一种被高分子材料包裹的金属粉末及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种被高分子材料包裹的金属粉末及其制备方法和应用，在制备金属粉末时，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，混合时去氧化膜溶液与氧化膜发生化学反应去除氧化膜，金属粉末相互之间产生摩擦去除氧化膜，实现了对金属粉末表面氧化膜的完全有效去除，对得到的混合物中的金属粉末进行干燥处理，得到包裹有高分子材料的金属粉末；通过将该金属粉末应用于金属注塑成型工艺，增加了该金属材料的应用面；通过注塑成型工艺使用该金属粉末制备金属零件，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。

A kind of metal powder coated with macromolecule material and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种被高分子材料包裹的金属粉末及其制备方法和应用
本专利技术涉及金属材料领域，具体涉及一种被高分子材料包裹的高活性金属粉末及其制备方法和应用。
技术介绍
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，此氧化膜的存在会影响金属材料在高温烧结时的扩散作用，进而使材料的烧结密度降低、机械性能变差。众所周知，铜合金、铝合金、钛合金、镁合金等高活性金属合金材料的表面在室温下极易生成氧化膜，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，容易产生温度的核-壳(Core-Shell)效应，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℃，在粉末冶金的烧结过程中，若无法去除此类高活性金属表面的氧化膜，将会造成后续烧结不致密、机械性能变差等问题。以铝合金为例，室温下，块状铝合金表面氧化膜的厚度为10-20μm，而雾化法制备出的铝合金粉末，其氧化膜的厚度达到50-150μm，且为非晶态或水合物，性质非常稳定，由Ellingham氧化还原图可知在铝667℃熔点内氧化铝难以分解还原成铝，常规条件下烧结时，铝合金粉末中的铝金属原子不能扩散穿过这层连续且致密的Al2O3氧化膜，使得铝合金粉末颗粒之间不能互相扩散并作质量传输用，因此难以消除颗粒间的孔隙，无法使使用该铝合金粉末制成的金属零件致密化；专利CN107584110A将铝合金导入蜡基金属注塑中，喂料时并没有针对铝合金表面的氧化膜作特别处理，故其烧结密度及稳定性非常不理想。现有技术中一般通过破坏或去除活性金属材料表面的氧化膜或液相烧结的方法来改善铝及铝合金的烧结性能。破坏氧化膜的方式主要有下列方式：（1）添加镁金属进行固相反应烧结：镁的活性远大于铝，其氧化物形成的自由能比Al2O3要小得多，因此，镁添加剂应用于铝合金的粉末烧结中，可以将Al2O3还原成纯金属铝，在800℃开始生成镁铝尖晶石结构(MgAl2O4)的氧化物，镁在铝基体中扩散，使体积发生改变，在氧化膜上产生剪切力，最终破坏氧化膜，有利于原子的扩散和烧结的顺利进行，提高铝合金的密度；然而经研究发现，铝合金中镁的添加量要达到0.15%才能引起烧结体积的收缩，实现对氧化膜的有效消除，同时起到固溶强化的作用，但铝合金的烧结温度是低于667℃的，需要运用纳米陶瓷粉末颗粒表面的高能量特性，从而降低反应温度才能达到预期作用，故在铝熔点以内去除氧化膜的效率不佳。（2）还原气氛烧结：部分学者认为在还原性气氛下烧结时，颗粒周围的还原性气体与Al2O3反应，置换出金属铝；常用的还原气体氢气是非常活泼的化学元素，与金属氧化物能发生置换反应，同样，氢气也能与氧化物Al2O3发生反应，烧结过程中，Al2O3薄膜通过不断反应而逐渐减薄，从而使颗粒间的铝原子扩散得以进行，使块状材料变的致密，但实际上由Ellingham氧化还原图知在铝667℃熔点内氧化铝难以分解还原成铝，其H2/H2O高达1018以上，故无法有效的将Al2O3还原成纯金属铝，故去除氧化膜效果很差。(3)在液相烧结方面有下列方式：金属及其合金粉末坯料仅通过固相烧结难以获得很高的密度，如果在一定的烧结温度下，低熔组元熔化形成低熔点共晶物，由液相引起的物质迁移比固相快，最终液相将填满烧结体内的空隙，由此可以获得密度高、性能好的烧结品；然而液相烧结铝合金制品的添加相必须具备以下条件：（A）低于铝合金熔点；（B）与铝不互溶；（C）产生的液相须对铝合金颗粒表面有良好的润湿性；故常用的添加相有Cu、Sn、Zn、Mg等金属，或者将这些金属元素复合添加，如CN101594954A所示在铝及铝合金的金属注塑成形专利中，使用溶剂脱脂系统以添加Sn、In、Sb、B为助烧结剂。(4)添加中间相反应物，如专利CN104999074A，以添加氧化硼(B2O3)对铝及铝合金表面改性，以利在烧结过程中氧化硼(B2O3)与铝合金粉表面氧化物反应来促进烧结，由Al2O3－B2O3相图可知氧化硼(B2O3)的熔点445℃而与Al2O3形成不定型态的硼酸铝(nAl2O3-B2O3)化合物的最低温度是800~1000℃，此化合物仍具有陶瓷特性残留在铝及铝合金材料内影响其性能，且其反应温度高于铝熔点。(5)机械式互磨表面氧化膜，如专利CN107159878A所示将金属材料、高分子材料及溶剂制于密闭容器内，并置于球磨机上作旋转运动靠粉末间接触磨擦作用去除表面氧化膜，并同时予以包裹；其对于铝颗粒内凹表面或不规则未接触部分无法去除氧化膜，故无法完全有效去除颗粒外表面氧化膜。上述方式不论是单独使用物理机械方式或化学反应方式实现对金属材料氧化膜的去除，除了无法完全去除外，并不能有效避免氧化膜的再次产生，所以使用上述大部分方法去除氧化膜后高活性金属材料表面会再度被氧化；同时无法与后续的烧结制成条件配合，因此，将高活性金属材料导入金属注塑成形(MIM)工艺进行注塑烧结时，烧结不致密一直是一个关键困难点，也是行业内专家学者亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术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。为达到上述目的，本专利技术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。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。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。进一步优选地，所述铝合金为铝-镁基合金或铝-镁-硅基合金。优选地，步骤（1）中所述去氧化膜溶液为酸液。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。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。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。优选地，步骤（1）中所述去氧化膜溶液为碱液。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。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。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、酚醛树本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，其特征在于：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。4.根据权利要求3述的被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，其特征在于：所述铝合金为铝-镁基合金或铝-镁-硅基合金。5.根据权利要求1所述的被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述去氧化膜溶液为酸液。6.根据权利要求5所述的被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，其特征在于：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。7.根据权利要求5所述的被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，其特征在于：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。8.根据权利要求5所述的被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，其特征在于：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。9.根据权利要求1所述的被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述去氧化膜溶液为碱液。10.根据权利要求9所述的被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，其特征在于：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。11.根据权利要求1所述的被高分子材料包裹的金属粉末的制备方法，其特征在于：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。12.根据权利要求11所述的被高分...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯春树，侯咏轩，徐元莉，
申请(专利权)人：昆山卡德姆新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32