凝胶注模成形技术在粉末冶金中的应用

凝胶注模成形技术在粉末冶金中的应用 凝胶注模成形技术在粉末冶金中的应用 第36卷增刊3 2007年9月 稀有金属材料与工程 RAREMETALMATERIALSANDENG1NEERING Vo1.36,Supp1.3 September2007 凝胶注模成形技术在粉末冶金中的应用 贺卫卫,汤慧萍,刘海彦,黄愿平,荆鹏 (西北有色金属研究院,陕西西安710016) 摘要:凝胶注模成形最初是用于陶瓷材料近净尺寸成形技术,它适用于成形件尺寸大,复杂形状的部件.随着该技 术的发展,凝胶注模成形也应用到粉末冶金领域.本文综述了国内外凝胶注模技术在成形金属粉末的应用研究近况, 展望了该技术在粉末冶金中的应用前景,并对凝胶注模成形技术在应用中存在的技术难点及应对策略进行了 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 与探 讨. 关键词:凝胶注模;粉末冶金;应用 中图法分类号:TF124文献标识码:A文章编号:1002.185X(2007)$3.383—04 1月lJ舌 凝胶注模成形(gel—casting)是美国橡树岭国家重点 实验室开发的一种陶瓷成形工艺,该工艺是把具有均匀 性流体结构的陶瓷浓悬浮体从流动状态快速转化为均 匀的固体坯体,这种转变过程满足近净尺寸成形复杂形 状部件的要求I1'2J.凝胶注模工艺首次利用高分子单体 聚合进行陶瓷部件的成形,它将传统陶瓷注浆工艺和聚 合物化学有机地结合起来,开创了在陶瓷成形工艺中利 用高分子单体聚合进行成形的新技术.由于凝胶注模成 形工艺的实用性和先进性,该技术自20世纪90年代初 公布后就得到各国科学工作者的,泛关注与重视,经过 多年的发展改进,凝胶注模工艺日臻完善,现在不仅是 现代陶瓷材料制备中一种重要的成形方法,并且随着对 该技术的进一步研究与发展,也在粉末冶金领域成为复 杂形状金属部件近净成形的新工艺L3J. 2凝胶注模成形技术概况 按所用溶剂是有机物还是水溶液,凝胶注模成形可 分为非水溶性凝胶注模成形(NonaqueousGel—casting) 和水溶性凝胶注模成形(AqueousGel—casting)I4.5].这 两类凝胶注模成形工艺流程都是一致的,如图l所示 f6] .凝胶注模成形的基本原理是在高固含量,低粘度的 陶瓷或金属粉料料浆内,利用有机单体在一定条件下的 自由基聚合反应,形成聚合物和溶剂交联的凝胶;聚合 物交联形成的坚固三维网状骨架,能将大部分水密封于 网络中,并使粉末颗粒因吸附作用而固定其中,与聚合 物凝胶.这样,液态料浆就转变成为具有一定强度和柔 韧性的坯体【】. 凝胶注模成形工艺的特殊性决定了它具有以下特 点:适用范围广,可成形陶瓷,金属材料的种类广泛, 并有利于成形各种复杂形状和不同尺寸的零件;使用 高固含量料浆,坯体干燥与烧结收缩小,真正实现净 近尺寸成形;注模操作和定型过程完全分离,定型靠 浆料中有机单体原位聚合形成交联网状结构的凝胶体 来实现,所以成形坯体组分,密度均匀,缺陷少,并 且干燥后的坯体强度高,可直接进行机械加工;浆料 的凝固定型时间较短且可控;该工艺对模具也无特殊 要求,金属,玻璃和塑料等都可用于凝胶注模成形, 它是一种典型的低投入,低成本注浆成形技术I9.】. 图l凝胶注模成形工艺流程图 Fig.1Processflowdiagramofgel—castingtechnology 收稿日期:2007—08—30 作者简介:贺卫卫,男,1980年生,硕士,西北有色金属研究院粉末冶金研究所,陕西 西安7l0016,电话:029—86231095,E—mail hewi126@126.com ?384?稀有金属材料与工程第36卷 3在粉末冶金领域的应用研究 由于金属粉末冶金材料的成形工艺与陶瓷材料具 有很大相似性,所以凝胶注模技术现在也应用到金属 粉末的成形.近年来已有不少科学机构,如美国的橡 树岭国家实验室,Stanford大学,国内北京科技大学 的粉末冶金研究所都对凝胶注模技术在粉末冶金领域 的应用进行了一定研究. 3.1国外的应用研究现状 对于金属粉末的凝胶注模成形,M.A.Janney等人 指出,由于物理性质与陶瓷粉末的明显不同,如陶瓷 粉末氧化铝,氮化硅等粒径较小,其平均直径0.2,5 /am,密度为2-6g/cm.但是金属粉体平均直径20,100 /am,密度为7-9g/cm,所以金属粉体本身物理特性 对其凝胶注模成形会带来一些有利和不利的影响.有 利的方面就是粗的金属粉末比陶瓷粉末更容易分散, 有利于得到高固相含量的悬浮体;而且金属凝胶体的 空隙较大,其坯体干燥可以在较快的速度下进行,有 利于减少干燥过程中产生的毛细作用力.不利的方面, 首先是更大直径和密度的金属粉体容易在悬浮液中沉 淀,这将导致料浆凝聚和胀性流动;其次就是由于大 密度的金属使得作用于生坯件的质量力较大.此外, 在浆料凝胶成坯后会碰到翘面,变形,还有装卸转运 的有关问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 [1".解决这些不利因素的关键就是开发出 适宜金属粉体成形的凝胶体系.橡树岭国家实验室的 研究者依此展开研究,对镍基超耐热合金粉和H13工 具钢粉的凝胶注模成形工艺进行了大量研究.他们选 用小于44pm的镍基超合金粉,以水溶性凝胶注模工 ,五角形的Ni.362.3, 艺成形出各种形状如圆形,方形 并且流动性较好的浆料还可以制得形状复杂的涡轮机 叶轮".经凝胶注模成形后的H13钢生坯可以用电脑 数值控制三轴铣床进行机加工,烧结后,其烧结体密 度最高可达理论密度的91%.Stanford大学的研究 者将凝胶注模成形技术与MoldDF(moldshape depositionmanufacturing)工艺相结合,在快速分层制 备的腊模内通过浇注高固含量的金属粉末料浆,成功 制备出形状复杂的不锈钢叶轮(图2所示),该烧结叶 轮的微观结构及力学性能优良,可媲美传统工艺所制 备的粉末冶金件[?】. 3.2国内的应用研究现状 在国内,目前只有北京科技大学粉末冶金研究所 就金属粉末的凝胶注模成形技术进行了一一定研究.该 机构采用的是水溶性凝胶注模技术,其凝胶注模成形 体系以去离子水为溶剂,丙烯酰胺(AM)为有机单 体,N,N一亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)为交联剂,过 DO一50mm图2复杂形状的不锈钢叶轮 Fig.2Stainlesssteelimpellerwithcomplexshape 硫酸铵(APS)为引发剂,分散剂采用自制的MET或 柠檬酸铵.采取凝胶注模成形的工艺路线,该科研机 构已成功制备出复杂形状的铁基零件,高碳钢, Fe.Cu—C合金以及Ti6AI4V合金.在铁基零件的凝胶 注模成形中,刘卫华等研究了分散剂,固相体积分数 对浆料流变性的影响.通过制取低粘度,高固相体积 分数的铁基粉末浆料,并对干燥过程及烧结制度进行 优化处理,凝胶注模成形的复杂形状坯体经烧结后可 得到力学性能优良的零件.在相同材料成分的前提下, 采用凝胶注模成形工艺制备出的铁基零件可以达到甚 至超过传统粉末冶金工艺制备的零件的性能[14,15],见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1.此外,刘卫华等还对高碳钢以及Fe—Cu—C合金 的凝胶注模成形工艺进行了探讨,分别制备出形状如 图3所示的高碳钢及Fe.Cu.C合金零件.并使这些零 件的力学性能都达到或超过传统粉末冶金件[16,17]. 表12种成形工艺所得制品的性能比较 Table1Comparisonofmechanicalpropertiesbytwokindsof formingprocess 图3凝胶注模成形的复杂形状金属部件 Fig.3Metalpartswithcomplexshapeformedbygel-casting 增刊3贺卫卫等:凝胶注模成形技术在粉末冶金中的应用?385? 除了研究铁基金属零件的凝胶注模成形工艺,茹 敏朝等以气雾化或氢化脱氢工艺制备的Ti6A14V合金 粉末为原料,通过控制单体和交联剂的浓度在一较高 数值,使单体聚合形成高强度凝胶,更好的包裹住密 度较大的金属颗粒,获得如图4所示复杂形状凝胶注模 坯体.在该研究中,作者详细讨论了钛合金粉末的颗 粒形状对料浆固相含量的影响.其结果表明:采用球 形金属粉末配制成的浆料固相含量最高,近球形粉末 次之,片状最低【l引. 4凝胶注模成形Ti6AI4V合金坯体 Fig.4Ti6AI4Vbodyformedbygel—casting 3.3在粉末冶金领域的应用前景 凝胶注模成形技术可用来成形复杂形状,大型尺 寸的金属零件,其成形坯体组分,密度均匀,缺陷少, 强度高,并且该工艺所需模具成本低廉,不需专门的 脱脂工序,能适用于多种金属粉末的成形.由于具备 这些独特优势,凝胶注模成形技术在粉末冶金机械零 件,磁性材料,多孔材料,金属陶瓷材料等领域具有 广阔的应用前景?引. 粉末冶金机械零件包括烧结铁基零件,有色金属 零件以及粉末冶金不锈钢等.这些金属零件的成形, 尤其是那些难成形的金属粉末如钛粉,采用传统压制 方法较难获得复杂形状.但对易于获得复杂形状的成 形方法如热压铸或注射成形需加入质量分数较高的石 蜡或其他有机物,不适用于大尺寸零件,并且成形后 零件需脱脂处理,整个工艺过程繁琐.从而使得传统 粉末冶金成形工艺较难获得大尺寸,复杂形状的金属 零件.凝胶注模技术正好能解决这个难题,该工艺能 适用于多种金属粉末,并可以在较低成本的前提下同 时满足大尺寸,复杂形状的要求.国内学者已在Fe 基,高碳钢及Ti6A14V合金零件的凝胶注模成形工艺 研究中取得较大突破. 对于粉末冶金磁性材料,作为…种湿法无压成形 技术,凝胶注模成形非常有利于制备高磁性能的材料. 在制备磁性材料的磁场成形阶段,改善磁粉在磁场中 取向度是提高永磁体磁性能的关键.凝胶注模的湿法 无压成形工艺,可以降低磁粉转动阻力,使磁粉最大 限度地排列在外磁场方向,从而提高磁取向度获得高 的磁性能,并且该工艺所需模具结构简单,有利于从 各个方向外加磁场的设置,从而使设备成本大大降低. 粉末冶金多孔材料是采用粉末冶金工艺制备的孔 隙率达到15%的金属材料.利用高分子聚合反应使金 属粉体彼此聚集而固结成形的凝胶注模成形工艺非常 适宜多孔材料的成形,通过改变料浆的固含量,控制 成形阶段高分子聚合的比例和体积,就可得到不同孔 隙率的多孔材料,并且该工艺也有利于成形复杂形状 的零件.如多孔钛镍合金,这类合金强度高,密度低, 耐腐蚀性强.弹性模量与人骨弹性模量接近,生物相 容性好,生物界面结合牢固,是较理想的生物医学植 入材料.但是制备高孔隙度钛镍合金却比较困难:传 统生产钛镍合金的熔铸法只能得到致密材料,而不能 制备多孔体合金.凝胶注模技术通过改变料浆的固相 含量,可以获得高孔隙度,复杂形状,大尺寸的多孔 钛镍合金人造骨材料.因此,将该工艺应用多孔金属 材料具有很大的理论意义和实用价值. 金属陶瓷是金属或合金与一种或几种陶瓷相组成 的多相组合物,其中陶瓷相组分的体积分数约为 15%,85%.金属陶瓷中的金属和非金属都是以微小 尺度复合的,其中非金属大都是以一种近于等轴状的 细颗粒弥散和粘结于金属基体中.由于金属陶瓷中含 有不少非金属的陶瓷细粉体,所以采用凝胶注模工艺 时就能较容易制备出高固含量,高悬浮性的复合体系 料浆,浓悬浮体复合料浆的制得必然有利于金属陶瓷 的成形.显然该工艺在金属陶瓷制备中也具有较大应 用前景. 3.4应用存在的难点及应对策略 如前所述,由于金属粉末不同于陶瓷粉末的物理 及化学性质,如密度,粒度,易氧化性以及金属离子 (Fe,Cu2+,A1,Ca)等对聚合凝胶反应的促进 或抑制作用,使得凝胶注模成形技术在金属粉末成形 工艺中的应用存在一些难点. 针对金属粉体密度,粒度较大,难制备高浓度悬 浮料浆问题,有必要借鉴其他金属粉末湿法成形技术 的经验,通过大量的对比实验,选择能够将浆料中的 金属粉末有效悬浮分散的分散剂.此外,由于不同金 属粉末的物化性质存在较大差异,能够将其有效悬浮 分散的分散剂各不相同,这就需要针对特定的金属粉 末分别进行分散剂效能的对比实验,并在大量试验基 础上确定最佳的分散剂组合及其配比;对于在凝胶体 系中易氧化金属粉末,就必须添加防氧化剂和选择适 合的凝胶体系,特别是溶剂.进行凝胶注模成形时, ?386?稀有金属材料与工程第36卷 要防止溶剂与金属粉料发生反应,并且在成形后立即 用真空干燥法除去坯体中的溶剂以抑制粉料的氧化, 或在高真空下进行烧结与热处理等:为应对金属离子 验掌 对聚合反应的促进或抑制作用,需要通过模拟实握各种金属离子对凝胶聚合反应的影响,对金属粉料 进行化学分析,确定其中所含金属离子,或通过调节 料浆pH值,或加入适当的化学试剂等方法去除对聚 合凝胶反应有影响的金属离子L2…. 参考文献References 【1】JanneyMA,TennK.USPatent,4894194[P],1990 【2】JanneyMAeta1.USPatent,5145908[P],1992 【3】LiuWeihua(~tJ卫华)a1.ElectricalEngineeringMaterials(电 工材料)【J】,2004,4:27 【4】OmateteO0eta1.CeramicBulletin[J],1991,70(10):1641 【5】JanneyMAeta1.USPatent,5028362[P],1991 【6】JunhuiXiangeta1.MaterialsScienceandEngineeringJ】, 2002,323:336 【7】Liuweihua(刘卫华)P,a1.MaterialsReview(材料导报)【J】, 2006,20(1,:19 【8】GilissenReta1.MaterialsandDesign[J],2000,21(4):251 【9】DuJinghong(杜景红)a1.Ceramics(陶瓷)【J],2006,1:19 【10】LiuKaiqi(~tJ开琪)a1.Refractories(耐火材料)【J],2004, 38(5):343 【11】JanneyMA.ProceedingsoftheInternationalConferenceon PowderMetallurgyinAerospac[C].NewYork:Defenseand DemandingApplications,1995:139 【12】JanneyMAeta1.MaterialsandManufacturingProcesses[J], 1998,13(3):389 【13】JurgenStampfleta1.MaterialsScienceandEngineeringAp], 2002,334(1—2):187 【l4】Liuweihua(刘卫华)eta1.PowderMetallurgyIndustry(粉末 冶金工业)【J】,2006,l6(1):6 【15】ChengchangJiaeta1.JournalofUniversityofScienceand TechnolgyBeiiing[J],2006,l3(1):29 【16】LiuWeihua(刘卫华)eta1.JournalofUniversityofScience andTechnologyBeo'ing(北京科技大学)【J],2006, 28(4,:361 【17】LiuWeihua(刘卫华)eta1.JournalofMaterials Engineering(材料工程)【J】j2006,4:33 【18】RuMinchao(茹敏朝)eta1.RareMetalsLetters(稀有金属快 报)【J],2006,25(12):32 [191WangPanxin(王盘鑫).PowderMetallurgy(粉末冶金)【M】, BeOing:MetallurgicalIndustryPress,2003:278 【20】LiYan(李艳)a1.PowderMetallurgyIndustry(粉末冶金工 业)【J],2006,l6(5):34 TheApplicationofGel-CastingTechniqueinPowderMetallurgy HeWeiwei,TangHuiping,LiuHaiyan,HuangYuanping,JinPeng fNorthwestInstituteforNonferrousMetalResearch,Xi'an710016,China) Abstract:Gel— -castingisanear??net??shapeformingprocessthatwasfirstlyusedtoformceramicpowderswithlarge??sizeorcomplex shapes.Withthedevelopmentofthenewtechnique,gel— castingisgraduallyappliedinpowdermetallurgyfields.Thispapersummarizes theappliedresearchstatusandextensiveprospectofgel-castingtechniqueusedinformingmetalpowder,andthetechnicaldifficultiesand counter-measuresinapplicationarealsodiscussed. Keywords:gel-casting;powdermetallurgy;application Biography:HeWeiwei,Master,PowderMerallurgyResearchCenter,NorthwestInstituteforNonferrousMetalResearch,Xi'an710016, P.R.China,Tel:0086—29—86231095,E—mail:hewi126@126.com