专利名称：一种高比重合金的凝胶注模成型方法
技术领域：
本发明属于粉末冶金制备技术领域，特别是提供了一种凝胶注模制备高固相含
量、性能优良、复杂形状的高比重合金制品的方法。
背景技术：
高比重合金是指以钨为基体加入镍、铁、铜或其他合金元素，比重在17.0 18.5g/cm3之间。由于具有密度大、强度和硬度高、吸收X射线或Y射线能力强、抗腐蚀和 抗氧化性高、导电性好、热膨胀系数低等优点，常用作屏蔽材料、触点材料和穿甲弹材料，广 泛应用于航空航天、能源、军事、机械和冶金等领域。 目前高比重钨合金主要有W-Ni-Cu和W-Ni-Fe两个系列，其中W_Ni_Cu系一般含 钨90 95%，镍铜含量比多为3 : 2。铜可降低镍粘结相的熔点和改善合金的烧结性能。 W-Ni-Fe系一般含钨90 98X，镍铁含量比多为7 : 3或1 : 1，该类合金可进行热处理和 塑性加工。在上述两类合金的基础上，还可加入钼、铬、钴、铌、钼、钌、钯和金属氧化物(或 金属纤维)等，以改善合金的工艺性能、耐蚀性能和力学性能。 高比重钨合金通常采用传统的粉末冶金模压-烧结工艺制备，经混料、压制获得 压坯，再通过热等静压、辐射加热或感应烧结使合金致密化后得到高比重合金零件。但是对 于尺寸公差要求高或形状复杂的高比重合金制件，模压成型很难实现。此外，传统方法难以 控制装料量、压坯各部分密度不均匀，烧结收縮后，制件形状难以控制，使制件重量、尺寸的 分散度高，而且生产率低。生产尺寸精度高、形状复杂的高比重合金制件通常采用注射成型 工艺。然而由于粘结剂及脱脂的影响，目前只能成形形状相对较复杂、厚度(或直径)较小 的(10mm)的零部件。大厚度件或其它形状更复杂的大尺寸、截面变化的零部件发展受到限 制。对于截面变化大、直径很大0 80mm)、环厚度和宽度都很小的大尺寸变化的零件和直 径较大的钨合金穿甲弹弹芯(大于20mm)，采用目前的粉末注射成形技术制备非常困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本制备组织均匀、形状复杂、力学性能优异的高 比重合金的方法，改善性能并降低成本。 —种高比重合金的凝胶注模成型方法，其特征在于成型工艺采用凝胶注模成型方 法，具体工艺如下 (1)将鸨、镍、铁、铜、钼等金属粉末按配比称重，配成W-Ni-Cu系合金或W-Ni-Fe
系合金，球磨1 20小时使其混合均匀；其中W-Ni-Cu系合金中合金质量百分比为W85
98%， Nil. 35 10%， CuO. 6 3%， Mo 0. 05 2%。 W-Ni-Fe系合金中合金质量百分比
为W85 98%， Ni 1. 35 10%， Fe 0. 6 2. 5%， Mo 0. 05 2. 5%。 (2)凝胶体系配制将单体及交联剂以质量比(1 250) : l混合，并将该混合物
溶于去离子水制成质量分数为10 55%的均一稳定的凝胶体系溶液； (3)将称好的合金粉末加入凝胶体系溶液中，并加入合金粉体积0.01 5%的分散剂，在球磨罐中球磨2 10小时，球磨速度在20 100转/分，制成流动性良好的浆料， 放入真空环境中排气5 60分钟； (4)在模具内壁涂薄薄一层脱模剂异辛醇或凡士林，量取单体质量0. 02 2%的 催化剂和单体质量0. 02 5%引发剂加入浆料中，搅拌均匀后注入模具，在20 7(TC下固 化20 180分钟，脱模修坯后在20 70。C下干燥30 120小时； (5)将干燥过的坯体在保护气氛中或真空中1100 155(TC下进行高温烧结，烧结 时间0. 5 3小时，得到物理-机械性能、尺寸、密度均匀的合格的高比重合金制件。
钨、钼、镍、铁、铜金属粉末平均粒度为1 100微米。 凝胶体系所用单体为丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交联剂为N， N'-亚甲基双丙烯 酰胺或乙二醇二甲基丙烯酸酯。 所述分散剂为Solsperse-6000超分散剂或油酸或聚丙烯酸盐，催化剂为N， N， N' ，N'-四甲基乙二胺，引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。 本发明的原理如下采用水基凝胶体系对高比重合金进行凝胶注模成形。首先将 将单体丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺、交联剂N， N'-亚甲基双丙烯酰胺与去离子水配制成一 定浓度的预混液，将钨、钼、镍、铁、铜等金属粉末按照合金成分配比在高能球磨机混料后的 粉末加入预混液中，加入复合分散剂使合金粉末悬浮于其中制成高固相含量的浆料，适当 调节pH后在球磨罐中混料。 一定时间后分离出流动性良好的浆料，加入适量催化剂N， N， N' ，N'-四甲基乙二胺和引发剂过硫酸铵搅拌均匀，经排气后注入模具中，待单体发生聚 合反应固化成坯体。坯体在真空条件或保护气氛下干燥、排胶、高温烧结得到合格的高比重 合金产品，如图1。由于凝胶浆料为流体能均匀填充复杂形状模腔，坯体的各部位密度均匀， 烧结时产生均匀收縮，故能很好控制制件形状及尺寸。 在本发明中，采用水基丙烯酰胺体系凝胶注模成形技术实现性能均一、尺寸精度 高的高比重合金的成形；一方面由于成型坯体中有机物含量低，不需要专门的脱脂工序。另 一方面采用凝胶注模成形技术解决了尺寸精度高、复杂形状成形困难的问题，此外该方法 模具成本很低，生产效率高。 本发明工艺成型高比重合金制件的优点在于 (1)能生产传统方法难以成形或不能成形的尺寸较大、形状更复杂的高比重合金 制件。
(2)合金制件性能一致，重量分散度小、尺寸精度高，并且成品率高。
(3)该技术不需要复杂设备、不需专门脱脂工序，工艺简单，使生产成本大幅降低。
图1为本发明凝胶注模成形高比重合金的工艺流程图。
具体实施例方式
实施例1 :超重合金W-Ni-Cu系凝胶注模成型 1、按超重合金W-Ni-Cu系配方分别将-500目的钨粉、镍粉、铜粉和钼粉(W 85 98%， Nil. 35 10%， Cu 0.6 3%，Mo 0.05 2% )进行球磨混料6h后，称取1. 7kg的 混合合金粉待用。。
2、称取的24.7g单体丙烯酰胺、0.27g交联剂N， N'-亚甲基双丙烯酰胺溶于 115ml去离子水中，并加入第1步中的混合合金粉，搅拌均匀； 3、量取0. 7ml的分散剂油酸和0. 2ml自制分散剂加入第2步溶液中，搅拌均匀，球 磨7. 5h后制成流动性适中的浆料，并在真空下将浆料排气25min ; 4、量取0.8ml催化剂N，N，N' ，N' _四甲基乙二胺和lml引发剂过硫酸铵，加入 第3步桨料中，搅拌均匀。 5、把浆料缓慢注入所需特定形状的模具中，使其固化成型得到高比重合金部件毛 坯； 6、将第5步的坯体修坯后置入6(TC恒温的真空干燥箱内干燥60h ; 7、将干燥后的钨合金坯体在真空度2.5X10—乍a，温度135(TC下烧结，获得
W-Ni-Cu超重合金制件。 实施例2 :超重合金W-Ni-Fe系配重环凝胶注模成型 1、按超重合金W-Ni-Fe系配方分别将650目的钨粉、镍粉、铁粉(W 85 98%， Nil. 35 10%， Fe 0. 6 2. 5%， Mo 0. 05 2. 5% )进行球磨混料10h后，称取3. 4kg的
混合合金粉待用。 2、称取的45.4g单体丙烯酰胺、0.55g交联剂N， N'-亚甲基双丙烯酰胺溶于 276ml去离子水中，并加入第1步中的混合合金粉，搅拌均匀； 3、量取2. 9ml的分散剂油酸加入第2步溶液中，搅拌均匀，球磨7h后制成流动性 适中的浆料，并在真空下将浆料排气35min以便排除残余气泡； 4、量取2ml催化剂N，N，N' ，N'-四甲基乙二胺和3. 2ml引发剂过硫酸铵(保证 有足够注模时间)，加入第3步浆料中，搅拌均匀。 5、把浆料缓慢注入配中环系列模具中，使其固化成型得到高比重合金配重环零件
毛坯，并在室温下放置10h保证配重环形状的同心度和尺寸精度； 6、将第5步的配重环坯体修坯后置入75°。恒温的真空干燥箱内干燥72h ; 7、将干燥后的高比重合金坯体在真空度1. 2X10—乍a，温度140(TC下烧结，获得最
终W-Ni-Fe高比重合金配重环，其中尺寸精度< 0. 3%，重量分散度±0. 8%。
权利要求
一种高比重合金的凝胶注模成型方法，其特征包括以下步骤(1)将钨、镍、铁、铜、钼金属粉末按配比称重，配成W-Ni-Cu系合金或W-Ni-Fe系合金，球磨1～20小时使其混合均匀；其中W-Ni-Cu系合金中合金质量百分比为W 85～98％，Ni1.35～10％，Cu 0.6～3％，Mo 0.05～2％。W-Ni-Fe系合金中合金质量百分比为W 85～98％，Ni1.35～10％，Fe 0.6～2.5％，Mo 0.05～2.5％；(2)凝胶体系配制将单体及交联剂以质量比(1～250)∶1混合，并将该混合物溶于去离子水制成质量分数为10～55％的均一稳定的凝胶体系溶液；(3)将称好的合金粉末加入凝胶体系溶液中，并加入合金粉体积0.01～5％的分散剂，在球磨罐中球磨2～10小时，球磨速度在20～100转/分，制成流动性良好的浆料，放入真空环境中排气5～60分钟；(4)量取单体质量0.02～2％的催化剂和单体质量0.02～5％引发剂加入浆料中，搅拌均匀后注入模具，在20～70℃下固化20～180分钟，脱模修坯后在20～70℃下干燥30～120小时；(5)将干燥过的坯体在保护气氛中或真空中1100～1550℃下进行高温烧结，烧结时间0.5～3小时，得到物理-机械性能、尺寸、密度均匀的合格的高比重合金制件。
2. 根据权利要求1所述高比重合金的凝胶注模成型方法，其特征在于钨、钼、镍、铁、铜 金属粉末平均粒度为1 100微米。
3. 根据权利要求1所述的高比重合金的凝胶注模成型方法，其特征在于凝胶体系所用 单体为丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交联剂为N， N'-亚甲基双丙烯酰胺或乙二醇二甲基丙 烯酸酯。
4. 根据权利要求1所述的高比重合金的凝胶注模成型方法，其特征在于所述分散剂为 Solsperse-6000超分散剂或油酸或聚丙烯酸盐，催化剂为N， N， N' ， N' _四甲基乙二胺， 弓I发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
全文摘要
一种高比重合金的凝胶注模成型方法，属于粉末冶金领域。其特征是首先将平均粒度为1～100微米的原料钨、镍、铁、铜、钼等金属粉末按配比称重，球磨1～20小时使其混合均匀。然后将单体和交联剂以质量比(1～250)∶1混合，溶于去离子水后得到10～55％的溶液。加入混合均匀的合金粉和其体积0.01～5％的分散剂后球磨2～10小时，制成流动性良好的浆料，并排气5～60分钟。加入单体质量0.02～2％的催化剂和单体质量0.02～5％引发剂，搅拌均匀并排气后缓缓注入模具，在20～70℃下固化20～180分钟后脱模，经真空干燥30～120小时后在1100～1550℃下烧结0.5～3小时，得到高比重合金制件。本发明成型的合金制件性能一致，重量分散度小、尺寸精度高，并且成品率高。不需要复杂设备和专门脱脂工序，工艺简单、生产成本低。
文档编号B22F3/22GK101733402SQ20101003373
公开日2010年6月16日 申请日期2010年1月5日 优先权日2010年1月5日
发明者杨栋华, 林涛, 罗骥, 邵慧萍, 郝俊杰, 郭志猛 申请人:北京科技大学