CN1101596A - 熔结法制造钛部件的方法和用此种方法制造的装饰品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及熔结制造钛部件方法，其特征包括： (a)将氢化钛粉末与粘合剂混合；(b)将混合物注入 模型中以得到具有所要求形状的部件；(c)除去粘合 剂；(d)在氢气氛围中加热部件直到所希望的熔结温 度；(e)一旦达到熔结温度，便用真空或者非反应性气 体氛围代替氢气；(f)在非反应性气体氛围中冷却部 件。

Description

本发明是有关利用粉末工艺制造钛部件的方法。值得注意的是，用这种方法可以将氢化钛（TiH2）粉末熔结钛部件，其孔积率小于约2%。本发明还涉及用这种方法制造装饰品。
本发明方法特别适用于制造钛制品半成品，进而它制造装饰品如表壳，手镯链，表盘或者类似物品，它们的表面经磨光后呈现光泽。
近年来，粉末冶金工艺特别是金属粉末注入技术有可能制造出形状复杂的钛部件，而在这以前只能用费时费力的钛块机械加工得到。
考虑到钛粉末的自燃特性及其生成物加工处理时的精细条件，采用了单纯和空气接触时不会引起自燃危险的TiH2粉末，开发出熔结制造钛部件的方法。
对这种方法的描述，可见金属粉末工业联合会（MPIF，美国新泽西州085    40，普林斯顿，东部，学院路105号）于1989年出版的，由Kei    Ameyama等人所著题为“钛粉末的注入成型”一书中第121-126页。
按照这种方法，TiH2粉末先和一种粘合剂混合，粘合剂通常是一种聚合物的混合体、增塑剂和蜡。随后将这样得到的混合物注入模型中，以便得到所要求形状的部件。这种成形部件先在空气中加热以除去其中的粘合剂，再放入充有氩气或氮气的，或者抽真空的炉子中，逐渐加热到1100℃左右，使之熔结。
用这种方法得到的部件，其孔积率分析表明，在真空中或氩气氛围中熔结制成的部件的孔积率最低在3%左右。这是因为在加热瞬间从氢化钛中猛烈释放出氢，造成大量的气泡或微孔。
尽管这种孔积率是低的，但这种部位在磨光后仍会在表面出现微孔，它们使入射光产生温散射，妨碍了入射线在部件上的完全反射，其结果是成为没有光泽的或者呈现乳白色的外观表面，使之不能作为艺术消费品。
用这种方法制成的钛部件，磨光后不能得到足够光滑而亮泽的表面，因而不可用作装饰部件，只能限于技术方面的应用，这时有无漂亮外观并不重要。
本项发明的目的是克服上述原有方法的缺点，提供一种钛部件熔结制造方法，使熔结制成的钛部件孔积率非常低，经磨光后呈现漂亮的外观，以满足制造装饰用钛的要求。
提供一种熔结制造钛部件的方法是本项发明的目的，该方法的特征包括：
（a）将氢化钛粉末与一种中间粘合剂混合；
（b）将得到的混合物注入模型，以制成具有所要形状的部件；
（c）除去粘合剂；
（d）在氢气氛围中加热部件直到所希望的熔结温度；
（e）一旦达到了熔结温度，便用真空或者非反应性气体氛围代替氢气；
（f）在非反应性气体氛围中冷却都件；
这样制得的熔结钛部件孔积率小于2%。
作这本发明的又一特征，它涉及仍以氢化钛粉末为原料，并具有经过上述步骤，制得磨光表面的装饰性熔结钛制品。
因此，这类制品经磨光后，要比熔结后的钛部件或者按照现有方法加工得到的部件更有光泽，因而特别适用于制造装饰品如表壳，手镯链或者类似物品。
现将本项发明详细描述如下：
将平均粒度约几个微米，典型者为10微米的高纯度（99.5%）氢化钛粉末（TiH2），以传统的方式和颗粒状中间粘合剂混合成均匀混合物。
粘合剂最好是一种具有热塑性的聚合物或者共聚物，也可以是蜡。制造混合物的温度在120℃-180℃之间，取决于所用粘合剂的性质。采用热塑性共聚物时，典型温度约170℃。
随后将得到的糊状混合物以传统方式注入模型中，模型具有所要部件形状如表壳，其尺寸应考虑到部件在工艺后阶段的收缩量，该收缩量的典型值约15%，注入优选在140℃左右进行。
成形部件中所含的粘合剂随后被除去。有效除去的方式取决于粘合剂种类。通常用加热能有效除去粘合剂。为此将成形部件放入炉中，并逐渐升温到200℃-300℃之间。加热期间粘合剂逐渐因蒸发除去，这样不影响部件形状，加热进行6-9小时，以8小时为优。同样重要的是只有完全除净粘合剂，才能防止部件不为粘合剂中的碳和/或氧所污染，否则会导致部件在加工过程中的机械性能和耐腐蚀性变差。
除去粘合剂最好在真空中或者在氢气氛围中进行，一方面可避免除去过程中粘合剂的氧化，另一方面也是为了加速粘合剂除去过程且不影响部件形状。
根据方法中的一种具体方案，特别是当粘合剂是一种热塑性聚合物时，可以采用合适的酸蒸气分解以化学方式除去粘合剂。
在部件中粘合剂除净之后，根据本项发明中特别重要的特征，要求加热炉中改充氢气（如果粘合剂不是在氢气氛围中除去的话），而且最好是以连续的流动循环方式形成炉中的氢气氛围。部件温度应均匀地，逐渐地升高，直到所希望的熔结温度，它在1000℃-1400℃之间，实际上最好为1200℃，以免太靠近可能会使部件变形的温度。
这种加热大约持续5-7小时。加热期间。氢化钛逐渐释放出其中的氢。根据本发明方法，这时的要点是别使加热太快，以免氢气释放太快，可能在部件内部生成微孔，也即防止部件在表面磨光后改变光泽。加热速率以每小时150℃-250℃为宜。
由于在氢气氛围中加热部件，氢化钛中氢的释放是渐进的，这在很大程度上减少了在部件中生成气泡或微孔的可能性。而且，鉴于高温下钛的高反应性，这样可以排除钛与氢以外其他成份发生反应，从而可能影响部件纯度的危险，这是本发明的有利之点。
一旦达到熔结温度，部件中氢大部分已经释放，炉中的氢气氛围再次用氩、氦之类非反应性气体或者真空代替。以氩为最优选。用非反应性气体代替氢气的同时，应将部件保持在熔结温度。这阶段历时约5-80分钟，以20分钟左右为优选。
随后让部件在非反应性气体氛围中以每小时约300℃的速率冷却到环境温度。冷却期间，部件缓慢地释放出在除氢阶段未能除去的残余氢。
用上述方法得到的熔结钛部件，其孔积率明显地降低，在2%以下。
因此使这种部件的表面受到镜面磨光，以便得到表壳、手镯链、表盘之类装饰品，其表面极为光泽明亮。
下面的例子是依据本发明的目的，由熔结法制造钛部件的方法的具体方案。
实例
将一种包括32%（体积）的聚氧化乙烯（246克）和4%（体积）的聚丙烯（26克）共聚物的粘合剂放在容器内，加热到约170℃成为均匀物质。随后向其中加入纯度为99.5%占64%（体积）的TiH2（1920克）使之和粘合剂混合成均匀糊状物。
混合物随后经冷却并制成细粒状。然后将这细粒加到注模机中，再注入具有一定形状例如表壳的模型中，其时温度控制在140℃左右。
将成形部件放入炉子中，使之抽真空达到10-2毫巴，再均匀加热到300℃左右，历时8小时。
以150ml/分的速率用流动方式向炉子中通入氢气以代替真空，并使部件均匀地从300℃升温到1200℃，历时4小时，使部件熔结，一旦到了1200℃，就以150ml/分的流速通入氮气以取代氢气，并维持在1200℃约20分钟。
部件仍在氮气氛围中均匀地冷却到环境温度，冷却速率为每小时300℃，于是得到熔结钛部件，其孔积率是1.5%。
熔结部件最终经过电解抛光，制成有雪亮光泽外观的表壳。
上述例子可以有所改变，用一种聚缩醛作为粘合剂，随后可在120℃用硝酸蒸气分解除去该粘合剂。经此改变后得到和上述例子同样的结果。

Claims (12)

1、一种熔结法制造钛部件的方法，其特征包括：
(a)将氢化钛粉末与一种中间粘合剂混合，
(b)将混合物注入模型中以得到具有所要求形状的部件；
(c)除去粘合剂；
(d)在氢气氛围中加热部件直到所希望的熔结温度；
(e)一旦达到熔结温度便用真空或者非反应性气体氛围代替氢气；
(f)在非反应性气体氛围中冷却部件。
2、按权利要求1的方法，其中步骤（d）加热部件的温度在1000℃-1400℃之间。
3、按权利要求2的方法，其中步骤（d）进行4-8小时。
4、按上述权利要求中任一项的方法，其中步骤（d）进行期间，氢气以连续流动方式供给。
5、按上述权利要求中任一项的方法，其中步骤（e）进行期间，部件保持在所谓熔结温度5-60分钟。
6、按上述权利要求中任一项的方法，其中步骤（e)和(f)进行期间，非反应性气体氛围用氩气或氦气。
7、按上述权利要求中任一项的方法，其中（c）是用化学法或加热法实现。
8、按权利要求7的方法，其中步骤（c）是在真空中和低于300℃实现。
9、按权利要求8的方法，其中步骤（c）进行6-9小时。
10、按权利要求7的方法，其中粘合剂是一种热塑性聚合物，步骤（c）还包括用酸蒸气化学分解该聚合物。
11、按上述权利要求1-10中任一项的方法，其中包括补充步骤（g），使该部件受到镜面磨光。
12、按权利要求11定义的方法，用氢化钛粉末熔融结制成的且具有磨光表面的钛装饰品。
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