一种金属粉末凝胶-挤压成形方法

摘要

本发明涉及一种金属粉末凝胶-挤压成形方法，属于粉末冶金生产工艺中金属零部件制备领域。其特征是首先配制一定浓度的预混液，然后加入金属粉末制成稳定的凝胶体系，再把稳定的凝胶体系进行挤压成型制备成坯体，最后进行烧结成零件。本发明突破了传统成形技术，可以制备大尺寸、复杂形状的金属制品。与压力成形相比，避免了由于成形时需要压力过大造成的复杂性状受限及能耗问题，大大改善了成形条件。与注射成形和热压铸成形需加入大量有机粘结剂相比，不需专门脱脂工序，工艺简单，使生产成本大幅降低。

权利要求

1.一种金属粉末凝胶-挤压成形方法，其特征是首先配制一定浓度的预混液，然后加入金属粉末制成稳定的凝胶体系，再把稳定的凝胶体系进行挤压成型制备成坯体，最后进行烧结成零件，具体方案如下：

1)配制预混液：

(1)采用有机单体和溶剂按体积比1～100∶1配制成浓度为5～50wt％的预混液；

有机单体是指甲基丙烯酸羟乙酯或甲基丙烯酸乙酯或三甲基丙烷三丙烯酸盐，溶剂是指甲苯或汽油或乙醇；

(2)采用水基单体和交联剂按体积比1～240∶1的比例加入去离子水配制成浓度为

5～50wt％的预混液；水基单体是指丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交联剂是指N，N′-亚甲基双丙烯酰胺或乙二醇二甲基丙烯酸酯；

2)配制金属悬浮浆料：

在1)中任意一种预混液中加入体积百分数为10-60％金属粉末，再加入金属粉末质量的0.05～3wt％的分散剂，并调节pH值至9.0～13.0；金属粉末为硬质合金粉或钛及钛合金粉，分散剂为Solsperse-6000超分散剂或油酸或聚丙烯酸盐；

3)制备稳定胶体：

将上述配制的金属悬浮浆料进行搅拌或球磨1～4h，制成稳定的体系，保持体系温度在10～50℃，再分别加入0.1～10wt％的催化剂和引发剂进行均匀搅拌，并同时真空除气制成金属粉末浆料；催化剂为过氧化苯甲酰或N，N，N′，N′-四甲基乙二胺，引发剂为二甲基苯胺或过硫酸铵；

4)挤压成形：严格控制固化时间在0.5～30min之间，将3)中的金属粉末浆料倒入挤压机中，根据金属粉末特性，在40～60℃下，先在0.1～3MPa下预压并保压使金属粉末浆料致密固化，然后以0.1～10MPa的压力和10～100cm/min速度挤出坯料，切断制得坯体；

5)坯体经40～100℃整形干燥，真空烧结得到最终金属产品。

说明书

一种金属粉末凝胶-挤压成形方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种金属粉末凝胶挤压成形方法，属于粉末冶金生产工艺中金属零部件制备领域，特别是提供了一种近净成形金属棒材、管材及复杂形状零件的金属粉末凝胶-挤压成形方法。

背景技术

[0002] 模压成型是目前金属及合金粉末成型的主要方法之一。粉末注射成形结合了传统粉末冶金和塑料注射成形技术的优点，突破了传统金属粉末模压成形工艺在产品形状上的限制。但是大尺寸的产品总因由于模具成本、制造缺陷、设备容量和加工时间等因素而受到了限制。20世纪80年代，粉末塑化体挤压成形技术的出现，丰富了金属和陶瓷粉末的成形工艺，使得粉末冶金制备的金属零件向微型化、精密化发展，大大的提高了材料利用率及加工成本。然而上述方法共同的缺点就是脱脂过程繁琐耗时，容易形成坯体缺陷。此外，较高的成型压力导致生产耗能高，生产效率低下。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服传统粉末注射成形脱脂过程繁琐耗时，容易形成坯体缺陷以及由于较高的成型压力导致生产耗能高、生产效率低下的问题。

[0004] 一种金属粉末凝胶-挤压成形方法，其特征是首先配制一定浓度的预混液，然后加入金属粉末制成稳定的凝胶体系，再把稳定的凝胶体系进行挤压成型制备成坯体，最后进行烧结成零件，具体方案如下：

[0005] 1)配制预混液：

[0006] (1)采用有机单体和溶剂按体积比1～100∶1配制成浓度为5～50wt％的预混液，有机单体是指甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)或甲基丙烯酸乙酯(EMA)或三甲基丙烷三丙烯酸盐(TMPTA)，溶剂是指甲苯或汽油或长链乙醇。

[0007] (2)采用水基单体和交联剂按体积比1～240∶1的比例加入去离子水配制成浓度为5～50wt％的预混液。水基单体是指丙烯酰胺(AM)或甲基丙烯酰胺(MAM)，交联剂是指N，N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)或乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)。

[0008] 2)配制金属悬浮浆料：

[0009] 在上述任意一种预混液中加入体积百分数为10～60％的金属粉末(硬质合金粉或钛及钛合金粉)，再加入金属粉末质量的0.05～3wt％的分散剂(分散剂为Solsperse-6000超分散剂或油酸或聚丙烯酸盐)，并调节pH值至9.0～13.0。

[0010] 3)制备稳定胶体：

[0011] 将上述配制的金属悬浮浆料进行搅拌，亦可球磨1～4h，制成粘度适中、稳定的体系；保持体系温度在10～50℃，再分别加入0.1～10wt％的催化剂(过氧化苯甲酰(BPO)或N，N，N′，N′-四甲基乙二胺(TEMED))和引发剂(二甲基苯胺或过硫酸铵(APS))进行均匀搅拌，并同时真空除气制成金属粉末浆料。

[0012] 4)挤压成形：严格控制固化时间在0.5～30min之间，将上述的金属粉末浆料倒入挤压机中，根据金属粉末特性，在40～60℃下，先预压(0.1～3MPa)并保压使其致密固化，然后以0.1～10MPa的压力和10～100cm/min速度挤出坯料，切断制得坯体。

[0013] 5)坯体经整形干燥(40～100℃)，真空烧结得到最终金属产品。

[0014] 在本发明中，采用凝胶注模成形技术与挤压技术相结合，一方面由于有机物含量低，不需要专门的脱脂工序。成形时需要的压力低，容易实现产品致密化和高强度，而且大大改善了成形难度。另一方面，解决了复杂形状成形困难的问题，而且模具机加工简单，生产成本降低；更重要的是在挤压工艺中引入了凝胶体系，提高了坯体的强度，实现了产品致密化，获得了综合性能优良的近净形零件。

[0015] 本发明优点在于：

[0016] 1、与压力成形相比，由于金属悬浮凝胶浆料流动性好，避免了由于成形时需要压力过大造成的复杂性状受限及能耗问题，大大改善了成形条件；

[0017] 2、本发明只需加入不足5wt％的有机物，与注射成形和热压铸成形需加入大量有机粘结剂相比，不需专门脱脂工序，工艺简单，使生产成本大幅降低。

[0018] 3、突破了传统成形技术，可以制备大尺寸、复杂形状的金属制品。

附图说明

[0019] 图1为金属零件凝胶挤压成形方法流程图

具体实施方式

[0020] 实施例1：YG6硬质合金棒材的凝胶挤压成形

[0021] 1、称取1.5kg的YG6硬质合金粉，加入56ml甲基丙烯酸羟乙酯和56ml甲苯的有机溶液中，混合搅拌均匀；

[0022] 2、称取4g Solsperse-6000超分散剂加入第1步浆料中，搅拌均匀，制成高浓悬浮浆料；

[0023] 3、量取0.4g催化剂过氧化苯甲酰和3.6ml引发剂二甲基苯胺加入第2步高浓悬浮浆料中，搅拌均匀并在真空条件下除气3min；

[0024] 4、将经真空除气的第3步浆料注入挤压模具，封闭挤压模具挤出口，在真空下施加1.2MPa的压力预压坯料，利用压力诱导固化及致密化，使其致密化并预成型；

[0025] 5、打开挤压设备挤出口，设定3MPa的压力和50cm/min的速度挤压，挤出Ф10硬质合金棒状坯体，切断制得挤出坯体；

[0026] 6、将第5步坯体置于V型石墨板上整形后一起置入60℃恒温的真空干燥箱内干燥48h；

[0027] 7、将干燥后的硬质合金坯体在真空度3.5×10-2Pa下缓慢升温，在500℃以下，升温速度1℃/min，其中在300℃保温1.5h，500～1350℃下升温速度4℃/min，并于1350℃保温1h，最终获得YG6硬质合金棒材产品。

[0028] 实施例2：钛-钴合金部件的凝胶挤压成形

[0029] 1、称取1.6kg的钛粉、50g钴粉，在行星球磨机中混粉2h，制成混合粉；

[0030] 2、称取的135g单体丙烯酰胺、0.1g交联剂N，N′-亚甲基双丙烯酰胺溶于750ml去离子水中，并加入第1步中的混合粉，搅拌均匀；

[0031] 3、量取3.5ml的分散剂油酸加入第2步溶液中，搅拌均匀，制成浆料；

[0032] 4、在高真空下中将第3步的浆料排气15min；

[0033] 5、量取3.5ml催化剂N，N，N′，N′-四甲基乙二胺和4ml引发剂过硫酸铵(保证有足够注模时间)，加入第4步浆料中，搅拌均匀，同时真空除气。

[0034] 6、在真空下把浆料注入挤压模具，封闭挤压模具挤出口，在真空下施加0.8MPa压力预压坯料，利用压力诱导固化，使其预成型；

[0035] 7、打开挤压设备挤出口，设定2MPa的压力和30cm/min的速度开始挤压，挤出空心柱状钛-钴合金坯体；

[0036] 8、将第7步的坯体修坯后置入60℃恒温的真空干燥箱内干燥48h；

[0037] 9、将干燥后的钛-钴合金坯体在真空度1.0×10-2Pa，温度900℃下烧结，获得最终钛-钴合金产品。