複雜形狀金屬零部件的無毒性凝膠注模成型方法
2023-05-26 21:56:46
專利名稱:複雜形狀金屬零部件的無毒性凝膠注模成型方法
技術領域:
本發明屬於粉末冶金生產工藝中金屬基複雜形狀零部件坯體的成型技術領域,特別是提供了一種複雜形狀金屬零部件的無毒性凝膠注模成型方法。
背景技術:
傳統粉末冶金成型工藝主要有壓製成型、冷等靜壓成型、注射成型等多種,但各有優缺點,如壓製成型生產效率高,但坯體密度不易均勻且只能生產簡單形狀的製品;冷等靜壓成型所得坯體密度高且均勻,但生產效率低、成本高;注射成型能夠獲得複雜形狀的製品、坯體密度均勻、生產效率高,但生產較大規格製品有難度、生產周期長並且能耗高、汙染大。
凝膠注模成型(gelcasting)由美國橡樹嶺國家實驗室M.A.Janney教授等人於20世紀90年代初發明,是近年倍受關注的一種複雜形狀陶瓷或金屬部件近淨尺寸成型方法。其原理是將有機單體與溶劑配製成一定濃度的預混液,金屬或陶瓷粉末懸浮於其中製成低粘度、高固相含量的濃懸浮體,加入引發劑及催化劑之後,將這種濃懸浮體漿料注入非多孔模具中,在一定的溫度條件下,有機聚合物單體交聯聚合成三維網絡狀聚合物凝膠,並使粉末顆粒原位粘結而固化形成坯體。凝膠注模成型工藝的優點是易成型複雜形狀,成型坯體組份均勻、密度均勻、缺陷少。主要缺點是目前獲得廣泛應用的有機單體均有一定毒性,如丙烯醯胺具有神經毒性且具有致癌危險;並且成型坯體中含有3~4wt%的有機物,燒結前需要專門的脫脂工序,難以生產大尺寸製品且增加生產周期和成本。
發明內容
本發明的目的在於提供一種複雜形狀金屬零部件的無毒性凝膠注模成型方法,克服傳統粉末冶金成型工藝及現有凝膠注模成型方法的上述問題。
本發明採用價廉、無毒性的水溶性高分子聚合物烷基纖維素醚如甲基纖維素及其羥烷基改性衍生物如羥乙基甲基纖維素(HEMC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)水溶液的熱凝膠性質來實現凝膠注模成型。
纖維素醚是以天然纖維素為原料經化學改性製得的一類半合成型高分子聚合物。甲基纖維素(MC)及其衍生物分子式為[C6H7O4(OH)3-x(OR)x]m,式中R為取代基,X為取代度,m為聚合度。本發明所用纖維素醚參數見表1。
表1實驗用纖維素醚特性
水溶性非離子型烷基纖維素醚及其羥烷基改性衍生物的水溶液加熱時,在特定的溫度下發生相分離,形成三維網狀結構的凝膠析出;冷卻時,當達到凝膠形成的特定溫度以下,凝膠消失恢復原始溶液狀態。這種溶液-凝膠轉變是一種可逆過程,其特性是由於聚合物分子鏈含有大量憎水性取代基的特殊性和分子間相互作用的結果。在較低溫度下,聚合物大分子被水化分散而成為溶液狀態;當溫度升高時分子水化作用減弱而鏈間水被逐漸逐出,當去水化作用足夠充分時出現大分子聚集體,最終導致形成結構膠體。
本發明的複雜形狀金屬零部件的無毒性凝膠注模成型方法包括以下各步驟1、將MC、HPMC、HEMC單獨或以重量比1∶(1~5)∶(1~3)混合,製成1~6重量%均一穩定的水溶液;2、將上述溶液與金屬粉料、分散劑混合;金屬粉料包括鐵(Fe)、鎳(Ni)等;使用的分散劑為聚丙烯醯胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一種,分散劑用量佔金屬粉料重量的0.2~2.0%;3、將第二步驟所得混合料球磨8~48小時;4、上述漿料室溫真空除泡10~30分鐘;5、將漿料注入模具中,模具材料為非孔材料玻璃、金屬、橡膠、塑料等;之後加熱模具至40~80℃,30~120分鐘後脫模,10~30℃真空乾燥2~3天即可得到金屬坯體。
本發明的優點在於可獲得形狀複雜、密度均勻、有機物含量少、不需專門脫脂工序的大尺寸坯體,並且該法對多種金屬粉末的成型均有效。
具體實施例方式
實施例1甲基纖維素凝膠注模成型鐵基零部件鐵粉原料為市售-500目電解鐵粉,純度為99.3%;纖維素醚為西安惠安化學工業有限公司生產,為白色粉末。
將3克甲基纖維素溶入100毫升水中製成溶液,加入780克鐵粉和5克聚丙烯醯胺分散劑,球磨24小時後真空除泡20分鐘,製得固相體積分數為50%的金屬漿料。將所得漿料注入玻璃模具,在60℃保溫120分鐘,模具內漿料固化為坯體,脫模後真空乾燥2天即可得到鐵基零件坯體。
實施實例2甲基纖維素、羥乙基甲基纖維素凝膠注模成型鎳基零部件鎳粉原料為市售羰基鎳粉,純度99.5%,粒度2~5μm;纖維素醚為西安惠安化學工業有限公司生產,為白色粉末。
將3克甲基纖維素、3克羥乙基甲基纖維素溶於100毫升水中,加入890克鎳粉和10克聚丙烯酸分散劑,球磨48小時後真空除泡30分鐘,獲得固相體積分數50%的漿料,注入金屬模具後將模具移入80℃恆溫箱中保溫120分鐘,脫模後真空乾燥3天即可得到凝膠注模成型鎳基零件坯體。
實施實例3羥丙基甲基纖維素凝膠注模成型鐵基零部件市售羰基鐵粉,純度99.5%,粒度2~5μm;纖維素醚為西安惠安化學工業有限公司生產,為白色粉末。
將5克羥丙基甲基纖維素溶入100毫升水中製成溶液,加入950克鐵粉和5克聚甲基丙烯酸胺分散劑,球磨24小時後真空除泡20分鐘,製得固相體積分數為55%的金屬漿料。將所得漿料注入橡膠模具,在60℃保溫120分鐘,模具內漿料固化為坯體,脫模後真空乾燥2天即可得到鐵基零件坯體。
權利要求
1.一種複雜形狀金屬零部件的無毒性凝膠注模成型方法,採用價廉、無毒性的水溶性高分子聚合物烷基纖維素醚如甲基纖維素及其羥烷基改性衍生物羥乙基甲基纖維素HEMC、羥丙基甲基纖維素HPMC水溶液的熱凝膠性質來實現凝膠注模成型;其特徵在於具體工藝步驟為a、將甲基纖維素MC、羥丙基甲基纖維素HPMC、羥乙基甲基纖維素HEMC單獨或以重量比1∶1~5∶1~3混合,製成1~6重量%均一穩定的水溶液;b、將上述溶液與金屬粉料、分散劑混合;金屬粉料為鐵或鎳;使用的分散劑為聚丙烯醯胺或聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一種,分散劑用量佔金屬粉料重量的0.2~2.0%;c、將第b步驟所得混合料球磨8~48小時;d、上述漿料室溫真空除泡10~30分鐘;e、將漿料注入模具中,加熱模具至40~80℃,30~120分鐘後脫模,10~30℃真空乾燥2~3天得到金屬坯體。
2.按照權利要求1所述的方法,其特徵在於模具材料為非孔材料玻璃或金屬、橡膠、塑料。
全文摘要
本發明提供了一種複雜形狀金屬零部件的無毒性凝膠注模成型方法,屬於粉末冶金生產工藝中金屬基複雜形狀零部件坯體的成型技術領域。採用價廉、無毒性的水溶性高分子聚合物烷基纖維素醚如甲基纖維素及其羥烷基改性衍生物羥乙基甲基纖維素HEMC、羥丙基甲基纖維素HPMC水溶液的熱凝膠性質來實現凝膠注模成型。本發明的優點在於可獲得形狀複雜、密度均勻、有機物含量少、不需專門脫脂工序的大尺寸坯體,並且該法對多種金屬粉末的成型均有效。
文檔編號B22F5/00GK1748914SQ20051008672
公開日2006年3月22日 申請日期2005年10月26日 優先權日2005年10月26日
發明者郭志猛, 李豔, 郝俊傑 申請人:北京科技大學