CN103350228B - 一种辐照凝胶注模成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金属零部件的辐照凝胶成型方法，属于粉末冶金生产工艺中金属零部件制备领域。其特征在于将溶剂甲苯与有机单体甲基丙烯酸β-羟乙酯（HEMA）按一定体积比配制成预混液；在预混液中加入粉末及分散剂油酸，配制成流动性优异的浆料；将浆料注入模具，在一定条件下进行辐照处理，直至固化成形。通过调节辐照剂量、剂量率，使有机单体交联度增大精确控制坯体固化成形时间，同时提高坯体强度。与化学交联相比，辐照交联能在常温下进行，便于控制，且应用范围广，适用于一些用化学法无法交联的材料。此外，辐照交联工艺成本低，节能节材，适合大批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种粉末成形技术，属于粉末冶金生产工艺中零部件制备领域，特别是提供了一种高可控性、应用范围广、高效率、低成本、低能耗的凝胶注模成形方法。
技术背景
凝胶注模成形是传统的浆料成形与高分子化学的结合，其原理是将有机单体与溶剂配制成一定浓度的预混液，一定条件下单体交联聚合形成三维网络状聚合物凝胶，使粉末粘结而固化成形。作为一种新颖的近净成形技术，其在大尺寸、复杂形状零部件制备技术领域有着很大的应用潜力。
传统的凝胶注模成形工艺是用化学方法实现交联，现检索出专利号为00124982.7提供了一种陶瓷部件的无氧阻聚凝胶注模成型方法，其是通过添加过硫酸铵或过硫酸钾引发剂实现固化，但是需严格控制引发剂的加入量以便控制固化时间，过快会导致浆料来不及充满模具，过慢则会造成粉末沉降，因此在成形过程中，引发剂须在注模时现加且严格控制添加量；由于固化时间较短，在制备大件制品时容易导致引发剂混合不充分而不均匀，部分区域无法完全聚合形成缺陷，最终影响产品性能；此外，目前的固化方法无法实现连续操作，很难产业化，因此，有必要开发新型固化方法。
发明内容
本发明的目的在于解决化学交联凝胶注模成形存在的固化时间难以控制及由于固化时间较短，在制备大件制品时容易导致引发剂混合不充分而不均匀，部分区域无法完全聚合形成缺陷，最终影响产品性能的问题以及目前的固化方法无法实现连续操作，很难产业化的问题；采用新型辐照交联替代化学交联来引发高分子链间形成网络状结构，从而实现凝胶注模成形的连续化工作，为其产业化提供技术基础。
该技术首先是将溶剂甲苯与有机单体甲基丙烯酸β-羟乙酯（HEMA）按一定体积比配制成预混液，再将粉末悬浮于预先配好的稳定的凝胶体系预混液中，加入分散剂油酸制成具有一定流动性、稳定的悬浮浆料。将浆料注入模具内，然后置于辐照室中，在一定温度和气氛条件下进行辐照处理，固化后经脱模、干燥得到成形坯体。
基于上述目的及原理，本发明的具体工艺如下：
1、将溶剂甲苯与有机单体甲基丙烯酸β-羟乙酯（HEMA）按体积比3:7～3:2配制成均一稳定的预混液；
2、将粒度为1～50μm的粉末与预混液按照体积比1:1～5：1配制成浆料，并加入预混液重量的0.02～0.4%的分散剂油酸，配制成流动性优异的浆料。
3、将浆料注入模具，在一定辐照温度和辐照气氛条件下进行辐照处理，单体经辐照交联而固化成形，剂量率为5～1000Gy/min，辐照剂量为3×102～1.8×104Gy；
4、脱模后将坯体在40℃～100℃条件下真空干燥2～4小时得到成形坯体。
所述的辐照温度为-50～100℃。所述的辐照气氛为氮气、空气、真空。
本发明的凝胶注模成形适用于金属、陶瓷及其混合粉末。
本发明是在凝胶注模成形的基础上提出一种可控性高，应用范围广，适于低成本地制备高强度材料的成形技术。高分子链间形成网络状结构可由射线引发，且便于控制（可精确控制交联度和固化时间），重现性好，均匀性优异；同时辐照交联适用的交联材料范围更广，生产速率更高，能耗更低。
本发明提出的辐照交联，与化学交联凝胶注模成形相比，其优点在于：
1）交联条件及性能优异：过氧化物交联通常在高温下进行，而辐照在常温常压下就可完成，且便于控制（可精确控制交联度），重现性好，均匀性优异；
2）应用范围大：辐照交联适用于一些用化学法无法交联的材料，如F-40、F-46、PVDF、PVC、橡胶、PP、HDPE等；
3）生产效率高：化学交联时，过氧化物分解需一定温度和时间，反应时间长，生产速率低。而辐照交联只需要很短的时间就能使大分子交联，生产速率很高；
4）适合大批量生产：辐照交联工艺成本低、创效大，在大批量生产时，其单位生产费用最少。
5）节能节材：辐射交联法可以在常温常压下进行，因而节约能源当生产品种、规格变化时，辐射法料头损失小，因而节约材料；此外，辐射法占地面积小，仅为化学交联法的一半。
具体实施方式
实施例1：辐照凝胶注模成形铁基零件。
1、将溶剂甲苯与有机单体甲基丙烯酸β-羟乙酯（HEMA）按体积比3:7配制成均一稳定的预混液；
2、将平均粒度50μm的铁粉与预混液按体积比1:5配制成浆料，加入预混液重量的0.02%的分散剂油酸，配制成浆料；
3、将浆料注入模具，在100℃和氮气气氛中用电子束射线在1000Gy/min的剂量率下进行辐照处理，1min后固化成形，辐照剂量1×103Gy；
4、脱模后将坯体在100℃条件下真空干燥4小时得到成形金属坯体，坯体强度26MPa。
实施例2：辐照凝胶注模成形钛结构件。
1、将溶剂甲苯与有机单体甲基丙烯酸β-羟乙酯（HEMA）按体积比3:2配制成均一稳定的预混液；
2、将平均粒度1μm的氢化钛粉与预混液按体积比5:1配制成浆料，加入预混液重量的0.4%的分散剂油酸，配制成浆料；
3、将浆料注入模具，在-50℃和真空中用60Co-γ射线在5Gy/min的剂量率下进行辐照处理，60min后固化成形，辐照剂量3×102Gy；
4、脱模后将坯体在40℃条件下真空干燥2小时得到成形金属坯体，坯体强度32MPa。
实施例3：辐照凝胶注模成形钨。
1、将溶剂甲苯与有机单体甲基丙烯酸β-羟乙酯（HEMA）按体积比1:1配制成均一稳定的预混液；
2、将平均粒度11μm的钨粉与预混液按体积比1:1配制成浆料，加入预混液重量的0.15%的分散剂油酸，配制成浆料；
3、将浆料注入模具，在20℃和空气气氛中用电子束射线在600Gy/min的剂量率下进行辐照处理，30min后固化成形，辐照剂量1.8×104Gy；
4、脱模后将坯体在50℃条件下真空干燥3小时得到成形金属坯体，坯体强度29MPa。
实施例4：辐照凝胶成形氧化铝陶瓷。
1、将溶剂甲苯与有机单体甲基丙烯酸β-羟乙酯（HEMA）按体积比3:4配制成均一稳定的预混液；
2、将平均粒度2μm的氧化铝粉与预混液按体积比1:1配制成浆料，加入预混液重量的0.2%的分散剂油酸，配制成浆料；
3、将浆料注入模具，在60℃和氮气气氛中用60Co-γ射线在50Gy/min的剂量率下进行辐照处理，56min后固化成形，辐照剂量2.8×103Gy；
4、脱模后将坯体在60℃条件下真空干燥3小时得到成形坯体，坯体强度33MPa。
实施例5：辐照凝胶注模成形YG8硬质合金。
1、将溶剂甲苯与有机单体甲基丙烯酸β-羟乙酯（HEMA）按体积比1:2配制成均一稳定的预混液；
2、将平均粒度3.4μm的YG8粉末与预混液按体积比4:1配制成浆料，加入预混液重量的0.1%的分散剂油酸，配制成浆料；
3、将浆料注入模具，在10℃和氮气气氛中用电子束射线在500Gy/min的剂量率下进行辐照处理，39min后固化成形，辐照剂量1.95×103Gy；
4、脱模后将坯体在70℃条件下真空干燥3小时得到成形坯体，坯体强度28MPa。
Claims (1)
1.一种辐照凝胶注模成形方法，其特征在于，制备步骤如下：
1)将溶剂甲苯与有机单体甲基丙烯酸β-羟乙酯(HEMA)按体积比3:7～3:2配制成预混液；所述的有机单体为甲基丙烯酸β-羟乙酯(HEMA)在预混液中的浓度为30％～60％vol；
2)将平均粒度为1～50μm的粉末与预混液按照体积比1:1～5:1配制成浆料，并加入预混液重量0.02～0.4％的分散剂油酸，配制成流动性优异的浆料；所述的粉末包括金属、陶瓷及其混合粉末；
3)将浆料注入模具，在一定辐照温度和辐照气氛条件下进行辐照处理，单体经辐照交联而固化成形，剂量率为5～1000Gy/min，辐照剂量为3×102～1.8×104Gy；辐照源为电子加速器产生的电子线或放射性同位素Co-60产生的γ射线，辐照温度为-50～100℃，辐照气氛为氮气、空气或真空；
4)脱模后将坯体在40℃～100℃条件下真空干燥2～4小时，得到成形坯体。
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