°C的己烷中3小時(shí)，從而從成型產(chǎn)品提取并除去PEG。 如上所述，當(dāng)進(jìn)一步包括溶劑提取型脫脂過(guò)程時(shí)，可以在熱分解脫脂過(guò) 程之前進(jìn)行溶劑提取型脫脂過(guò)程。
然后，在燒結(jié)爐中使脫脂的成型產(chǎn)品燒結(jié)(S140)。
可以在含有諸如氬氣等惰性氣體的高真空條件下(真空度1(T6~1(T3 atm)，進(jìn)行燒結(jié)過(guò)程?？梢栽趩为?dú)的燒結(jié)爐中或在已經(jīng)完成脫脂過(guò)程的 同一真空爐中進(jìn)行燒結(jié)過(guò)程。在燒結(jié)中，鈦氫化合物粉末脫氫，產(chǎn)生純 鈦的燒結(jié)產(chǎn)品。在以1 5。C/min的加熱速率將溫度從700。C升到1300°C 之后，將成型產(chǎn)品置于1300°C下燒結(jié)1~5小時(shí)。然而，本發(fā)明不限于此。
上述燒結(jié)過(guò)程可以在高真空條件下進(jìn)行。然而，燒結(jié)過(guò)程也可以在 含有諸如氬氣等惰性氣體的低真空條件下(真空度10-3~10" atm)進(jìn)行。 如果鈦粉末本身被燒結(jié)，鈦氫化合物可以與碳、氧和氮在燒結(jié)溫度下反 應(yīng)，形成TiC、 Ti02、 TiN等。TiC、 Ti02和TiN在燒結(jié)過(guò)程中不分解， 并保留在最終成型產(chǎn)品中，從而降低最終成型產(chǎn)品的質(zhì)量。然而，在燒 結(jié)溫度下鈦氫化合物分解成Ti和H2，并且H2與碳、氧和氮反應(yīng)，而不 是Ti發(fā)生反應(yīng)。因此，這些雜質(zhì)的生成速率可能會(huì)顯著降低，因此，可以在低真空條件下進(jìn)行燒結(jié)。由于使用擴(kuò)散泵來(lái)實(shí)現(xiàn)高真空，因而高真 空設(shè)備極為昂貴。然而，由于使用旋轉(zhuǎn)泵實(shí)現(xiàn)低真空，因而可以低成本 地實(shí)現(xiàn)低真空。因此，在本實(shí)施方案中，可以保持最終成型體的高質(zhì)量， 并且燒結(jié)過(guò)程便宜。通過(guò)燒結(jié)過(guò)程，完成最終成型體的制造。然而，本發(fā)明不限于此， 還可以包括后處理過(guò)程。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的制造粉末注射成型體的方法利用鈦氫化合 物。在脫脂過(guò)程或燒結(jié)過(guò)程中，鈦氫化合物分解成鈦和氫，并且氫與氧、碳和氮反應(yīng)，從而顯著降低燒結(jié)產(chǎn)品中雜質(zhì)的生成速率。此外，氫(H)與 鈦(Ti)之比(x)大于0.45且小于1.98，因此，當(dāng)從鈦氫化合物釋放出鈦和 氫時(shí)，產(chǎn)生的氫的含量下降。因此，可以顯著降低產(chǎn)生的氫所造成的爆 炸可能性。因此，生產(chǎn)出的有缺陷最終成型體較少，并可以提高最終成 型產(chǎn)品的質(zhì)量。如果成型混合物除了鈦氫化合物之外還包括金屬物質(zhì)粉末和/或非 金屬物質(zhì)粉末，那么最終成型體的特性得以改善。盡管已經(jīng)結(jié)合示例性實(shí)施方案特別顯示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng) 域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在沒(méi)有背離所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神 和范圍內(nèi)，可以做出各種形式和細(xì)節(jié)的變化。
權(quán)利要求
1.一種制造粉末注射成型體的方法，所述方法包括至少混合鈦氫化合物(TiHx)粉末和粘結(jié)劑，制備成型混合物；粉末注射所述成型混合物，形成成型產(chǎn)品；使所述成型產(chǎn)品脫脂；和燒結(jié)脫脂的成型產(chǎn)品，其中在所述鈦氫化合物中，氫(H)與鈦(Ti)之比(x)大于0.45且小于1.98。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中氫(H)與鈦(Ti)之比(x)大于0.5且 小于1.98。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中在燒結(jié)中，在低真空條件下燒結(jié) 脫脂的成型產(chǎn)品。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鈦氫化合物(TiHx)粉末的粒 度大于625目。
5. 如權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述成型混合物還包 括金屬物質(zhì)粉末。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述金屬物質(zhì)粉末包括至少一種 選自鋁(A1)、錫(Sn)、錳(Mn)、鉬(Mo)、鋯(Zr)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)、 釩(V)、硅(Si)、不銹鋼、鉻(Cr)和銅(Cu)的金屬。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中通過(guò)球磨或通過(guò)使用混合裝置混 合所述金屬物質(zhì)粉末和所述鈦氫化合物粉末，然后將混合的粉末和粘結(jié) 劑混合。
8. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中在包括鈦氫化合物粉末和金屬物 質(zhì)粉末的混合粉末中，所述金屬物質(zhì)粉末的比例小于20 wt%。
9. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中包括鈦氫化合物粉末和金屬物質(zhì) 粉末的混合粉末的粒度大于625目。
10. 如權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述成型混合物還 包括鎢(W)粉末和碳化鎢(WC)粉末。
11. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中在包括鈦氫化合物粉末、鎢(W) 粉末和碳化鎢(WC)粉末的混合粉末中，鎢(W)粉末和碳化鎢(WC)粉末的 比例小于20 wt%。
12. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中鎢(W)粉末和碳化鎢(WC)粉末 包括粒度為5微米以下的粉末，所述鈦氫化合物粉末包括粒度為225目 以下的粉末。
13. 如權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述成型混合物還 包括非金屬粉末。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述非金屬粉末包括陶瓷粉末。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述陶瓷粉末包括選自Zr02、 A1203、 TiN、 TiC、 Ti02、 Si3N4、 SiC和Si02中的至少一種。
16. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中在包括所述鈦氫化合物粉末和 所述陶瓷粉末的混合粉末中，所述陶瓷粉末的比例小于20wtn/。。
17. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述陶瓷粉末包括粒度為5微 米以下的粉末，所述鈦氫化合物粉末包括粒度大于625目的粉末。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制造粉末注射成型體的方法，所述方法包括至少混合鈦氫化合物(TiHx)粉末和粘結(jié)劑，制備成型混合物；粉末注射所述成型混合物，形成成型產(chǎn)品；使所述成型產(chǎn)品脫脂；和燒結(jié)脫脂的成型產(chǎn)品，其中在所述鈦氫化合物中，氫(H)與鈦(Ti)之比(x)大于0.45且小于1.98。因此，在脫脂過(guò)程或燒結(jié)過(guò)程中，鈦氫化合物分解成鈦和氫，并且氫與氧、碳和氮反應(yīng)，從而顯著降低燒結(jié)產(chǎn)品中雜質(zhì)的生成速率。此外，在脫脂過(guò)程中，從鈦氫化合物釋放出的氫較少，因而可以顯著降低產(chǎn)生的氫所造成的爆炸可能性。因此，生產(chǎn)出的有缺陷最終成型體較少，并可以提高最終成型產(chǎn)品的質(zhì)量。
文檔編號(hào)B22F3/00GK101633042SQ20081018032
公開(kāi)日2010年1月27日 申請(qǐng)日期2008年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月24日
發(fā)明者樸英錫 申請(qǐng)人:Mtig株式會(huì)社;樸英錫