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CN107159878A - 一种金属料体及其制备方法和应用 - Google Patents

一种金属料体及其制备方法和应用 Download PDF

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CN107159878A
CN107159878A CN201710343975.8A CN201710343975A CN107159878A CN 107159878 A CN107159878 A CN 107159878A CN 201710343975 A CN201710343975 A CN 201710343975A CN 107159878 A CN107159878 A CN 107159878A
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China
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solvent
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侯春树
周龙金
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Kunshan Kademuxin Mstar Technology Ltd
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Abstract

本发明涉及一种金属料体及其制备方法和应用，所述金属料体的制备方法为：将金属材料粉体与高分子材料和溶剂混合，在容器中利用机械力的作用去除粉体表面包覆的氧化层，得到混合物；除去混合物中的溶剂后，将得到的高分子材料包覆的金属材料粉体进行造粒；造粒完成后，将得到的颗粒烘烤成型，得到高分子材料完全包覆的金属料体。本发明利用物理的方法实现了对氧化膜的完全去除，且能够有效避免金属材料表面氧化层的再次产生。得到的高分子材料完全包覆的金属料体，可以应用于注塑烧结工艺中，增加了金属材料的应用面。尤其是将铝及铝合金引入注塑烧结工艺，能够制作尺寸小、结构复杂的铝及铝合金零部件，具有良好的经济效益和广阔的应用前景。

Description

一种金属料体及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及金属粉体材料制备领域，具体涉及一种金属料体及其制备方法和应用。
背景技术
金属及其合金材料在空气中极易被氧化，在表面形成氧化膜，氧化膜的存在会影响金属材料的烧结性能。
以铝及铝合金为例，室温下，块状铝合金表面氧化膜为10-20μm，而雾化法制备出的铝合金粉末，其氧化膜的厚度达到50-150μm，且为非晶态或水合物，性质非常稳定，高温下难以分解。常规条件下烧结时，铝金属原子不能扩散穿过这层连续且致密的氧化膜，粉末颗粒之间不能互相融合长大，难以消除孔隙以使制品达到致密化。
现有技术中一般通过破坏金属材料表面的氧化膜或液相烧结的方法来改善铝及铝合金的烧结性能。
所述破坏表面的氧化膜的方式主要为方面有下列方式：(1)添加镁金属进行固相反应烧结：镁的活性远大于铝，其氧化物形成的自由能比Al2O3要小得多，因此，镁添加剂应用于铝合金的粉末烧结中，可以将Al2O3还原成纯金属铝，生成镁铝尖晶石结构的氧化物。镁在铝基体中扩散，使体积发生改变，在氧化膜上产生剪切力，最终破坏氧化膜，有利于原子的扩散和烧结的顺利进行，提高铝合金的密度。然而经研究发现。铝合金中镁的添加量要达到0.15％才能引起烧结体积的收缩，实现对氧化膜的有效消除，同时起到固溶强化的作用。(2)还原气氛烧结：在还原性气氛下烧结时，颗粒周围的还原性气体与Al2O3反应，置换出金属铝。常用的还原气体氢气是非常活泼的化学元素。与金属氧化物能发生置换反应。同样，氢气也能与氧化物Al2O3发生反应，烧结过程中，Al2O3薄膜通过不断反应而逐渐减薄，从而使颗粒间的铝原子扩散得以进行，使块状材料变的致密。然而氢气存在安全隐患，还会增加生产成本。
在液相烧结方面有下列方式：金属及其合金粉末压坯仅通过固相烧结难以获得很高的密度，如果在一定的烧结温度下，低熔组元熔化形成低熔共晶物，由液相引起的物质迁移比固相快，最终液相将填满烧结体内的空隙，由此可以获得密度高、性能好的烧结品。然而液相烧结铝合金制品的添加相必须具备以下条件：(1)低于铝合金熔点；(2)与铝不互溶；(3)产生的液相须对铝合金颗粒表面有良好的润湿性。常用的添加相有Cu、Sn、Zn、Mg等金属，或者将这些金属元素复合添加。
上述的方式都是通过化学反应实现对金属材料氧化膜的去除，并不能有效避免氧化层的再次产生。去除氧化膜后，所述金属材料表面会再度被氧化。因此，利用金属材料进行注塑烧结一直是一个难点，尤其是铝及铝合金，其表面极易被氧化，无法在注塑烧结工艺中使用。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种金属料体及其制备方法和应用，弥补了目前利用化学反应方式去除金属氧化膜技术中存在的不足，能够有效避免金属材料表面氧化层的再次产生。同时，得到的金属料体可以与注塑烧结工艺完美结合，尤其是实现了将铝及铝合金引入注塑烧结工艺，能够制备出性能更好的产品，获得更大的经济效益。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种金属料体的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将金属材料粉体与高分子材料和溶剂混合，在容器中利用机械力的作用去除粉体表面包覆的氧化层，得到混合物；
(2)除去步骤(1)得到的混合物中的溶剂，得到经高分子材料包覆的金属材料粉体；
(3)将步骤(2)得到的高分子材料包覆的金属材料粉体进行造粒；
(4)步骤(3)所述造粒完成后，将得到的颗粒烘烤成型，得到高分子材料完全包覆的金属料体。
本发明通过使金属材料粉体在与高分子材料和溶剂混合的状态下，利用机械力使表面氧化层因颗粒间摩擦而脱落，同时因粉体浸在溶剂内，可以保持金属材质避免二次氧化产生。弥补了目前利用化学反应方式去除金属氧化膜技术中存在的不足，能够有效避免金属材料表面氧化层的再次产生。
通过后续的去除溶剂、造粒以及烘烤成型的操作，得到了高分子材料完全包覆的金属料体。由于高分子材料的隔绝作用，所述金属料体不会被氧化，进而可以应用于注塑烧结工艺中。
根据本发明，步骤(1)所述金属材料为纯金属和/或其对应的合金。
本发明提供的工艺适合绝大部分常用的纯金属及其对应的合金材料，例如可以是铜及铜合金、铝和/或铝合金、钛及钛合金、铁及铁合金、钕及钕合金等，但非仅限于此，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
本发明所述的金属材料优选为铝和/或铝合金；所述铝合金可以为2XXX系列铝-铜基合金、3XXX系列铝-锰基合金、4XXX系列铝-硅基合金、5XXX系列铝-镁基合金、6XXX系列铝-镁-硅基合金或7XXX系列铝-镁-锌基合金中的任意一种。
根据本发明，所述铝合金中可以选择性的添加非金属强化相。
根据本发明，所述非金属强化相为陶瓷材料，优选为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷或硼化物陶瓷中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷或硼化物陶瓷中的任意一种；典型但非限定性的组合为：氧化物陶瓷和氮化物陶瓷；碳化物陶瓷和硼化物陶瓷；氧化物陶瓷和碳化物陶瓷；氧化物陶瓷和硼化物陶瓷；氮化物陶瓷和碳化物陶瓷；氮化物陶瓷和硼化物陶瓷；氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷；氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和硼化物陶瓷；氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和硼化物陶瓷；氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和硼化物陶瓷。
根据本发明，步骤(1)所述高分子材料为本领域常用的热固性高分子材料和/或热塑性高分子材料，例如可以是酚醛塑料、环氧塑料、氨基塑料、不饱和聚酯、醇酸塑料、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚碳酸酯，聚酰胺、丙烯酸类塑料、其它聚烯烃及其共聚物、聚砜或聚苯醚等，但非仅限于此，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，步骤(1)所述溶剂为芳香烃类、脂肪烃类、脂环烃类、卤化烃类、醇类、醚类、酯类、酮类或二醇衍生物中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是芳香烃类、脂肪烃类、脂环烃类、卤化烃类、醇类、醚类、酯类、酮类或二醇衍生物中的任意一种；典型但非限定性的组合为：芳香烃类和脂肪烃类；脂环烃类和卤化烃类；醇类和醚类；酯类和酮类；芳香烃类和二醇衍生物；脂肪烃类、脂环烃类和卤化烃类等，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，步骤(1)中将金属材料粉体与高分子材料和溶剂混合后，在球磨桶中利用球磨的方式去除粉体表面包覆的氧化层。
使用球磨的方式去除粉体表面包覆的氧化层的优点是：除粉体间的摩擦外可借助磨粒的种类强化研磨速率及效果，且设备简单，易于操作。
本发明对步骤(1)中机械力作用的时间不做特殊限定，利用机械力对粉体、高分子材料和溶剂的混合物进行持续的作用，至金属材料粉体表面的氧化层完全破碎除去为止。
优选地，步骤(1)所述粉体与高分子材料在浸没在所述溶剂中。
根据本发明，步骤(2)中利用加热将溶剂蒸发和/或抽真空的方式对混合物中的溶剂进行回收。
根据本发明，步骤(3)所述造粒后，得到粒径D90分布在100-150μm的颗粒，所述颗粒的粒径可以是100μm、105μm、110μm、115μm、120μm、125μm、130μm、135μm、140μm、145μm或150μm，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，步骤(4)所述烘烤成型的温度为140-180℃，例如可以是140℃、145℃、150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃或180℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的方法制备得到的金属料体。
本发明得到的金属料体，高分子材料完全包覆在金属材料粉体外部，有效的隔绝了氧气，阻止金属材料粉体被氧化。可作为原料与后续金属制品的制备工艺完美衔接。
第三方面，本发明提供一种如第二方面所述的金属料体的应用，所述金属料体应用于注塑烧结工艺。
示例性的，所述应用的具体操作可以为以下步骤，但非仅限于此：
(1)将所述金属料体与高分子材料混炼造粒；
(2)将步骤(1)造粒形成的颗粒注射成形，得到生坯产品；
(3)将步骤(2)得到的生坯产品进行脱脂；
(4)将步骤(3)脱脂后的产品进行烧结，得到成品；
(5)任选地，对步骤(4)得到的成品进行后加工处理。
优选地，步骤(1)所述金属料体与高分子材料的体积的比例为(40-70):(60-30)，例如可以是2:3、3:4、4:5、1:1、5:4、4:3、3:2、5:3、2:1或7:3，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
本发明在上述应用过程中所述高分子材料为注塑烧结工艺中常用的材料，例如可以是酚醛塑酯、环氧塑酯、氨基塑酯、不饱和聚酯或醇酸塑酯等，但非仅限于此，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
优选地，步骤(1)所述混炼的温度为165-175℃，例如可以是165℃、166℃、167℃、168℃、169℃、170℃、171℃、172℃、173℃、174℃或175℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，步骤(1)所述混炼的时间为0.5-2h，例如可以是0.5h、0.7h、1h、1.2h、1.5h、1.7h或2h，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，步骤(1)所述造粒后形成的颗粒的粒径为3-5mm，例如可以是3mm、3.3mm、3.5mm、3.8mm、4mm、4.3mm、4.5mm、4.8mm或5mm，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，步骤(2)所述注射的温度为180-210℃，例如可以是180℃、185℃、190℃、195℃、200℃、205℃或210℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，步骤(2)所述注射的压力为90-120MPa，例如可以是90MPa、95MPa、100MPa、105MPa、110MPa、115MPa或120MPa，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，步骤(3)所述脱脂的温度100-140℃，例如可以是100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃或140℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，步骤(3)所述脱脂的方法可以为溶脱、酸脱或水脱中的任意一种。
优选地，步骤(4)所述烧结的温度为550-620℃，例如可以是550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃、610℃或620℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，步骤(4)所述烧结的时间为1-4h，例如可以是1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h或4h，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
任选地，通过后加工处理对成品进行精密尺寸及外观表面的再加工，以满足对客户对产品的要求。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明弥补了目前利用化学反应方式去除金属氧化膜技术中存在的不足，利用物理的方法实现了对氧化膜的完全去除，且能够有效避免金属材料表面氧化层的再次产生。
(2)本发明得到了高分子材料完全包覆金属材料粉体的金属料体，可作为原料与后续金属制品的制备工艺完美衔接，增加了金属材料的应用面。
(3)本发明得到的金属料体可应用于注塑烧结工艺中，通过将铝及铝合金引入注塑烧结工艺，能够制作尺寸小、结构复杂的铝及铝合金零部件。
附图说明
图1是本发明一种具体实施方式提供的金属粉体制备以及应用的工艺流程图。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明在具体实施方式部分提供了一种金属粉体的制备方法以及其应用方法。如图1所示，本发明一种具体实施方式提供的金属粉体制备以及应用的工艺流程为：将金属材料粉体与高分子材料和溶剂混合，在容器中利用机械力的作用去除粉体表面包覆的氧化层，得到混合物；除去混合物中的溶剂后，将得到的高分子材料包覆的金属材料粉体进行造粒；造粒完成后，将得到的颗粒烘烤成型，得到高分子材料完全包覆的金属料体；将所得金属料体与高分子材料混炼造粒；将造粒形成的颗粒注射成形，得到生坯产品；将生坯产品进行脱脂；将脱脂后的产品进行烧结，得到成品；对得到的成品进行后加工处理。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
按照以下方法制备金属料体：
(1)将6XXX系列铝-镁-硅基合金粉体与酚醛塑酯和乙醇溶剂混合后置于球磨桶中，球磨10h后得到混合物；
(2)去除步骤(1)得到的混合物的表面浮渣，对混合物进行加热使溶剂蒸发，同时利用抽真空的方式对溶剂进行回收，得到经酚醛塑酯包覆的铝合金材料粉体；
(3)利用造粒机对步骤(2)得到的酚醛塑酯包覆的铝合金材料粉体进行造粒，得到粒径D90分布在100-150μm的颗粒；
(4)将步骤(3)得到的颗粒在180℃下进行烘烤，颗粒表面固化，得到酚醛塑酯完全包覆的铝合金料体。
将本实施制备的铝合金料体应用于注射成形脱脂工艺，包括以下步骤：
(1)将所述铝合金料体与聚甲醛按1:1的体积比混合，将其在密炼机中170℃下混炼1h；然后转至造粒机中造成粒径为3-5mm的颗粒；
(2)将步骤(1)得到的颗粒在200℃的温度、100MPa的压力下进行注射，得到所需形状的生坯；
(3)将步骤(2)得到的生坯转移至脱脂炉中，在120℃、介质为硝酸的条件下注酸脱脂4.5h；
(4)将脱脂后的产品在600℃下烧结2.5h，即得到6XXX系列铝-镁-硅基合金烧结成品件。
实施例2
按照以下方法制备金属料体：
(1)将3XXX系列铝-锰基合金粉体与2wt％的氧化陶瓷粉、酚醛塑酯和乙醇溶剂混合后置于球磨桶中，球磨8h后得到混合物；
(2)去除步骤(1)得到的混合物的表面浮渣，利用抽真空的方式对对混合物中的溶剂进行回收，得到经酚醛塑酯包覆的铝合金材料粉体；
(3)利用造粒机对步骤(2)得到的酚醛塑酯包覆的铝合金材料粉体进行造粒，得到粒径D90分布在100-150μm的颗粒；
(4)将步骤(3)得到的颗粒在160℃下进行烘烤，颗粒表面固化，得到酚醛塑酯完全包覆的铝合金料体。
将本实施制备的铝合金料体应用于注射成形脱脂工艺，包括以下步骤：
(1)将所述铝合金料体与聚甲醛按3:2的体积比混合，将其在密炼机中175℃下混炼0.8h；然后转至造粒机中造成粒径为3-5mm的颗粒；
(2)将步骤(1)得到的颗粒在210℃的温度、120MPa的压力下进行注射，得到所需形状的生坯；
(3)将步骤(2)得到的生坯转移至脱脂炉中，在140℃、介质为硝酸的条件下注酸脱脂4h；
(4)将脱脂后的产品在620℃下烧结1h，即得到3XXX系列铝-锰基合金烧结成品件。
实施例3
按照以下方法制备金属料体：
(1)将7XXX系列铝-镁-锌基合金与聚乙烯和乙醇溶剂混合后置于球磨桶中，球磨6h后得到混合物；
(2)去除步骤(1)得到的混合物的表面浮渣，对混合物进行加热使溶剂蒸发，同时对溶剂进行回收，得到经聚乙烯包覆的铝合金材料粉体；
(3)利用造粒机对步骤(2)得到的聚乙烯包覆的铝合金材料粉体进行造粒，得到粒径D90分布在100-150μm的颗粒；
(4)将步骤(3)得到的颗粒在140℃下进行烘烤，颗粒表面固化，得到聚乙烯完全包覆的铝合金料体。
将本实施制备的铝合金料体应用于注射成形脱脂工艺，包括以下步骤：
(1)将所述铝合金料体与聚甲醛按7:3的体积比混合，将其在密炼机中165℃下混炼2h；然后转至造粒机中造成粒径为3-5mm的颗粒；
(2)将步骤(1)得到的颗粒在180℃的温度、90MPa的压力下进行注射，得到所需形状的生坯；
(3)将步骤(2)得到的生坯转移至脱脂炉中，在100℃、介质为硝酸的条件下注酸脱脂5h；
(4)将脱脂后的产品在550℃下烧结4h，即得到7XXX系列铝-镁-锌基合金烧结成品件；
(5)对步骤(4)得到的成品件进行精密尺寸及外观表面的再加工。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种金属料体的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将金属材料粉体与高分子材料和溶剂混合，在容器中利用机械力的作用去除粉体表面包覆的氧化层，得到混合物；
(2)除去步骤(1)得到的混合物中的溶剂，得到经高分子材料包覆的金属材料粉体；
(3)将步骤(2)得到的高分子材料包覆的金属材料粉体进行造粒；
(4)步骤(3)所述造粒完成后，将得到的颗粒烘烤成型，得到高分子材料完全包覆的金属料体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述金属材料为纯金属和/或其对应的合金；
优选地，所述金属材料为铝和/或铝合金；
优选地，所述铝合金为2XXX系列铝-铜基合金、3XXX系列铝-锰基合金、4XXX系列铝-硅基合金、5XXX系列铝-镁基合金、6XXX系列铝-镁-硅基合金或7XXX系列铝-镁-锌基合金中的任意一种；
优选地，所述铝合金中含有非金属强化相；
优选地，所述非金属强化相为陶瓷材料，优选为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷或硼化物陶瓷中的任意一种或至少两种的组合。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述高分子材料为热固性高分子材料和/或热塑性高分子材料。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述溶剂为芳香烃类、脂肪烃类、脂环烃类、卤化烃类、醇类、醚类、酯类、酮类或二醇衍生物中的任意一种或至少两种的组合。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)中将金属材料粉体与高分子材料和溶剂混合后，在球磨桶中利用球磨的方式去除粉体表面包覆的氧化层；
优选地，步骤(1)所述粉体与高分子材料在浸没在所述溶剂中。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中利用加热将溶剂蒸发和/或抽真空的方式对混合物中的溶剂进行回收。
7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述造粒后，得到粒径D90分布在100-150μm的颗粒。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述烘烤成型的温度为140-180℃。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法制备得到的金属料体。
10.如权利要求9所述的金属料体的应用，其特征在于，所述金属料体应用于注塑烧结工艺；
优选地，所述应用包括以下步骤：
(1)将所述金属料体与高分子材料混炼造粒；
(2)将步骤(1)造粒形成的颗粒注射成形，得到生坯产品；
(3)将步骤(2)得到的生坯产品进行脱脂；
(4)将步骤(3)脱脂后的产品进行烧结，得到成品；
(5)任选地，对步骤(4)得到的成品进行后加工处理。
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