一種金屬料體及其製備方法和應用與流程

2023-11-04 03:54:32 1

本發明涉及金屬粉體材料製備領域，具體涉及一種金屬料體及其製備方法和應用。

背景技術：

金屬及其合金材料在空氣中極易被氧化，在表面形成氧化膜，氧化膜的存在會影響金屬材料的燒結性能。

以鋁及鋁合金為例，室溫下，塊狀鋁合金表面氧化膜為10-20μm，而霧化法製備出的鋁合金粉末，其氧化膜的厚度達到50-150μm，且為非晶態或水合物，性質非常穩定，高溫下難以分解。常規條件下燒結時，鋁金屬原子不能擴散穿過這層連續且緻密的氧化膜，粉末顆粒之間不能互相融合長大，難以消除孔隙以使製品達到緻密化。

現有技術中一般通過破壞金屬材料表面的氧化膜或液相燒結的方法來改善鋁及鋁合金的燒結性能。

所述破壞表面的氧化膜的方式主要為方面有下列方式：(1)添加鎂金屬進行固相反應燒結：鎂的活性遠大於鋁，其氧化物形成的自由能比al2o3要小得多，因此，鎂添加劑應用於鋁合金的粉末燒結中，可以將al2o3還原成純金屬鋁，生成鎂鋁尖晶石結構的氧化物。鎂在鋁基體中擴散，使體積發生改變，在氧化膜上產生剪切力，最終破壞氧化膜，有利於原子的擴散和燒結的順利進行，提高鋁合金的密度。然而經研究發現。鋁合金中鎂的添加量要達到0.15％才能引起燒結體積的收縮，實現對氧化膜的有效消除，同時起到固溶強化的作用。(2)還原氣氛燒結：在還原性氣氛下燒結時，顆粒周圍的還原性氣體與al2o3反應，置換出金屬鋁。常用的還原氣體氫氣是非常活潑的化學元素。與金屬氧化物能發生置換反應。同樣，氫氣也能與氧化物al2o3發生反應，燒結過程中，al2o3薄膜通過不斷反應而逐漸減薄，從而使顆粒間的鋁原子擴散得以進行，使塊狀材料變的緻密。然而氫氣存在安全隱患，還會增加生產成本。

在液相燒結方面有下列方式：金屬及其合金粉末壓坯僅通過固相燒結難以獲得很高的密度，如果在一定的燒結溫度下，低熔組元熔化形成低熔共晶物，由液相引起的物質遷移比固相快，最終液相將填滿燒結體內的空隙，由此可以獲得密度高、性能好的燒結品。然而液相燒結鋁合金製品的添加相必須具備以下條件：(1)低於鋁合金熔點；(2)與鋁不互溶；(3)產生的液相須對鋁合金顆粒表面有良好的潤溼性。常用的添加相有cu、sn、zn、mg等金屬，或者將這些金屬元素複合添加。

上述的方式都是通過化學反應實現對金屬材料氧化膜的去除，並不能有效避免氧化層的再次產生。去除氧化膜後，所述金屬材料表面會再度被氧化。因此，利用金屬材料進行注塑燒結一直是一個難點，尤其是鋁及鋁合金，其表面極易被氧化，無法在注塑燒結工藝中使用。

技術實現要素：

鑑於現有技術中存在的問題，本發明提供了一種金屬料體及其製備方法和應用，彌補了目前利用化學反應方式去除金屬氧化膜技術中存在的不足，能夠有效避免金屬材料表面氧化層的再次產生。同時，得到的金屬料體可以與注塑燒結工藝完美結合，尤其是實現了將鋁及鋁合金引入注塑燒結工藝，能夠製備出性能更好的產品，獲得更大的經濟效益。

為達此目的，本發明採用以下技術方案：

第一方面，本發明提供一種金屬料體的製備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)將金屬材料粉體與高分子材料和溶劑混合，在容器中利用機械力的作用去除粉體表面包覆的氧化層，得到混合物；

(2)除去步驟(1)得到的混合物中的溶劑，得到經高分子材料包覆的金屬材料粉體；

(3)將步驟(2)得到的高分子材料包覆的金屬材料粉體進行造粒；

(4)步驟(3)所述造粒完成後，將得到的顆粒烘烤成型，得到高分子材料完全包覆的金屬料體。

本發明通過使金屬材料粉體在與高分子材料和溶劑混合的狀態下，利用機械力使表面氧化層因顆粒間摩擦而脫落，同時因粉體浸在溶劑內，可以保持金屬材質避免二次氧化產生。彌補了目前利用化學反應方式去除金屬氧化膜技術中存在的不足，能夠有效避免金屬材料表面氧化層的再次產生。

通過後續的去除溶劑、造粒以及烘烤成型的操作，得到了高分子材料完全包覆的金屬料體。由於高分子材料的隔絕作用，所述金屬料體不會被氧化，進而可以應用於注塑燒結工藝中。

根據本發明，步驟(1)所述金屬材料為純金屬和/或其對應的合金。

本發明提供的工藝適合絕大部分常用的純金屬及其對應的合金材料，例如可以是銅及銅合金、鋁和/或鋁合金、鈦及鈦合金、鐵及鐵合金、釹及釹合金等，但非僅限於此，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。

本發明所述的金屬材料優選為鋁和/或鋁合金；所述鋁合金可以為2xxx系列鋁-銅基合金、3xxx系列鋁-錳基合金、4xxx系列鋁-矽基合金、5xxx系列鋁-鎂基合金、6xxx系列鋁-鎂-矽基合金或7xxx系列鋁-鎂-鋅基合金中的任意一種。

根據本發明，所述鋁合金中可以選擇性的添加非金屬強化相。

根據本發明，所述非金屬強化相為陶瓷材料，優選為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷或硼化物陶瓷中的任意一種或至少兩種的組合，例如可以是氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷或硼化物陶瓷中的任意一種；典型但非限定性的組合為：氧化物陶瓷和氮化物陶瓷；碳化物陶瓷和硼化物陶瓷；氧化物陶瓷和碳化物陶瓷；氧化物陶瓷和硼化物陶瓷；氮化物陶瓷和碳化物陶瓷；氮化物陶瓷和硼化物陶瓷；氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷；氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和硼化物陶瓷；氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和硼化物陶瓷；氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和硼化物陶瓷。

根據本發明，步驟(1)所述高分子材料為本領域常用的熱固性高分子材料和/或熱塑性高分子材料，例如可以是酚醛塑料、環氧塑料、氨基塑料、不飽和聚酯、醇酸塑料、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚碳酸酯，聚醯胺、丙烯酸類塑料、其它聚烯烴及其共聚物、聚碸或聚苯醚等，但非僅限於此，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。

根據本發明，步驟(1)所述溶劑為芳香烴類、脂肪烴類、脂環烴類、滷化烴類、醇類、醚類、酯類、酮類或二醇衍生物中的任意一種或至少兩種的組合，例如可以是芳香烴類、脂肪烴類、脂環烴類、滷化烴類、醇類、醚類、酯類、酮類或二醇衍生物中的任意一種；典型但非限定性的組合為：芳香烴類和脂肪烴類；脂環烴類和滷化烴類；醇類和醚類；酯類和酮類；芳香烴類和二醇衍生物；脂肪烴類、脂環烴類和滷化烴類等，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。

根據本發明，步驟(1)中將金屬材料粉體與高分子材料和溶劑混合後，在球磨桶中利用球磨的方式去除粉體表面包覆的氧化層。

使用球磨的方式去除粉體表面包覆的氧化層的優點是：除粉體間的摩擦外可藉助磨粒的種類強化研磨速率及效果，且設備簡單，易於操作。

本發明對步驟(1)中機械力作用的時間不做特殊限定，利用機械力對粉體、高分子材料和溶劑的混合物進行持續的作用，至金屬材料粉體表面的氧化層完全破碎除去為止。

優選地，步驟(1)所述粉體與高分子材料在浸沒在所述溶劑中。

根據本發明，步驟(2)中利用加熱將溶劑蒸發和/或抽真空的方式對混合物中的溶劑進行回收。

根據本發明，步驟(3)所述造粒後，得到粒徑d90分布在100-150μm的顆粒，所述顆粒的粒徑可以是100μm、105μm、110μm、115μm、120μm、125μm、130μm、135μm、140μm、145μm或150μm，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

根據本發明，步驟(4)所述烘烤成型的溫度為140-180℃，例如可以是140℃、145℃、150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃或180℃，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

第二方面，本發明提供一種如第一方面所述的方法製備得到的金屬料體。

本發明得到的金屬料體，高分子材料完全包覆在金屬材料粉體外部，有效的隔絕了氧氣，阻止金屬材料粉體被氧化。可作為原料與後續金屬製品的製備工藝完美銜接。

第三方面，本發明提供一種如第二方面所述的金屬料體的應用，所述金屬料體應用於注塑燒結工藝。

示例性的，所述應用的具體操作可以為以下步驟，但非僅限於此：

(1)將所述金屬料體與高分子材料混煉造粒；

(2)將步驟(1)造粒形成的顆粒注射成形，得到生坯產品；

(3)將步驟(2)得到的生坯產品進行脫脂；

(4)將步驟(3)脫脂後的產品進行燒結，得到成品；

(5)任選地，對步驟(4)得到的成品進行後加工處理。

優選地，步驟(1)所述金屬料體與高分子材料的體積的比例為(40-70):(60-30)，例如可以是2:3、3:4、4:5、1:1、5:4、4:3、3:2、5:3、2:1或7:3，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

本發明在上述應用過程中所述高分子材料為注塑燒結工藝中常用的材料，例如可以是酚醛塑酯、環氧塑酯、氨基塑酯、不飽和聚酯或醇酸塑酯等，但非僅限於此，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉。

優選地，步驟(1)所述混煉的溫度為165-175℃，例如可以是165℃、166℃、167℃、168℃、169℃、170℃、171℃、172℃、173℃、174℃或175℃，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

優選地，步驟(1)所述混煉的時間為0.5-2h，例如可以是0.5h、0.7h、1h、1.2h、1.5h、1.7h或2h，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

優選地，步驟(1)所述造粒後形成的顆粒的粒徑為3-5mm，例如可以是3mm、3.3mm、3.5mm、3.8mm、4mm、4.3mm、4.5mm、4.8mm或5mm，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

優選地，步驟(2)所述注射的溫度為180-210℃，例如可以是180℃、185℃、190℃、195℃、200℃、205℃或210℃，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

優選地，步驟(2)所述注射的壓力為90-120mpa，例如可以是90mpa、95mpa、100mpa、105mpa、110mpa、115mpa或120mpa，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

優選地，步驟(3)所述脫脂的溫度100-140℃，例如可以是100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃或140℃，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

優選地，步驟(3)所述脫脂的方法可以為溶脫、酸脫或水脫中的任意一種。

優選地，步驟(4)所述燒結的溫度為550-620℃，例如可以是550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃、610℃或620℃，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

優選地，步驟(4)所述燒結的時間為1-4h，例如可以是1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h或4h，以及上述數值之間的具體點值，限於篇幅及出於簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述範圍包括的具體點值。

任選地，通過後加工處理對成品進行精密尺寸及外觀表面的再加工，以滿足對客戶對產品的要求。

與現有技術相比，本發明至少具有以下有益效果：

(1)本發明彌補了目前利用化學反應方式去除金屬氧化膜技術中存在的不足，利用物理的方法實現了對氧化膜的完全去除，且能夠有效避免金屬材料表面氧化層的再次產生。

(2)本發明得到了高分子材料完全包覆金屬材料粉體的金屬料體，可作為原料與後續金屬製品的製備工藝完美銜接，增加了金屬材料的應用面。

(3)本發明得到的金屬料體可應用於注塑燒結工藝中，通過將鋁及鋁合金引入注塑燒結工藝，能夠製作尺寸小、結構複雜的鋁及鋁合金零部件。

附圖說明

圖1是本發明一種具體實施方式提供的金屬粉體製備以及應用的工藝流程圖。

下面對本發明進一步詳細說明。但下述的實例僅僅是本發明的簡易例子，並不代表或限制本發明的權利保護範圍，本發明的保護範圍以權利要求書為準。

具體實施方式

下面結合附圖並通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。

本發明在具體實施方式部分提供了一種金屬粉體的製備方法以及其應用方法。如圖1所示，本發明一種具體實施方式提供的金屬粉體製備以及應用的工藝流程為：將金屬材料粉體與高分子材料和溶劑混合，在容器中利用機械力的作用去除粉體表面包覆的氧化層，得到混合物；除去混合物中的溶劑後，將得到的高分子材料包覆的金屬材料粉體進行造粒；造粒完成後，將得到的顆粒烘烤成型，得到高分子材料完全包覆的金屬料體；將所得金屬料體與高分子材料混煉造粒；將造粒形成的顆粒注射成形，得到生坯產品；將生坯產品進行脫脂；將脫脂後的產品進行燒結，得到成品；對得到的成品進行後加工處理。

為更好地說明本發明，便於理解本發明的技術方案，本發明的典型但非限制性的實施例如下：

實施例1

按照以下方法製備金屬料體：

(1)將6xxx系列鋁-鎂-矽基合金粉體與酚醛塑酯和乙醇溶劑混合後置於球磨桶中，球磨10h後得到混合物；

(2)去除步驟(1)得到的混合物的表面浮渣，對混合物進行加熱使溶劑蒸發，同時利用抽真空的方式對溶劑進行回收，得到經酚醛塑酯包覆的鋁合金材料粉體；

(3)利用造粒機對步驟(2)得到的酚醛塑酯包覆的鋁合金材料粉體進行造粒，得到粒徑d90分布在100-150μm的顆粒；

(4)將步驟(3)得到的顆粒在180℃下進行烘烤，顆粒表面固化，得到酚醛塑酯完全包覆的鋁合金料體。

將本實施製備的鋁合金料體應用於注射成形脫脂工藝，包括以下步驟：

(1)將所述鋁合金料體與聚甲醛按1:1的體積比混合，將其在密煉機中170℃下混煉1h；然後轉至造粒機中造成粒徑為3-5mm的顆粒；

(2)將步驟(1)得到的顆粒在200℃的溫度、100mpa的壓力下進行注射，得到所需形狀的生坯；

(3)將步驟(2)得到的生坯轉移至脫脂爐中，在120℃、介質為硝酸的條件下注酸脫脂4.5h；

(4)將脫脂後的產品在600℃下燒結2.5h，即得到6xxx系列鋁-鎂-矽基合金燒結成品件。

實施例2

按照以下方法製備金屬料體：

(1)將3xxx系列鋁-錳基合金粉體與2wt％的氧化陶瓷粉、酚醛塑酯和乙醇溶劑混合後置於球磨桶中，球磨8h後得到混合物；

(2)去除步驟(1)得到的混合物的表面浮渣，利用抽真空的方式對對混合物中的溶劑進行回收，得到經酚醛塑酯包覆的鋁合金材料粉體；

(3)利用造粒機對步驟(2)得到的酚醛塑酯包覆的鋁合金材料粉體進行造粒，得到粒徑d90分布在100-150μm的顆粒；

(4)將步驟(3)得到的顆粒在160℃下進行烘烤，顆粒表面固化，得到酚醛塑酯完全包覆的鋁合金料體。

將本實施製備的鋁合金料體應用於注射成形脫脂工藝，包括以下步驟：

(1)將所述鋁合金料體與聚甲醛按3:2的體積比混合，將其在密煉機中175℃下混煉0.8h；然後轉至造粒機中造成粒徑為3-5mm的顆粒；

(2)將步驟(1)得到的顆粒在210℃的溫度、120mpa的壓力下進行注射，得到所需形狀的生坯；

(3)將步驟(2)得到的生坯轉移至脫脂爐中，在140℃、介質為硝酸的條件下注酸脫脂4h；

(4)將脫脂後的產品在620℃下燒結1h，即得到3xxx系列鋁-錳基合金燒結成品件。

實施例3

按照以下方法製備金屬料體：

(1)將7xxx系列鋁-鎂-鋅基合金與聚乙烯和乙醇溶劑混合後置於球磨桶中，球磨6h後得到混合物；

(2)去除步驟(1)得到的混合物的表面浮渣，對混合物進行加熱使溶劑蒸發，同時對溶劑進行回收，得到經聚乙烯包覆的鋁合金材料粉體；

(3)利用造粒機對步驟(2)得到的聚乙烯包覆的鋁合金材料粉體進行造粒，得到粒徑d90分布在100-150μm的顆粒；

(4)將步驟(3)得到的顆粒在140℃下進行烘烤，顆粒表面固化，得到聚乙烯完全包覆的鋁合金料體。

將本實施製備的鋁合金料體應用於注射成形脫脂工藝，包括以下步驟：

(1)將所述鋁合金料體與聚甲醛按7:3的體積比混合，將其在密煉機中165℃下混煉2h；然後轉至造粒機中造成粒徑為3-5mm的顆粒；

(2)將步驟(1)得到的顆粒在180℃的溫度、90mpa的壓力下進行注射，得到所需形狀的生坯；

(3)將步驟(2)得到的生坯轉移至脫脂爐中，在100℃、介質為硝酸的條件下注酸脫脂5h；

(4)將脫脂後的產品在550℃下燒結4h，即得到7xxx系列鋁-鎂-鋅基合金燒結成品件；

(5)對步驟(4)得到的成品件進行精密尺寸及外觀表面的再加工。

以上詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明並不限於上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思範圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬於本發明的保護範圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特徵，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重複，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。