--整理：David--

本文为《MIM不锈钢零件生产工艺》系列文章之催化脱脂工艺详解

（用Catamold®注射料）

 

 

脱脂的工艺有很多种：热脱，溶脱，催化脱……等（回复脱脂，可以查看关于MIM脱脂原理、脱脂方法、脱脂炉等相关的文章）。

 

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。

 

图1 脱脂化学反应（聚甲醛分解为甲醛分子）

 

 

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（图2）。

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。

 

图2 脱脂原理

 

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

 

图3 催化脱脂炉

 

如图3所示，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。计算表格见下表。

 

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。

 

图4 脱脂率测试记录表

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（见图4）。

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。

 

图5 连续脱脂和烧结

 

 

德国CREMER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。

 

 

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以上内容和图片为本站在韩凤麟《金属注射成型精密零件生产与应用》专著基础上修改和编写，仅供参考！转载请注明来源。