MIM不銹鋼零件生產工藝之催化脫脂工藝介紹

Catamold?催化脫脂法是由德國BSAF公司的Bloemacher等于90年代初開發出來的金屬粉末注射成型一步脫脂方法，是目前國內金屬注射成型廠商最常采用的一種催化脫脂方法 。

1.酸脫（催化脫脂）工作原理

Catamold的?的粘接劑主要成分是聚甲醛樹脂，由于聚甲醛樹脂的固有的化學結構，粘接劑直接被催化氣相分解。

聚甲醛樹脂鏈的特點是重復的碳-氧鍵，如圖1所描繪。聚合物鏈的氧原子對酸的作用很敏感，當暴露在合適的酸催化劑中時，化學反應將引起大分子分裂成CH2O（甲醛）單元。

用于脫脂過程的催化劑，目前普遍采用的是高濃度的氣態硝酸（將硝酸含量高于98.5%的液態硝酸氣化）。硝酸的這種催化反應特別適合與粉末注射成型的脫脂過程。

在110℃下，脫脂的速度很高，該溫度遠低于聚甲醛的融化區間（150℃~170℃）。這樣，聚合物直接由固體轉化為氣體。

由于Catamold?的種類的不同，粘接劑-氣態界面以0.5~2mm/h的線速度向內繼續進行。

小的甲醛氣體分子（沸點-21℃）可以很容易的通過已形成的零件的多孔性外層溢出，而不會破壞粉末顆粒堆積結構。

此時，粘接劑仍是非常堅固的，使零件在脫脂是具有延續的堅硬性，避免任何塑性變形，可得到較好的公差。

在聚甲醛完全去除后，還剩有一定量的耐酸粘接劑組分（一般為粘接劑含量的10%質量分數），它可為預成型粉末提供一定的運送強度。

這種耐酸有機組分可在隨后的燒結工作中脫除（熱脫）。

備注：脫脂過程其實并沒有將粘接劑全部脫除，因為粘接劑內含有約10%質量分數的耐酸組分，這些組分可以確保脫脂后的零件不會再出脫脂爐、運轉以及進入脫脂爐的過程中坍塌。這些耐酸組分最終會在燒結爐中脫除。

2.催化脫脂爐

需脫脂的零件擺放在MIM催化脫脂爐爐格的支撐板上。爐子裝有風扇以保證氣體的充分混合和循環流動。通過定量泵將催化劑定量的輸入爐體中，隨后在陶瓷盤上汽化。

氮氣作為載體氣體。不能讓帶脫脂的金屬零件腐蝕，否則將對氣體氣氛中發生的反應產生反作用。

試驗用脫脂爐（50L）需要約40g/h硝酸和500L/h氮氣。從一些爐子生產廠家可以買到容積達420升的間歇式脫脂爐（批次脫脂爐）。脫脂作業也可以使用連續式脫脂爐。

在開始脫脂前，要先進行1小時的清洗作業，然后再爐中統一惰性氣體，同時將爐子與生坯加熱到110℃。

脫脂時間太長，并不會損壞零件，而脫脂時間太短，則會產生廢品。因此，建議將脫脂時間按每1小時的檔差大幅度減小，直到失重開始下降，以確定合理的脫脂時間。

試驗時，特別是與小零件相比，滿負載爐子的脫脂時間可以增加50%。同樣，在比例增加時，應再一次采取這些安全措施。

排出的氣體是要經過兩級燃燒處理的。

在第一級燃燒器中，反應氣體是在缺氧的丙烷氣火焰中燃燒。主要是將剩余的硝酸與主要有硝酸產生的NOx組分還原成N2.在這里甲醛氣體具有強烈的還原反應。

在第二級的燃燒器中，設計和添加的空氣進行完全燃燒。燃燒后進入煙道的排放氣體符合現行的環保法規。

3.零件支撐

脫脂爐內零件支撐的形式取決于零件的幾何形狀。

將成型件以最佳的直立側面狀態放置在燒結托盤上。零件間的間距應足夠大，不阻礙氣體的流動。

可將零件放置在多孔板或絲網上，這可使零件下部也能進行氣體交換，這樣能縮短脫脂時間。

備注：

脫脂爐內一般是不銹鋼托盤，成型件放置于一定尺寸規格的陶瓷板（如100mm*100mm）上，陶瓷板整齊的排列在不銹鋼托盤上。

為得到最佳的經濟效益，每爐盡可能的達到最佳的裝載量。

4.脫脂溫度

為保持與硝酸沸點的安全差，實際下限值為100℃，上限值是根據粘接劑的融化化溫度（150℃~170℃）來設定的。

實際上，上限溫度為140℃，一般推薦采用110℃~120℃。

5.硝酸

原則上脫脂速度隨著硝酸的流量速度增加而加快的。

但若超過了規定的流量，氧化性氣體加上甲醛的濃度，在極端情況下，可能引起自燃，根據經驗，我們推薦與規定：硝酸的濃度高于98.5%。

為確保安全生產，脫脂爐生產廠家一般都會強制要求硝酸的濃度。

6.脫脂速率

在爐溫110℃下，脫脂前沿的典型速度在1~2mm/h之間。如果爐子裝載量增加，脫脂時間要延長。

零件在爐中停留的時間超過最低脫脂時間，一般對零件并沒有不良影響。

小技巧：由于脫脂后的零件容易跟空氣中的水分接觸發生銹蝕，所以我們有時候會將脫脂后的零件直接在爐內放置，直到需要出爐的時候才出爐；也有企業會專門做氮氣保護箱，用于存放已脫脂完成出爐待燒結的成型件。

7.脫脂作業控制

脫脂的效果有兩個方式可以檢測。

7.1 可通過稱重，檢測一個或多個脫脂的零件，來控制脫脂作業。通過稱零件脫脂前和脫脂后的質量的變化，計算脫脂率。

在調整參數的時候，可以通過調整脫脂時間、脫脂溫度等參數，測試每次的脫脂率，直到數據不再變化，找出最佳的參數組合。

7.2輔助檢測方法：切開零件壁厚最厚的部位，觀察新鮮的斷裂表面來評定脫脂的狀況。未脫脂完成的芯部的斷口上會顯示不同的顏色，如脫脂充分，則斷口顏色一致。

脫脂率=(脫脂前重量-脫脂后重量)/脫脂前重量

8.連續脫脂

Catamold?成型件的脫脂時間較短，這使采用連續脫脂和燒結成為可能。

和間歇爐（批次爐）一樣，連續爐也可使用氮&催化劑混合氣體，氣體的流動方向和零件的傳送方向相反，同時在頂部排出與燃燒。

在爐子入口，零件要通過一預熱的閘門才能進入，以防止催化劑凝結在零件表面上。

深圳市御嘉鑫科技股份有限公司針對Catamold?脫脂法設計了一種連續脫脂和燒結爐系統。操作過程如下：

>將MIM成形壞放在脫脂的第一個加熱區，并在氮氣氣氛下加熱至86℃，以避免在隨后的催化脫脂過程中硝酸冷凝在坯料上。

>然后將成形坯移動進入催化脫脂區，將聚醛樹脂分解為甲醛。

>經過初步脫脂后，坯料通過第一個清潔室進入燒結爐，在燒結爐的第一個加熱區脫除殘余的粘結劑。

>隨后，在氮氣、氫氣、氬氣、分解氨和其它一些混合物的作用下進行燒結。

9.總結

Catamold?法的一個重要特點是采用催化劑脫脂，脫脂時不出現液相，避免了MIM產品容易發生變形和尺寸精度控制困難的弱點，是MIM產業的一個重大突破，并且由于是催化脫脂，大大縮短了脫脂時間，從而降低了成本，并能生產較大尺寸的MIM零部件。