瓊脂凝膠注模成形不銹鋼粉末漿料與生坯的性能

王霏,江開勇

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院,福建泉州 362021)

瓊脂凝膠注模成形不銹鋼粉末漿料與生坯的性能

王霏,江開勇

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院,福建泉州 362021)

研究溫度、瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、固相體積分?jǐn)?shù)等因素對(duì)漿料流變性質(zhì)和生坯力學(xué)性能的影響規(guī)律,獲得最優(yōu)的凝膠注模工藝參數(shù).在此實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上,對(duì)金屬漿料的混合、分散、凝膠機(jī)理和生坯的燒結(jié)過程進(jìn)行初步分析和探索.研究結(jié)果表明:粒徑分布為2～30μm的316L不銹鋼粉末,應(yīng)用聚乙烯醇為分散劑,控制溶液p H值為8.5～9.5,可以制備固相體積分?jǐn)?shù)達(dá)55%的懸浮液;瓊脂和分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)漿料流變性質(zhì)的影響顯著,采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的分散劑(相對(duì)于干燥的金屬粉末)和3.0%的瓊脂(相對(duì)于水),可以制備表觀粘度小于1 Pa·s的性能穩(wěn)定的金屬漿料,干燥后可得到抗彎強(qiáng)度達(dá)2.7 M Pa的生坯;在1 300℃真空燒結(jié)30 min,可以制備相對(duì)密度為90%,抗彎強(qiáng)度為150 M Pa的組織較均一的燒結(jié)試件.

316L不銹鋼;瓊脂;凝膠注模;成形工藝;漿料;生坯

目前,有關(guān)凝膠注模成形的研究大多應(yīng)用于陶瓷材料,如A l2O3,SiC,Si3N4,Sialon陶瓷等[1-2],而關(guān)于金屬材料凝膠注模成形的研究卻很少,而且仍然使用傳統(tǒng)的、毒性很強(qiáng)的聚合物(丙烯酰胺)粘結(jié)劑[3-5].追求成本節(jié)約和環(huán)境友好是凝膠注模成形工藝新的研究目標(biāo),但這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)在很大程度上依賴于凝膠體系的改善.通過控制膠體的化學(xué)和流變性質(zhì),利用顆粒間的作用力來(lái)制備性能穩(wěn)定、分散均勻的漿料,是改善凝膠體系的必要條件.近年來(lái),對(duì)于具有更好的熱凝膠特性的粘結(jié)劑的研究從未停止.這些水性凝膠體系已經(jīng)替代了傳統(tǒng)的聚合物粘結(jié)劑,被成功地應(yīng)用于低壓注射成形.一些研究人員致力于新型無(wú)毒粘結(jié)劑的研發(fā)[6-8],并將瓊脂類凝膠體系應(yīng)用于陶瓷的成形工藝[9-12],但還未發(fā)現(xiàn)將瓊脂作為粘結(jié)劑應(yīng)用于金屬粉末的凝膠注模成形的研究成果.本文利用無(wú)毒的瓊脂凝膠體系實(shí)現(xiàn)金屬粉末的凝膠注模成形,研究漿料的流變性質(zhì)和生坯的力學(xué)性質(zhì).

1 試驗(yàn)部分

圖1 316L不銹鋼粉末SEM圖Fig.1 SEM graph of 316L stainless steel pow der

1.1 試驗(yàn)材料

瓊脂(粉末狀,平均粒徑大于100μm,質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%的水溶液玻璃化溫度約35℃,廣東汕頭西隴化工有限公司);316L不銹鋼粉末(不規(guī)則形狀,粒徑分布為2～30μm,河北石家莊大冶金屬粉末廠);聚乙烯醇(PVA,分析純).圖1為316L不銹鋼粉末掃描電子顯微鏡(SEM)圖.

1.2 試驗(yàn)過程

(1)漿料的制備.將不同質(zhì)量的瓊脂粉末加入加熱后的去離子水,攪拌使其完全溶解.

(2)生坯的制備.將316L不銹鋼粉末(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～60%)和分散劑聚乙烯醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.3%)加入去離子水中,球磨8 h,加熱至70℃,制備懸浮液.將前兩者混合制備漿料,利用自制低壓注射裝置(注射器與模具溫度可控)進(jìn)行漿料注射,注射時(shí)間為10～40 s,注射壓力為0.3 M Pa,模具為蠟?zāi)?

(3)注模成形.生坯在空氣中干燥12 h后,在真空中干燥6 h(溫度為50℃),放入 KTF1400型真空燒結(jié)爐(江蘇宜興前錦爐業(yè)設(shè)備有限公司),真空度為-0.1 M Pa,于1 300℃燒結(jié)30 min,觀察其斷面形貌和顯微組織.由于注模成形的生坯有機(jī)物含量極少,故在燒結(jié)試驗(yàn)中未進(jìn)行脫脂工藝的研究.

1.3 生坯燒結(jié)制度

表1為生坯燒結(jié)制度.表1中:t為時(shí)間;θ為溫度;v為升溫速率.

表1 生坯燒結(jié)制度Tab.1 Sintering schedule of green body

1.4 測(cè)試方法

在高固相體積分?jǐn)?shù)的前提下,必須滿足漿料粘度低和生坯強(qiáng)度高2個(gè)工藝條件.因此,研究的重點(diǎn)是漿料的流變性質(zhì)和生坯的力學(xué)性質(zhì).

(1)漿料粘度的測(cè)定方法.將漿料加入自制的帶溫控裝置的密閉容器,再和粘度計(jì)進(jìn)行組裝;然后,將漿料加熱至90℃,在其降溫過程中,用NXS-11A型粘度計(jì)(四川成都儀器廠)測(cè)量不同溫度下的粘度,考察粘度(η)隨溫度(θ)、瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(瓊脂))和剪切速率(γ)的變化情況.這樣可以防止溫度較高時(shí)漿料(溶液)中水的揮發(fā),保證在不同溫度下測(cè)定的漿料(溶液)粘度的準(zhǔn)確性.

(2)生坯抗彎強(qiáng)度的測(cè)定.利用WD-300E型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(廣東廣州市廣材實(shí)驗(yàn)儀器有限公司),采用3點(diǎn)彎曲法,試件尺寸為38 mm×12 mm×6 mm.

2 結(jié)果與分析

2.1 凝膠體系的流變性質(zhì)

當(dāng)剪切速率(γ)為420 s-1時(shí),不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的瓊脂溶液(相對(duì)于水)的表觀粘度(η),如圖2所示.從圖2可知,隨著瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,粘度的增長(zhǎng)十分明顯.瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.5%～3.0%之間,粘度快速增加;在此之后,粘度的增加不再顯著(50～80℃曲線).由此初步得到適合凝膠注模的瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3%.

這是因?yàn)榄傊|(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3%,漿料較稀,粉末容易沉降;而瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%,漿料太稠,又不利于注射成形和脫脂.另外,溶液在40℃時(shí)的粘度明顯大于其他溫度,此時(shí)由于溫度低,凝膠已開始形成.

考察不同剪切速率下表觀粘度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的瓊脂溶液溫度變化的過程,如圖3所示.從圖3可知,當(dāng)溫度高于60℃時(shí),粘度很小;在溫度由60℃下降到室溫過程中,呈無(wú)規(guī)律線團(tuán)狀的高分子形成單螺旋體,相互間產(chǎn)生的范德華力和氫鍵作用使粘度增大;而當(dāng)溫度降至凝膠點(diǎn)(約40℃)附近,三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成,粘度急劇增大.

不同溫度下,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%瓊脂溶液的流變曲線,如圖4所示.由圖4可見,各個(gè)溫度下的瓊脂溶液都呈現(xiàn)出剪切增稠的特性.其主要原因是親水基團(tuán)與水分子發(fā)生水化作用,使伸展到水中部分的側(cè)鏈形成較厚的溶劑化層,高速剪切時(shí)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的摩擦相應(yīng)增大,導(dǎo)致粘度升高.

2.2 漿料的流變性質(zhì)

圖2 不同溫度下瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)粘度的影響Fig.2 Evolution of viscosity with agar concentration at different temperatures

在溫度40℃條件下,固相體積分?jǐn)?shù)(φ(固相))為55%的316L不銹鋼粉末漿料加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(相對(duì)于干燥的金屬粉末,下同)瓊脂的流變曲線,如圖5所示.從圖5可知,除了瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.7%的漿料略微呈現(xiàn)假塑性之外,其余幾份漿料均呈牛頓流體特性.考慮到漿料粘度不能過低,瓊脂相對(duì)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3%的漿料更適于該工藝.

圖3 不同剪切速率下溫度對(duì)瓊脂溶液粘度的影響Fig.3 Evolution of viscosity with temperature of agar at different shear rates

在剪切速率116 s-1條件下,加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)分散劑(w(PVA))于固相體積分?jǐn)?shù)為55%的漿料中,其粘度隨溫度下降而變化的曲線,如圖6所示.由圖6可見,在各個(gè)溫度下,分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的漿料粘度始終低于其他幾份漿料;在溫度降至50℃以下時(shí),粘度有輕微升高,但幾乎都低于1 Pa·s,完全能夠保證漿料具有很好的流動(dòng)性.

圖5 不同瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)漿料的流變曲線Fig.5 Flow curves of slurries with different agar contents

圖6 溫度對(duì)不同分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)漿料粘度的影響 Fig.6 Variation of viscosity with temperature for different dispersant concentrations

分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.5%的漿料的粘度變化明顯不同于其他漿料,特別是當(dāng)溫度高于45℃時(shí),其粘度較其他幾份漿料高出許多,甚至儀器無(wú)法測(cè)量.這表明漿料發(fā)生了絮凝現(xiàn)象,變得不均一了.

在剪切速率116 s-1條件下,加入不同體積的金屬粉末于分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的漿料中,其粘度隨溫度下降而變化的曲線,如圖7所示.由圖7可見,幾乎所有漿料的粘度都隨著溫度下降呈現(xiàn)出先緩慢下降,后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì).其中,固相體積分?jǐn)?shù)為60%的漿料的粘度在各個(gè)溫度都明顯高于其他幾份漿料.

這是由于過多的固體粉末加強(qiáng)了顆粒之間的作用力,使剪切力過大.固相體積分?jǐn)?shù)55%的漿料不僅性質(zhì)穩(wěn)定,而且粘度也更適于注模成形.

2.3 生坯的機(jī)械強(qiáng)度

干燥后的生坯,其抗彎強(qiáng)度隨瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和固相體積分?jǐn)?shù)的變化,如圖8～10所示.由圖8可以看出,由于瓊脂的加入,增強(qiáng)了顆粒間的粘結(jié)力,所以抗彎強(qiáng)度隨著瓊脂體積分?jǐn)?shù)增加而增高.但當(dāng)瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3.0%時(shí),增高的趨勢(shì)不再明顯.實(shí)踐表明,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%的瓊脂足以滿足工藝的需求.

圖8 瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)生坯強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of agar content on strength of green body

圖9 分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)生坯強(qiáng)度的影響Fig.9 Effect of dispersant concentration on strength of green body

圖10 固相體積分?jǐn)?shù)對(duì)生坯強(qiáng)度的影響Fig.10 Effect of solid volume loading on strength of green body

由圖9可以看出,當(dāng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),生坯抗彎強(qiáng)度最高,達(dá)2.7 M Pa.而當(dāng)分散劑體積分?jǐn)?shù)高于1%時(shí),由于漿料粘度增加顯著,注模過程變得比較困難,其間容易使產(chǎn)生絮凝和氣孔等缺陷,嚴(yán)重影響生坯中顆粒分布的均勻性和宏觀機(jī)械性能.

由圖10可以看出,固相體積分?jǐn)?shù)為55%的生坯抗彎強(qiáng)度最好.固相體積分?jǐn)?shù)越低,由于收縮產(chǎn)生的生坯內(nèi)部應(yīng)力越大.另一方面,固相體積分?jǐn)?shù)過高,則降低了漿料流動(dòng)性,直接影響注模過程和干燥后生坯的性能.由于測(cè)得的生坯抗彎強(qiáng)度較小,因此,試驗(yàn)誤差對(duì)于結(jié)果的影響必須考慮.造成誤差的因素包括漿料的均勻度、干燥制度、測(cè)定方法等,為了減小誤差的影響,試驗(yàn)中增加了每組試件的數(shù)量.

2.4 燒結(jié)體的觀察

圖12 316L不銹鋼燒結(jié)體的金相組織Fig.12 Metallic microstructures of 316L stainless steel sintered body

圖11為燒結(jié)體斷面的SEM照片,圖12為燒結(jié)體斷面腐蝕后的金相顯微照片.由圖11可見,顆粒呈不規(guī)則近球形彼此粘結(jié);而由圖12中可以觀察到奧氏體組織和一些孔隙,孔隙形狀仍不規(guī)則.這表明,雖然進(jìn)行了高溫?zé)Y(jié),燒結(jié)體密度已經(jīng)有所增加,但燒結(jié)過程并不充分,所以顆粒大小并不均勻,形狀也不規(guī)則.其測(cè)量的相對(duì)密度只有90%,抗彎強(qiáng)度也只有150 M Pa.

燒結(jié)過程中,晶粒長(zhǎng)大的典型模型[13-14]可描述為

式(1)中:G為晶粒尺寸;G0為晶粒原始尺寸;n為指數(shù),取決于物質(zhì)的遷移機(jī)構(gòu)(取值3～5);K為常量; t為時(shí)間;T為絕對(duì)溫度;k為Boltzmann常數(shù);Q為晶粒生長(zhǎng)的激活能.

從圖12的顯微組織照片中可以看出,大多數(shù)孔隙附于晶粒邊緣,晶界擴(kuò)散起主導(dǎo)作用,引發(fā)燒結(jié)體的致密化.燒結(jié)過程中孔隙和晶界的作用可分為3種階段:孔隙阻礙晶粒長(zhǎng)大;孔隙由于晶粒長(zhǎng)大而在晶界上遷移;孔隙突破晶界進(jìn)入晶粒內(nèi)部.如圖13所示,大多數(shù)孔隙仍位于晶界上,意味著系統(tǒng)能量低于孔隙遷移所需能量.

根據(jù)以上推測(cè)判斷,系統(tǒng)能量不足的原因是由于燒結(jié)時(shí)間短.因此,燒結(jié)時(shí)間對(duì)燒結(jié)密度有很大影響,其關(guān)系[14]可以表示為

式(2)中:FS為相對(duì)燒結(jié)密度;fI為第2階段燒結(jié)開始時(shí)的相對(duì)密度;k為Boltzmann常數(shù);T為絕對(duì)溫度;B0為考慮表面能、原子大小及其振動(dòng)頻率和系統(tǒng)幾何尺寸等綜合因素的常量;t為時(shí)間.因?yàn)闇囟纫灾笖?shù)形式出現(xiàn),所以其微小變化足以影響燒結(jié)結(jié)果.如果燒結(jié)時(shí)間足夠長(zhǎng),也能導(dǎo)致燒結(jié)致密化發(fā)生,使燒結(jié)后密度更大.

2.5 生坯的實(shí)例分析

當(dāng)瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%(相對(duì)水),分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%(相對(duì)干燥不銹鋼粉末)時(shí),可以制備固相體積分?jǐn)?shù)達(dá)55%的穩(wěn)定漿料.當(dāng)注射溫度為50℃,注射壓力為0.3 M Pa時(shí),可以得到抗彎強(qiáng)度達(dá)2.7 M Pa的內(nèi)部均勻的生坯.生坯在1 300℃燒結(jié)30 min,燒結(jié)體相對(duì)密度可達(dá)90%,抗彎強(qiáng)度可達(dá)150 M Pa.然而,研究工作中也暴露了諸多問題.干燥后的生坯形狀較為復(fù)雜,如圖13所示.從圖13可以看出,由于材料收縮造成的裂紋、氣孔等缺陷仍然存在.

圖13 干燥后的生坯Fig.13 Green part after drying

3 結(jié)束語(yǔ)

由于多糖類高分子材料具有低成本、低毒性和易獲取等優(yōu)點(diǎn),因此,以瓊脂為粘結(jié)劑的凝膠注模成形工藝受到廣泛關(guān)注,具有很好應(yīng)用前景.下一步的工作將致力于功能金屬零件的注模和燒結(jié)工藝研究及其缺陷控制.

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(責(zé)任編輯:錢筠英文審校:崔長(zhǎng)彩)

Properties of Slurry and Green Body for Gel Casting of Stainless Steel Powder by Agar

WANG Fei,JIANG Kai-yong
(College of Mechanical Engineering and Automation,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

The optimal processing parameters have been achieved after investigating the effects of these parameters,such as temperature,agar content,dispersant concentration,solid volume loading,etc..The rheological behavior of metal slurry and the character of formed green body have also been investigated.The mixture and dispersion mechanism of metal slurry,the consolidation forming and sintering technology of green body have been preliminary studied based on analysis of experimental results.The results showed that the suspension with 55%solids could be prepared by adding proper dispersant(polyvinyl alcohol)by using 316L stainless steel powder with grain size distribution 2～30μm when the optimal pH range was controlled between 8.5～9.5.The agar and dispersant content had great effect on the properties of slurry: w hen 1.0%dispersant(referred to dry solid)and 3.0%agar(referred to water)content were adopted,stable metal slurry with viscosity less than 1 Pa·s and green body with bending strength of 2.7 MPa could be obtained.The sintered bodies with relative density of 90%and bend strength of 150 M Pa,have been prepared at 1 300℃/30 min in vacuum.

316L stainless steel;agar;gel casting;forming process;slurry;green body

TF 124.3

A

1000-5013(2011)03-0247-06

2010-07-11

王霏(1979-),男,講師,主要從事先進(jìn)材料成形技術(shù)的研究.E-mail:wangfei@hqu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975100);教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(208170)