專利名稱：復(fù)雜形狀金屬零部件的無毒性凝膠注模成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于粉末冶金生產(chǎn)工藝中金屬基復(fù)雜形狀零部件坯體的成型技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種復(fù)雜形狀金屬零部件的無毒性凝膠注模成型方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)粉末冶金成型工藝主要有壓制成型、冷等靜壓成型、注射成型等多種，但各有優(yōu)缺點，如壓制成型生產(chǎn)效率高，但坯體密度不易均勻且只能生產(chǎn)簡單形狀的制品；冷等靜壓成型所得坯體密度高且均勻，但生產(chǎn)效率低、成本高；注射成型能夠獲得復(fù)雜形狀的制品、坯體密度均勻、生產(chǎn)效率高，但生產(chǎn)較大規(guī)格制品有難度、生產(chǎn)周期長并且能耗高、污染大。
凝膠注模成型(gelcasting)由美國橡樹嶺國家實驗室M.A.Janney教授等人于20世紀90年代初發(fā)明，是近年倍受關(guān)注的一種復(fù)雜形狀陶瓷或金屬部件近凈尺寸成型方法。其原理是將有機單體與溶劑配制成一定濃度的預(yù)混液，金屬或陶瓷粉末懸浮于其中制成低粘度、高固相含量的濃懸浮體，加入引發(fā)劑及催化劑之后，將這種濃懸浮體漿料注入非多孔模具中，在一定的溫度條件下，有機聚合物單體交聯(lián)聚合成三維網(wǎng)絡(luò)狀聚合物凝膠，并使粉末顆粒原位粘結(jié)而固化形成坯體。凝膠注模成型工藝的優(yōu)點是易成型復(fù)雜形狀，成型坯體組份均勻、密度均勻、缺陷少。主要缺點是目前獲得廣泛應(yīng)用的有機單體均有一定毒性，如丙烯酰胺具有神經(jīng)毒性且具有致癌危險；并且成型坯體中含有3～4wt％的有機物，燒結(jié)前需要專門的脫脂工序，難以生產(chǎn)大尺寸制品且增加生產(chǎn)周期和成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)雜形狀金屬零部件的無毒性凝膠注模成型方法，克服傳統(tǒng)粉末冶金成型工藝及現(xiàn)有凝膠注模成型方法的上述問題。
本發(fā)明采用價廉、無毒性的水溶性高分子聚合物烷基纖維素醚如甲基纖維素及其羥烷基改性衍生物如羥乙基甲基纖維素(HEMC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)水溶液的熱凝膠性質(zhì)來實現(xiàn)凝膠注模成型。
纖維素醚是以天然纖維素為原料經(jīng)化學(xué)改性制得的一類半合成型高分子聚合物。甲基纖維素(MC)及其衍生物分子式為[C6H7O4(OH)3-x(OR)x]m，式中R為取代基，X為取代度，m為聚合度。本發(fā)明所用纖維素醚參數(shù)見表1。
表1實驗用纖維素醚特性

水溶性非離子型烷基纖維素醚及其羥烷基改性衍生物的水溶液加熱時，在特定的溫度下發(fā)生相分離，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠析出；冷卻時，當達到凝膠形成的特定溫度以下，凝膠消失恢復(fù)原始溶液狀態(tài)。這種溶液-凝膠轉(zhuǎn)變是一種可逆過程，其特性是由于聚合物分子鏈含有大量憎水性取代基的特殊性和分子間相互作用的結(jié)果。在較低溫度下，聚合物大分子被水化分散而成為溶液狀態(tài)；當溫度升高時分子水化作用減弱而鏈間水被逐漸逐出，當去水化作用足夠充分時出現(xiàn)大分子聚集體，最終導(dǎo)致形成結(jié)構(gòu)膠體。
本發(fā)明的復(fù)雜形狀金屬零部件的無毒性凝膠注模成型方法包括以下各步驟1、將MC、HPMC、HEMC單獨或以重量比1∶(1～5)∶(1～3)混合，制成1～6重量％均一穩(wěn)定的水溶液；2、將上述溶液與金屬粉料、分散劑混合；金屬粉料包括鐵(Fe)、鎳(Ni)等；使用的分散劑為聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一種，分散劑用量占金屬粉料重量的0.2～2.0％；3、將第二步驟所得混合料球磨8～48小時；4、上述漿料室溫真空除泡10～30分鐘；5、將漿料注入模具中，模具材料為非孔材料玻璃、金屬、橡膠、塑料等；之后加熱模具至40～80℃，30～120分鐘后脫模，10～30℃真空干燥2～3天即可得到金屬坯體。
本發(fā)明的優(yōu)點在于可獲得形狀復(fù)雜、密度均勻、有機物含量少、不需專門脫脂工序的大尺寸坯體，并且該法對多種金屬粉末的成型均有效。
具體實施例方式
實施例1甲基纖維素凝膠注模成型鐵基零部件鐵粉原料為市售-500目電解鐵粉，純度為99.3％；纖維素醚為西安惠安化學(xué)工業(yè)有限公司生產(chǎn)，為白色粉末。
將3克甲基纖維素溶入100毫升水中制成溶液，加入780克鐵粉和5克聚丙烯酰胺分散劑，球磨24小時后真空除泡20分鐘，制得固相體積分數(shù)為50％的金屬漿料。將所得漿料注入玻璃模具，在60℃保溫120分鐘，模具內(nèi)漿料固化為坯體，脫模后真空干燥2天即可得到鐵基零件坯體。
實施實例2甲基纖維素、羥乙基甲基纖維素凝膠注模成型鎳基零部件鎳粉原料為市售羰基鎳粉，純度99.5％，粒度2～5μm；纖維素醚為西安惠安化學(xué)工業(yè)有限公司生產(chǎn)，為白色粉末。
將3克甲基纖維素、3克羥乙基甲基纖維素溶于100毫升水中，加入890克鎳粉和10克聚丙烯酸分散劑，球磨48小時后真空除泡30分鐘，獲得固相體積分數(shù)50％的漿料，注入金屬模具后將模具移入80℃恒溫箱中保溫120分鐘，脫模后真空干燥3天即可得到凝膠注模成型鎳基零件坯體。
實施實例3羥丙基甲基纖維素凝膠注模成型鐵基零部件市售羰基鐵粉，純度99.5％，粒度2～5μm；纖維素醚為西安惠安化學(xué)工業(yè)有限公司生產(chǎn)，為白色粉末。
將5克羥丙基甲基纖維素溶入100毫升水中制成溶液，加入950克鐵粉和5克聚甲基丙烯酸胺分散劑，球磨24小時后真空除泡20分鐘，制得固相體積分數(shù)為55％的金屬漿料。將所得漿料注入橡膠模具，在60℃保溫120分鐘，模具內(nèi)漿料固化為坯體，脫模后真空干燥2天即可得到鐵基零件坯體。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)雜形狀金屬零部件的無毒性凝膠注模成型方法，采用價廉、無毒性的水溶性高分子聚合物烷基纖維素醚如甲基纖維素及其羥烷基改性衍生物羥乙基甲基纖維素HEMC、羥丙基甲基纖維素HPMC水溶液的熱凝膠性質(zhì)來實現(xiàn)凝膠注模成型；其特征在于具體工藝步驟為a、將甲基纖維素MC、羥丙基甲基纖維素HPMC、羥乙基甲基纖維素HEMC單獨或以重量比1∶1～5∶1～3混合，制成1～6重量％均一穩(wěn)定的水溶液；b、將上述溶液與金屬粉料、分散劑混合；金屬粉料為鐵或鎳；使用的分散劑為聚丙烯酰胺或聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一種，分散劑用量占金屬粉料重量的0.2～2.0％；c、將第b步驟所得混合料球磨8～48小時；d、上述漿料室溫真空除泡10～30分鐘；e、將漿料注入模具中，加熱模具至40～80℃，30～120分鐘后脫模，10～30℃真空干燥2～3天得到金屬坯體。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于模具材料為非孔材料玻璃或金屬、橡膠、塑料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種復(fù)雜形狀金屬零部件的無毒性凝膠注模成型方法，屬于粉末冶金生產(chǎn)工藝中金屬基復(fù)雜形狀零部件坯體的成型技術(shù)領(lǐng)域。采用價廉、無毒性的水溶性高分子聚合物烷基纖維素醚如甲基纖維素及其羥烷基改性衍生物羥乙基甲基纖維素HEMC、羥丙基甲基纖維素HPMC水溶液的熱凝膠性質(zhì)來實現(xiàn)凝膠注模成型。本發(fā)明的優(yōu)點在于可獲得形狀復(fù)雜、密度均勻、有機物含量少、不需專門脫脂工序的大尺寸坯體，并且該法對多種金屬粉末的成型均有效。
文檔編號B22F5/00GK1748914SQ20051008672
公開日2006年3月22日 申請日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者郭志猛, 李艷, 郝俊杰 申請人:北京科技大學(xué)