一种金属零件的制作方法

一种金属零件
1.分案申请声明本技术是2019年07月26日递交的发明名称为“一种被高分子材料包裹的金属粉末及其制备方法和应用”、申请号为201910681239.2的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及机械零件领域，具体涉及一种致密性高的金属零件。


背景技术：

3.众所周知，高活性金属及其合金材料极易在空气中被氧化形成氧化膜，而内部金属合金与构成氧化膜的氧化物的熔点有很大的差异，如铜及氧化铜熔点分别1083℃及1326℃、铝及氧化铝熔点分别667℃及2054℃、钛及氧化钛熔点分别1660℃及1850℃、镁及氧化镁熔点分别649℃及2850℃，高温烧结时容易产生温度的核
‑
壳(core
‑
shell)效应，从而影响金属材料在高温烧结时的扩散作用，使得制成的金属零件结构不够致密，机械性能差。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种被高分子材料包裹的金属粉末及其制备方法，该金属粉末能够应用在金属注塑成型工艺，并且使用该金属粉末制成的金属零件结构致密。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案中的方法是，一种被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，包括以下步骤：（1）将表面包裹有氧化膜的金属粉末、去氧化膜溶液、高分子材料、用于将所述高分子材料溶解的溶剂混合，在混合过程中所述去氧化膜溶液与所述氧化膜发生化学反应以化学去除所述氧化膜，得到混合物，该混合物至少包括去除或部分去除氧化膜后的金属粉末、被所述溶剂溶解的高分子材料、所述去氧化膜溶液与所述氧化膜发生化学反应后的生成物；（2）对所述混合物中的金属粉末进行干燥处理，挥发金属粉末上的所述的溶剂，得到包裹有高分子材料的金属粉末。
6.优选地，在步骤（1）中，将所述混合物通过研磨、振动、搅拌中的至少一种方式，使得金属粉末之间产生相互摩擦，物理去除金属粉末表面包裹的氧化膜。
7.优选地，步骤（1）中所述表面包裹有氧化膜的金属粉末的材质为铝、铝合金、镁、镁合金、钛、钛合金、铜、铜合金中的至少一种。
8.进一步优选地，所述铝合金为铝
‑
镁基合金或铝
‑
镁
‑
硅基合金。
9.优选地，步骤（1）中所述去氧化膜溶液为酸液。
10.进一步优选地，所述酸液为含有强酸的溶液，所述强酸为硫酸、盐酸、硝酸、碘酸中的至少一种或其混合物。
11.进一步优选地，所述酸液为含有中强酸的溶液，所述中强酸为草酸、亚硫酸、磷酸、丙酮酸、亚硝酸中的至少一种或其混合物。
12.进一步优选地，所述酸液为含有弱酸的溶液，所述弱酸为柠檬酸、氢氟酸、苹果酸、葡萄糖酸、甲酸、乳酸、苯甲酸、丙烯酸、乙酸、丙酸、硬脂酸、碳酸、氢硫酸、次氯酸、苯酚、磷酸、硼酸、硅酸中的至少一种或其混合物。
13.优选地，步骤（1）中所述去氧化膜溶液为碱液。
14.进一步优选地，所述碱液为含有碱的溶液，所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或其混合物。
15.优选地，步骤（1）中所述高分子材料为热固性塑料、热塑性塑料中的一种或其混合物。
16.进一步优选地，所述高分子材料为聚乙烯醇、聚乙二醇、聚氧乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚乙烯基吡咯烷酮、丙二醇、二乙二醇、三乙二醇、聚丙二醇、三乙醇胺、酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种或其混合物。
17.优选地，步骤（1）中所述溶剂为水溶剂、醇类溶剂、醚类溶剂、脂类溶剂、烷类溶剂中的任意一种。
18.进一步优选地，所述醇类溶剂为乙醇、异丙醇中的一种或其混合物，所述醚类溶剂为乙醚，所述脂类溶剂为醋酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸戊酯中的至少一种或其混合物，所述烷类溶剂为正己烷、环己烷、松香水、煤油、正庚烷中的至少一种或其混合物。
19.优选地，步骤（1）中所述生成物悬浮在混合物中，在进入步骤（2）之前，将所述生成物通过过滤的方式从所述混合物中分离。
20.优选地，对步骤（2）中被高分子材料包裹的金属粉末进行烘烤，固化所述金属粉末表面的高分子材料。
21.进一步优选地，所述烘烤温度为140℃
‑
200℃。
22.优选地，步骤（2）中得到粒径d90分布在50μm
‑
150μm的金属粉末。
23.为达到上述目的，本发明采用的技术方案中的产品是，一种被高分子材料包裹的金属粉末，所述金属粉末根据上述任意一种制备方法制成。
24.为达到上述目的，本发明采用的技术方案中的应用是，上述被高分子材料包裹的金属粉末应用于金属注射成型工艺(metal injection molding, mim)。
25.为达到上述目的，本发明采用的技术方案中应用的方法是，使用上述被高分子材料包裹的金属粉末制备金属零件的方法，包括以下步骤：（a）将所述金属粉末与高分子材料进行混炼造粒；（b）将步骤（a）得到的颗粒进行金属注射成型，得到初级产品；（c）将步骤（b）得到的初级产品进行催化脱脂，得到中间产品；（d）将步骤（c）得到的中间产品进行烧结，得到金属零件。
26.优选地，步骤（a）中所述高分子材料为聚甲醛、石蜡中的一种或其混合物。
27.优选地，步骤（c）所述脱脂采用的介质为硝酸或草酸，脱脂温度为100℃
‑
145℃，脱脂注酸时间为4
‑
6小时。
28.由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：1.本发明提供的被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，克服了目前单独利用化学反应方式或物理性的机械研磨去除金属粉末表面氧化膜技术中无法完全去除氧化膜的缺陷，使用去氧化膜溶液可以在金属粉末表面完全起到化学反应，包括金属粉末颗粒内
凹表面或利用物理性的机械研磨无法接触的表面；而利用物理的方法可以对厚的氧化膜作大尺度去除，两种方式双重保障，实现了对金属粉末表面氧化膜的完全有效去除。
29.2.本发明提供的被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，通过在去除氧化膜的金属粉末表面包裹高分子材料以隔绝氧气，有效避免了金属粉末表面氧化膜的再生。
30.3.本发明提供的被高分子材料包裹的金属粉末，由于金属粉末表面的氧化膜被去除并包裹有高分子材料，使得该金属粉末可应用于金属注塑成型工艺，增加了金属材料的应用面。
31.4.本发明提供的被高分子材料包裹的金属粉末制备金属零件的方法，将去除氧化膜并包裹有高分子材料的金属粉末混炼造粒，并将得到的颗粒按照金属注塑成型(mim)工艺进行注塑成形，再经过脱脂、烧结后得到金属零件，能够制作结构复杂、尺寸小、致密性高的金属零件，具有良好的经济效益和广阔的应用前景。
附图说明
32.附图1为本发明中被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法的工艺流程图。
33.附图2为本发明中使用被高分子材料包裹的金属粉末制备金属零件的方法的工艺流程图。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。
35.如图1所示，本发明提供了一种被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，包括如下步骤：1.将表面包裹有氧化膜的金属粉末、去氧化膜溶液、高分子材料、用于将所述高分子材料溶解的溶剂混合置入密闭容器内，将密闭容器置于球磨机上，启动电源调整转速，使密闭容器在球磨机上旋转运动，使得金属粉末之间产生相互摩擦，物理去除金属粉末表面包裹的氧化膜；在混合过程中去氧化膜溶液与氧化膜发生化学反应以化学去除氧化膜，得到混合物；上述化学反应的生成物悬浮在混合物中，将混合物静置后通过过滤的方式将混合物内的悬浮物去除，得到包括去除氧化膜后的金属粉末、溶解有高分子材料的溶剂在内的混合物；上述化学去除氧化膜的过程与物理去除氧化膜的过程的先后顺序对最终结果不产生影响；2.对去除悬浮物后的混合物中的金属粉末进行干燥处理，利用烘干机或加热型喷雾干燥机挥发金属粉末上的溶剂，使剩下的高分子材料包裹在金属粉末表面，得到包裹有高分子材料的金属粉末。
36.步骤1中表面包裹有氧化膜的金属粉末的材质为铝、铝合金、镁、镁合金、钛、钛合金、铜、铜合金中的至少一种，当其为铝合金时，优选为铝
‑
镁基合金或铝
‑
镁
‑
硅基合金。
37.步骤1中的去氧化膜溶液可以是酸液或者是碱液，当其为酸液时，其酸可以为强酸，如：硫酸、盐酸、硝酸、碘酸；可以为中强酸，如：草酸、亚硫酸、磷酸、丙酮酸、亚硝酸；也可以为弱酸，如：柠檬酸、氢氟酸、苹果酸、葡萄糖酸、甲酸、乳酸、苯甲酸、丙烯酸、乙酸、丙酸、硬脂酸、碳酸、氢硫酸、氟化氢铵、过氧化氢、次氯酸、苯酚、磷酸、硼酸、硅酸；考虑反应速率
优选弱酸中的磷酸、硼酸及硅酸；当其为碱液时，其碱可以为强碱，如：氢氧化钾、氢氧化钠。
38.选择去氧化膜溶液时，需根据金属粉末包裹的氧化膜的特性进行挑选，如氧化镁常使用氢氟酸、氟化氢铵，氧化钛常使用硝酸、氢氟酸、过氧化氢，氧化铝常使用盐酸、硝酸、氢氧化钠、磷酸、硼酸，氧化铜常使用稀硫酸、稀盐酸、醋酸。
39.步骤1中的高分子材料包含热固性塑料或热固性塑料，使用时需将高分子材料溶于相对应的溶剂中；步骤1中的溶剂包括水溶剂、醇类溶剂、醚类溶剂、脂类溶剂、烷类溶剂，优选溶剂为醇类溶剂、酯类溶剂、烷类溶剂，醇类溶剂优选为甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇，醚类溶剂优选为乙醚，脂类溶剂优选为醋酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸戊酯，烷类溶剂优选为正己烷、环己烷、松香水、煤油、正庚烷；在步骤1中的溶剂为水溶剂时，步骤1中的高分子材料优选为热固性塑料或热塑性塑料，如：聚乙烯醇、聚乙二醇、聚氧乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚乙烯基吡咯烷酮、丙二醇、二乙二醇、三乙二醇、聚丙二醇、三乙醇胺；在步骤1中的溶剂为醇类时，步骤1中的高分子材料可以为酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯；考虑溶剂的毒性、功能性、适合性及操作性，步骤1中的溶剂优选为乙醇，步骤1中的高分子材料优选使用酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯。
40.优选地，对步骤2中被高分子材料包裹的金属粉末进行烘烤，固化所述金属粉末表面的高分子材料，烘烤温度为140℃
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200℃。
41.优选地，步骤2中得到的金属粉末的粒径d90分布在50μm
‑
150μm。
42.本发明还提供一种被高分子材料包裹的金属粉末，所述金属粉末根据上述任意一种制备方法制成，所述金属粉末能够应用于金属注射成型工艺。
43.如图2所示，本发明还提供一种使用上述金属粉末制备金属零件的方法，包括以下步骤：（a）将所述金属粉末与高分子材料进行混炼造粒；（b）将步骤（a）得到的颗粒进行金属注射成型，得到初级产品；（c）将步骤（b）得到的初级产品进行脱脂，得到中间产品；（d）将步骤（c）得到的中间产品进行烧结，得到金属零件。
44.优选地，步骤（a）中所述高分子材料为聚甲醛（pom）或石蜡（wax）。
45.优选地，步骤（a）中所述金属粉末与所述高分子材料的体积比为1:0.8
‑
1.3。
46.优选地，步骤（a）所述混炼采用密炼的方式进行，混炼温度为150℃
‑
190℃，混炼时间为1
‑
1.5小时。
47.优选地，步骤（a）形成的颗粒为圆柱状，其直径为2.5mm
‑
3.5mm，长度为3mm
‑
5mm。
48.优选地，步骤（b）所述金属注射成型中注射嘴的温度为180℃
‑
210℃，成型压力为95mpa
‑
105mpa。
49.优选地，步骤（c）所述脱脂采用的介质为硝酸或草酸，脱脂温度为100℃
‑
145℃，脱脂注酸时间为4
‑
6小时。
50.优选地，步骤（d）所述烧结温度为550℃
‑
1250℃，烧结时间为2
‑
3小时，所述烧结温度根据不同材料匹配不同的温度范围。
51.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，如图1所示：
（1）将铝
‑
镁
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硅基合金粉末(6xxx系列鋁合金)100g、磷酸0.1g、酚醛树脂2g和乙醇溶剂1000ml混合后置于球磨桶中，球磨2h后得到混合物，去除混合物中的表面悬浮物，得到被酚醛树脂包裹的铝合金粉末；（2）利用造粒机对上述铝合金粉末进行加热使溶剂蒸发，或通过喷雾干燥使溶剂蒸发，得到被酚醛树脂包裹的团状铝合金粉末，铝合金粉末中的颗粒粒径d90分布在50
‑
150μm，将上述铝合金粉末放置在140℃的环境中进行烘烤，使颗粒表面固化，得到被酚醛树脂完全包裹的铝合金粉末。
52.将上述铝合金粉末应用于注射成形(mim)工艺，并制作铝合金零件，包括以下步骤：（a）将上述铝合金粉末与聚甲醛（pom）按1:1的体积比混合，将其在密炼机中加热至170℃混炼1小时，然后转至造粒机中造成粒径为3mm长度3~5mm的圆柱形颗粒；（b）将步骤（a）得到的圆柱形颗粒通过200℃温度的注嘴置于成形机料管中，并在100mpa的成形压力下进行注射成形，得到所需形状的生坯；（c）将步骤（b）得到的生坯转移至催化脱脂炉中，在100~120℃环境下，使用硝酸作为介质，进行注酸脱脂4.5小时；（d）将脱脂后的产品在600℃下烧结2.5小时，即得到2.75g/cm3高密度铝
‑
镁
‑
硅基合金烧结成品件。
53.实施例2：（1）将铝
‑
镁
‑
硅基合金粉末(6xxx系列鋁合金)100g、硼酸0.5g、酚醛树脂2g和乙醇溶剂1000ml混合后置于球磨桶中，球磨2小时后得到混合物，去除混合物中的表面悬浮物，得到被酚醛树脂包裹的铝合金粉末；（2）利用造粒机对上述铝合金粉末进行加热使溶剂蒸发，或通过喷雾干燥使溶剂蒸发，得到被酚醛树脂包裹的团状铝合金粉末，铝合金粉末中的颗粒粒径d90分布在50
‑
150μm，将上述铝合金粉末放置在140℃的环境中进行烘烤，使颗粒表面固化，得到被酚醛树脂完全包裹的铝合金粉末。
54.将上述铝合金粉末应用于注射成形(mim)工艺，并制作铝合金零件，包括以下步骤：（a）将上述铝合金粉末与聚甲醛（pom）按1:1的体积比混合，将其在密炼机中加热至170℃混炼1小时，然后转至造粒机中造成粒径为3mm长度3~5mm的圆柱形颗粒；（b）将步骤（a）得到的圆柱形颗粒通过200℃温度的注嘴置于成型机料管中，并在100mpa的成形压力下进行注射成形，得到所需形状的生坯；（c）将步骤（b）得到的生坯转移至催化脱脂炉中，在100~120℃环境下，使用硝酸作为介质，进行注酸脱脂4.5小时；（d）将脱脂后的产品在600℃下烧结2.5小时，即得到2.76g/cm3高密度铝
‑
镁
‑
硅基合金烧结成品件。
55.实施例3：（1）将铝
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镁
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硅基合金粉末(6xxx系列鋁合金)100g、硅酸0.6g、酚醛树脂2g和乙醇溶剂1000ml混合后置于球磨桶中，球磨2小时后得到混合物，去除混合物中的表面悬浮物，得到被酚醛树脂包裹的铝合金粉末；
（2）利用造粒机对上述铝合金粉末进行加热使溶剂蒸发，或通过喷雾干燥使溶剂蒸发，得到被酚醛树脂包裹的团状铝合金粉末，铝合金粉末中的颗粒粒径d90分布在50
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150μm，将上述铝合金粉末放置在140℃的环境中进行烘烤，使颗粒表面固化，得到被酚醛树脂完全包裹的铝合金粉末。
56.将上述铝合金粉末应用于注射成形(mim)工艺，并制作铝合金零件，包括以下步骤：（a）将上述铝合金粉末与聚甲醛（pom）按1:1的体积比混合，将其在密炼机中加热至170℃混炼1小时，然后转至造粒机中造成粒径为3mm长度3~5mm的圆柱形颗粒；（b）将步骤（a）得到的圆柱形颗粒通过200℃温度的注嘴置于成型机料管中，并在100mpa的成形压力下进行注射成形，得到所需形状的生坯；（c）将步骤（b）得到的生坯转移至催化脱脂炉中，在100~120℃环境下，使用硝酸作为介质，进行注酸脱脂4.5小时；（d）将脱脂后的产品在600℃下烧结2.5小时，即得到2.74g/cm3高密度铝
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镁
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硅基合金烧结成品件。
57.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。