CN112846169B

CN112846169B - 一种多孔金属粉末注射成形喂料及其制备方法、多孔金属异形零部件

Info

Publication number: CN112846169B
Application number: CN202011639081.1A
Authority: CN
Inventors: 胡可; 韩胜利; 施麒
Original assignee: Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Current assignee: Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2040-12-31
Also published as: CN112846169A

Abstract

本发明公开了一种多孔金属粉末注射成形喂料及其制备方法、多孔金属异形零部件，涉及粉末冶金技术领域。该多孔金属粉末注射成形喂料是通过将金属粉末与造孔剂碳酸钾颗粒混合得到混合粉末；混合粉末与高分子粘结剂密炼、破碎造粒得到喂料。该喂料可在酸性环境下同时催化分解并脱除聚甲醛和碳酸钾，脱脂后的灰坯保型性好，金属材料中易产生孔洞结构。该多孔金属异形零部件通过上述的多孔金属喂料经过注射、催化脱脂及高温烧结后制得，该多孔金属异形零部件产品孔隙分布均匀、性能高，可批量生产，后续少或无需机加工，成本低。

Description

一种多孔金属粉末注射成形喂料及其制备方法、多孔金属异形零部件

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，具体涉及一种多孔金属粉末注射成形喂料及其制备方法、多孔金属异形零部件。

背景技术

金属多孔材料具有密度小、比表面积大、阻尼性能好、比力学性能高等优点，是一种性能优异的结构功能一体化材料，被广泛地用于环保、电化学、医学等领域，具有消音降噪、减振吸能、过滤分离、热交换等功能。多孔钛近年来得到飞速发展，被应用于骨植入材料、电极材料、催化剂的载体、吸声材料等。欧美、日本等发达国家在金属多孔材料的研究方面一直处于世界领先地位。我国虽已有大规模生产金属多孔材料的能力，但高端金属多孔材料制备技术大部分被欧美和日本的一些企业所掌握。

目前，金属多孔材料的制备方法主要有铸造法、烧结法、沉积法反应合成法以及去合金化法等。采用烧结法制备金属多孔材料通常需添加造孔剂。常用的造孔剂主要包括尿素、碳酸氢铵、氯化钠和甲基纤维素及可溶性盐等。然而，金属多孔材料机加工难度较大，大大限制了其应用范围。可实现机加工的多孔金属零件结构都很简单，并且受加工方式所限，大都无法满足发挥材料最优性能的设计方案。在此背景下，具有原料利用率高、批量生产成本低等优点的金属粉末注射成形(MIM)技术有望成为制造具有三维复杂结构的多孔金属零部件的最理想的方法。但是，采用造孔剂结合金属粉末注射成形技术生产多孔金属异形零部件仍然存在较大的提升空间。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种多孔金属粉末注射成形喂料的制备方法，该方法制备的多孔金属粉末注射成形喂料组分相容性好、杂质污染少，可在酸性环境下同时催化分解并脱除聚甲醛和碳酸钾，灰坯保型性好，可用于制备优异性能的多孔金属异形零部件，并大幅度提高生产效率。

本发明的目的之二在于提供一种根据上述方法制备得到的多孔金属粉末注射成形喂料，该喂料组分相容性好、杂质污染少，可在酸性环境下同时催化分解并脱除聚甲醛和碳酸钾，灰坯保型性好，可用于制备优异性能的多孔金属异形零部件，并大幅度提高生产效率。

本发明的目的之三在于提供一种多孔金属异形零部件的制备方法，该方法适合批量制备具有三维复杂结构的多孔金属零部件，后续少或无需机加工，生产效率高，成本低。

本发明的目的之四在于提供一种根据上述方法制备得到的多孔金属异形零部件，该多孔金属异形零部件孔隙分布均匀、性能高。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种多孔金属粉末注射成形喂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将金属粉末与造孔剂混合得到混合粉末，且所述造孔剂为碳酸钾颗粒；

(2)将所述混合粉末与高分子粘结剂进行密炼、破碎造粒得到喂料，所述高分子粘结剂含有聚甲醛。

本发明通过将金属粉末、特定的碳酸钾颗粒造孔剂以及高分子粘结剂混合后进行密炼和破碎造粒，一方面可使得金属材料中易产生分布均匀的孔洞结构，从而容易获得高质量的多孔结构，另一方面可在保证制备过程清洁的前提下，有效地提高喂料各组分的相容性，减少环境污染，为制备得到高性能，孔隙分布均匀的多孔金属异形零部件产品提供有力的保障。

本发明制备得到的多孔金属粉末注射成形喂料包括金属粉末、碳酸钾颗粒和高分子粘结剂，组分相容性好、杂质污染少，可在酸性环境下同时催化分解并脱除聚甲醛和碳酸钾，灰坯保型性好，可用于制备优异性能的多孔金属异形零部件，并大幅度提高生产效率。

优选地，所述金属粉末与所述碳酸钾颗粒的体积比为3:7～7:3。

优选地，所述混合粉末与所述高分子粘结剂的质量比为5:5～8:2。

本发明对于金属粉末的成分没有特别限定，金属粉末的具体成分可根据实际需要进行选择。优选地，所述金属粉末的粒径≤40.0μm。

优选地，所述碳酸钾颗粒的粒径为0.5～2.0mm。

优选地，所述高分子粘结剂包括聚甲醛、高密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、固体石蜡以及硬脂酸。

优选地，所述高分子粘结剂包括以下质量百分含量的组分：聚甲醛70～92％、高密度聚乙烯3～18％、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物2～10％、固体石蜡2～6％以及硬脂酸1～5％。

优选地，步骤(2)中，将混合粉末与高分子粘结剂在密炼机进行密炼，转子转速为30～40rpm，密炼温度为190～200℃，密炼60～90min后停止加热，冷却、破碎、造粒后，得到所述喂料。

本发明还提供了根据上述方法制备得到的多孔金属粉末注射成形喂料。该喂料组分相容性好、杂质污染少，可在酸性环境下同时催化分解并脱除聚甲醛和碳酸钾，灰坯保型性好，可用于制备优异性能的多孔金属异形零部件，并大幅度提高生产效率。

本发明还提供了一种多孔金属异形零部件的制备方法，将上述多孔金属粉末注射成形喂料依次进行注射成型、在酸性环境催化脱脂以及高温烧结后，得到多孔金属异形零部件。该制备方法适合批量制备具有三维复杂结构的多孔金属零部件，后续少或无需机加工，生产效率高，成本低。

本发明还提供了一种多孔金属异形零部件，该多孔金属异形零部件孔隙分布均匀、性能高，可批量生产，后续少或无需机加工，成本低。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明制备的多孔金属粉末注射成形喂料包括金属粉末、碳酸钾颗粒和高分子粘结剂，可在酸性环境下同时催化分解并脱除聚甲醛和碳酸钾，脱脂后的灰坯保型性好，可大幅度提高多孔金属异形零部件的生产效率。

本发明的多孔金属异形件的制备方法，适合批量制备具有三维复杂结构的多孔金属零部件，后续少或无需机加工，生产效率高，成本低。该方法制备得到的多孔金属异形件，孔隙分布均匀、性能高。

具体实施方式

为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

本发明的实施例提供了一种多孔金属粉末注射成形喂料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

本发明通过将金属粉末、特定的碳酸钾颗粒造孔剂以及高分子粘结剂混合后进行密炼和破碎造粒，一方面可使得金属材料中易产生孔洞结构，从而容易获得高质量的多孔结构，另一方面可在保证制备过程清洁的前提下，有效地提高喂料各组分的相容性，减少环境污染，为制备得到高性能，孔隙分布均匀的多孔金属异形零部件产品提供有力的保障。

本发明制备得到的多孔金属粉末注射成形喂料包括金属粉末、碳酸钾颗粒和高分子粘结剂，组分相容性好、杂质污染少，可在酸性环境下同时催化分解并脱除聚甲醛和碳酸钾，灰坯保型性好，工序简单，可用于制备优异性能的多孔金属异形零部件，并大幅度提高生产效率。

具体地，在本发明的实施例中，所述金属粉末与所述碳酸钾颗粒的体积比为3:7～7:3。采用该体积比范围的金属粉末与碳酸钾颗粒的混合，可有效地保证金属中多孔状结构的形成，同时也可以保证多孔结构的均匀性，以提高最后制备得到的多孔金属异形零部件产品的性能。当然，在本发明的其他实施例中，金属粉末与碳酸钾颗粒的体积比还可以根据需求进行调整和改进，本发明的实施例不做限定。

具体地，在本发明的实施例中，所述混合粉末与所述高分子粘结剂的质量比为5:5～8:2。将混合粉末与高分子粘结剂的用量控制在上述范围内，可有效地保证制备得到的多孔金属粉末注射成形喂料各组分均具有较好的相容性，从而保证其可用于制备高性能的多孔金属异形零部件产品，以保证多孔金属异形零部件产品孔隙分布的均匀性。

本发明对于金属粉末的成分没有特别限定，金属粉末的具体成分可根据实际需要进行选择。

具体地，在本发明的实施例中，所述金属粉末的粒径≤40.0μm；所述碳酸钾颗粒的粒径为0.5～2.0mm。将金属粉末的粒径控制在该范围内，同时配合对与之对应的造孔剂的粒径进行控制，可使得多孔金属粉末注射成形喂料的多孔结构形成更均匀，制备效率更高。当然，在本发明的其他实施例中，金属粉末和造孔剂的粒径还可以根据制备的环境进行改进，本发明的实施例不再赘述。

具体地，在本发明的实施例中，所述高分子粘结剂包括聚甲醛、高密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、固体石蜡以及硬脂酸。通过上述的聚甲醛、高密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、固体石蜡以及硬脂酸之间的合理搭配，使得该高分子粘结剂可在环保清洁的基础之上，有效地保证各组分的相容性，减少环境污染，为制备得到高性能、孔隙分布均匀的多孔金属异形零部件产品提供有力的保障。

具体地，在本发明的实施例中，所述高分子粘结剂包括以下质量百分含量的组分：聚甲醛70～92％、高密度聚乙烯3～18％、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物2～10％、固体石蜡2～6％以及硬脂酸1～5％。当上述组分的用量控制在上述的范围内时，制备得到的多孔金属粉末注射成形喂料的性能更优异，更便于制备得到高性能、孔隙分布均匀的多孔金属异形零部件产品。当然，在本发明的其他实施例中，各组分的具体用量还可以根据制备的环境进行相应地调整，本发明的实施例不做限定。

具体地，在本发明的实施例中，步骤(2)中，将混合粉末与高分子粘结剂在密炼机进行密炼，转子转速为30～40rpm，密炼温度为190～200℃，密炼60～90min后停止加热，冷却、破碎、造粒后，得到所述喂料。通过控制密炼工艺参数，使各组分的混合更均匀，可为后续制备得到多孔金属粉末注射成形喂料提供充分的保证，使得采用该多孔金属粉末注射成形喂料制备得到的多孔金属异形零部件产品具有均匀的多孔状结构。

本发明还提供了一种多孔金属异形零部件的制备方法，将上述多孔金属粉末注射成形喂料依次进行注射成型、在酸性环境催化脱脂以及高温烧结后，得到多孔金属异形零部件。该多孔金属异形件的制备方法，适合批量制备具有三维复杂结构的多孔金属零部件，后续少或无需机加工，生产效率高，成本低。

本发明催化脱脂所用的酸可以根据实际需要进行相应调整，包括但并不限于硝酸、草酸等。

本发明还提供了根据上述方法制备得到的多孔金属异形零部件，该多孔金属异形零部件孔隙分布均匀、性能高，可批量生产，后续少或无需机加工，成本低。

需要说明的是，在本发明的实施例中，注射成型、催化脱脂以及高温烧结的参数和设备的选择与现有技术中的金属粉末注射成形喂料的选择相同，并未进行任何实质性的改进，因此本发明的实施例不再对此赘述。

下面结合具体的实施例对上述的方法流程进行详细地说明。

实施例1

本实施例提供了一种多孔钛异形零部件产品，其通过以下步骤制备得到：

S1：按氢化脱氢钛粉和碳酸钾颗粒体积比为70:30的比例将二者混合，其中，氢化脱氢钛粉的粒径为5～40μm，碳酸钾颗粒的粒径为1.0～1.6mm，在三维混料机中混合5小时后获得混合粉末；

S2：按质量百分含量分别为聚甲醛85％，高密度聚乙烯5％，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物5％，固体石蜡3％以及硬脂酸2％配制高分子粘结剂；然后将混合粉末2100g倒入密炼机内，转速30rpm；边搅拌边加热，当密炼机温度达到150℃时，将高分子粘结剂900g放入密炼机内；且当密炼机温度达到195℃时，转速提高至40rpm，密炼90min后，停止加热；

S3：将取出后的混合物冷却后进行破碎、造粒，得到多孔钛喂料；

S4：将多孔钛喂料经注射成型、硝酸催化脱脂和高真空烧结后制得的多孔钛异形零部件产品。

实施例2

本实施例提供了一种多孔304不锈钢异形零部件产品，其通过以下步骤制备得到：

S1：按304不锈钢粉末和碳酸钾颗粒体积比为30:70的比例将二者混合，其中，304不锈钢粉末直径为2～30μm，碳酸钾颗粒粒径为0.5～1.0mm，在三维混料机中混合5小时后获得混合粉末；

S2：按质量百分含量分别为聚甲醛92％，高密度聚乙烯3％，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物2％，固体石蜡2％以及硬脂酸1％配制高分子粘结剂；然后将混合粉末4000g倒入密炼机内，转速30rpm；边搅拌边加热，当密炼机温度达到150℃时，将高分子粘结剂1000g放入密炼机内；且当密炼机温度达到195℃时，转速提高至40rpm，密炼60min后，停止加热；

S3：将取出后的混合物冷却后进行破碎、造粒，得到多孔304不锈钢喂料；

S4：将多孔304不锈钢喂料经注射成型、硝酸催化脱脂和氩气氛烧结后制得的多孔304不锈钢异形零部件产品。

实施例3

本实施例提供了一种多孔铜异形零部件产品，其通过以下步骤制备得到：

S1：按水雾化铜粉和碳酸钾颗粒体积比为50:50的比例将二者混合，其中，水雾化铜粉直径为1.0～10μm，碳酸钾颗粒粒径0.5～1.0μm，在三维混料机中混合5小时后获得混合粉末；

S2：按质量百分含量分别为聚甲醛74％，高密度聚乙烯10％，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物5％，固体石蜡6％以及硬脂酸5％配制高分子粘结剂；然后将混合粉末3000g倒入密炼机内，转速30rpm；边搅拌边加热，当密炼机温度达到150℃时，将高分子粘结剂1000g放入密炼机内；且当密炼机温度达到195℃时，转速提高至40rpm，密炼90min后，停止加热；

S3：将取出后的混合物冷却后进行破碎，得到多孔铜喂料；

S4：将多孔铜喂料经注射成型、草酸催化脱脂和氢气氛烧结后制得的多孔铜异形零部件产品。

经观察发现，实施例1-3的喂料孔隙分布均匀，脱脂后的灰坯保型性良好，成品率较高。

对比例1

本对比例提供了一种多孔钛异形零部件产品，其制备步骤及相关参数与实施例1基本相同，区别仅在于，本对比例的造孔剂为碳酸氢铵颗粒。

采用碳酸氢铵颗粒做造孔剂，在密炼过程中，碳酸氢铵受热分解生成氨气、二氧化碳和水蒸气，喂料中产生大量孔洞，不适合后续注射成型。

对比例2

本对比例提供了一种多孔304不锈钢异形零部件产品，其制备步骤及相关参数与实施例1基本相同，区别仅在于，本对比例的造孔剂为氯化钠颗粒。

采用氯化钠颗粒做造孔剂，多孔304不锈钢喂料经注射成型、硝酸催化脱脂后，还需在温水中浸泡数个小时方可去除氯化钠，灰坯保型性差，成品率低，后续高温烧结难以控制，甚至无法得到满足要求的多孔304不锈钢异形零部件产品。

对比例3

本对比例提供了一种多孔铜异形零部件产品，其制备步骤及相关参数与实施例1基本相同，区别仅在于，本对比例的造孔剂为氯化钠颗粒。

采用氯化钠颗粒做造孔剂，多孔铜喂料经注射成型、草酸催化脱脂和氢气氛烧结后，还需在温水中浸泡数个小时去除氯化钠方可得到多孔铜异形零部件产品，工序较多。

对上述实施例1-3所制备得到的多孔金属异形零部件产品的孔隙率进行测试，测试结果如表1所示。

表1

项目	孔隙率
		实施例1	35％±2％
实施例2	65％±3％
		实施例3	50％±2％

根据表1结果以及实施例1-3记载的内容可知，通过上述的方法所制备得到的多孔金属异形零部件产品的孔隙率维持在35％～65％，且孔隙分布均匀、性能高。

综上所述，本发明的实施例提供的多孔金属粉末注射成形喂料的制备方法通过将几种典型的金属粉末与特定的碳酸钾颗粒造孔剂以及高分子粘结剂混合后进行密炼、破碎造粒，一方面可使得金属材料中易产生孔洞结构，从而容易获得高质量的多孔结构，另一方面可在保证制备过程清洁的前提下，有效地提高各组分的相容性，减少环境污染，为制备得到高性能、孔隙分布均匀的多孔金属异形零部件产品提供有力的保障。

本发明所制备的多孔金属粉末注射成形喂料的各组分相容性好，杂质污染少，且可在酸性环境下同时催化分解并脱除聚甲醛和碳酸钾，脱脂后的灰坯保型性好，易产生分布均匀的孔洞结构，可用于制备具有优异性能的多孔金属异形零部件产品。本发明利用该喂料所制备得到的多孔金属异形零部件孔隙分布均匀、性能高，可批量生产，后续少或无需机加工，成本低。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种多孔金属粉末注射成形喂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)将所述混合粉末与高分子粘结剂进行密炼、破碎造粒得到喂料，所述高分子粘结剂含有聚甲醛；

所述高分子粘结剂包括以下质量百分含量的组分：聚甲醛70～92％、高密度聚乙烯3～18％、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物2～10％、固体石蜡2～6％以及硬脂酸1～5％；

所述金属粉末与所述碳酸钾颗粒的体积比为3:7～7:3；所述混合粉末与所述高分子粘结剂的质量比为5:5～8:2；

所述碳酸钾颗粒的粒径为0.5～2.0mm；

步骤(2)中，将混合粉末与高分子粘结剂在密炼机进行密炼，转子转速为30～40rpm，密炼温度为190～200℃，密炼60～90min后停止加热，冷却、破碎、造粒后，得到所述喂料。

2.根据权利要求1所述的多孔金属粉末注射成形喂料的制备方法，其特征在于，所述金属粉末的粒径≤40.0μm。

3.根据权利要求1-2任一项方法制备得到的多孔金属粉末注射成形喂料。

4.一种多孔金属异形零部件的制备方法，其特征在于，将权利要求3所述的多孔金属粉末注射成形喂料依次进行注射成型、在酸性环境催化脱脂以及高温烧结后，得到多孔金属异形零部件。

5.根据权利要求4所述方法制备得到的多孔金属异形零部件。