一种凝胶离心硬质合金棒材成型机及棒材成型制备方法

摘要

本发明提供了一种凝胶离心硬质合金棒材成型机及棒材成型制备方法，是利用凝胶注模的方法制备硬质合金浆料，利用自行研制的凝胶离心棒材成型机成型。该成型机由支架（1）、模具下底座（2）、高速可调直流电机（3）、连接法兰盘（4）、成型模具（5）、模具上底座（9）、塑料管（8）、料浆浇口（10）、注料漏斗（11）、漏斗支架（12）组成，其特征在于成型剂的模具采用分体设计，由注料孔和成型孔组成，并且由上下底座固定便于更换；并且坯体在塑料管中成型，坯体很容易脱模；成型机采用立式设计可实现加料、离心、成型、固化一体化，能实现产业化生产。与传统的硬质合金挤压成型相比具有粘结剂含量低、脱胶容易、成品率高、成本低的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬质合金棒材的成型技术，属于粉末冶金生产工艺中金属零部件制备领域，特别是发明了一种凝胶离心棒材成型机，为制备硬质合金棒材提供了一种低成本、易操作、高成品率的方法。

背景技术

传统的硬质合金棒材的生产是通过将硬化合金混合粉末和石蜡基成型剂混炼挤压制成的。其中成型剂的含量高达5-10wt%，并且脱脂困难，脱脂废品率很高，直接导致硬质合金棒材生产成本提高，所以脱脂工艺成为了硬质合金棒材生产的关键领域和问题所在。

凝胶注模成型工艺基于传统的陶瓷制作工艺和有机化学知识的结合，该工艺成型的生坯强度很高（30MPa），能直接进行机加工，明显优于其他复杂形状陶瓷部件的成型工艺，这对烧结后很难加工的陶瓷材料来说非常有益。成型剂采用有机溶剂溶解的方式加入，待坯体干燥完成有机溶剂挥发后，成型剂的含量只有1-2wt%左右，只要在低温保温很容易脱出干净，烧结后不会残留杂质，是一种较为新颖的近净尺寸原位凝固成型技术，可制作高质量的、形状复杂的部件，所以用凝胶注模方法制备硬质合金棒材不存在脱胶的问题。

但是凝胶注模成型方法制备的金属材料存在着空隙率高，强度低的缺点，所以凝胶注模的优点在于制备陶瓷材料，多孔材料，但是对于制备硬质合金材料存在着很多不足，不能达到硬质合金所需要的密度和强度。

凝胶离心成型技术是利用凝胶注模有机单体交联固化的原理，通过高速离心力实现流动浆料在高速离心状态下固化成型，即利用离心铸造方法实现了浆料的成型和浆料中残余气泡的排除，同时高速离心的情况下可将多于的粘结剂和残余的气体甩出，最后坯体中剩余的凝结剂含量小于1wt%，从而解决了凝胶注模制备浆料时固含量难以提高和坯体空隙率高的难题。另一方面，制备的浆料中加入一定量的聚乙二醇-400或丙三醇增塑剂控制浆料的粘稠度，并且通过调节合理的转速可以防止硬质合金分层的情况发生。

发明内容

本发明目的在于提供一种低成本制备硬质合金棒材成型机以及棒材的成型技术，利用凝胶离心成型技术能制备出高致密度、高强度的硬质合金棒材。

一种凝胶离心硬质合金棒材成型机包括机架（1）、模具下底座（2）、高速可调直流电机（3）、连接法兰盘（4）、成型模具（5）、模具上底座（9）、成型塑料管（8）、料浆浇口（10）、注料漏斗（11）、漏斗支架（12）；成型模具（5）由注料孔（6）和一个或多个成型孔（7）组成；高速可调直流电机（3）与机架（1）通过螺栓连接，螺栓上安装有减震弹簧；连接法兰盘（4）与高速可调直流电机（3）的主轴连接；模具下底座（2）通过螺栓与连接法兰盘（4）连接；模具上底座（9）顶部有料浆浇口（10），模具上底座（9）和模具下底座（2）通过螺栓连接，模具上底座和模具下底座内部衬有橡皮密封层，通过橡皮密封层压紧成型模具（5），橡皮密封层起到固定和密封的作用；一个成型塑料管（8）放入一个成型孔（7）中，成型塑料管进料口（13）与成型孔（7）侧壁的进料口相通，并由模具下底座（2）和模具上底座（9）压紧密封固定位置；注料漏斗（11）与漏斗支架（12）粘合固定，注料漏斗（11）下端通过料浆浇口（10）与注料孔（6）相连接，在机架（1）上有插孔（14），漏斗支架（12）通过机架（1）上的插孔（14）直插固定在机架（1）上。

所述的凝胶离心棒材成型机是由高速可调直流电机（3）带动，转速能在0~10000rpm可调。

所述成型模具（5）采用分体设计，方便了成型塑料管（8）直接从模具中取出，并且按照成型孔（7）直径大小设计有多个磨具，可根据生产需要更换。

坯体采用成型塑料管（8）成型，坯体不直接和模具接触，方便了脱模，并且塑料管在60℃~100℃烘烤软化，坯体很容易从塑料管中取出。

凝胶离心成型制备硬质合金棒材，采用凝胶注模的方法，利用自行研制的凝胶离心棒材成型机成型出硬质合金棒材坯体，最终烧结制备出硬质合金棒材，工艺步骤如下：

(1) 首先将分体的成型模具（5）拼装放入模具下底座（2），将制备好的成型塑料管（8）插入模具的成型孔（7）中，将模具上底座和下底座用螺栓固定，将带有注料漏斗（11）的漏斗支架（12）插入机架（1）的插孔（14）中，注料漏斗（11）的位置对准料浆浇口（10）的中心；

(2) 选用硬质合金混合粉作原料，并采用凝胶注模水基或油基凝胶体系制备出浆料，固体物质占浆料体积的40~60%，并控制浆料的固化时间在5~10分钟；

(3) 开启离心机，逐渐提高转速至3000~9000 rpm，保持离心机转速，将浆料通过注料漏斗（11）注入料浆浇口（10）中，浆料注入成型模具（5）中，在离心力的作用下，浆料从注料孔（6）甩进成型孔（7）的成型塑料管（8）中；

(4) 继续转动离心机5~10分钟，停止转动，将成型模具（5）取下分体，将成型塑料管（8）从成型孔中取出，放入真空干燥箱烘箱60℃~100℃下干燥1~3小时，去掉软化的塑料管，将得到的硬质合金坯体在真空干燥箱中60℃~100℃继续干燥5~10小时；

(5) 将烘干的坯体在真空炉中进行脱胶烧结一体化得到最终制品。

本发明提出了凝胶离心成型制备硬质合金棒材，与传统的硬质合金挤压和凝胶注模成型技术相比，其优点在于：

1、与传统硬质合金挤压成型相比，首先减少了对设备的依赖，降低了成本和能耗，传统硬质合金挤压成型的粘结剂含量高，难脱除，废品率高，凝胶离心成型粘结剂含量少，而且都是容易脱除的有机粘结剂，不需要进行特定的脱胶，只需要真空脱胶一体烧结就可制备出高强度的硬质合金棒材；

2、与凝胶注模成型的坯体相比，通过凝胶离心成型技术多于粘结剂和残余气体得到了排除从而提高了固含量和坯体密度。

附图说明

图1是未放置成型模具的成型机结构示意图；

图2是成型模具的结构及与底座的装配示意图；

图3是成型模具示意图

图4是成型模具横向剖面图

图5是成型机离心成型部分的安装过程示意图

图6是成型机的整体结构示意图

机架（1）、模具下底座（2）、高速可调直流电机（3）、连接法兰盘（4）、成型模具（5）、注料孔（6）、成型孔（7）、成型塑料管（8）、模具上底座（9）、料浆浇口（10）、注料漏斗（11）、漏斗支架（12）、成型塑料管进料口（13）、插孔（14）。

具体实施方式

一种凝胶离心硬质合金棒材成型机包括机架（1）、模具下底座（2）、高速可调直流电机（3）、连接法兰盘（4）、成型模具（5）、模具上底座（9）、成型塑料管（8）、料浆浇口（10）、注料漏斗（11）、漏斗支架（12）；成型模具（5）由注料孔（6）和六个成型孔（7）组成；高速可调直流电机（3）与机架（1）通过螺栓连接，螺栓上安装有减震弹簧；连接法兰盘（4）与高速可调直流电机（3）的主轴连接；模具下底座（2）通过螺栓与连接法兰盘（4）连接；模具上底座（9）顶部有料浆浇口（10），模具上底座（9）和模具下底座（2）通过螺栓连接，模具上底座和模具下底座内部衬有橡皮密封层，通过橡皮密封层压紧成型模具（5），橡皮密封层起到固定和密封的作用；一个成型塑料管（8）放入一个成型孔（7）中，成型塑料管进料口（13）与成型孔（7）侧壁的进料口相通，并由模具下底座（2）和模具上底座（9）压紧密封固定位置；注料漏斗（11）与漏斗支架（12）粘合固定，注料漏斗（11）下端通过料浆浇口（10）与注料孔（6）相连接，在机架（1）上有插孔（14），漏斗支架（12）通过机架（1）上的插孔（14）直插固定在机架（1）上。

实施实例1：水基凝胶体系制备φ8mm×200mm YG10硬质合金棒材坯体

1、将7ml丙烯酰胺（AM）溶于28ml的去离子水中，加入14滴催化剂N，N，N，N’-四甲基乙二胺(TEMED) ，混合搅拌至全部溶解；

2、称取514g的YG10硬化合金混合粉加入到配制好的预混液中，并加入0.15wt%的分散剂聚亚乙基亚胺，搅拌混合均匀，制成浆料的流动性好；

3、装配成型剂，选用相应的成型模具，向制备好的浆料中加入14滴引发剂过硫酸铵，迅速搅拌，注入成型机中，保持5000rpm；

4、将制备的坯体脱模，干燥，坯体相对密度59.4%，密度均匀，无分层现象。

实施实例2：水基凝胶体系制备φ15mm×200mm硬质合金棒材坯体

1、将24ml丙烯酰胺（AM）溶于98ml的去离子水中，加入48滴催化剂N，N，N，N’-四甲基乙二胺(TEMED) ，混合搅拌至全部溶解；

2、称取1799g的YG10硬化合金混合粉加入到配制好的预混液中，并加入0.15wt%的分散剂聚亚乙基亚胺，搅拌混合均匀，制成浆料的流动性好；

3、装配成型剂，选用相应的成型模具，向制备好的浆料中加入48滴引发剂过硫酸铵，迅速搅拌，注入成型机中，保持6000rpm；

4、将制备的坯体脱模，干燥，坯体相对密度59.7%，密度均匀，无分层现象。

实施实例3：油基凝胶体系制备φ8mm×200mm YG10硬质合金棒材坯体

1、17ml甲基丙烯酸羟乙酯和17ml甲苯的有机溶液配制成均匀溶液，加入0.15g催化剂过氧化苯甲酰，混合搅拌至全部溶解；

2、称取530g的YG10硬化合金混合粉加入到配制好的预混液中，并加入0.15wt%的超分散剂Solsperse-6000，搅拌混合均匀，制成浆料的流动性好；

3、装配成型剂，选用相应的成型模具，向制备好的浆料中加入14滴引发剂过硫酸铵，迅速搅拌，注入成型机中，保持5000rpm；

4、将制备的坯体脱模，干燥，坯体相对密度60.4%，密度均匀，无分层现象。

实施实例4：油基凝胶体系制备φ15mm×200mm YG10硬质合金棒材坯体

1、53ml甲基丙烯酸羟乙酯和53ml甲苯的有机溶液配制成均匀溶液，加入0.53g催化剂过氧化苯甲酰，混合搅拌至全部溶解；

2、称取1855g的YG10硬化合金混合粉加入到配制好的预混液中，并加入0.15wt%的超分散剂Solsperse-6000，搅拌混合均匀，制成浆料的流动性好；

3、装配成型剂，选用相应的成型模具，向制备好的浆料中加入49滴引发剂过硫酸铵，迅速搅拌，注入成型机中，保持6000rpm；

5、将制备的坯体脱模，干燥，坯体相对密度60.5%，密度均匀，无分层现象。