Titanyum ve titanyum alaşımlı metal tozu enjeksiyon kalıplama teknolojisinin araştırma ilerlemesi

Titanyum ve titanyum alaşımlı metal tozu enjeksiyon kalıplama teknolojisinin araştırma ilerlemesi

--Kaynak: CNKI, düzenleyen: Zhongwei Precision Editor--

Metin toplam 16900 kelimedir ve okuma süresi: 45 dakikadır.

Özet

Titanyum ve titanyum alaşımları düşük özgül ağırlık, yüksek özgül mukavemet, mükemmel biyouyumluluk ve iyi korozyon direncine sahiptir ve havacılık, biyomedikal, kimya, otomotiv ve diğer alanlarda büyük uygulama potansiyeline sahiptir.

Titanyum ve titanyum alaşımlı metal tozunun metal enjeksiyon kalıplama (MIM) teknolojisi, titanyum ve titanyumun üretimini ve uygulamasını teşvik etmek için büyük önem taşıyan karmaşık şekillere sahip küçük ve orta büyüklükteki titanyum ürünlerinin kütle ve düşük maliyetli hazırlanmasını gerçekleştirebilir. alaşımlı ürünler.

Bu makale, titanyum ve titanyum alaşımlarının metal tozu enjeksiyon kalıplamanın özelliklerini ve avantajlarını tanıtır, titanyum ve titanyum alaşımlarının metal tozu enjeksiyon kalıplama teknolojisinin toz hammaddelerinden, bağlayıcı sisteminden, toz enjeksiyon kalıplamadan, bağ açma ve sinterlemeden araştırma ilerlemesini özetler ve titanyum ve titanyum alaşımlarının metal tozu enjeksiyon kalıplamasının araştırma yönünü ve geliştirme beklentilerini mevcut ana sorunlara göre analiz eder.

Anahtar Kelimeler Titanyum; Titanyum alaşımı; Enjeksiyon kalıplama; Araştırma ilerleme sınıflandırması No. TF125.2; TF125.2 artı 2

1840'lardan beri, insanların cevherlerden metal titanyum elde etmek için endüstriyel üretim yöntemine hakim olduklarından beri, titanyum ve titanyum alaşımları endüstriyel ve ticari tesislerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, çelikle karşılaştırıldığında, yıllık üretimi hala küçüktür ve hammaddelerin yüksek maliyeti nedeniyle, uygulama kapsamı çoğunlukla denizcilik endüstrisi, kimya endüstrisi, havacılık endüstrisi, tıbbi cihazlar, implantlar ve lüks mallar ve diğer endüstrilerle sınırlıdır. malzeme performansı için yüksek gereksinimlerle.

Halihazırda, hammaddelerin yüksek fiyatına ek olarak, titanyum ve titanyum alaşımlarının işlenmesi ve şekillendirilmesindeki zorluk da uygulama kapsamını büyük ölçüde sınırlandırmaktadır.

Titanyum ve titanyum alaşımlarının işlenebilirliği zayıftır. Geleneksel işleme yöntemi, ekipmanı işlemek için pahalıdır ve işleme verimliliğinde düşüktür, bu da işleme maliyetini büyük ölçüde artırır; İşlenebilen titanyum parçaların yapıları çok basittir ve çoğu, işleme yöntemlerinin sınırlamaları nedeniyle malzemelerin optimum performansına oyun verebilecek tasarım şemasına ulaşamaz.

Bu bağlamda yüksek hammadde kullanım oranı ve düşük parti üretim maliyeti avantajlarına sahip olan metal enjeksiyon kalıplama (MIM), ideal bir titanyum ve titanyum alaşımı işleme prosesi haline gelmiştir [1 – 4].

Metal tozu enjeksiyon kalıplama işlemi genellikle enjeksiyon malzemesi hazırlama, enjeksiyon kalıplama, bağ ayırma, sinterleme ve gerekli son işlem gibi birkaç temel işlemi içerir.

Şekil 1'de gösterildiği gibi, enjeksiyon malzemesini hazırlamak için metal tozu ve organik bağlayıcı bileşenleri karıştırılır, karıştırılır ve granüle edilir ve ardından enjeksiyon malzemesi belirli bir sıcaklık ve basınçta kalıba enjekte edilir. Soğutulduktan sonra kalıptan çıkarma ile belirli bir şekle sahip yeşil ürün elde edilir ve daha sonra yeşildeki metal tozu dışındaki tüm organik bileşenler bağ açma işlemi ile uzaklaştırılarak bağ açma yeşili olur ve son olarak gerekli performansa sahip ürün elde edilir. sinterleme.

Metal tozu enjeksiyon kalıplama teknolojisi, enjeksiyon kalıplama ve geleneksel toz metalurjisi teknolojisinin organik kombinasyonunu gerçekleştirir, yüksek işleme süreci maliyeti, geleneksel kalıplama işleminin basit şekli, izostatik presleme ve enjeksiyon kalıplama işleminin düşük üretim verimliliği, geleneksel dökümün birçok kusurunun eksikliklerinin üstesinden gelir. proses, düşük tolerans doğruluğu ve titanyum ve titanyum alaşımlı ürünlerin üretimini ve uygulamasını büyük ölçüde teşvik eder (Şekil 2'de gösterildiği gibi).

Şekil 1 Titanyum ve Titanyum Alaşımlı Metal Toz Enjeksiyon Kalıplama İşlem Akış Şeması

Şekil.1 MIM tarafından üretilen titanyum ve titanyum alaşımlarının akış şeması

Şekil 2 Zhongwei Precision ve Beijing tarafından 2002 yılında ortaklaşa geliştirilen titanyum ve titanyum alaşımlı metal tozu enjeksiyonlu kalıplamanın uygulama örnekleri ve 2004 yılında seri üretime geçildi.

Şekil 2 MIM tarafından üretilen titanyum ve titanyum alaşımının uygulanması

Bu makale, titanyum ve titanyum alaşımlı metal tozu enjeksiyon kalıplamanın özelliklerini ve avantajlarını tanıtır, titanyum ve titanyum alaşımlı metal tozu enjeksiyon kalıplama teknolojisinin toz hammaddelerinden, yaygın olarak kullanılan bağlayıcı sistemlerinden, enjeksiyon kalıplamadan, bağ ayırma ve sinterlemeden araştırma ilerlemesini özetler ve analizler Mevcut ana problemler ışığında titanyum ve titanyum alaşımlı metal toz enjeksiyon kalıplama araştırma yönü.

Titanyum ve titanyum alaşımlı metal tozu enjeksiyon kalıplamanın araştırma durumu

Araştırma, titanyum ve titanyum alaşımı enjeksiyonla kalıplanmış ürünlerin mekanik özelliklerinin, korozyon direncinin ve biyomedikal özelliklerinin nispi yoğunluk, kirlilik içeriği, alaşım elementleri ve mikro yapıdan büyük ölçüde etkilendiğini göstermektedir.

Sinterlemeden sonra, enjeksiyonla kalıplanmış ürünlerin nispi yoğunluğu yaklaşık yüzde 95'tir ve belirli bir oranda artık gözenek olacaktır.

Bu kalıntı gözenekler, numune kırıldığında çatlak kaynağı olacak ve malzemenin çekme mukavemeti, süneklik, kırılma tokluğu, yorulma mukavemeti ve diğer mekanik özellikleri üzerinde büyük bir etkiye sahip olacaktır. Bu nedenle, titanyum ve titanyum alaşımı enjeksiyonla kalıplanmış ürünlerin nispi yoğunluğu ne kadar yüksek olursa, mekanik özellikleri o kadar iyi olur.

Oksijen, karbon, nitrojen, hidrojen vb. başta oksijen olmak üzere safsızlıklar malzemelerin akma dayanımını, çekme dayanımını ve sertliğini artıracak ve sünekliği azaltacaktır. Safsızlıklar, sinterleme sıcaklığında matris titanyum içinde çözülür. Etkili bir indirgeyici ajan olmadığı için, sinterleme işlemi sırasında titanyum ve titanyum alaşımlarının safsızlıklarını kontrol etmek zordur, bu nedenle hammaddelere ve sonraki her işleme eklenen oksijen miktarını mümkün olduğunca azaltmak gerekir.

Sinterleme sonrası tane boyutu ve faz bileşimi dahil olmak üzere titanyum ve titanyum alaşımlarının mikro yapısı, malzemelerin mekanik özelliklerini etkileyecektir. Tek kelimeyle, mükemmel performansa sahip enjeksiyonla kalıplanmış titanyum ve titanyum alaşımlı malzemeler, yüksek yoğunluğa, düşük safsızlık içeriğine (genellikle oksijen içeriği), uygun alaşım bileşimine, ince tanelere ve yoğunlaştırma sırasında birkaç kusura sahiptir [5].

1.1 Toz hammaddeler

Toz hammadde seçimi, titanyum tozu enjeksiyon kalıplama sürecinde önemli bir adımdır. Tozun parçacık boyutu dağılımı ve morfolojisi, enjeksiyon malzemesinin akışkanlığını ve şekillendirilebilirliğini, bağ açma işlemi sırasında yeşil gövdenin şeklini korumasını ve sinterleme işlemi sırasında büzülmeyi doğrudan etkiler.

Günümüzde yaygın olarak kullanılan titanyum ve titanyum alaşım tozu hazırlama yöntemleri arasında mekanik yöntem ve atomizasyon yöntemi yer almaktadır.

Mekanik öğütme (bilyalı öğütme, karıştırma bilyalı öğütme, yüksek enerjili titreşimli bilyalı öğütme ve hava akımı öğütme gibi) tarafından üretilen tozun şekli genellikle düzensiz veya açısaldır.

Hidrojenasyon dehidrojenasyon (HDH) işlemi, hidrojen absorpsiyonundan sonra titanyumun bariz kırılganlığından yararlanmak, mekanik öğütme veya hava akımı kırma yoluyla ezmek ve daha sonra Şekil 3(a)'da gösterildiği gibi düzensiz şekilli titanyum tozu elde etmek için dehidrojene etmektir. . Atomizasyon yöntemi (örneğin, inert gaz atomizasyonu, plazma ışını dönen elektrot atomizasyonu ve elektrot indüksiyon eritme gazı atomizasyonu gibi), ham tozun yüksek saflığını korumak için tamamen atıl bir atmosferde gerçekleştirilebilir. Toz, Şekil 3(b)'de gösterildiği gibi, oldukça geniş bir parçacık boyutu dağılımı ve iyi istifleme performansı ile küre şeklindedir.

Ayrıca çelik tozu üretim teknolojisinin aksine, daha ince partikül boyutuna sahip titanyum tozu üretmek zordur. Parçacık boyutunun azalmasıyla, özgül yüzey alanı artar ve safsızlıkların içeriği de artar.

Genel olarak, MIM tarafından kullanılan titanyum tozunun partikül boyutu 45 μm'den azdır. Toz parçacıkları çok büyük olduğunda, enjeksiyon işlemi, enjeksiyon malzemelerinin kompozisyon tasarımında ve kalıp tasarımında tam olarak dikkate alınması gereken, kusurlar oluşturan toz bağlayıcı ayrımı üretmeye eğilimlidir [5].

Şekil 3 Enjeksiyon kalıplama için hidrodehidrojene titanyum tozu (a) ve aerosol titanyum tozu (b)

Şekil 3 HDH (a) ve gaz atomize edilmiş (b) MIM'de kullanılan titanyum tozu

1.2 Bağlayıcı

Bağlayıcı, enjeksiyon kalıplama işlemi boyunca aşamalar halinde var olan bir taşıyıcıdır. Ana rolü, tozun kalıbı sıvı halde eşit olarak doldurmasını, gerekli şekli oluşturmasını ve sinterleme öncesi aşamasına kadar muhafaza etmesini sağlamaktır.

Enjeksiyon kalıplama işleminde, bağlayıcı aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdır: düşük erime noktası, toz parçacıklarına iyi ıslanabilirlik ve enjeksiyon malzemelerinin hazırlanması için uygun olan hızlı kürlenme; Enjeksiyon sıcaklığında iyi akışkanlığa sahiptir; Oluşturulduktan sonra yeşil gövdeden kolayca çıkarılabilir ve daha az kalıntı vardır. Bozunma ürünleri toksik değildir ve aşındırıcı değildir.

Genel olarak, bağlayıcı bileşen, en azından ana bileşeni ve ikincil bileşeni içermelidir:

Ana bileşen, metal tozu partiküllerini ıslatmak ve gerekli akışkanlığı sağlamak için kullanılırken, ikincil bileşen, enjeksiyon işlemi sırasında ve bağlayıcının ana bileşeni çıkarıldıktan sonra enjeksiyon yeşil gövdenin hala yeterli mukavemete sahip olmasını sağlar.

Çoğu durumda, bağlayıcı sistem, metal tozları ve polimerler arasındaki uyumluluğu geliştirmek için yüzey aktif madde gibi üçüncü bir bileşene sahiptir.

Bağlayıcı bileşenlerindeki farklı ana bileşenlere göre yaygın olarak kullanılan bağlayıcı sistemler, mum bazlı sistemler, aromatik bileşik bazlı sistemler, paraformaldehit bazlı sistemler ve su bazlı sistemlere ayrılabilir.

1.2.1 Mum bazlı bağlayıcı

Mum bazlı sistem yapıştırıcılarının yaygın olarak kullanılan mumları parafin mumu, bal mumu, hurma mumu ve diğer kısa zincirli polimerlerdir. Düşük erime noktasına, iyi ıslanabilirliğe, kısa moleküler zincire, düşük viskoziteye sahiptirler ve ürünlerin boyutsal doğruluğunu sağlamaya elverişli olan ayrışma sırasında diğer polimerlerden daha az hacim değişikliğine sahiptirler.

Mum bazlı sistemlerde yaygın olarak kullanılan ikincil bileşenler, polipropilen, polietilen, etilen vinil asetat kopolimeri ve yüksek moleküler ağırlıklı polimetil metakrilattır. Balmumu ve iskelet bağlayıcıya ek olarak, toz ve polimer arasındaki uyumluluğu geliştirmek için genellikle stearik asit gibi bir yüzey aktif madde eklenir.

Literatürde ilk kez bildirilen mum bazlı bağlayıcı sistemi, Kaneko ve ark.

Kato et al. [7], sinterlenmiş parçalardaki karbon ve oksijen içeriğini önemli ölçüde azaltan, vakumlu bağ açma ve argon atmosferi ayırmayı birleştiren iki aşamalı bağ açma işlemini inceledi.

Guo et al. [8 – 9], parafinin bir kısmını değiştirmek için daha iyi ıslanabilirliğe sahip polietilen glikol kullanarak parafin – polietilen glikol – polietilen – polipropilen – stearik asit bağlayıcı sistemi geliştirmiş ve bunu saf titanyum ve titanyum alüminyum vanadyum alaşımının enjeksiyon kalıplamasında kullanmıştır. Sinterlenmiş parçalar iyi şekil muhafazasına ve az harekete sahiptir. Oksijen ve karbon içeriğinin azalması nedeniyle performans da büyük ölçüde iyileştirildi ve daha iyi performans elde edildi.

Ek olarak, bazı araştırmacılar, parafin mumunu [10 – 13] kısmen değiştirmek için hurma mumu ve parafin mumunu [14] tamamen mum bazlı bağlayıcı sisteminde iyi şekillendirme etkisi ile tamamen değiştirmek için kullandılar. Ancak hurma mumunun içerdiği oksijen elementinin kendisi de oksijen arttırıcı bir kaynak olduğundan, nihai ürünün karbon ve oksijen içeriği biraz daha yüksektir ve mekanik özellikleri parafin sistemininki kadar iyi değildir.

Literatürde bildirilen en iyi mum bazlı bağlayıcı sistemi Friederici ve ark. [15]. Deney sırasında parafin, düşük yoğunluklu polietilen ve stearik asit oranları ayarlanarak dört çeşit bağlayıcı oranları oluşturulmuş ve daha sonra farklı enjeksiyon malzemelerinin şekillendirme, bağ açma ve sinterleme işlemleri gerçekleştirilmiştir. Yüzde 98.1 nispi yoğunluğa ve ikincil saf titanyum gereksinimlerini karşılayan kimyasal bileşime sahip numuneler elde edildi.

Balmumu bazlı bağlayıcı sistemi enjeksiyon kalıplamada önemli bir rol oynamaktadır. Bununla birlikte, mum bazlı bağlayıcı sisteminin solvent bağını ayırmak için kullanılan organik solventin düşük yağ giderme verimi nedeniyle, araştırmacılar bu temelde yenilik yapmaya ve yeni bağlayıcı sistemi geliştirmeye devam ediyor.

1.2.2 Aromatik bileşik bazlı bağlayıcı

Aromatik bileşikler (naftalin, antrasen vb. gibi) çok düşük sıcaklıkta çözülebilir. Düşük basınç koşulları altında, erime noktalarından daha düşük bir sıcaklıkta süblimleşme yoluyla doğrudan katıdan gaza dönüştürülebilirler. Bağlayıcı bileşenler olarak aromatik bileşiklerin kullanılması, bağ açma işleminin verimliliğini büyük ölçüde artırabilir.

Weil et al. [16 – 18] titanyum metal tozu enjeksiyon kalıplamada aromatik bileşikler kullandı. Araştırmada, yoğun ve gözenekli titanyum alüminyum vanadyum alaşımları hazırlamak için bağlayıcı ajan olarak naftalin, yüzde 1 stearik asit ve yüzde 3 ~ 12 vinil asetat kopolimeri kullanıldı.

Deney sırasında, naftalinin gaza doğrudan süblimleşmesi nedeniyle, ayırma işleminde sıvı faz yoktu, numune hacmi değişmedi ve çözücü yağ gidermeden farklı olarak, süblimasyon yönteminde yer alan yüzey enerjisi düşüktü, bu da şu anlama geliyordu: deformasyon ve çatlama gibi yaygın yağ giderme kusurlarından kaçınılabilir. Sonuçlar, sinterlenmiş numunelerin nispi yoğunluğunun yüzde 96.6 olduğunu ve karbon içeriğinin artmadığını gösterdi.

Bağlayıcı sistem mükemmel ürün performansı elde etmiş olsa da, sistemdeki aromatik bileşikler hala çevre ve sağlık üzerinde bir etkiye sahip olacaktır ve daha sonra çalışılmamış veya büyük ölçekte uygulanmamıştır.

1.2.3 Poliformaldehit bazlı bağlayıcı

Poliformaldehit ilk olarak 1984 yılında Celanese Corp tarafından bağlayıcı sisteminde kullanılmış ve daha sonra BASF tarafından geliştirilmiştir, bu da bağlayıcı bileşenlerin mum ve küçük moleküler ağırlıklı bileşenler içermemesini mümkün kılmıştır [19].

Poliformaldehit, bağlayıcı sistemin ana bileşenidir ve polietilen (PE), sonraki geliştirme sürecinde iskelet bağlayıcı olarak kademeli olarak eklenir.

Halihazırda BASF, bu bağlayıcı sistemine dayalı olarak düşük alaşımlı çelik, paslanmaz çelik, takım çeliği, titanyum, titanyum alaşımları ve seramikleri kapsayan enjeksiyon kalıplama malzemeleri oluşturmuştur.

POM'un dikkat çekici özelliği, asit reaktiflerine duyarlı olması ve asit ayrışmasının kolay olmasıdır. Bu nedenle, yeşil kütükler, yumuşama sıcaklığından daha düşük asidik bir atmosferde işlenebilir. Bu işlemde polioksimetilen katı haldedir ve bağlayıcı bileşenlerin kaynamasından kaynaklanan çatlak ve genleşme gibi kusurları önler. Ayrıca, yeşil kütükler küçük deformasyona, iyi şekil muhafazasına ve doğru boyut kontrolüne sahiptir.

Ek olarak, diğer yağ giderme yöntemleriyle karşılaştırıldığında büyük difüzyon hızı nedeniyle, yağ giderme hızı daha yüksektir, bu da daha kalın boyutta bağ ayırmaya izin verirken geleneksel çözücüyle bağ açma oranının 10 katına ulaşabilmektedir [20].

Polioksimetilen esaslı bağlayıcı sistem yukarıda sayılan birçok avantaja sahip olmakla birlikte birçok dezavantaja da sahiptir.

Yüksek derecede aşındırıcı nitrik asit buharı, katalitik bağ açma işleminde katalizör olarak yaygın olarak kullanılır. Bir yandan, polioksimetilen, erken aşamada enjeksiyon malzemelerinin hazırlanması ve enjeksiyonla kalıplanması sırasında ayrışabilir ve yüksek derecede toksik formaldehit üretebilir ve bozunma ürünlerinin iki aşamalı yanma yoluyla uzaklaştırılması gerekir. Öte yandan, katalitik bir rol oynayan asidik atmosfer, ekipman için oldukça aşındırıcıdır ve daha fazla yatırım gerektirir.

1.2.4 Su bazlı bağlayıcı

Yukarıda belirtilen çeşitli bağlayıcı sistemlerinde kullanılan bağ çözücüler (heptan ve heksan gibi) veya bağlayıcı bileşenlerin (aromatik bileşik monomer ve formaldehit) ayrışma ürünleri çevreye ve operatörlere az çok zararlıdır. Bu nedenle bağlayıcı sisteminin çevre dostu solventlerle geliştirilmesi ve kullanılması büyük önem taşımaktadır.

Mevcut çevre dostu bağlayıcı sistemleri, bağ çözücü olarak su kullanır.

Enjeksiyon malzemelerinin hazırlanmasında suyun farklı rollerine göre, bu tür bağlayıcı sistemler jel bazlı ve jel bazlı olmayan olarak ikiye ayrılabilir.

Jel bazlı olmayan sistemlerde yaygın olarak kullanılan polimer, iyi performansa sahip, ucuz ve elde edilmesi kolay olan polietilen glikoldur. Düşük moleküler ağırlıklı polietilen glikol, 60 derece C'de hızlı ve tamamen çıkarılabilir ve yaygın olarak kullanılan polietilen glikolün moleküler ağırlığı yaklaşık 500~2000'dir. Yaygın olarak kullanılan iskelet bağlayıcı, moleküler ağırlığı 10000 olan polimetilmetakrilattır.

Sidambe et al.

Deneyde, polietilen glikol 55 derece C suda 5 saat sonra tamamen, polimetilmetakrilat ise 440 derece C sıcak yapışan argon akışında tamamen uzaklaştırıldı. Hazırlanan numunenin nihai oksijen içeriği (kütle oranı) yüzde 0,2'dir, karşılık gelen çekme mukavemeti 850~880 MPa'dır ve uzama yüzde 8,5~16'dır ve ASTM derece 5 Ti standardını karşılar.

Jel bazlı bağlayıcıların çoğu, selüloz, nişasta agar vb. gibi doğal maddelerdir.

Tokura [22] et al. titanyum tozu enjeksiyon kalıplamada polimer bağlayıcıyı değiştirmek için agar kullandı ve bağlayıcı sisteminin termal stabilitesini, çözünürlüğünü ve viskozitesini inceledi.

Metal Toz Raporu (MPR) [23] agar, su ve jel takviye malzemelerinden oluşan agar bazlı bir bağlayıcı kullanılarak titanyum alaşımlı diş implantlarının üretimi üzerine bir çalışma bildirdi.

Suzuki [24] ve ark. yüzde 4 kütle fraksiyonu içeren agar (moleküler ağırlık 82 500) bağlayıcı kullanarak nispi yoğunluğa sahip yüzde 97,3 numuneler hazırladı. Örneklerin karbon ve oksijen kütle fraksiyonları sırasıyla yüzde 0.33 ve yüzde 0.3'tür. Akma mukavemeti 539 MPa'dır ve uzama yaklaşık yüzde 10'dur. Deneysel sonuçlar, yüksek moleküler ağırlıklı agar kullanıldığında jel kuvvetinin arttığını, ancak artık karbon ve oksijen içeriğinin yüksek olduğunu, bunun da daha düşük sinterleme yoğunluğu, çekme mukavemeti ve sinterlenmiş parçaların uzaması ile sonuçlandığını göstermektedir.

Jel bazlı olmayan su bazlı bağlayıcının kontrolü kolaydır, yağ giderme ekipmanı diğer yağ giderme yöntemlerinden daha ucuzdur ve bağlayıcı biyolojik olarak parçalanabilir ve mikroorganizmalar için toksik değildir, ancak yağdan arındırma için atık suyun arıtılması ek maliyetler gerektirir.

Jel bazlı bağlayıcı sistem enjeksiyonlu kalıplama bileşiği tarafından üretilen nihai parçaların boyutunu kontrol etmek zordur ve bileşim yeterince kararlı değildir, bu nedenle proses koşulları ve kalite kontrolü zordur ve daha fazla araştırma ve optimizasyona hala ihtiyaç vardır.

1.3 Enjeksiyon kalıplama, bağ ayırma ve sinterleme

Enjeksiyon kalıplamanın proses parametreleri, enjeksiyon bileşiğinin özellikleri ve hedef ürünün geometrisi ile belirlenir.

Yukarıda bahsedildiği gibi, titanyum tozunun parçacık boyutu genellikle nispeten kabadır, bu da paslanmaz çelik malzemelerin enjeksiyon kalıplama ile karşılaştırıldığında toz bağlayıcının ayrılmasına neden olması kolaydır. Enjeksiyon kalıplamadan önce, kalıplanmış yeşil gövdelerdeki kusurları azaltmak için enjeksiyon malzemelerinin reolojik özelliklerine göre uygun kalıplama proses parametreleri formüle edilmelidir.

Wang et al.

Park [26] ve ark. aerosol haline getirilmiş titanyum tozu, HDH titanyum tozu ve küreselleştirilmiş HDH titanyum tozu ile enjeksiyon malzemelerini hazırlamış, bunların reolojik özelliklerini ve bağ ayırma davranışlarını ölçmüş, enjeksiyon malzemelerinin şekillendirilebilirlik indeksini önermiş ve buna dayalı olarak enjeksiyon malzemelerinin özelliklerini değerlendirmiştir. Analiz sonuçları, enjeksiyon malzemeleri sisteminde HDH tozunun ve aerosol haline getirilmiş tozun eşzamanlı kullanımı için teorik bir temel sağlamıştır.

Barriere [27] ve diğerleri, deneysel ve sayısal simülasyon sürecine dayalı olarak, hatasız ve gerekli mekanik özelliklere sahip metal enjeksiyonla kalıplanmış parçaların üretilmesi için optimal süreç parametrelerini tartıştılar. Modelleme teknolojisine dayalı olarak, sayısal simülasyon kullanarak enjeksiyon işleminde malzeme ayırma olgusunu tahmin etmek için iki fazlı akış denklemleri ve yeni geliştirilmiş açık bir algoritma kullandılar.

Chen [28] ve ark. yorum beslemesi hazırlamak için hidrojene hidrojeni giderilmiş Ti – 6Al – 4V ön alaşım tozu ve suda çözünür bağlayıcı sistemi kullandı, daha sonra farklı sıcaklıklarda farklı kalınlıktaki numunelerde suda çözünür bağlayıcı bileşen polietilen glikolün uzaklaştırma oranını ölçtü, difüzyon kontrollü bir bağ ayırma matematiksel modeli kurdu , ve bağlayıcı sisteminin bağ açma mekanizmasını belirledi.

Sidambe [29] ve ark. sinterleme sıcaklığı, süresi, ısıtma hızı, atmosfer ve diğer parametrelerin en iyi kombinasyonunu belirlemek için Taguchi'nin yöntemini kullandı.

Ne de et al. [30], sert palmiye esteri ve polietilen bağlayıcı sistemi kullanarak Ti – 6Al – 4V enjeksiyon malzemesini hazırlamış ve Taguchi yöntemini kullanarak optimal üretim sürecini formüle etmiştir. Son olarak, 934.4 MPa akma mukavemeti ve yüzde 10 uzama oranına sahip bir numune elde edildi ve genel performansı ASTM B348-02 tıbbi titanyum alaşımının gereksinimlerini karşıladı.

Obası et al. [31], ASTM B348 – 02 titanyum alaşımı kalite 23'ün gerekliliklerini karşılayan özelliklere sahip Ti – 6Al – 4V numuneleri hazırladı ve temel proses parametre sistemindeki değişikliklerin Ti – 6Al – 4V'nin termal yağ giderme ve sinterleme prosesi üzerindeki etkisini inceledi. toz MIM bileşenleri.

Limberg et al. [32] enjeksiyon kalıplama işleminde basit tozları karıştırarak Ti – 45Al – 5Nb – 0.2B – 0.2C hazırladı, sinterleme süresi ve sinterleme atmosferinin çekme özellikleri ve mikro yapı üzerindeki etkilerini inceledi, ve yaklaşık 630MPa'lık çekme mukavemetine sahip numuneler elde edilmiştir.

Guo et al. [8 – 9] enjeksiyon kalıplama teknolojisi ile saf titanyum ve Ti – 6Al – 4V malzemeler hazırladı, sıcak izostatik presleme ve tavlama gibi ısıl işlem işlemlerinin alaşımlı malzemelerin özellikleri üzerindeki etkisini inceledi ve ısıl işlem etkisini niteliksel ve niceliksel olarak karakterize etti. mikroyapı mekanik özellik testi yoluyla. Mikro yapısı Şekil 4'te gösterilmektedir.

Açıklama beslemesi, atomize titanyum tozu, hidrojene hidrojeni giderilmiş titanyum tozu ve mum bazlı bağlayıcı sisteminin karıştırılmasıyla hazırlanır. Enjeksiyonla kalıplamadan sonra, heptan ve etanol karışımı içinde çözücü içinde bağları çözülür. Belirli bir ısıtma hızında 350, 420 ve 600 derece C'ye kadar ısıtıldıktan sonra, ısı koruma ile bağlayıcı tamamen uzaklaştırılır. Sinterleme sıcaklığı 1230 derece C'dir ve ısı koruma 3 saattir. Son olarak, sinterlenmiş numunelerin çekme özellikleri 389~419 MPa'dır ve uzama yüzde 2~4'tür.

Araştırma grubunun [33] üyeleri, aerosol titanyum tozu ve suda çözünür bağlayıcı sistemi kullanarak saf titanyum numuneleri hazırladılar, sinterleme sıcaklığının ve tutma süresinin saf titanyum numunelerinin özellikleri üzerindeki etkilerini incelediler. Sinterleme işlemi 10-4~10-3 Pa vakum altında gerçekleştirildi, sinterleme sıcaklığı 1350 derece C ve 3 saat bekletildikten sonra uzama yüzde 20.3 oldu, bu ASTM F{{8'e tamamen uygundur. }}, en iyi toz metalurji performansına sahip numune, bağıl yoğunluk yüzde 96.9 ve çekme mukavemeti 443 MPa, Biyomedikal derece II saf titanyum standardıydı.

Şekil 4 Mum bazlı bağlayıcı enjeksiyonu ile hazırlanan saf titanyum (a) ve titanyum alüminyum vanadyum alaşımı (b) numunelerinin mikro yapısı

Şekil 4 Mum bazlı hammaddelerle hazırlanan Ti (a) ve Ti-6Al-4V (b) numunelerinin mikroyapıları

2 Yeni titanyum ve titanyum alaşımlı enjeksiyon kalıplama malzemeleri

Şu anda titanyum ve titanyum alaşımları ortopedik cerrahide, stomatoloji ile ilgili aletlerde ve tıbbi implantlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, mekanik özellikleri ile insan kemiğinin mekanik özellikleri (yaklaşık 20 GPa'lık elastik modülü) arasındaki fark nedeniyle, kemik/implant arayüzü üzerinde stres koruyucu etkiler meydana gelir ve bu da uzun vadeli klinik etkilerde önemli bir azalmaya yol açabilir. Şekil 5'te gösterilmiştir.

Bu nedenle araştırmacılar, titanyum malzemelerin yapısını ve alaşım bileşimini değiştirerek onları insan doğal kemiklerinin yapısına ve performansına daha yakın hale getirerek titanyum malzemelerin mekanik özelliklerini ayarladılar.

Şekil 5 Yaygın tıbbi titanyum alaşımlı malzemelerin elastik modülünün karşılaştırılması

Şekil 5 Biyomedikal titanyum alaşımlarının elastisite modülünün karşılaştırması

2.1 Gözenekli titanyum malzemeler ve titanyum  seramik kompozitler

Gözenekli titanyum malzemeler ve yeni titanyum alaşımlı sistem malzemeleri uygun gözenek yapısına ve mekanik özelliklere sahip olup ideal ortopedik implant malzemeleridir.

Bir yandan, implant ve kemik dokusu arasındaki stres uyumsuzluğunu etkili bir şekilde azaltabilir, böylece stres kalkanı etkisini azaltabilir ve implantın kalıcı ve etkili işlevini gerçekleştirebilir; Öte yandan gözenekli yapı, kemik hücrelerinin implant gövdesine büyümesi için gerekli bir koşuldur. Birbirine bağlı gözenekli yapı, büyük miktarda vücut sıvısının geçmesine izin verebilir, bu da kemik hücrelerinin büyümesini daha da teşvik edebilir.

Gu [34] et al. TiH2'yi titanyum alüminyum vanadyum element tozuna köpürtücü ajan ve aktivatör olarak ekleyerek, 90~190 μm'lik tek tip gözenek boyutu dağılımı ile açık gözenekli yapıya sahip yeni bir TC4 alaşımı oluşturdu. Gözeneklilik yaklaşık yüzde 43 ~ yüzde 59'dur ve elastik modül 5.8 ~ 9.5 GPa'dır. Motor ve ark. [35], gözenek oluşturucu madde teknolojisi ile birleştirilmiş toz enjeksiyon kalıplama (PIM) ile mikro gözenekli titanyum alaşımı hazırladı ve gözenek oluşturucu madde polimetilmetakrilat miktarının alaşımın yoğunluğu, sıkıştırma direnci ve elastik modülü üzerindeki etkisini inceledi.

tuner ve diğerleri

Chen [37] ve ark. gözenek oluşturucu ajan olarak NaCl ve enjeksiyonla kalıplanmış numuneler hazırlamak için hidrojene hidrojeni giderilmiş titanyum tozu mum bazlı enjeksiyon malzemesi kullanmıştır. Elde edilen numunelerin gözenekliliği yüzde 42.4 ~ yüzde 71.6 idi ve gözenek çapı 300 μm'ye ulaştı. Şekil 6'da görüldüğü gibi NaCl miktarı ayarlanarak enjeksiyon kısmında bir bağlantı deliği oluşturulabilir ve mekanik özellikleri süngerimsi kemiğinkine benzerdir.

Barbosa et al.

Şekil 6 Gözenek oluşturucu ajan olarak NaCl ile hazırlanan gözenekli titanyum enjeksiyon kalıplama bileşeni

Şekil.6 Boşluk tutucu olarak NaCl kullanan gözenekli titanyum enjeksiyon kalıplama bileşeni

İnsan doğal kemik dokusu ile aynı kimyasal bileşime ve kristal yapıya sahip olan hidroksiapatit (HA), kemik replasmanı ve kemik rekonstrüksiyonunda benzersiz avantajlara sahiptir ve biyomedikal cihazlarda giderek daha önemli bir rol oynamaya başlamıştır.

Ancak HA kırılgandır ve zayıf mekanik özelliklere sahiptir, bu nedenle tek başına yük taşıyan bir bileşen olarak kullanılamaz. Bu nedenle HA ve titanyum malzemelerden oluşan yeni bir biyomedikal malzeme ortaya çıkmıştır.

Thian et al. [39  42] enjeksiyon kalıplama ile Ti6Al4V/HA kompozitlerinin hazırlanmasını inceledi. İlk olarak, Ti6Al4V/HA kompozit tozu seramik bulamaç işlemi ile hazırlandı ve ardından hazırlanan toz, açıklama hazırlamak için ticari bağlayıcı PAN-250S ile karıştırıldı. Enjeksiyon karışımının reolojik özellikleri test edilmiş ve bağ çözücü atmosferin ısıtma hızı ve gaz akış hızının bağ çözücü parçanın kusurları üzerindeki etkileri, uzaklaştırılan bağlayıcı miktarı ve bağ açma işleminde kalan karbon içeriği incelenmiştir. ; Sinterleme proses parametrelerinin (ısıtma hızı, sinterleme sıcaklığı, bekletme süresi, soğutma hızı vb.) nihai numunenin özellikleri üzerindeki etkisi, hazırlanan numunenin gözenekliliği yaklaşık yüzde 50'dir; Ayrıca hazırlanan Ti6Al4V/HA malzemesinin vücut sıvısı ortamında biyolojik bozunma süreci analiz edilmiş ve mekanik özelliklerin test sonuçları ile karakterize edilmiştir.

2.2 Yeni titanyum alaşımlı malzemeler

Biyomedikal alanı, titanyum malzeme uygulamasının önemli bir dalıdır ve uygulama talep yönü, titanyum malzemelerin gelişme eğilimini doğrudan etkiler.

Erken titanyum malzemeler saf titanyumdur（ Faz), ancak saf titanyum malzemelerin gücü düşüktür ve aşınma direnci zayıftır, bu nedenle Ti6Al4V, Ti6Al7Nb ve Ti5Al2.5Fe plus Tip alaşım ile temsil edilen yüksek mukavemet ve tokluk geliştirir.

Aust et al. [43] Şekil 7'de gösterildiği gibi Ti6Al7Nb tozu ve mum bazlı bağlayıcı sistemi (parafin artı PE artı stearik asit) kullanarak mükemmel performansa sahip kemik vidası malzemelerini başarıyla üretti. Göreceli yoğunluğu yüzde 97.6, çekme dayanımı 815 MPa, akma dayanımı: 714 MPa ve uzama yüzde 8.7'dir.

Araştırma sonuçları, günümüzde yaygın olarak kullanılan titanyum alüminyum vanadyum alaşımı ve titanyum alüminyum niyobyum alaşımındaki Al, V ve diğer alaşım elementlerinin, implant insan vücuduna girdikten sonra sitotoksik Al, V iyonları salarak insan vücuduna zarar vereceğini göstermektedir. .

Sonuç olarak araştırmacılar, Nb, Ta, Zr, Mo, Sn ve diğer biyogüvenlik elementlerini içeren ancak Al, V elementlerini içermeyen bir dizi yeni nesil biyogüvenlik testi gerçekleştirdiler. Titanyum alaşım sisteminin geliştirilmesi.

Halihazırda geliştirilen ve araştırılan Biyolojik titanyum alaşımları başlıca Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta'yı içerir. , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr ve Ti-29 Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Toz yapım teknolojisinin sınırlamaları ve diğer yönlerden dolayı, bu alaşım sistemleri, toz enjeksiyonlu kalıplamada nadiren kullanılmaktadır.

Zhao et al.

Arokiasamy ve ark. [46], HDH saf titanyum tozuna Fe ve Zr elementleri ekleyerek Ti  5Fe  5Zr alaşımı hazırlamış ve alaşımın mekanik özelliklerini ölçmüştür. Test sonuçlarına dayanarak, artık gözeneklilik ve TiC'nin alaşım malzemelerinin özellikleri üzerindeki etkisinin mekanizması elde edildi.

Şekil 7 Metal tozu enjeksiyon kalıplama

Şekil 7 Metal enjeksiyon kalıplama işlemiyle hazırlanan Ti6Al7Nb kemik vidası Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd tarafından üretilen Ti6Al7Nb kemik vidası MIM

3 Görünüm

Titanyum ve titanyum alaşımları, düşük özgül ağırlıkları, yüksek özgül güçleri, mükemmel biyouyumlulukları ve oksidasyon direnci ve iyi korozyon direnci nedeniyle havacılık, tıp, kimya, otomotiv ve tüketim malları uygulamalarında büyük gelişme potansiyeline sahiptir.

Dövme, döküm ve işleme gibi geleneksel işleme teknolojileriyle karşılaştırıldığında, toz enjeksiyonlu kalıplama teknolojisinin belirgin avantajları, tek tip alaşım bileşimi, yüksek hammadde kullanım oranı ve büyük miktarlarda karmaşık şekilli parçalar için güçlü üretim kapasitesi vardır. titanyum ve titanyum alaşımlı ürünlerin üretimi ve uygulaması.

Titanyum ve titanyum alaşımlı enjeksiyon kalıplama araştırmalarında bir miktar ilerleme kaydedilmiş olmasına rağmen, gerçek endüstriyel üretim sürecinde, yüksek kaliteli toz hammaddelerin yüksek fiyatı, yeni malzemelerin yetersiz uygulanması gibi bir dizi sorun çözülmeye devam etmektedir. enjeksiyon kalıplamaya yüksek kaliteli titanyum alaşımlı sistem ve ürünlerin kimyasal bileşimini kontrol etme zorluğu.

Ayrıca son yıllarda mikro sistem teknolojisinin hızlı gelişimi ile mikro sistemlerde kullanılan mikro kompleks bileşenlere olan talep artmakta ve toz enjeksiyon kalıplamanın geleneksel ürün türlerinden mikro ürünlere aktarılması ve toz mikro enjeksiyon kalıplamaya dönüştürülmesi gerekmektedir. teknoloji.

Şu anda, mikro enjeksiyon kalıplama teknolojisi çoğunlukla polimer, paslanmaz çelik ve diğer malzeme sistemlerine odaklanmaktadır. Titanyum ve titanyum alaşımlı mikro enjeksiyon kalıplamada hala çalışılması gereken pek çok sorun var.

Bu nedenle, titanyum ve titanyum alaşımlı enjeksiyon kalıplama araştırmalarının geliştirilmesi, yeni titanyum alaşımlı sistemlerin araştırılması ve geliştirilmesine, düşük maliyetli yüksek kaliteli titanyum alaşımlı toz hazırlama teknolojisinin geliştirilmesine ve titanyum malzeme mikro enjeksiyon kalıplama araştırmasına odaklanmalıdır. mikro karmaşık cihazlar.

Titanyum ve titanyum alaşımlarının enjeksiyon kalıplama teknolojisi üzerine yapılan derinlemesine araştırmalarla, titanyum ve titanyum alaşımlarının enjeksiyon kalıplama teknolojisinin büyük ilerleme kaydedeceğine ve ardından titanyum endüstrisinin hızlı gelişimini teşvik edeceğine inanılmaktadır.