CN102039412A - 一种金属零部件的凝胶离心成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属零部件的凝胶离心成型方法，属于粉末冶金生产工艺中金属零部件制备领域。其特征在于将金属粉末悬浮于一定浓度的甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）与甲苯预混液中获得高浓悬浮浆料，将浆料倒入离心成型模腔内，进行离心成型。通过调节浆料中引发剂和催化剂的加入量以及离心转速，控制固化速度，从而使得浆料在离心过程中的固化反应完成，并通过加入少量的高分子增塑剂，控制浆料的粘稠度，从而解决了坯体的离心成分偏析和密度不均匀问题。该技术能弥补凝胶注模成型制品气孔率高、强度低的缺点。该技术工艺简单，能耗小，成本低，能制备出高密度，高强度的金属制品，尤其在硬质合金制品的制备中有显著的优势。

Description

一种金属零部件的凝胶离心成型方法

技术领域

本发明涉及一种金属粉末成型技术，属于粉末冶金生产工艺中金属零部件制备领域，特别是提供了一种超低成本制备高熔点、全致密、超硬材料的成型制备。

背景技术

凝胶注模成型工艺基于传统的陶瓷制作工艺和有机化学知识的结合，该工艺成型的生坯强度很高（30MPa），能直接进行机加工，明显优于其他复杂形状陶瓷部件的成型工艺，这对烧结后很难加工的陶瓷材料来说非常有益。该成型方法

所用的添加剂可全部使用有机物，烧结后不会残留杂质，是一种较为新颖的近净尺寸原位凝固成型技术，可制作高质量的、形状复杂的部件。

但是凝胶注模成型方法制备的金属材料存在着空隙率高，强度低的缺点，所以凝胶注模的优点在于制备陶瓷材料，多孔材料，但是对于制备金属材料存在着很多不足，不能达到金属零部件所需要的密度和强度。

本发明是在凝胶注模的基础上通过改进提出一种制备低空隙，高强度金属材料的成型技术，一方面凝胶离心成型技术采用的金属粉末为单一金属粉、复合粉、或者高能球磨预合金化的混合粉，并且制备的浆料有一定的粘稠度，所以不存在离心成分偏析的情况；同时高速离心的情况下可将多于的粘结剂和残余的气体甩出，从而解决了凝胶注模制备浆料时固含量难以提高和坯体空隙率高的难题。

发明内容

本发明目的在于提供一种低成本金属粉末成型技术，利用凝胶离心成型技术制备出高致密度、高强度的金属材料，尤其是制备出优质的硬质合金材料。

该技术首先是是将金属粉末与预先配好的稳定的凝胶体系预混液混合，制成具有一定流动性、稳定的悬浮浆料，再加入一定量的聚乙二醇或丙三醇等高分子增塑剂，控制浆料的粘稠度。

将调制好的浆料注入离心模腔中进行离心。在高速离心的情况下浆料中的多于的粘结剂和残余的气体甩出，并通过调节催化剂和引发剂的加入量以及离心转速，严格控制固化时间，从而离心过程中使浆料的固化反应完成。浆料中添加的高分子增塑剂使浆料具有一定的粘稠度，防止离心成分偏析和密度不均匀。

在铝制转筒内插入的塑料管作为离心模腔，离心结束后将模具放入烘箱中进行加热，使塑料管软化，坯体可从离心管中易于脱落。

最后进行真空干燥制备出强度足够，并且具有很好机加工性的成型品。

具体技术工艺如下：

1、将甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）溶于甲苯，制成5~50 vol.%的均一稳定的预混液。

2、将预成型的金属粉末原料（粒度1~50μm ）与预混液按照体积比0.1~10配置成浆料，并加入0.05~0.5wt.%的油酸或Solsperse-6000超分散剂，充分搅拌，亦可将悬浮浆料球磨2 ~ 10 小时。再加入金属粉末质量的0.01~1wt.%的催化剂过氧化苯甲酰和0.01~0.4wt.%的增塑剂，球磨1~5小时，制备出粘度适中、稳定、并具有一定的流动性的浆料。

3、 将0.1~10mmol/L（相对于预混液的体积）的引发剂二甲基苯胺加入悬浮浆料中，迅速搅拌均匀，将调制好的浆料注入离心管内，以3000~14000rpm的速度进行离心，并保持10~30分钟使坯体成型。

4、 离心结束后离心管在60℃~100℃的温度下干燥1~5小时，将坯体从离心管中取出，60℃~100℃真空干燥5~15小时得到金属坯体。

所述的金属粉末为单一金属粉末或金属陶瓷复合粉末或经高能球磨混合粉。

所述的增塑剂为聚乙二醇-400或丙三醇。

本发明提出了凝胶离心成型技术，与凝胶注模成型技术和压力成型相比，其优点在于：

1、与压力成形相比，首先减少了对设备的依赖，降低了成本和能耗，同时由于金属悬浮凝胶浆料有一定的流动性和粘稠度，避免了压力成型中坯体的密度分布不均匀烧结后的变形问题； 

2、与凝胶注模相比，通过凝胶离心成型技术多于粘结剂和残余气体得到了排除从而提高了固含量和坯体密度；

3、该技术突破传统成形技术，可以制备大尺寸的复合材料制品，尤其在硬质合金生产上具有很大的优势。

具体实施方式

实施实例1：凝胶离心成型316L不锈钢管材（外径20mm，内径14mm，高度100mm）

1、将9ml甲基丙烯酸羟乙酯和9ml甲苯的有机溶液配制成均匀溶液 

2、称取180g平均粒度10.1μm的316L不锈钢粉加入到配制好的预混液中，并加入0.075wt%的油酸，球磨6小时后加入0.08g过氧化苯甲酰和0.05wt%聚乙二醇-400，再球磨1小时，获得高浓悬浮浆料；

3、往制备好的浆料中加入6滴二甲基苯胺，迅速搅拌均匀，然后倒入离心管内，以12000rpm的速度进行离心，并保持10分钟使坯体成型；

4、 离心结束后离心管在100℃下干燥2小时，将坯体从离心管中取出，100℃真空干燥5小时，最终得到的成型品表面光滑，无变形，相对密度为68%。。

实施实例2：凝胶离心成型YG10硬质合金厚壁管材（外径15mm，内孔3mm，100mm）

1、将10ml甲基丙烯酸羟乙酯和10ml甲苯的有机溶液配制成均匀溶液； 

2、称取290g的平均粒度3.4μm的YG10硬质合金粉加入到配制好的预混液中，并加入0.2wt%的超分散剂Solsperse-6000，球磨12小时后加入0.09g过氧化苯甲酰和0.24wt%丙三醇，再球磨1小时，获得高浓悬浮浆料； 

3、往制备好的浆料中加入7滴二甲基苯胺，迅速搅拌均匀，然后倒入离心管内，以12000rpm的速度进行离心15分钟；

4、 离心结束后离心管在60℃下干燥2小时，将坯体从离心管中取出，60℃真空干燥10小时，最终得到的成型品表面光滑，无变形，相对密度为58%。

实施实例3：凝胶离心成型不锈钢基TiC钢结硬质合金（外径50mm，内孔5mm，高度80mm）

1.、首先将平均粒度10.1μm的316L不锈钢粉和平均粒度2μm TiC粉经过高能球磨20小时预合金化，制备出40wt%TiC不锈钢基钢结硬质合金粉；

2、将100ml甲基丙烯酸羟乙酯和100ml甲苯的有机溶液配制成均匀溶液；

3、称取1250g制备好的粉末，加入到配制好的预混液中，并加入0.09wt%的油酸，球磨6小时后加入0.88g过氧化苯甲酰和0.24wt%丙三醇，再球磨1小时，获得高浓悬浮浆料；

4、往制备好的浆料中加入3.5ml的二甲基苯胺，迅速搅拌均匀，然后倒入离心管内，以6000rpm的速度进行离心20分钟；

5、 离心结束后离心管在75℃下干燥2小时，将坯体从离心管中取出，75℃真空干燥15小时，最终得到的成型品表面光滑，无变形，相对密度为61%。

Claims (4)

1.一种金属零部件的凝胶离心成型方法，其特征在于：

步骤一、将甲基丙烯酸羟乙酯溶于甲苯，制成含有5~50%体积份数的甲基丙烯酸羟乙酯均一稳定的预混液；

步骤二、将预成型的粒度为1~50μm的金属粉末原料与预混液按照体积比0.1~10配置成浆料，并加入预混液重量的0.05~0.5%的分散剂，充分搅拌，将悬浮浆料球磨2 ~ 20小时；再加入金属粉末原料重量的0.01~1%的催化剂过氧化苯甲酰和0.01~0.4%的增塑剂，球磨1~5小时，制备出球磨后的悬浮浆料；  

步骤三、将相对于预混液体积的0.1~10mmol/L的引发剂二甲基苯胺加入球磨后的悬浮浆料中，迅速搅拌均匀，注入离心管内，以3000~14000rpm的速度进行离心，并保持10~30分钟使坯体成型；

步骤四、离心结束后离心管在60℃~100℃的温度下真空干燥1~5小时，将坯体从离心管中取出，60℃~100℃真空干燥5~15小时得到金属坯体。

2.如权利要求1所述的凝胶离心成型方法，其特征在于：所述的分散剂为油酸或Solsperse-6000超分散剂。

3.如权利要求1所述的凝胶离心成型方法，其特征在于：所述的金属粉末为单一金属粉末或金属陶瓷复合粉末或经高能球磨混合粉。

4.如权利要求1所述的凝胶离心成型方法，其特征在于：所述的增塑剂为聚乙二醇-400或丙三醇。