专利名称：复杂形状金属零部件的无毒性凝胶注模成型方法
技术领域：
本发明属于粉末冶金生产工艺中金属基复杂形状零部件坯体的成型技术领域，特别是提供了一种复杂形状金属零部件的无毒性凝胶注模成型方法。
背景技术：
传统粉末冶金成型工艺主要有压制成型、冷等静压成型、注射成型等多种，但各有优缺点，如压制成型生产效率高，但坯体密度不易均匀且只能生产简单形状的制品；冷等静压成型所得坯体密度高且均匀，但生产效率低、成本高；注射成型能够获得复杂形状的制品、坯体密度均匀、生产效率高，但生产较大规格制品有难度、生产周期长并且能耗高、污染大。
凝胶注模成型(gelcasting)由美国橡树岭国家实验室M.A.Janney教授等人于20世纪90年代初发明，是近年倍受关注的一种复杂形状陶瓷或金属部件近净尺寸成型方法。其原理是将有机单体与溶剂配制成一定浓度的预混液，金属或陶瓷粉末悬浮于其中制成低粘度、高固相含量的浓悬浮体，加入引发剂及催化剂之后，将这种浓悬浮体浆料注入非多孔模具中，在一定的温度条件下，有机聚合物单体交联聚合成三维网络状聚合物凝胶，并使粉末颗粒原位粘结而固化形成坯体。凝胶注模成型工艺的优点是易成型复杂形状，成型坯体组份均匀、密度均匀、缺陷少。主要缺点是目前获得广泛应用的有机单体均有一定毒性，如丙烯酰胺具有神经毒性且具有致癌危险；并且成型坯体中含有3～4wt％的有机物，烧结前需要专门的脱脂工序，难以生产大尺寸制品且增加生产周期和成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂形状金属零部件的无毒性凝胶注模成型方法，克服传统粉末冶金成型工艺及现有凝胶注模成型方法的上述问题。
本发明采用价廉、无毒性的水溶性高分子聚合物烷基纤维素醚如甲基纤维素及其羟烷基改性衍生物如羟乙基甲基纤维素(HEMC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)水溶液的热凝胶性质来实现凝胶注模成型。
纤维素醚是以天然纤维素为原料经化学改性制得的一类半合成型高分子聚合物。甲基纤维素(MC)及其衍生物分子式为[C6H7O4(OH)3-x(OR)x]m，式中R为取代基，X为取代度，m为聚合度。本发明所用纤维素醚参数见表1。
表1实验用纤维素醚特性
水溶性非离子型烷基纤维素醚及其羟烷基改性衍生物的水溶液加热时，在特定的温度下发生相分离，形成三维网状结构的凝胶析出；冷却时，当达到凝胶形成的特定温度以下，凝胶消失恢复原始溶液状态。这种溶液-凝胶转变是一种可逆过程，其特性是由于聚合物分子链含有大量憎水性取代基的特殊性和分子间相互作用的结果。在较低温度下，聚合物大分子被水化分散而成为溶液状态；当温度升高时分子水化作用减弱而链间水被逐渐逐出，当去水化作用足够充分时出现大分子聚集体，最终导致形成结构胶体。
本发明的复杂形状金属零部件的无毒性凝胶注模成型方法包括以下各步骤1、将MC、HPMC、HEMC单独或以重量比1∶(1～5)∶(1～3)混合，制成1～6重量％均一稳定的水溶液；2、将上述溶液与金属粉料、分散剂混合；金属粉料包括铁(Fe)、镍(Ni)等；使用的分散剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一种，分散剂用量占金属粉料重量的0.2～2.0％；3、将第二步骤所得混合料球磨8～48小时；4、上述浆料室温真空除泡10～30分钟；5、将浆料注入模具中，模具材料为非孔材料玻璃、金属、橡胶、塑料等；之后加热模具至40～80℃，30～120分钟后脱模，10～30℃真空干燥2～3天即可得到金属坯体。
本发明的优点在于可获得形状复杂、密度均匀、有机物含量少、不需专门脱脂工序的大尺寸坯体，并且该法对多种金属粉末的成型均有效。
具体实施例方式
实施例1甲基纤维素凝胶注模成型铁基零部件铁粉原料为市售-500目电解铁粉，纯度为99.3％；纤维素醚为西安惠安化学工业有限公司生产，为白色粉末。
将3克甲基纤维素溶入100毫升水中制成溶液，加入780克铁粉和5克聚丙烯酰胺分散剂，球磨24小时后真空除泡20分钟，制得固相体积分数为50％的金属浆料。将所得浆料注入玻璃模具，在60℃保温120分钟，模具内浆料固化为坯体，脱模后真空干燥2天即可得到铁基零件坯体。
实施实例2甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素凝胶注模成型镍基零部件镍粉原料为市售羰基镍粉，纯度99.5％，粒度2～5μm；纤维素醚为西安惠安化学工业有限公司生产，为白色粉末。
将3克甲基纤维素、3克羟乙基甲基纤维素溶于100毫升水中，加入890克镍粉和10克聚丙烯酸分散剂，球磨48小时后真空除泡30分钟，获得固相体积分数50％的浆料，注入金属模具后将模具移入80℃恒温箱中保温120分钟，脱模后真空干燥3天即可得到凝胶注模成型镍基零件坯体。
实施实例3羟丙基甲基纤维素凝胶注模成型铁基零部件市售羰基铁粉，纯度99.5％，粒度2～5μm；纤维素醚为西安惠安化学工业有限公司生产，为白色粉末。
将5克羟丙基甲基纤维素溶入100毫升水中制成溶液，加入950克铁粉和5克聚甲基丙烯酸胺分散剂，球磨24小时后真空除泡20分钟，制得固相体积分数为55％的金属浆料。将所得浆料注入橡胶模具，在60℃保温120分钟，模具内浆料固化为坯体，脱模后真空干燥2天即可得到铁基零件坯体。
权利要求
1.一种复杂形状金属零部件的无毒性凝胶注模成型方法，采用价廉、无毒性的水溶性高分子聚合物烷基纤维素醚如甲基纤维素及其羟烷基改性衍生物羟乙基甲基纤维素HEMC、羟丙基甲基纤维素HPMC水溶液的热凝胶性质来实现凝胶注模成型；其特征在于具体工艺步骤为a、将甲基纤维素MC、羟丙基甲基纤维素HPMC、羟乙基甲基纤维素HEMC单独或以重量比1∶1～5∶1～3混合，制成1～6重量％均一稳定的水溶液；b、将上述溶液与金属粉料、分散剂混合；金属粉料为铁或镍；使用的分散剂为聚丙烯酰胺或聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一种，分散剂用量占金属粉料重量的0.2～2.0％；c、将第b步骤所得混合料球磨8～48小时；d、上述浆料室温真空除泡10～30分钟；e、将浆料注入模具中，加热模具至40～80℃，30～120分钟后脱模，10～30℃真空干燥2～3天得到金属坯体。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于模具材料为非孔材料玻璃或金属、橡胶、塑料。
全文摘要
本发明提供了一种复杂形状金属零部件的无毒性凝胶注模成型方法，属于粉末冶金生产工艺中金属基复杂形状零部件坯体的成型技术领域。采用价廉、无毒性的水溶性高分子聚合物烷基纤维素醚如甲基纤维素及其羟烷基改性衍生物羟乙基甲基纤维素HEMC、羟丙基甲基纤维素HPMC水溶液的热凝胶性质来实现凝胶注模成型。本发明的优点在于可获得形状复杂、密度均匀、有机物含量少、不需专门脱脂工序的大尺寸坯体，并且该法对多种金属粉末的成型均有效。
文档编号B22F5/00GK1748914SQ20051008672
公开日2006年3月22日 申请日期2005年10月26日 优先权日2005年10月26日
发明者郭志猛, 李艳, 郝俊杰 申请人:北京科技大学