本發(fā)明涉及金屬粉體材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種金屬料體及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
金屬及其合金材料在空氣中極易被氧化，在表面形成氧化膜，氧化膜的存在會影響金屬材料的燒結(jié)性能。
以鋁及鋁合金為例，室溫下，塊狀鋁合金表面氧化膜為10-20μm，而霧化法制備出的鋁合金粉末，其氧化膜的厚度達到50-150μm，且為非晶態(tài)或水合物，性質(zhì)非常穩(wěn)定，高溫下難以分解。常規(guī)條件下燒結(jié)時，鋁金屬原子不能擴散穿過這層連續(xù)且致密的氧化膜，粉末顆粒之間不能互相融合長大，難以消除孔隙以使制品達到致密化。
現(xiàn)有技術(shù)中一般通過破壞金屬材料表面的氧化膜或液相燒結(jié)的方法來改善鋁及鋁合金的燒結(jié)性能。
所述破壞表面的氧化膜的方式主要為方面有下列方式：(1)添加鎂金屬進行固相反應(yīng)燒結(jié)：鎂的活性遠大于鋁，其氧化物形成的自由能比al2o3要小得多，因此，鎂添加劑應(yīng)用于鋁合金的粉末燒結(jié)中，可以將al2o3還原成純金屬鋁，生成鎂鋁尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物。鎂在鋁基體中擴散，使體積發(fā)生改變，在氧化膜上產(chǎn)生剪切力，最終破壞氧化膜，有利于原子的擴散和燒結(jié)的順利進行，提高鋁合金的密度。然而經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)。鋁合金中鎂的添加量要達到0.15％才能引起燒結(jié)體積的收縮，實現(xiàn)對氧化膜的有效消除，同時起到固溶強化的作用。(2)還原氣氛燒結(jié)：在還原性氣氛下燒結(jié)時，顆粒周圍的還原性氣體與al2o3反應(yīng)，置換出金屬鋁。常用的還原氣體氫氣是非?；顫姷幕瘜W(xué)元素。與金屬氧化物能發(fā)生置換反應(yīng)。同樣，氫氣也能與氧化物al2o3發(fā)生反應(yīng)，燒結(jié)過程中，al2o3薄膜通過不斷反應(yīng)而逐漸減薄，從而使顆粒間的鋁原子擴散得以進行，使塊狀材料變的致密。然而氫氣存在安全隱患，還會增加生產(chǎn)成本。
在液相燒結(jié)方面有下列方式：金屬及其合金粉末壓坯僅通過固相燒結(jié)難以獲得很高的密度，如果在一定的燒結(jié)溫度下，低熔組元熔化形成低熔共晶物，由液相引起的物質(zhì)遷移比固相快，最終液相將填滿燒結(jié)體內(nèi)的空隙，由此可以獲得密度高、性能好的燒結(jié)品。然而液相燒結(jié)鋁合金制品的添加相必須具備以下條件：(1)低于鋁合金熔點；(2)與鋁不互溶；(3)產(chǎn)生的液相須對鋁合金顆粒表面有良好的潤濕性。常用的添加相有cu、sn、zn、mg等金屬，或者將這些金屬元素復(fù)合添加。
上述的方式都是通過化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)對金屬材料氧化膜的去除，并不能有效避免氧化層的再次產(chǎn)生。去除氧化膜后，所述金屬材料表面會再度被氧化。因此，利用金屬材料進行注塑燒結(jié)一直是一個難點，尤其是鋁及鋁合金，其表面極易被氧化，無法在注塑燒結(jié)工藝中使用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種金屬料體及其制備方法和應(yīng)用，彌補了目前利用化學(xué)反應(yīng)方式去除金屬氧化膜技術(shù)中存在的不足，能夠有效避免金屬材料表面氧化層的再次產(chǎn)生。同時，得到的金屬料體可以與注塑燒結(jié)工藝完美結(jié)合，尤其是實現(xiàn)了將鋁及鋁合金引入注塑燒結(jié)工藝，能夠制備出性能更好的產(chǎn)品，獲得更大的經(jīng)濟效益。
為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
第一方面，本發(fā)明提供一種金屬料體的制備方法，所述方法包括以下步驟：
(1)將金屬材料粉體與高分子材料和溶劑混合，在容器中利用機械力的作用去除粉體表面包覆的氧化層，得到混合物；
(2)除去步驟(1)得到的混合物中的溶劑，得到經(jīng)高分子材料包覆的金屬材料粉體；
(3)將步驟(2)得到的高分子材料包覆的金屬材料粉體進行造粒；
(4)步驟(3)所述造粒完成后，將得到的顆粒烘烤成型，得到高分子材料完全包覆的金屬料體。
本發(fā)明通過使金屬材料粉體在與高分子材料和溶劑混合的狀態(tài)下，利用機械力使表面氧化層因顆粒間摩擦而脫落，同時因粉體浸在溶劑內(nèi)，可以保持金屬材質(zhì)避免二次氧化產(chǎn)生。彌補了目前利用化學(xué)反應(yīng)方式去除金屬氧化膜技術(shù)中存在的不足，能夠有效避免金屬材料表面氧化層的再次產(chǎn)生。
通過后續(xù)的去除溶劑、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屬料體。由于高分子材料的隔絕作用，所述金屬料體不會被氧化，進而可以應(yīng)用于注塑燒結(jié)工藝中。
根據(jù)本發(fā)明，步驟(1)所述金屬材料為純金屬和/或其對應(yīng)的合金。
本發(fā)明提供的工藝適合絕大部分常用的純金屬及其對應(yīng)的合金材料，例如可以是銅及銅合金、鋁和/或鋁合金、鈦及鈦合金、鐵及鐵合金、釹及釹合金等，但非僅限于此，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉。
本發(fā)明所述的金屬材料優(yōu)選為鋁和/或鋁合金；所述鋁合金可以為2xxx系列鋁-銅基合金、3xxx系列鋁-錳基合金、4xxx系列鋁-硅基合金、5xxx系列鋁-鎂基合金、6xxx系列鋁-鎂-硅基合金或7xxx系列鋁-鎂-鋅基合金中的任意一種。
根據(jù)本發(fā)明，所述鋁合金中可以選擇性的添加非金屬強化相。
根據(jù)本發(fā)明，所述非金屬強化相為陶瓷材料，優(yōu)選為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷或硼化物陶瓷中的任意一種或至少兩種的組合，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種；典型但非限定性的組合為：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。
根據(jù)本發(fā)明，步驟(1)所述高分子材料為本領(lǐng)域常用的熱固性高分子材料和/或熱塑性高分子材料，例如可以是酚醛塑料、環(huán)氧塑料、氨基塑料、不飽和聚酯、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、丙烯酸類塑料、其它聚烯烴及其共聚物、聚砜或聚苯醚等，但非僅限于此，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉。
根據(jù)本發(fā)明，步驟(1)所述溶劑為芳香烴類、脂肪烴類、脂環(huán)烴類、鹵化烴類、醇類、醚類、酯類、酮類或二醇衍生物中的任意一種或至少兩種的組合，例如可以是芳香烴類、脂肪烴類、脂環(huán)烴類、鹵化烴類、醇類、醚類、酯類、酮類或二醇衍生物中的任意一種；典型但非限定性的組合為：芳香烴類和脂肪烴類；脂環(huán)烴類和鹵化烴類；醇類和醚類；酯類和酮類；芳香烴類和二醇衍生物；脂肪烴類、脂環(huán)烴類和鹵化烴類等，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉。
根據(jù)本發(fā)明，步驟(1)中將金屬材料粉體與高分子材料和溶劑混合后，在球磨桶中利用球磨的方式去除粉體表面包覆的氧化層。
使用球磨的方式去除粉體表面包覆的氧化層的優(yōu)點是：除粉體間的摩擦外可借助磨粒的種類強化研磨速率及效果，且設(shè)備簡單，易于操作。
本發(fā)明對步驟(1)中機械力作用的時間不做特殊限定，利用機械力對粉體、高分子材料和溶劑的混合物進行持續(xù)的作用，至金屬材料粉體表面的氧化層完全破碎除去為止。
優(yōu)選地，步驟(1)所述粉體與高分子材料在浸沒在所述溶劑中。
根據(jù)本發(fā)明，步驟(2)中利用加熱將溶劑蒸發(fā)和/或抽真空的方式對混合物中的溶劑進行回收。
根據(jù)本發(fā)明，步驟(3)所述造粒后，得到粒徑d90分布在100-150μm的顆粒，所述顆粒的粒徑可以是100μm、105μm、110μm、115μm、120μm、125μm、130μm、135μm、140μm、145μm或150μm，以及上述數(shù)值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
根據(jù)本發(fā)明，步驟(4)所述烘烤成型的溫度為140-180℃，例如可以是140℃、145℃、150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃或180℃，以及上述數(shù)值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
第二方面，本發(fā)明提供一種如第一方面所述的方法制備得到的金屬料體。
本發(fā)明得到的金屬料體，高分子材料完全包覆在金屬材料粉體外部，有效的隔絕了氧氣，阻止金屬材料粉體被氧化?？勺鳛樵吓c后續(xù)金屬制品的制備工藝完美銜接。
第三方面，本發(fā)明提供一種如第二方面所述的金屬料體的應(yīng)用，所述金屬料體應(yīng)用于注塑燒結(jié)工藝。
示例性的，所述應(yīng)用的具體操作可以為以下步驟，但非僅限于此：
(1)將所述金屬料體與高分子材料混煉造粒；
(2)將步驟(1)造粒形成的顆粒注射成形，得到生坯產(chǎn)品；
(3)將步驟(2)得到的生坯產(chǎn)品進行脫脂；
(4)將步驟(3)脫脂后的產(chǎn)品進行燒結(jié)，得到成品；
(5)任選地，對步驟(4)得到的成品進行后加工處理。
優(yōu)選地，步驟(1)所述金屬料體與高分子材料的體積的比例為(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，以及上述數(shù)值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
本發(fā)明在上述應(yīng)用過程中所述高分子材料為注塑燒結(jié)工藝中常用的材料，例如可以是酚醛塑酯、環(huán)氧塑酯、氨基塑酯、不飽和聚酯或醇酸塑酯等，但非僅限于此，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉。
優(yōu)選地，步驟(1)所述混煉的溫度為165-175℃，例如可以是165℃、166℃、167℃、168℃、169℃、170℃、171℃、172℃、173℃、174℃或175℃，以及上述數(shù)值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
優(yōu)選地，步驟(1)所述混煉的時間為0.5-2h，例如可以是0.5h、0.7h、1h、1.2h、1.5h、1.7h或2h，以及上述數(shù)值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
優(yōu)選地，步驟(1)所述造粒后形成的顆粒的粒徑為3-5mm，例如可以是3mm、3.3mm、3.5mm、3.8mm、4mm、4.3mm、4.5mm、4.8mm或5mm，以及上述數(shù)值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
優(yōu)選地，步驟(2)所述注射的溫度為180-210℃，例如可以是180℃、185℃、190℃、195℃、200℃、205℃或210℃，以及上述數(shù)值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
優(yōu)選地，步驟(2)所述注射的壓力為90-120mpa，例如可以是90mpa、95mpa、100mpa、105mpa、110mpa、115mpa或120mpa，以及上述數(shù)值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
優(yōu)選地，步驟(3)所述脫脂的溫度100-140℃，例如可以是100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃或140℃，以及上述數(shù)值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
優(yōu)選地，步驟(3)所述脫脂的方法可以為溶脫、酸脫或水脫中的任意一種。
優(yōu)選地，步驟(4)所述燒結(jié)的溫度為550-620℃，例如可以是550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃、610℃或620℃，以及上述數(shù)值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
優(yōu)選地，步驟(4)所述燒結(jié)的時間為1-4h，例如可以是1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h或4h，以及上述數(shù)值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
任選地，通過后加工處理對成品進行精密尺寸及外觀表面的再加工，以滿足對客戶對產(chǎn)品的要求。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：
(1)本發(fā)明彌補了目前利用化學(xué)反應(yīng)方式去除金屬氧化膜技術(shù)中存在的不足，利用物理的方法實現(xiàn)了對氧化膜的完全去除，且能夠有效避免金屬材料表面氧化層的再次產(chǎn)生。
(2)本發(fā)明得到了高分子材料完全包覆金屬材料粉體的金屬料體，可作為原料與后續(xù)金屬制品的制備工藝完美銜接，增加了金屬材料的應(yīng)用面。
(3)本發(fā)明得到的金屬料體可應(yīng)用于注塑燒結(jié)工藝中，通過將鋁及鋁合金引入注塑燒結(jié)工藝，能夠制作尺寸小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋁及鋁合金零部件。
附圖說明
圖1是本發(fā)明一種具體實施方式提供的金屬粉體制備以及應(yīng)用的工藝流程圖。
下面對本發(fā)明進一步詳細說明。但下述的實例僅僅是本發(fā)明的簡易例子，并不代表或限制本發(fā)明的權(quán)利保護范圍，本發(fā)明的保護范圍以權(quán)利要求書為準。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
本發(fā)明在具體實施方式部分提供了一種金屬粉體的制備方法以及其應(yīng)用方法。如圖1所示，本發(fā)明一種具體實施方式提供的金屬粉體制備以及應(yīng)用的工藝流程為：將金屬材料粉體與高分子材料和溶劑混合，在容器中利用機械力的作用去除粉體表面包覆的氧化層，得到混合物；除去混合物中的溶劑后，將得到的高分子材料包覆的金屬材料粉體進行造粒；造粒完成后，將得到的顆粒烘烤成型，得到高分子材料完全包覆的金屬料體；將所得金屬料體與高分子材料混煉造粒；將造粒形成的顆粒注射成形，得到生坯產(chǎn)品；將生坯產(chǎn)品進行脫脂；將脫脂后的產(chǎn)品進行燒結(jié)，得到成品；對得到的成品進行后加工處理。
為更好地說明本發(fā)明，便于理解本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明的典型但非限制性的實施例如下：
實施例1
按照以下方法制備金屬料體：
(1)將6xxx系列鋁-鎂-硅基合金粉體與酚醛塑酯和乙醇溶劑混合后置于球磨桶中，球磨10h后得到混合物；
(2)去除步驟(1)得到的混合物的表面浮渣，對混合物進行加熱使溶劑蒸發(fā)，同時利用抽真空的方式對溶劑進行回收，得到經(jīng)酚醛塑酯包覆的鋁合金材料粉體；
(3)利用造粒機對步驟(2)得到的酚醛塑酯包覆的鋁合金材料粉體進行造粒，得到粒徑d90分布在100-150μm的顆粒；
(4)將步驟(3)得到的顆粒在180℃下進行烘烤，顆粒表面固化，得到酚醛塑酯完全包覆的鋁合金料體。
將本實施制備的鋁合金料體應(yīng)用于注射成形脫脂工藝，包括以下步驟：
(1)將所述鋁合金料體與聚甲醛按1:1的體積比混合，將其在密煉機中170℃下混煉1h；然后轉(zhuǎn)至造粒機中造成粒徑為3-5mm的顆粒；
(2)將步驟(1)得到的顆粒在200℃的溫度、100mpa的壓力下進行注射，得到所需形狀的生坯；
(3)將步驟(2)得到的生坯轉(zhuǎn)移至脫脂爐中，在120℃、介質(zhì)為硝酸的條件下注酸脫脂4.5h；
(4)將脫脂后的產(chǎn)品在600℃下燒結(jié)2.5h，即得到6xxx系列鋁-鎂-硅基合金燒結(jié)成品件。
實施例2
按照以下方法制備金屬料體：
(1)將3xxx系列鋁-錳基合金粉體與2wt％的氧化陶瓷粉、酚醛塑酯和乙醇溶劑混合后置于球磨桶中，球磨8h后得到混合物；
(2)去除步驟(1)得到的混合物的表面浮渣，利用抽真空的方式對對混合物中的溶劑進行回收，得到經(jīng)酚醛塑酯包覆的鋁合金材料粉體；
(3)利用造粒機對步驟(2)得到的酚醛塑酯包覆的鋁合金材料粉體進行造粒，得到粒徑d90分布在100-150μm的顆粒；
(4)將步驟(3)得到的顆粒在160℃下進行烘烤，顆粒表面固化，得到酚醛塑酯完全包覆的鋁合金料體。
將本實施制備的鋁合金料體應(yīng)用于注射成形脫脂工藝，包括以下步驟：
(1)將所述鋁合金料體與聚甲醛按3:2的體積比混合，將其在密煉機中175℃下混煉0.8h；然后轉(zhuǎn)至造粒機中造成粒徑為3-5mm的顆粒；
(2)將步驟(1)得到的顆粒在210℃的溫度、120mpa的壓力下進行注射，得到所需形狀的生坯；
(3)將步驟(2)得到的生坯轉(zhuǎn)移至脫脂爐中，在140℃、介質(zhì)為硝酸的條件下注酸脫脂4h；
(4)將脫脂后的產(chǎn)品在620℃下燒結(jié)1h，即得到3xxx系列鋁-錳基合金燒結(jié)成品件。
實施例3
按照以下方法制備金屬料體：
(1)將7xxx系列鋁-鎂-鋅基合金與聚乙烯和乙醇溶劑混合后置于球磨桶中，球磨6h后得到混合物；
(2)去除步驟(1)得到的混合物的表面浮渣，對混合物進行加熱使溶劑蒸發(fā)，同時對溶劑進行回收，得到經(jīng)聚乙烯包覆的鋁合金材料粉體；
(3)利用造粒機對步驟(2)得到的聚乙烯包覆的鋁合金材料粉體進行造粒，得到粒徑d90分布在100-150μm的顆粒；
(4)將步驟(3)得到的顆粒在140℃下進行烘烤，顆粒表面固化，得到聚乙烯完全包覆的鋁合金料體。
將本實施制備的鋁合金料體應(yīng)用于注射成形脫脂工藝，包括以下步驟：
(1)將所述鋁合金料體與聚甲醛按7:3的體積比混合，將其在密煉機中165℃下混煉2h；然后轉(zhuǎn)至造粒機中造成粒徑為3-5mm的顆粒；
(2)將步驟(1)得到的顆粒在180℃的溫度、90mpa的壓力下進行注射，得到所需形狀的生坯；
(3)將步驟(2)得到的生坯轉(zhuǎn)移至脫脂爐中，在100℃、介質(zhì)為硝酸的條件下注酸脫脂5h；
(4)將脫脂后的產(chǎn)品在550℃下燒結(jié)4h，即得到7xxx系列鋁-鎂-鋅基合金燒結(jié)成品件；
(5)對步驟(4)得到的成品件進行精密尺寸及外觀表面的再加工。
以上詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。
另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。
此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。