用于注射成形钛合金烧结炉温度标定的测温环及方法

技术领域

本发明涉及注射成形烧结炉的温度标定领域，特别涉及用于注射成形钛合金烧结炉温度标定的测温环及方法。

背景技术

钛及钛合金材料具有密度小、比强度高、热膨胀系数小、耐腐蚀性好、相容性高、易焊接的优势特征，在航空航天、医疗器械、汽车制造等领域具有广泛的应用前景。金属注射成形技术作为制备精密复杂钛合金零部件的关键方法之一，其烧结工序对产品性能和质量具有重要影响。在批量生产过程中，确保不同烧结炉的温度标定准确，以保障产品的质量一致性和稳定性，成为迫切需解决的问题。

但是目前市场上常用的测温环主要为压制成形的氧化物陶瓷，由于在压制成形过程中，粉末的充填、粉末间摩擦力、模具摩擦力等原因会导致坯件不同部位尤其是芯部和表层密度产生差异，导致其收缩不均，影响了测量精度。同时其收缩曲线或数据表是在氧化气氛中测得的，应用于钛合金真空烧结或惰性气氛烧结时有很大的偏差，无法满足批量生产的需求。同时，氧化陶瓷测温环的生坯强度极差，拿取、测试过程中极易掉粉，掉落的粉如果粘在外径上就会导致烧结坯尺寸误差大，从而影响标定结果。因此需要一种更为精准、稳定的炉温标定的测温环和标定方法。

发明内容

本发明的第一个目的提供用于注射成形钛合金烧结炉温度标定的测温环，该测温环能够替代压制成形的氧化物陶瓷测温环，提高了钛合金烧结炉温度标定的准确性和可靠性。

实现本发明第一个目的的技术方案是：本发明中用于注射成形钛合金烧结炉温度标定的测温环，包括由喂料注射成形的生坯脱脂而成的脱脂坯；所述喂料包括CP-Ti球形粉末与粘接剂；所述球形粉末粒径为10～50μm；所述CP-Ti粉末杂质元素质量百分比符合C<0.2％，O<0.4％，N<0.1％，其它<1.0％；所述脱脂坯呈环状。

由于粉末粒径越小，粉末颗粒的烧结活性越大，容易达到致密状态。在越接近致密态范围内，产品的尺寸随烧结温度升高越趋于稳定状态，即烧结收缩与温度变化越呈非线性关系。而标定炉温用的标准收缩曲线的获得和炉温的准确标定，都需要在评价范围内收缩和炉温呈线性或近似线性关系。因此为了尽可能扩大可标定温度范围，本发明选择烧结活性略差一些即耐温形更强的粗颗粒粉末，该粉末粒径在10～50μm，较常规注射成形粉末粗10～30μm。

之所以选择CP-Ti球形粉末，因为相较于钛合金，CP-Ti颗粒元素单一，可排除不同批次间由于成分差异引起的测量误差，也可排除不同烧结温度间合金元素间的相互扩散、复杂的相组织转变对收缩曲线直线度的影响。同时CP-Ti的熔点更高，相应可获得的评价温度上限更高。此外，CP-Ti原料价格也远低于钛合金。

进一步，上述喂料中CP-Ti球形粉末体积占比为63％，其余为粘结剂；所述粘结剂的组分按照质量百分比包括60％～70％的聚甲醛，12％～15％的聚乙烯，15％～20％的聚丙烯以及3％～5％的硬脂酸。CP-Ti球形粉末与粘结剂的体积比与所选用CP-Ti球形粉末的实际振实密度有关。根据CP-Ti球形粉末的实际振实密度选择合理的体积比有助于粘结剂能够完全包覆CP-Ti球形粉末颗粒，既不会造成粉末颗粒过多导致的喂料流动性变差，也不会造成粘结剂含量过多导致注射产品的保形性变差。

进一步，上述CP-Ti球形粉末的粒径尺寸控制范围为：D10＝15～20μm；D50＝30～35μm；D90＝40～45μm。由于粉末粒径对烧结活性有着重大的影响，进而影响烧结收缩，因此需要对粒径尺寸范围进行严格的控制。

本发明的第二个目的提供一种注射成形钛合金烧结炉温度标定的方法，该方法通过注射成形技术确保了测温环生坯密度均匀性，从而保证了烧结收缩的均匀可控，更适合用作批量生产时不同烧结炉之间的炉温标定，更有利于注射成形钛合金的大批量稳定生产。

实现本发明第二个目的的技术方案是：本发明中注射成形钛合金烧结炉温度标定的方法，包括以下步骤：

S1、制备权利要求1或2或3或4所述的用于注射成形钛合金烧结炉温度标定的测温环，该测温环的制备步骤如下：

A、喂料制备：CP-Ti球形粉末与粘接剂混合制备成喂料；其中CP-Ti粉末为球形粉末；所述CP-Ti粉末粒径为10～50μm；所述CP-Ti粉末中杂质元素质量百分比符合C<0.2％，O<0.4％，N<0.1％，其它<1.0％；

B、将喂料置于注射成型机内，注射形成环状的生坯；

C、将生坯进行脱脂，形成脱脂坯；该脱脂坯即为用于注射成形钛合金烧结炉温度标定的测温环；

S2、将测温环放到在待标定的烧结炉中进行烧结；且每隔一定温度进行测温环的烧结尺寸测量，并与注射模具尺寸对照，计算烧结收缩率；

S3、将脱脂坯的实际收缩率与待标定的烧结炉的标准收缩曲线对照，若实际收缩率与待标定的烧结炉的标准收缩曲线匹配，则无需调整待标定的烧结炉，完成标定；若实际收缩率与待标定的烧结炉的标准收缩曲线不匹配，则至少取高、中、低三个烧结温度的偏差的平均值，即为需要调整的偏差值，根据需要调整的偏差值对待标定的烧结炉进行调整，完成标定。

进一步，上述步骤B中，注射时模具温度为80～120℃，喂料加热温度为160～220℃，注射压力为80～120MPa；保压时间1～2.5s。

进一步，上述步骤C中脱脂的技术参数为：脱脂采用草酸介质进行催化脱脂，脱脂时间为脱脂时间t≥(60+60*h)min，h为注射坯的最大厚度，单位为mm。粘接剂的残留量对烧结也有重要影响，为了尽可能降低这种影响，本发明规定CP-Ti的脱脂率在97％以上，较常规注射成形钛合金产品高2％左右。

进一步，上述步骤S2中，烧结温度为：1000～1300℃。待标定的烧结炉的烧结温度设定在1000～1300℃之间，因为这个范围涵盖了绝大多数种类钛合金的烧结温度。更重要的是，通过一系列测试数据表明：对于本发明中的测温环来说，随着烧结温度的升高，产品尺寸呈现先下降后趋于平稳的状态，而在1000～1300℃之间，尺寸与温度呈线性反相关的关系，即收缩与温度呈线性正相关关系，此时有利于更准确的通过直线对标、斜率的计算获得标定温度。

进一步，上述步骤S2中，每隔10℃进行测温环的烧结尺寸测量。

进一步，上述步骤S2中，将测温环和钛合金待烧结产品一起放到在待标定的烧结炉中进行烧结；且每隔一定温度进行测温环的烧结尺寸测量，并与注射模具尺寸对照，计算烧结收缩率。相当于在满炉状态的实际工况下进行测定。

本发明具有积极的效果：(1)本发明通过采用注射成形的CP-Ti测温环能够取代常规的氧化物陶瓷测温环，避免了传统压制成型的测温环中因坯件收缩不均和生坯强度极差导致的测量误差问题，提高了温度标定的精确性和可靠性。

(2)本发明所选用的CP-Ti球形粉末粒径范围能够在CP-Ti烧结温度区间内实现近似线性收缩，使得收集和分析数据更加方便、准确。

(3)本发明通过注射成形技术确保了测温环生坯密度均匀性，从而保证了烧结收缩的均匀可控，更适合用作批量生产时不同烧结炉之间的炉温标定，更有利于注射成形钛合金的大批量稳定生产，因此本方法简单、可行、经济、可靠。

(4)本发明可以在真空或惰性气体中标定炉温，较传统的压制成型、在氧化气氛中标定炉温的测温环提升了密度、提高了精度，更接近金属注射成形实际生产工艺，更有利于注射成形钛合金的大批量稳定生产。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明中环状的生坯的结构示意图；

图2为本发明中脱脂坯的实际收缩曲线图。

具体实施方式

(对比实施例)

对比方案包括以下步骤：

S1、选购市售的某型号氧化陶瓷测温环，适合温度区间970℃～1250℃；

S2、将氧化陶瓷测温环与钛合金产品一同烧结。烧结设备温度设置为1050℃、1100℃、1150℃、1200℃四种。

S3、烧结完成，测量烧结体尺寸，根据供应商提供的温度对照表(曲线)确定标定温度实际值。

(实施例1)

本发明中用于注射成形钛合金烧结炉温度标定的测温环，包括由喂料注射成形的生坯脱脂而成的脱脂坯；所述喂料包括CP-Ti球形粉末与粘接剂；所述球形粉末粒径为10～50μm，较常规注射成形粉末粗10～30μm；所述CP-Ti粉末杂质元素质量百分比符合C<0.2％，O<0.4％，N<0.1％，其它<1.0％；所述脱脂坯呈环状。

所述喂料中CP-Ti球形粉末体积占比为63％，其余为粘结剂；所述粘结剂的组分按照质量百分比包括60％～70％的聚甲醛，12％～15％的聚乙烯，15％～20％的聚丙烯以及3％～5％的硬脂酸。

所述CP-Ti球形粉末的粒径尺寸控制范围为：D10＝15～20μm；D50＝30～35μm；D90＝40～45μm。

本发明中注射成形钛合金烧结炉温度标定的方法，包括以下步骤：

S1、制备上述的测温环，该测温环的制备步骤如下：

A、喂料制备：CP-Ti球形粉末与粘接剂混合制备成喂料；其中CP-Ti粉末为球形粉末；所述CP-Ti粉末粒径为10～50μm；所述CP-Ti粉末中杂质元素质量百分比符合C<0.2％，O<0.4％，N<0.1％，其它<1.0％；所述CP-Ti球形粉末的粒径尺寸控制范围为：D10＝15～20μm；D50＝30～35μm；D90＝40～45μm；所述喂料中CP-Ti球形粉末体积占比为63％，其余为粘结剂；所述粘结剂的组分按照质量百分比包括60％～70％的聚甲醛，12％～15％的聚乙烯，15％～20％的聚丙烯以及3％～5％的硬脂酸；

B、将喂料置于注射成型机内，注射形成环状的生坯1；所述生坯1的尺寸为外径30mm，内径为10mm，高度为7mm，参见图1；

C、将生坯1进行脱脂，形成脱脂坯；该脱脂坯即为用于注射成形钛合金烧结炉温度标定的测温环；

S2、将测温环和钛合金待烧结产品一起放到在待标定的烧结炉中进行烧结，且每隔10℃进行测温环的烧结尺寸测量，并与注射模具尺寸对照，计算烧结收缩率，测温环的实际收缩率曲线图可参考图2；即相当于在满炉状态下的实际工况下进行标定工作；

S3、将脱脂坯的实际收缩率与待标定的烧结炉的标准收缩曲线对照，若实际收缩率与待标定的烧结炉的标准收缩曲线匹配，则无需调整待标定的烧结炉，完成标定；若实际收缩率与待标定的烧结炉的标准收缩曲线不匹配，则至少取高、中、低三个烧结温度的偏差的平均值，即为需要调整的偏差值，根据需要调整的偏差值对待标定的烧结炉进行调整，完成标定。

所述步骤B中，注射时模具温度为80～120℃，喂料加热温度为160～220℃，注射压力为80～120MPa；保压时间1～2.5s。

所述步骤C中脱脂的技术参数为：脱脂采用草酸介质进行催化脱脂，脱脂时间为脱脂时间t≥(60+60*h)min，h为注射坯的最大厚度，单位为mm。粘接剂的残留量对烧结也有重要影响，为了尽可能降低这种影响，如此脱脂，其脱脂率可达97％以上，较常规注射成形钛合金产品的脱脂率高2％左右。

所述步骤S2中，烧结温度为：1000～1300℃。待标定的烧结炉的烧结温度设定在1000～1300℃之间，因为这个范围涵盖了绝大多数种类钛合金的烧结温度。更重要的是，通过一系列测试数据表明：对于本发明中的测温环来说，随着烧结温度的升高，产品尺寸呈现先下降后趋于平稳的状态，而在1000～1300℃之间，尺寸与温度呈线性反相关的关系，即收缩与温度呈线性正相关关系，此时有利于更准确的通过直线对标、斜率的计算获得标定温度。

而在实际标定工作中，实施例1所得的CP-Ti测温环和对比实施例所得的氧化陶瓷测温环在相同时间、相同烧结炉中烧结，设备显示温度为1050℃、1100℃、1150℃、1200℃时温度标定结果如下表1所示：

表1 CP-Ti测温环与氧化陶瓷测温环温度标定结果对比

通过对比实施例和实施例1标定结果对比可见，本发明的CP-Ti测温环测标定结果理论误差小，甚至高于氧化陶瓷测温环，说明标定结果稳定性、可靠性更高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。