Piezas de inyección de metal con cabeza de golf de aleación de titanio

La tecnología de moldeo por inyección de metales (MIM) de titanio y aleaciones de titanio puede realizar la preparación a gran escala y de bajo costo de productos de titanio de forma compleja de tamaño pequeño y mediano, lo cual es de gran importancia para promover la producción y aplicación de titanio y aleaciones de titanio. productos Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. es una colección de moldeo por inyección de metal de aleación de cobre, moldeo por inyección de metal con base de hierro, moldeo por inyección de metal con base de acero inoxidable, moldeo por inyección de metal con aleación de aluminio, moldeo por inyección de metal con aleación de níquel, inyección de metal con aleación de cobalto moldeado, moldeo por inyección de metal de aleación de tungsteno Una empresa integral de alta tecnología que integra I + D, producción y ventas de moldeo por inyección, piezas de inyección de metal con cabeza de golf de aleación de titanio, moldeo por inyección de metal de carburo cementado y piezas estructurales de pulvimetalurgia.

Diseño del productocripcion

1. Estándares de implementación: la empresa implementa estrictamente las certificaciones ISO9001, ISO14001, IATF16949

Los productos han pasado la certificación de ROHS, FDA EU, etc.

2. Estándares de materiales del producto: ISO, GB, ASTM, SAE, EN, DIN, BS, AMS, JIS, ASME, DMS, TOCT, GB

3. Procesos principales: moldeo por inyección de metal MIM, pulvimetalurgia PM, fundición a la cera perdida, fundición a presión de aluminio,

4. Materiales disponibles para pulvimetalurgia:

Las aleaciones de cobre, las bases de hierro, las aleaciones de titanio, las bases de acero inoxidable, las aleaciones de aluminio, las aleaciones de níquel, las aleaciones de cobalto, las aleaciones de tungsteno, los carburos cementados, las aleaciones de hidroxi, los materiales magnéticos blandos y la impresión 3D se pueden personalizar de acuerdo con los requisitos del cliente.

Investigación y Aplicación

El proceso de moldeo por inyección de polvo metálico generalmente incluye varios procesos básicos, como la preparación del material de inyección, el moldeo por inyección, el desprendimiento, la sinterización y el procesamiento posterior necesario.

Como se muestra en la Figura 1, el polvo metálico y los componentes del aglutinante orgánico se mezclan, amasan y granulan para preparar un material de inyección, y luego el material de inyección se inyecta en el molde a una cierta temperatura y presión, y después de enfriarse, se desmolda para obtener un material de inyección específico. El cuerpo verde del producto moldeado se somete luego a un proceso de desunión para eliminar todos los componentes orgánicos excepto el polvo de metal contenido en el cuerpo verde para convertirlo en un cuerpo desligado y, finalmente, se sinteriza para obtener piezas de inyección de metal de cabeza de golf de aleación de titanio con las propiedades deseadas.

La tecnología de moldeo por inyección de polvo metálico realiza la combinación orgánica de moldeo por inyección y tecnología tradicional de pulvimetalurgia, supera el alto costo del proceso de mecanizado, la forma simple del proceso de moldeo tradicional, la baja eficiencia de producción del proceso de prensado isostático y lechada, y el proceso de fundición tradicional . Las desventajas de muchos defectos y la precisión de baja tolerancia han promovido en gran medida la producción y aplicación de productos de titanio y aleaciones de titanio (como se muestra en la Figura 2).

Fig.1 Diagrama de flujo de titanio y aleaciones de titanio fabricados por MIM

Fig.2 Aplicaciones de titanio y aleaciones de titanio fabricadas por MIM

A continuación se presentan las características y ventajas de las piezas de inyección de metal con cabeza de golf de aleación de titanio y se resume el progreso de la investigación de la tecnología de moldeo por inyección de polvo de metal de aleación de titanio y titanio a partir de materias primas en polvo, sistemas aglutinantes de uso común, moldeo por inyección, desunión y sinterización. Los principales problemas existen, y se analiza la dirección de investigación del moldeo por inyección de polvo de metal de aleación de titanio y titanio.

1. Estado de investigación del moldeo por inyección de polvo de metal de aleación de titanio y titanio

Los estudios han demostrado que las propiedades mecánicas, la resistencia a la corrosión y las propiedades biomédicas del titanio y los productos moldeados por inyección de aleaciones de titanio se ven muy afectadas por la densidad relativa, el contenido de impurezas, los elementos de aleación y la microestructura.

Después de sinterizar el producto de moldeo por inyección, su densidad relativa es de aproximadamente el 95 por ciento y habrá una cierta proporción de poros residuales.

Estos poros residuales se convertirán en la fuente de grietas cuando se fractura la muestra y tienen un gran impacto en las propiedades mecánicas del material, como la resistencia a la tracción, la ductilidad, la tenacidad a la fractura y la resistencia a la fatiga. Por lo tanto, cuanto mayor sea la densidad relativa de los productos de moldeo por inyección de titanio y aleaciones de titanio, sus propiedades mecánicas son mejores.

Los elementos de impureza como el oxígeno, el carbono, el nitrógeno, el hidrógeno, etc., especialmente el oxígeno, aumentarán el límite elástico, la resistencia a la tracción y la dureza del material, y reducirán la ductilidad. Los elementos de impureza se disuelven en la matriz de titanio a la temperatura de sinterización. Dado que no existe un agente reductor efectivo, es difícil controlar los elementos de impureza del titanio y las aleaciones de titanio durante el proceso de sinterización. cantidad.

La microestructura del titanio y las aleaciones de titanio, incluidos el tamaño del grano y la composición de la fase después de la sinterización, pueden afectar las propiedades mecánicas del material. En conjunto, los materiales de aleación de titanio y titanio moldeados por inyección con un rendimiento excelente tienen una mayor densidad, un bajo contenido de impurezas (generalmente contenido de oxígeno), una composición de aleación apropiada, granos finos y menos defectos durante la densificación.

1.1 Materias primas en polvo

La selección de materias primas en polvo es un paso importante en el proceso de moldeo por inyección de polvo de titanio. La distribución del tamaño de las partículas y la morfología del polvo afectan directamente la fluidez y la formabilidad del material de inyección, la retención de la forma del cuerpo verde durante la desunión y la contracción durante la sinterización.

En la actualidad, los métodos de preparación de polvo de aleación de titanio y titanio comúnmente utilizados incluyen el método mecánico y el método de atomización.

La forma del polvo obtenido por molienda mecánica (como molienda de bolas, molienda de bolas con agitación, molienda de bolas con vibración de alta energía y molienda por chorro, etc.) es generalmente irregular o angular.

El proceso de deshidrogenización por hidrogenación (HDH) es para aprovechar la fragilización obvia del titanio después de la absorción de hidrógeno, triturarlo mediante molienda mecánica o pulverización por chorro, y luego someterse a deshidrogenación para obtener polvo de titanio de forma irregular, como se muestra en la Figura 3 (a) . Los métodos de atomización (como la atomización con gas inerte, la atomización con electrodo giratorio de haz de plasma y la atomización con gas de fusión por inducción de electrodo) se pueden llevar a cabo en una atmósfera completamente inerte para mantener una alta pureza del polvo crudo, lo que da como resultado una forma esférica y una distribución del tamaño de las partículas. bastante ancho y tiene buenas propiedades de empaquetamiento, como se muestra en la Fig. 3(b).

Además, a diferencia de la tecnología de producción de polvo de acero, el polvo de titanio con un tamaño de partícula más fino es más difícil de producir. A medida que disminuye el tamaño de partícula, aumenta el área de superficie específica y también aumenta el contenido de elementos de impureza.

Por lo general, el tamaño de partícula del polvo de titanio utilizado en MIM es inferior a 45 μm. Cuando el tamaño de partícula del polvo es demasiado grande, es probable que ocurra el fenómeno de separación del aglutinante durante el proceso de inyección, lo que resulta en defectos. Debe tenerse plenamente en cuenta en el diseño de la composición del material de inyección y el diseño del molde.

Fig. 3 HDH (a) y polvo de titanio atomizado con gas (b) utilizado en MIM

1.2 Aglutinante

El aglutinante es un vehículo que existe en etapas a lo largo del proceso de moldeo por inyección. Su función principal es hacer que el polvo llene el molde uniformemente en estado fluido, tome la forma deseada y la mantenga hasta la etapa de pre-sinterización.

En el proceso de moldeo por inyección, el aglomerante debe tener las siguientes características: bajo punto de fusión, buena humectabilidad a partículas de polvo y curado rápido, lo cual es conveniente para la preparación de materiales de inyección; buena fluidez a temperatura de inyección; después del moldeado, se puede quitar fácilmente del cuerpo verde, hay menos sustancias residuales y los productos de descomposición no son tóxicos ni corrosivos.

En general, el componente aglutinante contiene al menos un componente primario y un componente secundario:

El componente principal se utiliza para humedecer las partículas de polvo de metal y proporcionar la fluidez necesaria, mientras que el componente secundario asegura que el cuerpo de inyección aún tenga suficiente resistencia durante el proceso de inyección y después de la eliminación del componente principal del aglomerante.

En la mayoría de los casos, el sistema aglutinante tiene un tercer componente, como un tensioactivo, para mejorar la compatibilidad entre el polvo metálico y el polímero.

De acuerdo con los componentes principales de los componentes adhesivos, los sistemas adhesivos de uso común se pueden dividir en sistemas a base de cera, sistemas a base de compuestos aromáticos, sistemas de polioximetileno y sistemas a base de agua.

1.2.1 Adhesivo a base de cera

Las ceras de uso común para los aglutinantes de sistemas a base de cera incluyen varios polímeros de cadena corta, como parafina, cera de abejas y cera de palma. Tienen puntos de fusión bajos, buena humectabilidad, cadenas moleculares cortas y baja viscosidad, y sus cambios de volumen son menores que otros polímeros cuando se descomponen. , lo que es beneficioso para garantizar la precisión dimensional del producto.

Los componentes secundarios comúnmente utilizados de los sistemas a base de cera son polipropileno, polietileno, copolímero de etileno-acetato de vinilo y metacrilato de polimetilo de alto peso molecular, etc. Además de la cera y el aglutinante principal, se utilizan agentes tensioactivos, como el ácido esteárico, para mejorar la compatibilidad entre el polvo y el polímero.

El primer sistema aglutinante a base de cera informado en la literatura fue Kaneko et al. utilizando copolímero de parafina-poli-n-butilmetacrilato-etilenvinilacetato-ftalato de dibutilo como aglutinante para mezclar con polvo de titanio para preparar materiales de inyección. , carga de polvo del 56 por ciento y sinterizado a 1300 grados y 1,3 Pa después del desprendimiento. La muestra sinterizada obtenida tiene una densidad relativa del 94 por ciento y una resistencia a la compresión de 1000 MPa, pero casi no tiene ductilidad debido al contenido demasiado alto de impurezas.

estudió un proceso de descementado en dos pasos que combinaba el descementado al vacío y el descementado en atmósfera de argón, lo que redujo significativamente el contenido de carbono y oxígeno en las piezas sinterizadas.

Guo et al. reemplazó parte de la parafina con polietilenglicol con mejor humectabilidad, desarrolló un sistema aglutinante de parafina-polietilenglicol-polietileno-polipropileno-ácido esteárico, y lo usó en En el moldeo por inyección de titanio puro y aleación de titanio-aluminio-vanadio, las piezas sinterizadas tienen buena retención de forma y pequeñas fluctuaciones dimensionales. Debido a la reducción del contenido de oxígeno y carbono, el rendimiento también mejora considerablemente y se obtiene un mejor rendimiento.

Además, algunos investigadores usan cera de palma para reemplazar parcialmente la parafina y el aceite de palma para reemplazar completamente la parafina [14] para sistemas aglutinantes a base de cera, y el efecto de formación también es muy bueno, pero debido a que el elemento oxígeno contenido en la cera de palma también es Fuente de oxígeno, por lo que el contenido de carbono y oxígeno del producto final es ligeramente mayor y las propiedades mecánicas no son tan buenas como las del sistema de parafina.

El sistema aglutinante óptimo a base de cera informado en la literatura fue propuesto por Friederici et al. . Durante el experimento, las proporciones de parafina, polietileno de baja densidad y ácido esteárico se ajustaron para formar cuatro proporciones de aglutinante. A través de los procesos de formación, desunión y sinterización de diferentes materiales de inyección, se obtuvieron muestras con una densidad relativa del 98,1 por ciento y una composición química satisfactoria para el titanio puro secundario.

El sistema aglutinante a base de cera ocupa una posición importante en el moldeo por inyección, pero debido a que el sistema aglutinante a base de cera utiliza solventes orgánicos para el desprendimiento de solventes y tiene una baja eficiencia de desengrasado, los investigadores continúan innovando sobre esta base y desarrollando nuevos adhesivos. sistema de agentes

1.2.2 Adhesivos a base de compuestos aromáticos

Los compuestos aromáticos (como naftaleno, antraceno, etc.) se pueden disolver a temperaturas muy bajas. En condiciones de baja presión, pueden transformarse directamente de sólidos a gases por sublimación a una temperatura inferior a su punto de fusión. Los compuestos aromáticos se utilizan como aglutinantes. La separación puede mejorar en gran medida la eficiencia del proceso de descementado.

Weil et al. compuestos aromáticos utilizados en el moldeo por inyección de polvo de titanio. En su investigación, se prepararon aleaciones densas de titanio-aluminio-vanadio y aleaciones porosas de titanio-aluminio-vanadio usando naftaleno, 1 por ciento de ácido esteárico y 3 por ciento -12 por ciento de copolímeros de etileno y acetato de vinilo como aglutinantes.

Durante el experimento, dado que el naftaleno se sublimó directamente en gas y se descargó, no apareció una fase líquida durante el proceso de desprendimiento y el volumen de la muestra no cambió y, a diferencia del desengrasado con solventes, la energía superficial involucrada en el método de sublimación fue baja, lo que significó Defectos de desengrasado como la deformación. Se puede evitar el agrietamiento, etc., el experimento finalmente obtuvo la densidad relativa de la muestra sinterizada 96.6 por ciento, y el contenido de carbono no aumentó.

Aunque el sistema aglutinante ha logrado un excelente rendimiento del producto, los compuestos aromáticos del sistema aún tienen un impacto en el medio ambiente y la salud física, y no han sido seguidos por investigaciones ni aplicaciones a gran escala.

1.2.3 Adhesivo a base de POM

El polioximetileno fue utilizado por primera vez en el sistema adhesivo por Celanese Corp en 1984 y luego desarrollado por BASF, lo que hizo posible que los componentes adhesivos no contuvieran cera y tuvieran componentes de peso molecular pequeño.

El polioximetileno es el componente principal del sistema aglutinante, y el polietileno (PE) se agrega gradualmente como aglutinante básico en el proceso de desarrollo posterior.

Basándose en este sistema aglutinante, BASF actualmente forma compuestos de moldeo por inyección que cubren una amplia gama de materiales, incluidos aceros de baja aleación, aceros inoxidables, aceros para herramientas, titanio y aleaciones de titanio y cerámica.

La característica notable del polioximetileno es que es más sensible a los reactivos ácidos y es propenso a la descomposición ácida. Por lo tanto, al tratar la pasta verde en una atmósfera ácida inferior a su temperatura de reblandecimiento, el polioximetileno se encuentra en estado sólido, lo que evita defectos como grietas y dilataciones provocadas por la ebullición de los componentes del aglomerante, y presenta una pequeña deformación y una buena retención de la forma. . Control de tamaño preciso.

Además, debido a la gran tasa de difusión, en comparación con otros métodos de desengrasado, la tasa de desengrasado es más alta, lo que puede alcanzar 10 veces la tasa de desprendimiento de los solventes tradicionales, al tiempo que permite un desprendimiento de mayor tamaño.

Aunque el sistema adhesivo basado en POM tiene muchas de las ventajas anteriores, también tiene muchas desventajas.

El vapor de ácido nítrico corrosivo se usa a menudo como catalizador en el proceso de desunión catalítica. Por un lado, el polioximetileno puede descomponerse durante las etapas de preparación previa a la inyección y de moldeo por inyección, dando como resultado formaldehído altamente tóxico, y los productos de descomposición deben quemarse en dos pasos. Por otro lado, la atmósfera ácida que juega un papel catalítico es más corrosiva para los equipos y requiere mayor inversión.

1.2.4 Adhesivos base agua

Los disolventes de desunión (como heptano y hexano) o los productos de descomposición de los componentes aglutinantes (monómeros aromáticos y formaldehído) utilizados en los sistemas aglutinantes antes mencionados son más o menos dañinos para el medio ambiente y los operadores. Por lo tanto, es de gran importancia desarrollar un sistema aglutinante que utilice disolventes respetuosos con el medio ambiente.

Los sistemas aglutinantes ecológicos existentes utilizan agua como disolvente de desunión.

De acuerdo con las diferentes funciones del agua en la preparación de materiales de inyección, estos sistemas aglutinantes se pueden dividir en dos tipos: con base de gel y sin base de gel.

Un polímero comúnmente usado para sistemas que no son a base de gel es el polietilenglicol, que tiene mejores propiedades y es económico y fácilmente disponible. Los polietilenglicoles de bajo peso molecular se pueden eliminar rápidamente y casi por completo a 60 grados, y los pesos moleculares de los polietilenglicoles de uso común oscilan entre 500 y 2000. El aglutinante principal comúnmente utilizado es el metacrilato de polimetilo con un peso molecular de 10.000.

usó un componente aglutinante soluble en agua de polietilenglicol, polimetilmetacrilato y ácido esteárico con una carga de polvo del 69 por ciento.

En el experimento, el polietilenglicol se eliminó por completo en agua a 55 grados durante 5 h, y el metacrilato de polimetilo se eliminó por completo en un flujo de argón desprendido en caliente a 440 grados. El contenido de oxígeno final (fracción de masa) de las muestras preparadas fue del 0,2 por ciento, la resistencia a la tracción correspondiente fue de 850~880 MPa y el alargamiento fue del 8,5 por ciento ~16 por ciento, lo que cumplió con el estándar ASTM grado 5 Ti.

La mayoría de los aglutinantes a base de gel son sustancias naturales, como la celulosa, el agar de almidón, etc.

Tokura utilizó agar para reemplazar el aglutinante polimérico en el moldeo por inyección de polvo de titanio y estudió la estabilidad térmica, la solubilidad y la viscosidad de inyección del sistema aglutinante.

Metal Powder Report (MPR) informó sobre un estudio sobre la producción de implantes orales de aleación de titanio utilizando adhesivos a base de agar, que consistían en materiales de refuerzo de agar, agua y gel.

Suzuki et al prepararon muestras con una densidad relativa del 97,3 % mediante el uso de un aglutinante que contenía una fracción de masa de agar al 4 % (peso molecular 82 500), las fracciones de masa de carbono y oxígeno de las muestras eran 0.33 por ciento y 0.3 por ciento, respectivamente, y el límite elástico fue de 539 MPa. , el alargamiento es de alrededor del 10 por ciento . Los resultados experimentales muestran que cuando se utiliza agar de alto peso molecular, la fuerza del gel aumenta, pero el contenido de carbono y oxígeno residual es mayor, lo que resulta en una disminución de la densidad sinterizada de las partes sinterizadas y una menor resistencia a la tracción y elongación.

Los aglutinantes a base de agua sin gel son fáciles de controlar, el equipo de desengrasado es más económico que otros métodos de desengrasado y los aglutinantes son biodegradables y no tóxicos para los microorganismos, pero el tratamiento de las aguas residuales de desengrase requiere costos adicionales.

El control del tamaño de las piezas finales producidas por el material de inyección del sistema aglutinante a base de gel es difícil, y la composición no es lo suficientemente estable, y las condiciones del proceso y el control de calidad son difíciles, y aún se necesita más investigación y optimización.

1.3 Moldeo por inyección, desunión y sinterización

Los parámetros del proceso de moldeo por inyección están determinados por las propiedades del material de inyección y la geometría del producto objetivo.

Como se mencionó anteriormente, el tamaño de partícula del polvo de titanio suele ser grueso. En comparación con el moldeo por inyección de material de acero inoxidable, es fácil producir un fenómeno de separación de polvo y aglutinante. Antes del moldeo por inyección, se deben formular los parámetros apropiados del proceso de moldeo de acuerdo con las propiedades reológicas del material de inyección para reducir los defectos en el cuerpo formado.

[Wang et al.] utilizaron aleación Ti–6Al–4V combinada con un sistema aglutinante a base de cera en polvo para preparar materiales de moldeo por inyección, y probaron y analizaron las propiedades reológicas de los materiales de inyección bajo diferentes cargas de polvo y temperaturas, proporcionando una base para formular materiales adecuados. parámetros de moldeo para el proceso de moldeo por inyección. .

Parque et al. utilizó polvo de titanio en aerosol, polvo de titanio HDH y polvo de titanio HDH esferoidizado para preparar materiales de inyección, y midió sus propiedades reológicas y comportamiento de desunión, y propuso el índice de conformabilidad de los materiales de inyección. Se evaluó el rendimiento y los resultados del análisis proporcionaron una base teórica para el uso simultáneo de polvo HDH y polvo en aerosol en el sistema de inyección.

Sobre la base de un proceso de simulación numérica y experimental, Barriere et al. discutieron los parámetros de proceso óptimos para la producción de piezas moldeadas por inyección de metal sin defectos con las propiedades mecánicas deseadas, basándose en técnicas de modelado que utilizan ecuaciones de flujo de dos fases y un nuevo desarrollo El algoritmo explícito se utiliza para realizar la predicción del fenómeno de separación de materiales en el proceso de inyección mediante simulación numérica.

Chen et al. usó el sistema de aglutinante soluble en agua y polvo prealeado de Ti–6Al–4V de hidrodeshidrodeshidrogenación para preparar materiales de inyección, y luego midió la tasa de eliminación de polietilenglicol, el componente aglutinante soluble en agua, en muestras de diferentes espesores a diferentes temperaturas, y estableció una fórmula. Se utilizó un modelo matemático de desunión controlada por difusión para determinar el mecanismo de desunión del sistema aglutinante.

Sidambe et al. utilizó el método Taguchi para determinar la combinación óptima de parámetros como la temperatura de sinterización, el tiempo, la velocidad de calentamiento y la atmósfera óptimos.

Ni et al. usó estearina de palma y un sistema aglutinante de polietileno para preparar material de inyección de Ti-6Al-4V, y usó el método de Taguchi para formular el proceso de producción óptimo, y finalmente obtuvo una muestra con un límite elástico de 934.4 MPa y una alargamiento del 10 por ciento. Las propiedades generales cumplen con los requisitos especificados en ASTM B348-02 Aleaciones médicas de titanio.

Obasi et al. preparó especímenes de Ti–6Al–4V con propiedades que cumplen con los requisitos de la aleación de titanio de grado 23 de la norma ASTM B348–02 y estudió el efecto de los cambios en el sistema de parámetros del proceso básico en el proceso de desaglomeración térmica y sinterización de componentes MIM de polvo de Ti–6Al–4V .

Limberg et al. preparó Ti–45Al–5Nb–0.2B–0.2C mezclando polvos elementales durante el proceso de moldeo por inyección, y estudió los efectos del tiempo de sinterización y la atmósfera de sinterización en las propiedades de tracción y la microestructura, y propiedades anti-resistencia obtenidas. Una muestra con una resistencia a la tracción de unos 630 MPa.

Guo et al. preparó materiales de titanio puro y Ti–6Al–4V mediante tecnología de moldeo por inyección, estudió el efecto de los procesos de tratamiento térmico, como el prensado isostático en caliente y el recocido, en las propiedades de los materiales de aleación, y caracterizó cualitativamente el efecto del tratamiento térmico por medio de la microestructura y las propiedades mecánicas pruebas. y caracterización cuantitativa, su microestructura se muestra en la Figura 4.

El material de inyección se prepara mezclando polvo de titanio atomizado con gas, polvo de titanio hidrogenado y un sistema aglutinante a base de cera. Después del moldeo por inyección, el solvente se separa en una mezcla de heptano y etanol, y la temperatura se eleva a 350, 420. Después de mantener a 600 grados, el aglutinante se eliminó por completo y la temperatura de sinterización fue de 1230 grados durante 3 horas. Finalmente, las propiedades de tracción de las muestras sinterizadas fueron 389-419 MPa, y el alargamiento fue del 2 por ciento -4 por ciento.

Los miembros de este grupo de investigación utilizaron el polvo de titanio atomizado con gas y el sistema aglutinante soluble en agua para preparar muestras de titanio puro y estudiaron los efectos de la temperatura de sinterización y el tiempo de retención en las propiedades de las muestras de titanio puro. Vacío de 3 Pa, temperatura de sinterización de 1350 grados y elongación del 20,3 por ciento después de mantener durante 3 h, que cumple totalmente con la muestra óptima de rendimiento de pulvimetalurgia ASTM F2989-13, densidad relativa del 96,9 por ciento, resistencia a la tracción de 443 MPa, grado biomédico II patrón de titanio puro.

Fig. 4 Microestructuras de muestras de Ti (a) y Ti-6Al-4V (b) preparadas con materias primas a base de cera

2 Nuevos materiales de moldeo por inyección de titanio y aleaciones de titanio

Actualmente, el titanio y las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente en dispositivos ortopédicos relacionados con estomatología e implantes médicos, pero debido a la diferencia entre sus propiedades mecánicas y las propiedades mecánicas del hueso humano (el módulo elástico es de aproximadamente 20 GPa), se produce en el hueso. /interfaz de implante. El efecto de protección contra el estrés, que produce efectos clínicos a largo plazo, puede verse muy comprometido, como se muestra en la Figura 5.

Por lo tanto, los investigadores ajustaron las propiedades mecánicas de los materiales de titanio cambiando la estructura y la composición de la aleación de los materiales de titanio para acercarlos a la estructura y las propiedades de los huesos humanos naturales.

Fig.5 Comparación del módulo de elasticidad de aleaciones de titanio biomédicas

2.1 Materiales porosos de titanio y compuestos de titanio y cerámica

Los materiales de titanio poroso y los nuevos materiales del sistema de aleación de titanio tienen una estructura de poros y propiedades mecánicas apropiadas, y son materiales de implante ideales para el reemplazo ortopédico.

Por un lado, puede reducir de forma eficaz la falta de coincidencia de la tensión entre el implante y el tejido óseo, reduciendo así el efecto de protección contra la tensión y logrando la función duradera y eficaz del implante; por otro lado, la estructura porosa es una condición necesaria para el crecimiento de células óseas en el implante. La estructura porosa interconectada puede permitir el paso de una gran cantidad de fluidos corporales, lo que puede promover aún más el crecimiento de las células óseas.

Gu et al. formó un nuevo tipo de aleación TC4 con una estructura de poros abiertos mediante la adición de TiH2 al polvo de elementos de titanio, aluminio y vanadio como agente espumante y agente activo. La distribución del tamaño de los poros es uniforme, el tamaño de los poros es de 90 a 190 μm y la porosidad es de alrededor del 43 al 59 por ciento. , el módulo de elasticidad oscila entre 5,8 y 9,5 GPa. Enguin et al. [35] utilizaron el moldeo por inyección de polvo (PIM) combinado con la tecnología de agentes formadores de poros para preparar aleaciones de titanio microporoso y estudiaron el efecto de la cantidad de metacrilato de polimetilo del agente formador de poros sobre la densidad y la resistencia a la compresión de la aleación. y el módulo elástico.

Tuncer et al. usó el polvo esférico atomizado, el polvo de titanio HDH y el sistema aglutinante a base de cera, agregando una cierta cantidad de NaCl y KCl como agentes formadores de poros, para estudiar el efecto del polvo inicial en el rendimiento del producto de titanio poroso final, y además ajustando el agente formador de poros. De acuerdo con la dosis del agente, se puede obtener el material de titanio poroso con la porosidad y el tamaño de poro requeridos del implante médico, y la composición química del material puede cumplir con el estándar de titanio puro terciario.

Chen et al. usó NaCl como agente formador de poros combinado con inyección a base de cera de polvo de titanio hidrogenado para preparar muestras de moldeo por inyección. Al ajustar la cantidad de NaCl, se puede formar un orificio de comunicación dentro de la pieza de inyección y sus propiedades mecánicas son similares a las del hueso esponjoso.

Barbosa et al. utilizó por primera vez polvo de Fe22Cr para probar las propiedades reológicas de los materiales de inyección de diferentes sistemas aglomerantes. De acuerdo con los resultados de la prueba de rendimiento, se seleccionó un sistema aglutinante a base de cera apropiado y luego se combinó con polvo de Ti y el agente formador de poros NaCl para el prensado en caliente y el moldeo por inyección de múltiples componentes. , se preparó un componente de implante espinal con un núcleo poroso exterior denso y un gradiente de porosidad mediante desengrase y sinterización.

Fig. 6 Componente de moldeo por inyección de titanio poroso usando NaCl como soporte de espacio

La hidroxiapatita (HA) tiene ventajas únicas en el reemplazo óseo y la reconstrucción ósea debido a su composición química y estructura cristalina como tejido óseo humano natural, y ha comenzado a desempeñar un papel cada vez más importante en los dispositivos biomédicos. .

Sin embargo, HA es frágil y tiene malas propiedades mecánicas, por lo que no se puede usar solo como componente de carga. Por lo tanto, ha surgido un nuevo tipo de material biomédico compuesto por HA y material de titanio.

Thian et al.] estudiaron la preparación de compuestos Ti6Al4V/HA mediante moldeo por inyección. En primer lugar, el polvo compuesto de Ti6Al4V/HA se preparó mediante el método de precipitación cerámica y, a continuación, el polvo preparado se mezcló con el aglutinante comercial PAN-250S para preparar el material de inyección. Se probaron las propiedades reológicas del material de inyección y se estudió la velocidad de calentamiento durante el proceso de despegado. La influencia del caudal de gas de la atmósfera de desprendimiento y la atmósfera de desprendimiento sobre los defectos de la parte desprendida, la cantidad de eliminación de aglutinante y el contenido de carbono residual; la influencia de los parámetros del proceso de sinterización (velocidad de calentamiento, temperatura de sinterización, tiempo de retención, velocidad de enfriamiento, etc.) La porosidad de la muestra obtenida fue de alrededor del 50 por ciento; además, se analizó y caracterizó el proceso de degradación biológica del material Ti6Al4V/HA preparado en el entorno de los fluidos corporales mediante los resultados de las pruebas de propiedades mecánicas.

2.2 Nuevos materiales de aleación de titanio

El campo biomédico es una rama importante de la aplicación de materiales de titanio, y la dirección de la demanda de su aplicación afecta directamente la tendencia de desarrollo de los materiales de titanio.

Los primeros materiales de titanio son principalmente titanio puro (fase), pero los materiales de titanio puro tienen baja resistencia y poca resistencia al desgaste, y luego desarrollan alta resistencia y alta tenacidad más el tipo representado por la aleación Ti6Al4V, Ti6Al7Nb y Ti5Al2.5Fe.

Austin et al. fabricó con éxito materiales para tornillos óseos con un rendimiento excelente utilizando polvo de Ti6Al7Nb y un sistema aglutinante a base de cera (parafina más PE más ácido esteárico), como se muestra en la Figura 7, con una densidad relativa del 97,6 %, una resistencia a la tracción de 815 MPa y un rendimiento fuerza de 714 MPa. Elongación 8,7 por ciento.

Los resultados de la investigación muestran que los elementos de aleación como Al y V en la aleación de titanio, aluminio y vanadio ampliamente utilizada y en la aleación de titanio, aluminio y niobio liberarán iones de elementos Al y V citotóxicos después de que el implante ingrese al cuerpo humano, causando daño al cuerpo humano. . .

Como resultado, los investigadores han llevado a cabo una serie de desarrollos de una nueva generación de sistemas de aleación de titanio que contienen Nb, Ta, Zr, Mo, Sn y otros elementos de bioseguridad sin elementos Al y V.

En la actualidad, las aleaciones de biotitanio que se han desarrollado e investigado incluyen principalmente Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7 Zr-5Ta, Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr y Ti- 29Nb-13Ta-4.6Zr et al [44]. Debido a las limitaciones de la tecnología de molienda y otros aspectos, estos sistemas de aleación rara vez se utilizan en los procesos de moldeo por inyección de polvo.

Zhao et al. llevó a cabo experimentos de moldeo por inyección utilizando polvo de titanio y polvo de niobio, y preparó con éxito una aleación de fase dual TiNb con una densidad relativa de alrededor del 95 por ciento. A través de la prueba de las propiedades mecánicas de los cuerpos verdes, las piezas despegadas y las piezas sinterizadas, así como la sinterización con diferentes contenidos de composición de aleación, se estudió el efecto del contenido de Nb en la microestructura y las propiedades mecánicas de la aleación comparando la observación y comparación de la microestructura de la aleación.

Arockiasamy et al. preparó la aleación Ti5Fe5Zr agregando elementos Fe y Zr al polvo de titanio puro HDH y midió las propiedades mecánicas de la aleación. mecanismo.

Tornillo óseo Ti6Al7Nb preparado por MIM

3. Perspectiva

La baja gravedad específica, la alta fuerza específica, la excelente biocompatibilidad y resistencia a la oxidación, y la buena resistencia a la corrosión del titanio y las aleaciones de titanio hacen que tengan excelentes aplicaciones en bienes de consumo aeroespacial, médico, químico, automotriz y diario. Potencial de desarrollo.

En comparación con las técnicas de procesamiento tradicionales, como la forja, la fundición y el mecanizado, el moldeo por inyección de polvo tiene ventajas obvias, composición de aleación uniforme, alta tasa de utilización de materia prima y gran capacidad de producción de piezas complejas a gran escala, lo que puede promover en gran medida la producción de titanio. y productos de aleación de titanio. y aplicación.

Aunque se han logrado algunos avances en la investigación del moldeo por inyección de titanio y aleaciones de titanio, en el proceso de producción industrial real, el precio de las materias primas en polvo de alta calidad es relativamente alto, la transformación y aplicación de nuevos sistemas de aleación de titanio de alta calidad al moldeo por inyección es insuficiente, y es difícil controlar la composición química de los productos. Aún quedan por resolver una serie de problemas, como otros mayores.

Además, con el rápido desarrollo de la tecnología de microsistemas en los últimos años, la demanda de componentes microcomplejos utilizados en microsistemas continúa aumentando. El moldeo por inyección de polvo debe transferirse de los tipos de productos tradicionales a los microproductos y convertirse en microinyección de polvo. tecnología de formación.

En la actualidad, la mayoría de las tecnologías de moldeo por microinyección se centran en polímeros, acero inoxidable y otros sistemas de materiales. Todavía quedan muchos problemas por estudiar en el moldeo por microinyección de titanio y aleaciones de titanio.

Por lo tanto, el desarrollo de la investigación de moldeo por inyección de titanio y aleaciones de titanio debe centrarse en la investigación y el desarrollo de nuevos sistemas de aleación de titanio, el desarrollo de tecnología de preparación de polvo de aleación de titanio de alta calidad y bajo costo, y la investigación sobre moldeo por microinyección de titanio. materiales adecuados para dispositivos micro y complejos.

Con la investigación en profundidad sobre la tecnología de moldeo por inyección de titanio y aleaciones de titanio, se cree que la tecnología de moldeo por inyección de titanio y aleaciones de titanio hará un gran progreso y luego promoverá el rápido desarrollo de la industria del titanio.

Proceso posterior a la fundición

1. Tratamiento térmico: recocido, carbonización, templado, templado, normalizado, templado superficial

2. Equipos de procesamiento: CNC, WEDM, torno, fresadora, perforadora, amoladora, etc.;

3. Tratamiento de superficie: pulverización de polvo, cromado, pintura, arenado, niquelado, galvanizado, ennegrecido, pulido, pavonado, etc.

Moldes y accesorios de inspección

1. Vida útil del molde: generalmente semipermanente. (excepto espuma perdida)

2. Plazo de entrega del molde: 10-25 días, (según la estructura del producto y el tamaño del producto).

3. Mantenimiento de herramientas y moldes: Zhongwei es responsable de las piezas de precisión.

Control de calidad

1. Control de calidad: la tasa de defectos es inferior al 0.1 por ciento.

2. Las muestras y la ejecución de prueba se inspeccionarán al 100 % durante la producción y antes del envío, la inspección de muestras para la producción en masa de acuerdo con los estándares ISDO o los requisitos del cliente.

3. Equipo de prueba: detección de defectos, analizador de espectro, analizador de imagen dorada, máquina de medición de tres coordenadas, equipo de prueba de dureza, máquina de prueba de tracción.