CN103447534A - 一种基于有机物理凝胶的凝胶注模成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于有机物理凝胶的凝胶注模成形方法，属于粉末冶金工艺中零部件成形技术领域。其特征是将具有温度感应凝胶特性的凝胶因子按一定质量比溶于加热的有机溶剂中制成溶液，再加入粉末与分散剂配制成流动性优异的稳定悬浮浆料，将浆料注入模具内，自然冷却后即固化成形，经脱模、干燥得到成形坯体。与化学交联凝胶注模成形相比，物理凝胶通过非共价键弱作用力形成网络，在排胶过程中容易以小分子的形式直接排出，从而降低了氧、碳杂质含量，解决了化学交联凝胶注模杂质残留量高的问题，特别适合于钛、镁、钕铁硼高活性材料的制备。此外，本发明工艺简单，生产效率高，适合大批量生产。

Description

一种基于有机物理凝胶的凝胶注模成形方法

技术领域

本发明涉及一种粉末近净成形技术，属于粉末冶金零部件成形技术领域，特别是提供了一种低氧、低碳残留的凝胶注模成形方法。

技术背景

凝胶注模成形是由美国橡树岭国家实验室发明的湿法成形技术，该技术建立在传统成形技术和高分子化学理论的基础之上，其核心是使用有机单体溶液，该溶液能聚合成高强度、横向连接的聚合物凝胶，使浆料原位固化形成坯体，经干燥、烧结得到致密产品。与传统湿法成形工艺相比，具有易成形复杂形状大尺寸零件、坯体组分均匀、强度高、缺陷少等优点，受到国内外学术界和工业界的广泛关注。

凝胶注模技术开发之初，主要用于陶瓷零部件的成形，随着技术不断成熟，科研人员将其应用于金属领域，在铁基、铜基、不锈钢等材料体系中得到应用。然而，利用凝胶注模成形技术制备钛合金时，由于钛很活泼，容易与有机单体中的氧反应，增加了钛基体中的氧杂质含量，此外，聚合物单体在排胶过程中难以脱除完全，以碳杂质的形式残留在钛中。现检索出专利号201110178697.8提供了一种运动磁场中梯度材料的凝胶注模制备方法，采用丙烯酰胺作为单体，利用丙烯酰胺单体成形钛合金时，氧、碳残留分别为0.5wt.%和0.7wt.%，过量的氧、碳杂质严重影响钛合金的塑性。因此，对于钛等高活性金属的凝胶注模成形，必须开发相应的低氧、低碳残留凝胶体系。

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氧、碳杂质残留高的问题。化学凝胶由共价键形成高分子网络，稳定性高、机械性能优异，因此在排胶过程中只能以裂解的方式进行，残留较高。物理凝胶是以氢键、配位键、范德华力等非共价键弱作用力形成网络，在高温作用下容易以小分子的形式直接排出，从而降低氧、碳杂质含量。

该技术首先是将凝胶因子按一定质量比溶于加热的有机溶剂中制成溶液，再加入粉末与分散剂油酸配制成流动性优异的稳定悬浮浆料，将浆料注入模具内，自然冷却后即固化成形，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、在有机溶剂中按质量比0.1wt.%～3wt.%加入凝胶因子，加热使凝胶因子溶解，配制成均一稳定的预混液；

2、将平均粒度为0.1～75μm的粉末与预混液按照体积比1：2～3：1配制成浆料，加入预混液重量比0.02～0.4wt.%的分散剂油酸调节浆料的流动性，配制成低粘度的浆料；

3、将上述稳定悬浮浆料进行真空除泡处理，而后注入模具，冷却至室温即固化成形；

4、脱模后将坯体在40℃～80℃条件下真空干燥3～10小时即得凝胶注模成形坯体。

所述有机溶剂为丙三醇、乙二醇、1,2丙二醇、丁醇、正辛醇、邻二甲苯中的一种；

所述凝胶因子为1,3:2,4-二苄叉-D-山梨醇、1,3:2,4-二(4-甲基苄叉)-D-山梨醇、1,3:2,4-二(3,4-二甲基苄叉)-D-山梨醇中的一种或其混合物。

所述粉末为金属粉末、陶瓷粉末或其混合粉末。

本发明将有机物理凝胶与凝胶注模成形相结合，利用小分子凝胶因子在排胶过程中容易脱除这一特性，解决化学交联高分子凝胶氧、碳杂质残留高的问题，与传统凝胶注模成形相比，其优点在于：

1)氧、碳杂质残留量低：化学交联聚合物分子量高，排胶过程多以裂解方式进行，残留量高，而本发明所用的有机物理凝胶中的凝胶因子是小分子物质，易于以分子形式挥发，残氧及残碳量低；

2)材料适应性广：化学交联凝胶注模无法制备出高性能的钛、镁、钕铁硼等高活性材料，氧、碳杂质残留严重影响材料性能，而有机物理凝胶注模残留少，除能满足常见材料的成形外，特别适合于上述对杂质敏感的材料体系；

3)工艺简便，生产效率高：利用化学交联凝胶注模成形制备零部件时，需通过严格控制引发剂的添加量进而确定固化时间，而且添加量会随环境条件(如温度、气氛)的改变而变化，因此工艺复杂；本发明利用凝胶因子的温度感应凝胶特性，浆料冷却即能实现凝胶化，工艺简单容易控制。

具体实施方式

实施例1：1,3:2,4-二苄叉-D-山梨醇+丁醇体系凝胶注模成形氧化铝

1、在有机溶剂丁醇中按质量比0.1wt.%加入凝胶因子1,3:2,4-二苄叉-D-山梨醇，加热使其溶解，配制成均一稳定的预混液；

2、将平均粒度为0.1μm的超细氧化铝粉与预混液按照体积比1：2配制成浆料，加入预混液重量比0.4wt.%的分散剂油酸调节浆料的流动性，配制成低粘度的浆料；

3、将上述稳定悬浮浆料进行真空除泡处理，而后注入模具，冷却至室温即固化成形；

4、脱模后将坯体在40℃条件下真空干燥10小时即得凝胶注模成形氧化铝坯体。

实施例2：1,3:2,4-二(3,4-二甲基苄叉)-D-山梨醇+正辛醇体系凝胶注模成形不锈钢零件

1、在有机溶剂正辛醇中按质量比1.9wt.%加入凝胶因子1,3:2,4-二(3,4-二甲基苄叉)-D-山梨醇，加热使其溶解，配制成均一稳定的预混液；

2、将平均粒度为20μm的不锈钢粉末与预混液按照体积比1：1配制成浆料，加入预混液重量比0.2wt.%的分散剂油酸调节浆料的流动性，配制成低粘度的浆料；

3、将上述稳定悬浮浆料进行真空除泡处理，而后注入模具，冷却至室温即固化成形；

4、脱模后将坯体在70℃条件下真空干燥6小时即得凝胶注模成形不锈钢坯体。

实施例3：1,3:2,4-二(4-甲基苄叉)-D-山梨醇+丙三醇体系凝胶注模成形钛

1、在有机溶剂丙三醇中按质量比0.8wt.%加入凝胶因子1,3:2,4-二(4-甲基苄叉)-D-山梨醇，加热使其溶解，配制成均一稳定的预混液；

2、将平均粒度为35μm的钛粉与预混液按照体积比2：1配制成浆料，加入预混液重量比0.1wt.%的分散剂油酸调节浆料的流动性，配制成低粘度的浆料；

3、将上述稳定悬浮浆料进行真空除泡处理，而后注入模具，冷却至室温即固化成形；

4、脱模后将坯体在60℃条件下真空干燥8小时即得凝胶注模成形钛坯体。

实施例4：1,3:2,4-二(3,4-二甲基苄叉)-D-山梨醇+邻二甲苯体系凝胶注模成形铁基零件

1、在有机溶剂邻二甲苯中按质量比3wt.%加入凝胶因子1,3:2,4-二(3,4-二甲基苄叉)-D-山梨醇，加热使其溶解，配制成均一稳定的预混液；

2、将平均粒度为75μm的铁粉与预混液按照体积比3：1配制成浆料，加入预混液重量比0.02wt.%的分散剂油酸调节浆料的流动性，配制成低粘度的浆料；

3、将上述稳定悬浮浆料进行真空除泡处理，而后注入模具，冷却至室温即固化成形；

4、脱模后将坯体在80℃条件下真空干燥3小时即得凝胶注模成形铁坯体。

Claims (5)

1.一种基于有机物理凝胶的凝胶注模成形方法，其特征在于，制备步骤如下：

1)在有机溶剂中按质量比0.1wt.%～3wt.%加入凝胶因子，加热使凝胶因子溶解，配制成均一稳定的预混液；

2)将平均粒度为0.1～75μm的粉末与预混液按照体积比1∶2～3∶1配制成浆料，加入预混液重量比0.02～0.4wt.%的分散剂油酸调节浆料的流动性，配制成低粘度的浆料；

3)将上述稳定悬浮浆料进行真空除泡处理，而后注入模具，冷却至室温即固化成形；

4)脱模后将坯体在40℃～80℃条件下真空干燥3～10小时即得凝胶注模成形坯体。

2.如权利要求1所述的基于有机物理凝胶的凝胶注模成形方法，其特征在于：所述的有机溶剂为丙三醇、乙二醇、1,2丙二醇、丁醇、正辛醇、邻二甲苯中的一种。

3.如权利要求1所述的基于有机物理凝胶的凝胶注模成形方法，其特征在于：所述凝胶因子为1,3:2,4-二苄叉-D-山梨醇、1,3:2,4-二(4-甲基苄叉)-D-山梨醇、1,3:2,4-二(3,4-二甲基苄叉)-D-山梨醇中的一种或其混合物。

4.如权利要求1所述的基于有机物理凝胶的凝胶注模成形方法，其特征在于：所述的粉末为金属粉末、陶瓷粉末或其混合粉末。

5.如权利要求4所述的基于有机物理凝胶的凝胶注模成形方法，其特征在于：凝胶注模成形适用于对杂质敏感的高活性材料钛、镁、钕铁硼。