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MIM不锈钢零件生产工艺之催化脱脂工艺介绍


 

发布日期:[2024/7/1]
 

Catamold®催化脱脂法是由德国BSAF公司的Bloemacher等于90年代初开发出来的金属粉末注射成型一步脱脂方法,是目前国内金属注射成型厂商最常采用的一种催化脱脂方法 。

1.酸脱(催化脱脂)工作原理

Catamold的®的粘接剂主要成分是聚甲醛树脂,由于聚甲醛树脂的固有的化学结构,粘接剂直接被催化气相分解。

聚甲醛树脂链的特点是重复的碳-氧键,如图1所描绘。聚合物链的氧原子对酸的作用很敏感,当暴露在合适的酸催化剂中时,化学反应将引起大分子分裂成CH2O(甲醛)单元。

用于脱脂过程的催化剂,目前普遍采用的是高浓度的气态硝酸(将硝酸含量高于98.5%的液态硝酸气化)。硝酸的这种催化反应特别适合与粉末注射成型的脱脂过程。

在110℃下,脱脂的速度很高,该温度远低于聚甲醛的融化区间(150℃~170℃)。这样,聚合物直接由固体转化为气体。

由于Catamold®的种类的不同,粘接剂-气态界面以0.5~2mm/h的线速度向内继续进行。

小的甲醛气体分子(沸点-21℃)可以很容易的通过已形成的零件的多孔性外层溢出,而不会破坏粉末颗粒堆积结构。

此时,粘接剂仍是非常坚固的,使零件在脱脂是具有延续的坚硬性,避免任何塑性变形,可得到较好的公差。

在聚甲醛完全去除后,还剩有一定量的耐酸粘接剂组分(一般为粘接剂含量的10%质量分数),它可为预成型粉末提供一定的运送强度。

这种耐酸有机组分可在随后的烧结工作中脱除(热脱)。

备注:脱脂过程其实并没有将粘接剂全部脱除,因为粘接剂内含有约10%质量分数的耐酸组分,这些组分可以确保脱脂后的零件不会再出脱脂炉、运转以及进入脱脂炉的过程中坍塌。这些耐酸组分最终会在烧结炉中脱除。

2.催化脱脂炉

需脱脂的零件摆放在MIM催化脱脂炉炉格的支撑板上。炉子装有风扇以保证气体的充分混合和循环流动。通过定量泵将催化剂定量的输入炉体中,随后在陶瓷盘上汽化。

氮气作为载体气体。不能让带脱脂的金属零件腐蚀,否则将对气体气氛中发生的反应产生反作用。

试验用脱脂炉(50L)需要约40g/h硝酸和500L/h氮气。从一些炉子生产厂家可以买到容积达420升的间歇式脱脂炉(批次脱脂炉)。脱脂作业也可以使用连续式脱脂炉。

在开始脱脂前,要先进行1小时的清洗作业,然后再炉中统一惰性气体,同时将炉子与生坯加热到110℃。

脱脂时间太长,并不会损坏零件,而脱脂时间太短,则会产生废品。因此,建议将脱脂时间按每1小时的档差大幅度减小,直到失重开始下降,以确定合理的脱脂时间。

试验时,特别是与小零件相比,满负载炉子的脱脂时间可以增加50%。同样,在比例增加时,应再一次采取这些安全措施。

排出的气体是要经过两级燃烧处理的。

在第一级燃烧器中,反应气体是在缺氧的丙烷气火焰中燃烧。主要是将剩余的硝酸与主要有硝酸产生的NOx组分还原成N2.在这里甲醛气体具有强烈的还原反应。

在第二级的燃烧器中,设计和添加的空气进行完全燃烧。燃烧后进入烟道的排放气体符合现行的环保法规。

3.零件支撑

脱脂炉内零件支撑的形式取决于零件的几何形状。

将成型件以最佳的直立侧面状态放置在烧结托盘上。零件间的间距应足够大,不阻碍气体的流动。

可将零件放置在多孔板或丝网上,这可使零件下部也能进行气体交换,这样能缩短脱脂时间。

备注:

脱脂炉内一般是不锈钢托盘,成型件放置于一定尺寸规格的陶瓷板(如100mm*100mm)上,陶瓷板整齐的排列在不锈钢托盘上。

为得到最佳的经济效益,每炉尽可能的达到最佳的装载量。

4.脱脂温度

为保持与硝酸沸点的安全差,实际下限值为100℃,上限值是根据粘接剂的融化化温度(150℃~170℃)来设定的。

实际上,上限温度为140℃,一般推荐采用110℃~120℃。

5.硝酸

原则上脱脂速度随着硝酸的流量速度增加而加快的。

但若超过了规定的流量,氧化性气体加上甲醛的浓度,在极端情况下,可能引起自燃,根据经验,我们推荐与规定:硝酸的浓度高于98.5%。

为确保安全生产,脱脂炉生产厂家一般都会强制要求硝酸的浓度。

6.脱脂速率

在炉温110℃下,脱脂前沿的典型速度在1~2mm/h之间。如果炉子装载量增加,脱脂时间要延长。

零件在炉中停留的时间超过最低脱脂时间,一般对零件并没有不良影响。

小技巧:由于脱脂后的零件容易跟空气中的水分接触发生锈蚀,所以我们有时候会将脱脂后的零件直接在炉内放置,直到需要出炉的时候才出炉;也有企业会专门做氮气保护箱,用于存放已脱脂完成出炉待烧结的成型件。

7.脱脂作业控制

脱脂的效果有两个方式可以检测。

7.1 可通过称重,检测一个或多个脱脂的零件,来控制脱脂作业。通过称零件脱脂前和脱脂后的质量的变化,计算脱脂率。

在调整参数的时候,可以通过调整脱脂时间、脱脂温度等参数,测试每次的脱脂率,直到数据不再变化,找出最佳的参数组合。

7.2辅助检测方法:切开零件壁厚最厚的部位,观察新鲜的断裂表面来评定脱脂的状况。未脱脂完成的芯部的断口上会显示不同的颜色,如脱脂充分,则断口颜色一致。

脱脂率=(脱脂前重量-脱脂后重量)/脱脂前重量

8.连续脱脂

Catamold®成型件的脱脂时间较短,这使采用连续脱脂和烧结成为可能。

和间歇炉(批次炉)一样,连续炉也可使用氮&催化剂混合气体,气体的流动方向和零件的传送方向相反,同时在顶部排出与燃烧。

在炉子入口,零件要通过一预热的闸门才能进入,以防止催化剂凝结在零件表面上。

 粉末压制金属注射成型厂家

深圳市御嘉鑫科技股份有限公司针对Catamold®脱脂法设计了一种连续脱脂和烧结炉系统。操作过程如下:

>将MIM成形坏放在脱脂的第一个加热区,并在氮气气氛下加热至86℃,以避免在随后的催化脱脂过程中硝酸冷凝在坯料上。

>然后将成形坯移动进入催化脱脂区,将聚醛树脂分解为甲醛。

>经过初步脱脂后,坯料通过第一个清洁室进入烧结炉,在烧结炉的第一个加热区脱除残余的粘结剂。

>随后,在氮气、氢气、氩气、分解氨和其它一些混合物的作用下进行烧结。

9.总结

Catamold®法的一个重要特点是采用催化剂脱脂,脱脂时不出现液相,避免了MIM产品容易发生变形和尺寸精度控制困难的弱点,是MIM产业的一个重大突破,并且由于是催化脱脂,大大缩短了脱脂时间,从而降低了成本,并能生产较大尺寸的MIM零部件。