Titanlegierungs-Golfkopf-Metallspritzgussteile

Mit der Titan- und Titanlegierungs-Metallspritzgusstechnologie (MIM) kann die großtechnische und kostengünstige Herstellung kleiner und mittelgroßer komplex geformter Titanprodukte realisiert werden, was für die Förderung der Produktion und Anwendung von Titan und Titanlegierungen von großer Bedeutung ist Produkte. Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. ist eine Sammlung von Metallspritzguss mit Kupferlegierung, Metallspritzguss auf Eisenbasis, Metallspritzguss auf Edelstahlbasis, Metallspritzguss mit Aluminiumlegierung, Metallspritzguss mit Nickellegierung, Metallspritzguss mit Kobaltlegierung Gießen, Metallspritzgießen mit Wolframlegierung Ein umfassendes High-Tech-Unternehmen, das Forschung und Entwicklung, Produktion und Vertrieb von Spritzguss, Golfkopf-Metallspritzgussteilen aus Titanlegierung, Metallspritzguss aus Hartmetall und Strukturteilen aus der Pulvermetallurgie integriert.

Produktbezkritik

1. Implementierungsstandards: Das Unternehmen setzt die Zertifizierung nach ISO9001, ISO14001 und IATF16949 strikt um

Die Produkte haben die Zertifizierung von ROHS, FDA EU usw. bestanden.

2. Produktmaterialnormen: ISO, GB, ASTM, SAE, EN, LÄRM, BS, AMS, JIS, ASME, DMS, TOCT, GB

3. Hauptprozesse: Metallspritzguss MIM, Pulvermetallurgie PM, Feinguss, Aluminium-Druckguss,

4. Verfügbare Materialien für die Pulvermetallurgie:

Kupferlegierungen, Eisenbasen, Titanlegierungen, Edelstahlbasen, Aluminiumlegierungen, Nickellegierungen, Kobaltlegierungen, Wolframlegierungen, Hartmetalle, Hydroxylegierungen, weichmagnetische Materialien und 3D-Druck können nach Kundenwunsch angepasst werden.

Forschung und Anwendung

Der Metallpulver-Spritzgussprozess umfasst in der Regel mehrere Grundprozesse wie Spritzgussmaterialaufbereitung, Spritzgießen, Entkleben, Sintern und notwendige Nachbearbeitung.

Wie in Abbildung 1 gezeigt, werden das Metallpulver und die organischen Bindemittelkomponenten gemischt, geknetet und granuliert, um ein Spritzgussmaterial herzustellen, und dann wird das Spritzgussmaterial bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck in die Form eingespritzt und nach dem Abkühlen entformt erhalten Sie ein bestimmtes Injektionsmaterial. Der Grünkörper des geformten Produkts wird dann einem Entbindungsprozess unterzogen, um alle organischen Komponenten mit Ausnahme des im Grünkörper enthaltenen Metallpulvers zu entfernen, um ein entbundener Körper zu werden, und schließlich gesintert, um Titanlegierungs-Golfkopfmetall-Einspritzteile mit gewünschten Eigenschaften zu erhalten.

Die Metallpulver-Spritzgusstechnologie realisiert die organische Kombination aus Spritzguss und traditioneller Pulvermetallurgie-Technologie, überwindet die hohen Kosten des Bearbeitungsprozesses, die einfache Form des traditionellen Formverfahrens, die geringe Produktionseffizienz des isostatischen Press- und Vergussverfahrens und das traditionelle Gießverfahren . Die Nachteile vieler Defekte und geringer Toleranzgenauigkeit haben die Herstellung und Anwendung von Produkten aus Titan und Titanlegierungen stark gefördert (wie in Abbildung 2 gezeigt).

Abb.1 Flussdiagramm von Titan und Titanlegierungen hergestellt von MIM

Abb.2 Anwendungen von Titan und Titanlegierungen hergestellt von MIM

Im Folgenden werden die Eigenschaften und Vorteile von Titanlegierungs-Golfkopf-Metallspritzgussteilen vorgestellt und der Forschungsfortschritt der Titan- und Titanlegierungs-Metallpulver-Spritzgusstechnologie aus Pulverrohstoffen, häufig verwendeten Bindersystemen, Spritzguss, Debonding und Sinterung zusammengefasst. Die Hauptprobleme bestehen, und die Forschungsrichtung des Spritzgießens von Titan- und Titanlegierungsmetallpulver wird analysiert.

1. Forschungsstand des Spritzgießens von Metallpulvern aus Titan und Titanlegierungen

Studien haben gezeigt, dass die mechanischen Eigenschaften, die Korrosionsbeständigkeit und die biomedizinischen Eigenschaften von spritzgegossenen Produkten aus Titan und Titanlegierungen stark von der relativen Dichte, dem Gehalt an Verunreinigungen, Legierungselementen und der Mikrostruktur beeinflusst werden.

Nachdem das Spritzgussprodukt gesintert ist, beträgt seine relative Dichte etwa 95 Prozent, und es wird einen bestimmten Anteil an Restporen geben.

Diese verbleibenden Poren werden zur Quelle von Rissen, wenn die Probe bricht, und haben einen großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Materials wie Zugfestigkeit, Duktilität, Bruchzähigkeit und Ermüdungsfestigkeit. Daher sind die mechanischen Eigenschaften besser, je höher die relative Dichte von Spritzgussprodukten aus Titan und Titanlegierungen ist.

Verunreinigungselemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff usw., insbesondere Sauerstoff, erhöhen die Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte des Materials und verringern die Duktilität. Verunreinigungselemente werden in der Titanmatrix bei der Sintertemperatur gelöst. Da es kein wirksames Reduktionsmittel gibt, ist es schwierig, die Verunreinigungselemente von Titan und Titanlegierungen während des Sinterverfahrens zu kontrollieren. Anzahl.

Die Mikrostruktur von Titan und Titanlegierungen, einschließlich der Korngröße und Phasenzusammensetzung nach dem Sintern, kann die mechanischen Eigenschaften des Materials beeinflussen. Zusammengenommen haben spritzgegossene Titan- und Titanlegierungsmaterialien mit ausgezeichneter Leistung eine höhere Dichte, einen geringen Gehalt an Verunreinigungen (normalerweise Sauerstoffgehalt), eine geeignete Legierungszusammensetzung, feine Körner und weniger Defekte während der Verdichtung.

1.1 Pulverförmige Rohstoffe

Die Auswahl der Pulverrohstoffe ist ein wichtiger Schritt im Titanpulver-Spritzgussverfahren. Die Partikelgrößenverteilung und -morphologie des Pulvers beeinflusst direkt die Fließfähigkeit und Formbarkeit des Spritzgussmaterials, die Formbeständigkeit des Grünkörpers beim Entbonden und die Schrumpfung beim Sintern.

Gegenwärtig umfassen die üblicherweise verwendeten Herstellungsverfahren für Titan- und Titanlegierungspulver mechanische Verfahren und Zerstäubungsverfahren.

Die Form des Pulvers, das durch mechanisches Mahlen (wie Kugelmahlen, Rührkugelmahlen, Hochenergie-Vibrationskugelmahlen und Strahlmahlen usw.) erhalten wird, ist im Allgemeinen unregelmäßig oder eckig.

Der Hydrierungsdehydrierungsprozess (HDH) soll die offensichtliche Versprödung von Titan nach der Wasserstoffaufnahme nutzen, es durch mechanisches Mahlen oder Strahlpulverisieren zerkleinern und dann einer Dehydrierung unterziehen, um unregelmäßig geformtes Titanpulver zu erhalten, wie in Abbildung 3 (a) gezeigt . Zerstäubungsverfahren (wie Inertgaszerstäubung, Plasmastrahl-Rotationselektrodenzerstäubung und Elektrodeninduktionsschmelzgaszerstäubung) können in einer vollständig inerten Atmosphäre durchgeführt werden, um eine hohe Reinheit des Rohpulvers aufrechtzuerhalten, was zu einer Kugelform und Partikelgrößenverteilung führt ziemlich breit und hat gute Packungseigenschaften, wie in Fig. 3(b) gezeigt.

Außerdem ist Titanpulver mit feinerer Partikelgröße im Gegensatz zur Produktionstechnologie von Stahlpulver schwieriger herzustellen. Wenn die Partikelgröße abnimmt, nimmt die spezifische Oberfläche zu und der Gehalt an Verunreinigungselementen nimmt ebenfalls zu.

Üblicherweise beträgt die Partikelgröße des beim MIM verwendeten Titanpulvers weniger als 45 μm. Wenn die Partikelgröße des Pulvers zu groß ist, tritt wahrscheinlich das Pulver-Bindemittel-Trennphänomen während des Einspritzvorgangs auf, was zu Defekten führt. Dies muss bei der Gestaltung der Zusammensetzung des Einspritzmaterials und der Formgestaltung vollständig berücksichtigt werden.

Abb. 3 HDH (a) und gaszerstäubtes (b) Titanpulver, das bei MIM verwendet wird

1.2 Ordner

Das Bindemittel ist ein Träger, der während des gesamten Spritzgussverfahrens in Stufen vorhanden ist. Seine Hauptfunktion besteht darin, dass das Pulver die Form gleichmäßig in einem flüssigen Zustand füllt, die gewünschte Form bildet und sie bis zum Vorsinterstadium beibehält.

Beim Spritzgussverfahren sollte das Bindemittel die folgenden Eigenschaften aufweisen: niedriger Schmelzpunkt, gute Benetzbarkeit mit Pulverpartikeln und schnelles Aushärten, was für die Herstellung von Spritzgussmaterialien geeignet ist; gute Fließfähigkeit bei Einspritztemperatur; Nach dem Formen lässt es sich leicht vom Grünkörper entfernen, es bleiben weniger Reststoffe zurück, und die Zersetzungsprodukte sind ungiftig und nicht korrosiv.

Im Allgemeinen enthält die Bindemittelkomponente mindestens eine Primärkomponente und eine Sekundärkomponente:

Die Hauptkomponente dient dazu, die Metallpulverpartikel zu benetzen und für die nötige Fließfähigkeit zu sorgen, während die Nebenkomponente dafür sorgt, dass der Injektionskörper während des Injektionsvorgangs und nach dem Entfernen des Bindemittels Hauptkomponente noch eine ausreichende Festigkeit aufweist.

In den meisten Fällen hat das Bindemittelsystem eine dritte Komponente, wie beispielsweise ein Tensid, um die Kompatibilität zwischen dem Metallpulver und dem Polymer zu verbessern.

Gemäß den Hauptkomponenten der Klebstoffkomponenten können die herkömmlich verwendeten Klebstoffsysteme in Systeme auf Wachsbasis, Systeme auf Basis aromatischer Verbindungen, Systeme auf Polyoxymethylenbasis und Systeme auf Wasserbasis eingeteilt werden.

1.2.1 Klebstoff auf Wachsbasis

Üblicherweise verwendete Wachse für Systembindemittel auf Wachsbasis umfassen mehrere kurzkettige Polymere wie Paraffin, Bienenwachs und Palmwachs. Sie haben niedrige Schmelzpunkte, gute Benetzbarkeit, kurze Molekülketten und niedrige Viskosität, und ihre Volumenänderungen sind geringer als bei anderen Polymeren, wenn sie zersetzt werden. , was vorteilhaft ist, um die Maßhaltigkeit des Produkts sicherzustellen.

Die üblicherweise verwendeten sekundären Komponenten von Systemen auf Wachsbasis sind Polypropylen, Polyethylen, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer und Polymethylmethacrylat mit hohem Molekulargewicht usw. Zusätzlich zu Wachs und Rückgratbindemittel werden oberflächenaktive Mittel, wie Stearinsäure, verwendet Verbesserung der Kompatibilität zwischen Pulver und Polymer.

Das früheste in der Literatur beschriebene Bindemittelsystem auf Wachsbasis stammt von Kaneko et al. Verwendung von Paraffin-Poly-n-butylmethacrylat-Ethylenvinylacetat-Copolymer-Dibutylphthalat als Bindemittel zum Mischen mit Titanpulver zur Herstellung von Injektionsmaterialien. , Pulverbeladung von 56 Prozent und bei 1300 Grad und 1,3 Pa nach dem Ablösen gesintert. Die erhaltene gesinterte Probe hat eine relative Dichte von 94 Prozent und eine Druckfestigkeit von 1000 MPa, hat aber aufgrund eines zu hohen Gehalts an Verunreinigungen fast keine Duktilität.

untersuchten einen zweistufigen Debonding-Prozess, der Vakuumdebonding und Argonatmosphären-Debonding kombiniert, wodurch der Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt in den gesinterten Teilen erheblich reduziert wurde.

Guoet al. ersetzte einen Teil des Paraffins durch Polyethylenglykol mit besserer Benetzbarkeit, entwickelte ein Paraffin-Polyethylenglykol-Polyethylen-Polypropylen-Stearinsäure-Bindemittelsystem und verwendete es beim Spritzgießen von reinem Titan und Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen, den Sinterteilen haben eine gute Formbeständigkeit und geringe Maßschwankungen. Aufgrund der Verringerung des Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalts wird auch die Leistung stark verbessert und es wird eine bessere Leistung erzielt.

Darüber hinaus verwenden einige Forscher Palmwachs, um Paraffin teilweise zu ersetzen, und Palmöl, um Paraffin vollständig zu ersetzen [14] für Bindersysteme auf Wachsbasis, und die Umformwirkung ist auch sehr gut, aber weil das im Palmwachs selbst enthaltene Sauerstoffelement auch ist Sauerstoffquelle, daher ist der Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt des Endprodukts etwas höher und die mechanischen Eigenschaften sind nicht so gut wie beim Paraffinsystem.

Das in der Literatur beschriebene optimale Bindemittelsystem auf Wachsbasis wurde von Friederici et al. . Während des Experiments wurden die Verhältnisse von Paraffin, Polyethylen niedriger Dichte und Stearinsäure eingestellt, um vier Bindemittelverhältnisse zu bilden. Durch die Formungs-, Entbindungs- und Sinterprozesse verschiedener Injektionsmaterialien wurden Proben mit einer relativen Dichte von 98,1 Prozent und einer chemischen Zusammensetzung erhalten, die Sekundärreintitan erfüllt.

Bindersysteme auf Wachsbasis nehmen beim Spritzgießen eine wichtige Position ein, aber da das Bindersystem auf Wachsbasis organische Lösungsmittel zum Lösen von Lösungsmitteln verwendet und eine geringe Entfettungseffizienz aufweist, führen Forscher auf dieser Grundlage weiterhin Innovationen durch und entwickeln neue Klebstoffe. Agentensystem.

1.2.2 Klebstoffe auf Basis aromatischer Verbindungen

Aromatische Verbindungen (wie Naphthalin, Anthracen usw.) können bei sehr niedrigen Temperaturen gelöst werden. Unter Niederdruckbedingungen können sie durch Sublimation bei einer Temperatur unterhalb ihres Schmelzpunktes direkt von Feststoffen in Gase umgewandelt werden. Als Bindemittel werden aromatische Verbindungen verwendet. Die Trennung kann die Effizienz des Debonding-Prozesses stark verbessern.

Weilet al. verwendeten aromatischen Verbindungen im Titanpulver-Spritzguss. In seiner Forschung wurden dichte Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen und poröse Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen unter Verwendung von Naphthalin, 1 Prozent Stearinsäure und 3 Prozent -12 Prozent Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren als Bindemittel hergestellt.

Da Naphthalin direkt in Gas sublimiert und abgegeben wurde, trat während des Experiments keine flüssige Phase während des Debonding-Prozesses auf, und das Probenvolumen änderte sich nicht, und im Gegensatz zur Lösungsmittelentfettung war die beim Sublimationsverfahren beteiligte Oberflächenenergie niedrig, was bedeutete, dass es sich um eine gemeinsame handelte Entfettungsfehler wie Verformung. , Rissbildung usw. vermieden werden können, das Experiment schließlich eine relative Dichte der gesinterten Probe von 96,6 Prozent erzielte und der Kohlenstoffgehalt nicht zunahm.

Obwohl das Bindemittelsystem eine hervorragende Produktleistung erzielt hat, haben die aromatischen Verbindungen im System immer noch Auswirkungen auf die Umwelt und die körperliche Gesundheit und wurden nicht von Forschung und großtechnischen Anwendungen weiterverfolgt.

1.2.3 Klebstoff auf POM-Basis

Polyoxymethylen wurde erstmals 1984 im Klebstoffsystem von Celanese Corp verwendet und dann von BASF entwickelt, wodurch es möglich wurde, dass die Klebstoffkomponenten kein Wachs und Komponenten mit geringem Molekulargewicht enthalten.

Polyoxymethylen ist der Hauptbestandteil des Bindersystems, und im späteren Entwicklungsprozess wird nach und nach Polyethylen (PE) als Gerüstbinder hinzugefügt.

Basierend auf diesem Bindersystem bildet BASF derzeit Spritzgussmassen, die ein breites Spektrum an Materialien abdecken, darunter niedrig legierte Stähle, Edelstähle, Werkzeugstähle, Titan und Titanlegierungen sowie Keramiken.

Die bemerkenswerte Eigenschaft von Polyoxymethylen besteht darin, dass es empfindlicher gegenüber sauren Reagenzien ist und zu einer Zersetzung durch Säure neigt. Durch Behandeln des Grünkörpers in einer sauren Atmosphäre unterhalb seiner Erweichungstemperatur befindet sich das Polyoxymethylen daher in einem festen Zustand, der Defekte wie Risse und Ausdehnung, die durch das Sieden der Bindemittelkomponenten verursacht werden, vermeidet und eine geringe Verformung und eine gute Formbeständigkeit aufweist . Präzise Größenkontrolle.

Darüber hinaus ist die Entfettungsrate aufgrund der großen Diffusionsrate im Vergleich zu anderen Entfettungsmethoden höher, was das 10-fache der Ablösungsrate herkömmlicher Lösungsmittel erreichen kann, während eine dickere Ablösung ermöglicht wird.

Obwohl das Klebstoffsystem auf POM-Basis viele der oben genannten Vorteile hat, hat es auch viele Nachteile.

Der korrosive Salpetersäuredampf wird oft als Katalysator im katalytischen Debonding-Prozess verwendet. Einerseits kann sich Polyoxymethylen während der Vorbereitungs- und Spritzgussphasen vor dem Spritzgießen zersetzen, was zu hochgiftigem Formaldehyd führt, und die Zersetzungsprodukte müssen in zwei Schritten verbrannt werden. Andererseits ist die saure Atmosphäre, die eine katalytische Rolle spielt, korrosiver für die Ausrüstung und erfordert mehr Investitionen.

1.2.4 Klebstoffe auf Wasserbasis

Die in den vorgenannten Bindemittelsystemen verwendeten Trennlösungsmittel (wie Heptan und Hexan) oder die Zersetzungsprodukte der Bindemittelkomponenten (aromatische Monomere und Formaldehyd) sind mehr oder weniger umwelt- und bedienerbelastend. Daher ist es von großer Bedeutung, ein Bindersystem mit umweltfreundlichen Lösungsmitteln zu entwickeln.

Existierende umweltfreundliche Bindersysteme verwenden Wasser als bindungslösendes Lösungsmittel.

Entsprechend der unterschiedlichen Rolle des Wassers bei der Herstellung von Injektionsmaterialien können solche Bindemittelsysteme in zwei Typen eingeteilt werden: gelbasierte und nicht-gelbasierte.

Ein häufig verwendetes Polymer für nicht auf Gel basierende Systeme ist Polyethylenglycol, das bessere Eigenschaften hat und kostengünstig und leicht verfügbar ist. Polyethylenglykole mit niedrigem Molekulargewicht können bei 60 Grad schnell und fast vollständig entfernt werden, und die Molekulargewichte der üblicherweise verwendeten Polyethylenglykole reichen von 500 bis 2 000. Das üblicherweise verwendete Rückgratbindemittel ist Polymethylmethacrylat mit einem Molekulargewicht von 10.000.

verwendeten eine wasserlösliche Bindemittelkomponente aus Polyethylenglykol-Polymethylmethacrylat-Stearinsäure bei einer Pulverbeladung von 69 Prozent .

In dem Experiment wurde Polyethylenglykol in Wasser bei 55 Grad für 5 Stunden vollständig entfernt, und Polymethylmethacrylat wurde in einem heißen, entbundenen Argonstrom bei 44 0 Grad vollständig entfernt. Der endgültige Sauerstoffgehalt (Massenanteil) der hergestellten Proben betrug 0,2 Prozent, die entsprechende Zugfestigkeit 850 bis 880 MPa und die Dehnung 8,5 bis 16 Prozent, was dem Ti-Standard der ASTM-Klasse 5 entsprach.

Die meisten Bindemittel auf Gelbasis sind Naturstoffe wie Zellulose, Stärkeagar usw.

Tokura verwendete Agar, um das Polymerbindemittel beim Spritzgießen von Titanpulver zu ersetzen, und untersuchte die thermische Stabilität, Löslichkeit und Spritzviskosität des Bindemittelsystems.

Der Metal Powder Report (MPR) berichtete über eine Studie zur Herstellung von Mundimplantaten aus Titanlegierung unter Verwendung von Klebstoffen auf Agarbasis, die aus Agar, Wasser und Gelverstärkungsmaterialien bestanden.

Suzuki et al. stellten Proben mit einer relativen Dichte von 97,3 % her, indem sie ein Bindemittel verwendeten, das 4 % Massenanteil Agar (Molekulargewicht 82 500) enthielt, die Kohlenstoff- und Sauerstoff-Massenanteile der Proben waren 0.33 Prozent bzw. 0,3 Prozent, und die Streckgrenze betrug 539 MPa. , die Dehnung beträgt etwa 10 Prozent . Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass bei Verwendung von Agar mit hohem Molekulargewicht die Gelfestigkeit zunimmt, aber der restliche Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt höher ist, was zu einer Abnahme der Sinterdichte der gesinterten Teile und einer geringeren Zugfestigkeit und Dehnung führt.

Bindemittel auf Wasserbasis, die kein Gel sind, sind leicht zu kontrollieren, Entfettungsgeräte sind billiger als andere Entfettungsmethoden, und die Bindemittel sind biologisch abbaubar und nicht toxisch für Mikroorganismen, aber die Behandlung von Entfettungsabwässern erfordert zusätzliche Kosten.

Die Größenkontrolle der durch das Injektionsmaterial auf Gelbasis hergestellten Endteile ist schwierig, und die Zusammensetzung ist nicht stabil genug, und die Prozessbedingungen und die Qualitätskontrolle sind schwierig, und weitere Forschung und Optimierung sind noch erforderlich.

1.3 Spritzgießen, Debonding und Sintern

Die Prozessparameter des Spritzgießens werden durch die Eigenschaften des Spritzgussmaterials und die Geometrie des Zielprodukts bestimmt.

Wie oben erwähnt, ist die Partikelgröße von Titanpulver gewöhnlich grob. Verglichen mit dem Spritzgießen von Edelstahlmaterial ist es einfach, ein Pulver-Bindemittel-Trennphänomen zu erzeugen. Vor dem Spritzgießen sollten geeignete Formprozessparameter gemäß den rheologischen Eigenschaften des Spritzgussmaterials formuliert werden, um Defekte im geformten Körper zu reduzieren.

[Wang et al.] verwendeten eine Ti-6Al-4V-Legierung in Kombination mit einem pulverförmigen Bindemittelsystem auf Wachsbasis, um Spritzgussmaterialien herzustellen, und testeten und analysierten die rheologischen Eigenschaften von Injektionsmaterialien unter verschiedenen Pulverbeladungen und Temperaturen, um eine Grundlage für die Formulierung geeigneter Materialien bereitzustellen Formparameter für den Spritzgussprozess. .

Parket al. verwendeten aerosoliertes Titanpulver, HDH-Titanpulver und kugelförmiges HDH-Titanpulver, um Injektionsmaterialien herzustellen, und maßen ihre rheologischen Eigenschaften und ihr Ablösungsverhalten und schlugen den Formbarkeitsindex von Injektionsmaterialien vor. Die Leistung wurde bewertet, und die Analyseergebnisse lieferten eine theoretische Grundlage für die gleichzeitige Verwendung von HDH-Pulver und aerosolisiertem Pulver im Injektionssystem.

Basierend auf einem experimentellen und numerischen Simulationsprozess wurden die optimalen Prozessparameter für die Herstellung von fehlerfreien Metallspritzgussteilen mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften von Barriere et al. diskutiert, basierend auf Modellierungstechniken unter Verwendung von Zwei-Phasen-Strömungsgleichungen und einer neuen Entwicklung Der explizite Algorithmus wird verwendet, um die Vorhersage des Materialtrennungsphänomens im Einspritzprozess mittels numerischer Simulation zu realisieren.

Chenet al. verwendeten das Hydrodehydrodehydrierungssystem aus vorlegiertem Ti-6Al-4V-Pulver und wasserlöslichem Bindemittel zur Herstellung von Injektionsmaterialien und maßen dann die Entfernungsrate von Polyethylenglykol, der wasserlöslichen Bindemittelkomponente, in Proben unterschiedlicher Dicke bei unterschiedlichen Temperaturen und eine Formel aufgestellt. Ein mathematisches Modell zur diffusionsgesteuerten Ablösung wurde verwendet, um den Ablösungsmechanismus des Bindersystems zu bestimmen.

Sidambeet al. verwendeten die Taguchi-Methode, um die optimale Kombination von Parametern wie die optimale Sintertemperatur, Zeit, Heizrate und Atmosphäre zu bestimmen.

Nor et al. verwendet Palmstearin und Polyethylen-Bindemittelsystem, um Ti-6Al-4V-Injektionsmaterial herzustellen, und verwendet die Taguchi-Methode, um den optimalen Produktionsprozess zu formulieren, und erhält schließlich eine Probe mit einer Streckgrenze von 934,4 MPa und an Dehnung von 10 Prozent. Die Gesamteigenschaften erfüllen die in ASTM B348-02 Medical Titanium Alloys spezifizierten Anforderungen.

Obasiet al. bereiteten Ti-6Al-4V-Proben mit Eigenschaften vor, die die Anforderungen von ASTM B348-02 Titanlegierung Grad 23 erfüllen, und untersuchten die Auswirkungen von Änderungen im grundlegenden Prozessparametersystem auf den thermischen Entbinderungs- und Sinterprozess von Ti-6Al-4V-Pulver-MIM-Komponenten .

Limberget al. stellten Ti–45Al–5Nb–0.2B–0.2C durch Mischen von elementaren Pulvern während des Spritzgussverfahrens her und untersuchten die Auswirkungen der Sinterzeit und der Sinteratmosphäre auf die Zugeigenschaften und die Mikrostruktur, und erhaltene Antiresistenzeigenschaften. Eine Probe mit einer Zugfestigkeit von etwa 630 MPa.

Guoet al. stellten Reintitan- und Ti-6Al-4V-Werkstoffe durch Spritzgusstechnik her, untersuchten den Einfluss von Wärmebehandlungsprozessen wie heißisostatischem Pressen und Glühen auf die Eigenschaften von Legierungsmaterialien und charakterisierten den Wärmebehandlungseffekt qualitativ anhand der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften testen. und quantitative Charakterisierung, seine Mikrostruktur ist in Abbildung 4 dargestellt.

Das Injektionsmaterial wird durch Mischen von gaszerstäubtem Titanpulver, hydriertem Titanpulver und Bindersystem auf Wachsbasis hergestellt. Nach dem Spritzgießen wird das Lösungsmittel in einer Mischung aus Heptan und Ethanol gelöst, und die Temperatur wird auf 350, 420 erhöht. Nach dem Halten bei 600 Grad wurde das Bindemittel vollständig entfernt, und die Sintertemperatur betrug 1230 Grad für 3 Stunden. Schließlich waren die Zugeigenschaften der gesinterten Proben 389-419 MPa und die Dehnung war 2 Prozent -4 Prozent.

Die Mitglieder dieser Forschungsgruppe verwendeten das gaszerstäubte Titanpulver und das wasserlösliche Bindersystem, um Proben aus reinem Titan herzustellen, und untersuchten die Auswirkungen der Sintertemperatur und Haltezeit auf die Eigenschaften von Proben aus reinem Titan. 3 Pa Vakuum, Sintertemperatur 1350 Grad und Dehnung von 20,3 Prozent nach Halten für 3 Stunden, was vollständig der ASTM F2989-13 Pulvermetallurgieleistung entspricht, optimale Probe, relative Dichte 96,9 Prozent, Zugfestigkeit 443 MPa, biomedizinischer Grad II Reintitan-Standard.

Abb. 4: Mikrostrukturen von Proben aus Ti (a) und Ti-6Al-4V (b), die mit Ausgangsmaterialien auf Wachsbasis hergestellt wurden

2 Neue Spritzgussmaterialien aus Titan und Titanlegierungen

Titan und Titanlegierungen werden derzeit häufig in orthopädischen, stomatologischen Geräten und medizinischen Implantaten verwendet, aber aufgrund des Unterschieds zwischen ihren mechanischen Eigenschaften und den mechanischen Eigenschaften des menschlichen Knochens (Elastizitätsmodul beträgt etwa 20 GPa) wird es am Knochen hergestellt /Implantat-Schnittstelle. Der Stress-Shielding-Effekt, der zu klinischen Langzeiteffekten führt, kann stark beeinträchtigt sein, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Daher passten die Forscher die mechanischen Eigenschaften von Titanmaterialien an, indem sie die Struktur und Legierungszusammensetzung von Titanmaterialien änderten, um sie der Struktur und den Eigenschaften natürlicher menschlicher Knochen anzunähern.

Abb.5 Vergleich des Elastizitätsmoduls biomedizinischer Titanlegierungen

2.1 Poröse Titanwerkstoffe und Titan-Keramik-Verbundwerkstoffe

Poröse Titanmaterialien und neue Titanlegierungssystemmaterialien haben eine geeignete Porenstruktur und mechanische Eigenschaften und sind ideale Implantatmaterialien für den orthopädischen Ersatz.

Einerseits kann es die Spannungsfehlanpassung zwischen dem Implantat und dem Knochengewebe effektiv reduzieren, wodurch die Stressabschirmwirkung reduziert und die dauerhafte und effektive Funktion des Implantats realisiert wird; Andererseits ist die poröse Struktur eine notwendige Voraussetzung für das Einwachsen von Knochenzellen in das Implantat. Die miteinander verbundene poröse Struktur kann den Durchgang einer großen Menge an Körperflüssigkeiten ermöglichen, was das Wachstum von Knochenzellen weiter fördern kann.

Guet al. bildeten eine neue Art von TC4-Legierung mit einer offenporigen Struktur durch Zugabe von TiH2 zu Titan-Aluminium-Vanadium-Elementpulver als Treibmittel und Wirkstoff. Die Porengrößenverteilung ist gleichmäßig, die Porengröße beträgt 90 bis 190 μm und die Porosität beträgt etwa 43 bis 59 Prozent. liegt der Elastizitätsmodul zwischen 5,8 und 9,5 GPa. Enginet al. [35] verwendeten Pulverspritzguss (PIM) in Kombination mit der Porenbildner-Technologie, um mikroporöse Titanlegierungen herzustellen, und untersuchten die Wirkung der Menge des Porenbildners Polymethylmethacrylat auf die Dichte und Druckfestigkeit der Legierung. und der Elastizitätsmodul.

Tunceret al. verwendeten das zerstäubte kugelförmige Pulver, das HDH-Titanpulver und das Bindemittelsystem auf Wachsbasis, indem sie eine bestimmte Menge an NaCl und KCl als Porenbildner hinzufügten, um die Wirkung des Ausgangspulvers auf die Leistung des endgültigen porösen Titanprodukts zu untersuchen, und ferner durch Einstellen des Porenbildners. Entsprechend der Dosierung des Mittels kann das poröse Titanmaterial mit der erforderlichen Porosität und Porengröße des medizinischen Implantats erhalten werden, und die chemische Zusammensetzung des Materials kann den Standard von tertiärem Reintitan erfüllen.

Chenet al. verwendeten NaCl als Porenbildner in Kombination mit hydriertem Titanpulver auf Wachsbasis zur Herstellung von Spritzgussproben. Durch Einstellen der NaCl-Menge kann im Injektionsteil ein Verbindungsloch gebildet werden, dessen mechanische Eigenschaften denen von Spongiosa ähneln.

Barbosaet al. verwendete erstmals Fe22Cr-Pulver, um die rheologischen Eigenschaften von Injektionsmaterialien verschiedener Bindersysteme zu testen. Entsprechend den Ergebnissen der Leistungstests wurde ein geeignetes Bindemittelsystem auf Wachsbasis ausgewählt und dann mit Ti-Pulver und Porenbildner NaCl für das Warmpressen und den Mehrkomponenten-Spritzguss kombiniert. wurde eine Wirbelsäulenimplantatkomponente mit einem dichten äußeren porösen Kern und einem Porositätsgradienten durch Entfetten und Sintern hergestellt.

Abb.6 Poröses Titan-Spritzgussbauteil mit NaCl als Platzhalter

Hydroxylapatit (HA) hat aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung und Kristallstruktur als natürliches menschliches Knochengewebe einzigartige Vorteile beim Knochenersatz und der Knochenrekonstruktion und spielt eine immer wichtigere Rolle in biomedizinischen Geräten. .

HA ist jedoch spröde und hat schlechte mechanische Eigenschaften, sodass es nicht allein als tragende Komponente verwendet werden kann. Daher ist eine neue Art von biomedizinischem Material entstanden, das aus HA- und Titanmaterial besteht.

Thian et al.] untersuchten die Herstellung von Ti6Al4V/HA-Verbundwerkstoffen durch Spritzgießen. Zuerst wurde das Ti6Al4V/HA-Kompositpulver durch das Keramikfällungsverfahren hergestellt, und dann wurde das hergestellte Pulver mit dem kommerziellen Binder PAN-250S gemischt, um das Injektionsmaterial herzustellen. Die rheologischen Eigenschaften des Injektionsmaterials wurden getestet und die Aufheizgeschwindigkeit während des Debonding-Prozesses wurde untersucht. Der Einfluss der Gasströmungsgeschwindigkeit der Debonding-Atmosphäre und der Debonding-Atmosphäre auf die Defekte des debonded Teils, die Entbinderungsmenge und den Restkohlenstoffgehalt; der Einfluss der Parameter des Sinterverfahrens (Aufheizrate, Sintertemperatur, Haltezeit, Abkühlrate usw.) Die Porosität der erhaltenen Probe betrug etwa 50 Prozent; Darüber hinaus wurde der biologische Abbauprozess des präparierten Ti6Al4V/HA-Materials in der Körperflüssigkeitsumgebung analysiert und durch die Testergebnisse der mechanischen Eigenschaften charakterisiert.

2.2 Neue Materialien aus Titanlegierungen

Der biomedizinische Bereich ist ein wichtiger Zweig der Anwendung von Titanmaterialien, und seine Richtung der Anwendungsnachfrage wirkt sich direkt auf den Entwicklungstrend von Titanmaterialien aus.

Die frühen Titanmaterialien sind hauptsächlich reines Titan (Phase), aber reine Titanmaterialien haben eine geringe Festigkeit und eine schlechte Verschleißfestigkeit und entwickeln dann eine hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit sowie einen Typ, der durch die Legierung Ti6Al4V, Ti6Al7Nb und Ti5Al2.5Fe repräsentiert wird.

Aust et al. erfolgreich hergestellte Knochenschraubenmaterialien mit ausgezeichneter Leistung unter Verwendung von Ti6Al7Nb-Pulver und Bindersystem auf Wachsbasis (Paraffin plus PE plus Stearinsäure), wie in Abbildung 7 gezeigt, mit einer relativen Dichte von 97,6 Prozent, einer Zugfestigkeit von 815 MPa und einer Streckgrenze Festigkeit von 714 MPa. Dehnung 8,7 Prozent.

Forschungsergebnisse zeigen, dass Legierungselemente wie Al und V in der weit verbreiteten Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung und Titan-Aluminium-Niob-Legierung zytotoxische Al- und V-Element-Ionen freisetzen, nachdem das Implantat in den menschlichen Körper eingedrungen ist, was dem menschlichen Körper Schaden zufügt . .

Als Ergebnis haben Forscher eine Reihe von Entwicklungen einer neuen Generation von -Titanlegierungssystemen durchgeführt, die Nb, Ta, Zr, Mo, Sn und andere Biosicherheitselemente ohne Al- und V-Elemente enthalten.

Zu den derzeit entwickelten und erforschten Biotitanlegierungen gehören hauptsächlich Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7 Zr-5Ta, Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr und Ti- 29Nb-13Ta-4.6Zr et al. [44]. Aufgrund der Einschränkungen der Mahltechnologie und anderer Aspekte werden diese Legierungssysteme selten in Pulverspritzgussverfahren verwendet.

Zhaoet al. führte Spritzgussexperimente unter Verwendung von Titanpulver und Niobpulver durch und stellte erfolgreich eine TiNb-Zweiphasenlegierung mit einer relativen Dichte von etwa 95 Prozent her. Durch das Testen der mechanischen Eigenschaften von Grünkörpern, entbundenen Teilen und gesinterten Teilen sowie Sintern mit unterschiedlichen Legierungszusammensetzungsgehalten wurde die Wirkung des Nb-Gehalts auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der Legierung untersucht, indem die Beobachtung und der Vergleich verglichen wurden Mikrostruktur der Legierung.

Arockiasamy et al. stellten eine Ti5Fe5Zr-Legierung her, indem sie Fe- und Zr-Elemente zu HDH-Pulver aus reinem Titan hinzufügten, und maßen die mechanischen Eigenschaften der Legierung. Mechanismus.

Von MIM präparierte Ti6Al7Nb-Knochenschraube

3. Ausblick

Das niedrige spezifische Gewicht, die hohe spezifische Festigkeit, die ausgezeichnete Biokompatibilität und Oxidationsbeständigkeit sowie die gute Korrosionsbeständigkeit von Titan und Titanlegierungen machen sie zu großartigen Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Medizin, Chemie, Automobilindustrie und täglichen Konsumgütern. Entwicklungspotential.

Im Vergleich zu herkömmlichen Verarbeitungstechniken wie Schmieden, Gießen und Bearbeiten hat das Pulverspritzgießen offensichtliche Vorteile, eine gleichmäßige Legierungszusammensetzung, eine hohe Rohstoffausnutzungsrate und eine starke Produktionskapazität für großformatige komplexe Teile, die die Produktion von Titan erheblich fördern können und Titanlegierungsprodukte. und Anwendung.

Obwohl bei der Erforschung des Spritzgießens von Titan und Titanlegierungen einige Fortschritte erzielt wurden, ist der Preis für hochwertige Pulverrohstoffe im eigentlichen industriellen Produktionsprozess relativ hoch, die Umwandlung und Anwendung neuer hochwertiger Titanlegierungssysteme zum Spritzgießen ist unzureichend, und es ist schwierig, die chemische Zusammensetzung der Produkte zu kontrollieren. Eine Reihe von Problemen, zum Beispiel größere, müssen noch gelöst werden.

Darüber hinaus steigt mit der rasanten Entwicklung der Mikrosystemtechnik in den letzten Jahren die Nachfrage nach mikrokomplexen Komponenten, die in Mikrosystemen verwendet werden, weiter an. Der Pulverspritzguss muss von traditionellen Produkttypen auf Mikroprodukte übertragen und zur Pulvermikroinjektion weiterentwickelt werden. Umformtechnik.

Gegenwärtig konzentrieren sich die meisten Mikrospritzgusstechnologien auf Polymer, Edelstahl und andere Materialsysteme. Beim Mikrospritzgießen von Titan und Titanlegierungen sind noch viele Probleme zu untersuchen.

Daher sollte sich die Entwicklung der Forschung zum Spritzgießen von Titan und Titanlegierungen auf die Erforschung und Entwicklung neuer Titanlegierungssysteme, die Entwicklung einer Technologie zur Herstellung von kostengünstigen, hochwertigen Titanlegierungspulvern und die Forschung zum Mikrospritzgießen von Titan konzentrieren Materialien, die für Mikro- und komplexe Geräte geeignet sind.

Mit der eingehenden Forschung zur Spritzgusstechnologie von Titan und Titanlegierungen wird angenommen, dass die Technologie des Spritzgusses von Titan und Titanlegierungen große Fortschritte machen und dann die schnelle Entwicklung der Titanindustrie fördern wird.

Post-Casting-Prozess

1. Wärmebehandlung: Glühen, Aufkohlen, Anlassen, Abschrecken, Normalisieren, Oberflächenanlassen

2. Verarbeitungsgeräte: CNC, WEDM, Drehmaschine, Fräsmaschine, Bohrmaschine, Schleifmaschine usw.;

3. Oberflächenbehandlung: Pulversprühen, Verchromen, Lackieren, Sandstrahlen, Vernickeln, Galvanisieren, Schwärzen, Polieren, Bläuen usw.

Formen und Inspektionsvorrichtungen

1. Lebensdauer der Form: in der Regel semipermanent. (außer verlorener Schaum)

2. Lieferzeit der Form: 10-25 Tage (je nach Produktstruktur und Produktgröße).

3. Werkzeug- und Formenwartung: Zhongwei ist für Präzisionsteile verantwortlich.

Qualitätskontrolle

1. Qualitätskontrolle: Die Fehlerquote beträgt weniger als 0,1 Prozent .

2. Muster und Probelauf werden während der Produktion und vor dem Versand zu 100 Prozent geprüft, Musterprüfung für die Massenproduktion gemäß ISDO-Standards oder Kundenanforderungen

3. Prüfgeräte: Fehlererkennung, Spektrumanalysator, Golden Image Analyzer, Drei-Koordinaten-Messmaschine, Härteprüfgerät, Zugprüfmaschine.