D01:10.13374j.isml00103x2006.04.012 第28卷第4期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 4 2006年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2006 高碳钢凝胶注模成形工艺 刘卫华贾成厂史延涛 北京科技大学材料科学与工程学院.北京100083 摘要对高碳钢（碳的质量分数为1%）的凝胶注模成形工艺进行了研究.采用该工艺制得质量 分数为89%的注模性能良好的料浆，并用此料浆制备出复杂形状的高碳钢制品.研究了烧结气氛 对碳含量的影响.结果表明：真空气氛烧结可以得到理想的含碳量：在分解氨气氛垫付石墨1200 ℃对坯体进行烧结，可得相对密度91%，抗弯强度400MPa,抗拉强度410MPa,组织均匀且形状复 杂的高碳钢制品。 关键词凝胶注模：高碳钢：烧结气氛：力学性能：形状 分类号TM2051 凝胶注模成形是20世纪90年代初提出的一 丙烯酰胺C2H3CONH2(代号AM),交联剂为N, 种新型近净尺寸成形技术，将传统陶瓷工艺和聚 N亚甲基双丙烯酰胺(C2H3CONH2CH2(代号 合物化学有机结合起来，将高分子化学单体聚合 为MBAM),为天津市化学试剂研究所生产，引发 思路引入到陶瓷的成形工艺中，从而可近净尺寸 剂为北京益利精细化学品公司生产的过硫酸铵 成形复杂形状的零部件刂.其构思是将有机单体 (NH4)S20s(代号APS),以去离子水做溶剂. 及粉末颗粒分散在介质中制成低粘度、高质量分 12实验步骤 数的浓悬浮体，并加入交联剂、引发剂及催化剂， 图1是Gelcasting工艺的详细流程.首先将 然后将这种浓悬浮体注入非多孔模型中，通过温 有机单体丙烯酰胺和交联剂N,N一亚甲基双丙 度和催化剂的作用使有机聚合物单体胶联聚合， 烯酰胺按照一定比例配合成混合溶液，加入含碳 形成三维网络状聚合物凝胶，并将颗粒粘结成坯 1%(质量分数)石墨粉和混合铁粉球磨10~15h, 体，再经低温干燥后得到性能良好的坯体 得到流动性较好的浆料，再借助真空搅拌工艺排 由于该工艺与其他传统成形工艺相比具有许 除浆料中的气泡后，加入引发剂过硫酸铵，将浓悬 多优越的特点.成为了一种独具特色又极具前景 浮液注入非孔模具中，充分混合均匀后放入60℃ 的新成形工艺，并在实际中获得了推广应用26. 烤箱中固化，模具内的有机单体发生聚合反应将 本研究将凝胶注模成形工艺应用于制备碳钢粉末 粉体包裹，成为由大分子网络定型的坯体.再经 治金材料，通过调整分散剂用量制备出了质量分 室温干燥处理，然后坯体脱模、排胶后进行不同气 数为89%的碳钢悬浮体，并研究了烧结气氛对碳 氛烧结后直接成为金属制品， 钢烧结后碳含量的影响.坯体经烧结制备出形状 粉末原料 真室搅拌 引发剂 复杂、组织均匀的碳钢制品 有机单体 混合料浆 上脱气上注模 1 实验方法 交联剂、溶剂 加热一 烧结 排胶燥脱模陶化 11材料与试剂 实验使用的原料为羰基铁粉沃泰公司生产 图1凝胶注模成形工艺流程 33%,一500目和-300目铁粉各占33.5%（质量 Fig.I Process flowchart of high carbon steel gelcasting 分数·石墨粉为北京化学试剂公司生产，碳含量 13试样性能测试 ≥98.0%（质量分数），粒度为一300目，有机单体 浆料的粘度用NDJ一79型旋转式粘度计测 收稿日期：2005-07-13修回日期：2005-09-08 量.密度根据阿基米德原理对烧结后试样进行测 作者简介：刘卫华(1976一)，女，博士研究生：贾成厂(1949一). 试.利用三点弯曲梁法测量坯体的抗弯强度，所 男.教授.博士 用设备是深圳市瑞格尔仪器有限公司微机控制电高碳钢凝胶注模成形工艺 刘卫华 贾成厂 史延涛 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 摘 要 对高碳钢( 碳的质量分数为 1 %) 的凝胶注模成形工艺进行了研究.采用该工艺制得质量 分数为 89 %的注模性能良好的料浆, 并用此料浆制备出复杂形状的高碳钢制品.研究了烧结气氛 对碳含量的影响.结果表明:真空气氛烧结可以得到理想的含碳量;在分解氨气氛垫付石墨 1 200 ℃对坯体进行烧结, 可得相对密度 91%, 抗弯强度 400 MPa, 抗拉强度 410 MPa, 组织均匀且形状复 杂的高碳钢制品. 关键词 凝胶注模;高碳钢;烧结气氛;力学性能;形状 分类号 TM 205.1 收稿日期:2005 07 13 修回日期:2005 09 08 作者简介:刘卫华( 1976—) , 女, 博士研究生;贾成厂( 1949—) , 男, 教授, 博士 凝胶注模成形是 20 世纪 90 年代初提出的一 种新型近净尺寸成形技术, 将传统陶瓷工艺和聚 合物化学有机结合起来, 将高分子化学单体聚合 思路引入到陶瓷的成形工艺中, 从而可近净尺寸 成形复杂形状的零部件[ 1] .其构思是将有机单体 及粉末颗粒分散在介质中制成低粘度 、高质量分 数的浓悬浮体, 并加入交联剂 、引发剂及催化剂, 然后将这种浓悬浮体注入非多孔模型中, 通过温 度和催化剂的作用使有机聚合物单体胶联聚合, 形成三维网络状聚合物凝胶, 并将颗粒粘结成坯 体, 再经低温干燥后得到性能良好的坯体. 由于该工艺与其他传统成形工艺相比具有许 多优越的特点, 成为了一种独具特色又极具前景 的新成形工艺, 并在实际中获得了推广应用[ 2 6] . 本研究将凝胶注模成形工艺应用于制备碳钢粉末 冶金材料, 通过调整分散剂用量制备出了质量分 数为 89 %的碳钢悬浮体, 并研究了烧结气氛对碳 钢烧结后碳含量的影响.坯体经烧结制备出形状 复杂 、组织均匀的碳钢制品. 1 实验方法 1.1 材料与试剂 实验使用的原料为羰基铁粉( 沃泰公司生产) 33 %, -500 目和-300 目铁粉各占 33.5 %( 质量 分数) .石墨粉为北京化学试剂公司生产, 碳含量 ≥98.0 %( 质量分数) , 粒度为-300 目, 有机单体 丙烯酰胺 C2H3CONH2( 代号 AM ) , 交联剂为 N, N-亚甲基双丙烯酰胺( C2H3CONH) 2CH2( 代号 为 MBAM) , 为天津市化学试剂研究所生产, 引发 剂为北京益利精细化学品公司生产的过硫酸铵 ( NH4) 2S2O8( 代号 APS) .以去离子水做溶剂. 1.2 实验步骤 图 1 是 Gelcasting 工艺的详细流程 .首先将 有机单体丙烯酰胺和交联剂 N, N -亚甲基双丙 烯酰胺按照一定比例配合成混合溶液, 加入含碳 1 %( 质量分数) 石墨粉和混合铁粉球磨 10 ～ 15 h, 得到流动性较好的浆料, 再借助真空搅拌工艺排 除浆料中的气泡后, 加入引发剂过硫酸铵, 将浓悬 浮液注入非孔模具中, 充分混合均匀后放入 60 ℃ 烤箱中固化, 模具内的有机单体发生聚合反应将 粉体包裹, 成为由大分子网络定型的坯体.再经 室温干燥处理, 然后坯体脱模 、排胶后进行不同气 氛烧结后直接成为金属制品. 图 1 凝胶注模成形工艺流程 Fig.1 Process flowchart of high carbon steel gelcasting 1.3 试样性能测试 浆料的粘度用 NDJ -79 型旋转式粘度计测 量.密度根据阿基米德原理对烧结后试样进行测 试.利用三点弯曲梁法测量坯体的抗弯强度, 所 用设备是深圳市瑞格尔仪器有限公司微机控制电 第 28 卷 第 4 期 2006 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.4 Apr.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.04.012