注射成形在TiC基金属陶瓷手表外观件上的应用

摘 要：TiC基金属陶瓷是较为理想的手表外观件材料，但制备难度大。本文总结了通过注射成形技术制备TiC基金属陶瓷手表外观件中的关键因素，包括粘结剂、喂料性能评价、模具设计、脱脂工艺的选择。

关键词：TiC基金属陶瓷；注射成形；手表外观件

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.06.181

0 引言

传统的手表外观件以不锈钢、铜、钛合金等材料为主，这些材料通常硬度低，耐磨性差，在佩戴过程中极易出现划痕，从而影响手表的外观效果。1962年，瑞士RADO公司首次将硬质合金材料引入手表外观件中，提出“永不磨损”的概念。自此，硬材料以其具有的独特优势，在手表外观件材料中逐渐发展壮大。经过几十年的发展，手表外观件硬材料体系不断丰富，目前已包括WC基硬质合金[1]、TiC基金属陶瓷[2]、TiN基陶瓷[3]、氧化锆陶瓷等[4]。

TiC基金属陶瓷密度低，耐磨性好，并且具有能与钛合金相媲美的耐腐蚀性，银白色金属光泽和极佳的人体亲和性，在手表外观件硬材料中极具优势。虽然TiC基金属陶瓷已作为切削刀具在工业上应用多年，但作为手表外观件材料，有着其他诸如形状复杂、外观和耐腐蚀要求高、镍释放严等特殊要求。这使得制备合格的TiC基金属陶瓷手表外观件极为困难。笔者所在的飞亚达公司自2003年开始开展TiC基金属陶瓷手表外观件注射成形研究，在此之前，国内尚未见采用注射成形技术成功制备TiC基金属陶瓷外观件，迄今为止，仍鲜见能制备高质量的TiC基金属陶瓷手表外观件的报导。本文介绍了制备过程中的经验，以期对相关材料的研究开发提供借鉴意义。

1 粘结剂的开发

在TiC基金属陶瓷手表外观件的制备工艺中，成形是最关键的步骤之一。传统的成型工艺以模压成形为主[5]。但是，模压成形存在较多的不足：如形状尺寸较难精确控制，使得烧结零件研磨余量大，不利于后期加工。此外烧结体存在较多的孔隙，造成材料的综合力学性能较低，并使得成品的外观存在砂眼等缺陷。另外，采用模压成形难以制备形状复杂的零件，因此在面对手表壳这类复杂的零件时显得无能为力。陶瓷注射成形是从塑料工艺中引入的技术，能较好的解决模压成形存在的缺陷[6，7]，在TiC基金属陶瓷手表外观件的制备中具有较大的发展潜力。采用注射成形制备TiC基金属陶瓷手表外观件的工艺流程如图1所示。

粘结剂的选择是控制注射成形质量的关键。TiC基金属陶瓷注射成形常用的粘结剂主要分为热塑性体系、热固性体系、凝胶体系、水溶性体系，其中热塑性粘结剂体系是目前应用最广的粘结剂[8]。然而，热塑性粘结剂体系也存在着一些缺点，如易产生相分离、注射料性能不稳定、所需脱脂时间长、工艺复杂等问题[8，9]。热塑性体系的主要脱脂方法有直接热脱脂和有机溶剂萃取脱脂。直接热脱脂工艺设备简单、工艺成本低，但对于大尺寸的样品，热脱脂时间较长；有机溶剂萃取脱脂工艺复杂，存在易变形，脱脂后坯件强度低等问题[10]。

基于上述原因，笔者所在的公司开发了一种新的粘结剂（China Patent，200510033196.6），其主要成分包括20%～30%的56#蜡、15%～25%的微晶蜡、15%～25%的棕榈蜡、8%～12%的高密度聚乙烯、6%～10%的聚丙烯、5%～9%的聚醋酸乙烯脂、5%～9%的邻苯丙甲酸二丁脂，以及作为增塑剂的5%～15%的硬脂酸。该粘结剂与普通粘结剂相比，具有高强度、可溶剂脱脂、脱脂后不溶胀开裂、注射毛坯壁厚可大于5mm等优点。在TiC基金属陶瓷手表外观件的注射成形研究中使用该粘结剂，成功制备了具有较高强度和尺寸精度的坯件。

2 喂料的性能评价

流动性是影响注射成形坯件性能的最为关键的因素之一，因此对喂料的流动性进行评价十分重要。较多研究者采用流变仪来对喂料的性能进行评价，但流变仪的测试过程与喂料在注射成形中的实际环境存在较大的差异，这使得测试结果的参考意义有限。在TiC基金属陶瓷手表外观件的注射成形研究中，依据ASTM D3123-98（2004） ，进行了螺旋流道模具设计，并采用该模具在注射成形机上对喂料进行了螺旋流道试验[11]，其结果如图2所示。多次研究证明，采用该方法可以较好的评判喂料的流动性能，对后期模具设计、注射成形工艺参数的选择具有重要意义。

3 模具设计

模具结构和工艺参数是影响注射成形件的另一关键因素。考虑到模具设计、制造的费用较高，试验的复杂性等因素，研究者往往先通过软件模拟不同模具中的注射成形过程，确定出相应的模具结构及工艺参数后，再进行实际的试验，从而可以大大的节约试验成本[12，13]。然而，目前市场上主要的注射成形模拟软件多集中在塑料的注射成形上，而金属陶瓷粉末由于配方复杂多样，各种配方的特性参数也各不相同，因此找到合适的用于模拟金属陶瓷注射成形研究的参考稻菀脖冉仙[14]，这使得获得准确的喂料参数尤为重要。在TiC基金属陶瓷注射成形模具设计之前，根据TiC基金属陶瓷注射料的螺旋流道试验结果和粘结剂的温度性能，在现有数据库中找到一种与金属陶瓷注射料温度范围和流动性相近的材料，采用塑料注射成形的软件进行了金属陶瓷注射成形的模拟。在该模拟过程中，分析了浇口尺寸对注射成形的影响（如表1所示），进而优化了模具的结构设计。

4 脱脂工艺

采用上述粘结剂制备的TiC基金属陶瓷料喂料，经注射成形后，可以采用溶剂脱脂和热脱脂相结合的工艺，其脱脂工艺如下：注射成形的毛坯先在50～65℃之间置于正乙烷或者三氯乙烷的有机溶剂中浸泡18～36小时，再把溶剂脱脂后的坯件置于真空脱脂烧结一体炉内进行热脱脂烧结。其中热脱脂工艺曲线如图3所示。该工艺具有的优势包括：在有机溶剂中脱脂后，坯件仍保持一定的强度，有利于后续坯件的移动、摆放；同时，在有机溶剂中脱出了部分粘结剂，可以减少真空脱脂烧结一体炉的污染，从而降低设备的维护成本；此外，有机溶剂脱脂结合热脱脂的工艺，还在一定程度上节约了生产周期，降低了能源损耗。

5 综合性能与应用

基于上述研究并结合专利200510033196.6，制备了TiC基金属陶瓷测试样块（图4）和手表外观件坯件（如图5）。通过对样块的测试表明，采用该技术制备的TiC基金属陶瓷具有较好的综合性能，其孔隙率达到A02（图6），组织细小且均匀分布（图7），维氏硬度达到HV 1670，抗弯强度达到1257MPa，弹性模量达到468GPa。手表外观件坯件经研磨抛光成为最终的零件，装配成手表后，尺寸、外观、纵向径拉力、柔和性、耐跌落、耐拉扭疲劳、耐摇摆疲劳等性能均可满足相关手表标准。图8是采用注射成形技术生产的TiC基金属陶瓷手表，该手表轻盈、佩戴舒适、抗磨花性能好、极大的减小了镍释放超标的风险，一经推出，就受到了客户的青睐。

6 结语

TiC基金属陶瓷手表外观件的制备难度大，在制备过程中，优化粘结剂配方、科学的进行喂料性能评价、采用合理的模具设计、高效的脱脂工艺都对最终产品的性能具有至P重要的作用。但 TiC基金属陶瓷的注射成形是一个系统工程，只有在各环节科学选择、各环节之间有效配合，才能制备出高质量的TiC基金属陶瓷手表外观件。

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作者简介：靳磊（1982-），男，湖北随州人，硕士，工程师，主要从事硬质合金、金属陶瓷、特殊不锈钢等的粉末冶金研究工作。

*为通讯作者。