論文開題：利用明膠凝膠注模成形工藝研究

大學本科畢業(yè)論文(設計)開題報告
學院：　機電學院　　　　　　　　　　　專業(yè)班級：08機制2班

課題名稱 利用明膠凝膠注模成形工藝研究

1、本課題的的研究目的和意義：
通過本次設計，了解凝膠注模成形工藝過程及特點，國內(nèi)外先進的金屬粉末成形方法。掌握凝膠反應的機理，影響反應的各因素的影響機理。通過對凝膠注模不銹鋼粉末過程中各影響因素的分析，研究不同粘結劑、不同分散劑、粘結劑含量、分散劑濃度、不銹鋼粉末固相含量、溶液pH值等因素對漿料流變性和生坯機械性能的影響規(guī)律，達到優(yōu)化工藝參數(shù)的目的。
2、 文獻綜述（國內(nèi)外研究情況及其發(fā)展）：
凝膠注模成形(gelcasting) 由美國橡樹嶺國家實驗室M. A. J anney 教授等于20 世紀90 年代初發(fā)明,是近年倍受關注的一種復雜形狀陶瓷或金屬部件近凈尺寸的原位凝固成形方法。凝膠注模成形技術是傳統(tǒng)膠態(tài)成形工藝與化學理論的結合,其構思是將有機單體與溶劑配制成一定濃度的預混液,金屬或陶瓷粉末懸浮于其中制成低粘度、高固相含量的濃懸浮體,加入引發(fā)劑及催化劑之后,將這種濃懸浮體漿料注入非多孔模具中,在一定的溫度條件下,有機聚合物單體交聯(lián)聚合成三維網(wǎng)絡狀聚合物凝膠,并使粉末顆粒原位粘結而固化形成坯體。坯體經(jīng)干燥
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后的生坯可以用電腦數(shù)值控制三軸銑床進行加工,可被用來制作澆鑄用的模具。他們得到的燒結體密度最高為理論密度的91 %。Stanford 大學[12 ]也在Gelcasting 中采用MoldS2DF (mold shape deposition manufacturing) 模具方法成功地制備了氮化硅渦輪轉子和不銹鋼轉子。
2．國內(nèi)金屬粉末凝膠注模成形技術的研究進展
我們采用最基本的Gelcasting 工藝的凝膠體系———水溶性丙烯酰胺凝膠體系。該體系以丙烯酰胺(AM) 為單體,N ,N2二甲基二丙烯酰胺(MBAM) 為交聯(lián)劑。將這兩種單體按一定的配比、質量濃度溶入適量去離子水中,配制成預混液。通過大量的對比實驗,選擇能夠將漿料中的金屬粉末有效懸浮分散的分散劑。將金屬鐵粉和適量的分散劑、消泡劑、增塑劑加入預混液中,調(diào)制成57 %固相含量的金屬懸浮漿料。在漿體中加入適量濃度為30 %過硫酸銨溶液引發(fā)劑,攪拌均勻后真空除去內(nèi)部氣體,注漿入模(石膏<3010 球體模) ,模具內(nèi)的料漿在引發(fā)劑和熱作用下發(fā)生凝膠反應而固化成形,015 - 1h 后脫模得到坯體。坯體干燥后直接于真空管式爐中在1150 ℃、1200 ℃燒結115h , 可以看出,燒結體密度可達94 %以上,并且燒結體收縮均勻,形狀保持很好。
3． 金屬粉末凝膠注模成形的應用前景
金屬粉末凝膠注模成形憑借其易成形復雜形狀、大尺寸零件,模具成本低廉、成形坯體組分均勻、密度均勻、缺陷少、強度高、不需專門的脫脂工序、適用于多種金屬粉末等獨特優(yōu)勢,為金屬制品的精密成形制備提供了一種低成本、高可靠性的工藝手段,在金屬磁材、生物醫(yī)學植入材料、金屬基粉末冶金結構件、金屬工藝品等生產(chǎn)領域具有廣闊的應用前景。
(1) 在磁體生產(chǎn)的磁場成形過程中,磁粉在磁場中取向度的改善是提高永磁體磁性能的關鍵因素。Gelcasting 作為一種濕法無壓成形工藝,可以降低磁粉轉動阻力,使磁粉最大限度地排列在外磁場方向,提高磁取向度從而獲得高的磁性能。并且Gelcasting 模具結構簡單,便于各個方向外加磁場的設置,使設備成本降低。
(2) 多孔鈦鎳合金強度高、密度低、耐腐蝕性強,彈性模量與人骨彈性模量接近,生物相容性好,生物界面結合牢固,是較理想的生物醫(yī)學植入材料。但是制備高孔隙度鈦鎳合金卻比較困難。鈦鎳合金的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝是熔鑄法,但這種方法只能得到致密材料,而不能用于制備多孔體合金。Gelcasting 技術通過改變料漿的固相含量,可以獲得高孔隙度、復雜形狀、大尺寸的多孔鈦鎳合金人造骨材料。隨著醫(yī)學的發(fā)展和人們物質生活條件的提高,以人造骨材料解除病痛的方法將越來越多的被采用。因此,開展該研究具有很大的理論意義和實用價值。
(3) 對于金屬基粉末冶金零件的成形(尤其是那些難成形的金屬粉末如鈦粉) ,傳統(tǒng)的壓制方法難以獲得復雜的形狀,而易于獲得復雜形狀的成形方法如熱壓鑄或注射成形需加入質量分數(shù)高達20 %的蠟或其他有機物,脫脂過程繁瑣,不適用于大尺寸零件,從而使較大尺寸、復雜形狀金屬基粉末冶金零件的制備成為難題。Gelcasting 適用于多種金屬粉末,可以在較低成本的前提下同時滿足大尺寸、復雜形狀的要求,解決這個難題。
(4) 目前,金屬工藝品多采用鑄造或鍛造的方法,這些方法或者以低精密度為代價保證低成本、或者以高成本換取高精密度,兩者難以兼?zhèn)�。Gelcast2ing 可以利用價格低廉、便于獲得復雜形狀的石蠟、塑料等模具材料清晰地表現(xiàn)細節(jié)特征,并且對于常規(guī)材料成形過程不需要大型設備,操作簡便,非常適合于工藝飾品的制作。因此,開展金屬粉末凝膠注模成形技術研究具有很大的實用價值。

3、 本課題的主要研究內(nèi)容（提綱）和成果形式：
1）進行調(diào)研和分析，查找相關資料，完成外文翻譯5000字；
2）通過研究不同粘結劑和分散劑對溶液流變性和分散效果的影響，確定合適的凝膠體系；
3）通過研究各個工藝因素對漿料流變性和生坯機械性能的影響，確定合理的凝膠注模工藝參數(shù)
5）按規(guī)定格式和質量完成畢業(yè)論文。
4）根據(jù)實驗結論，利用真空燒結制作形狀較復雜的不銹鋼零件；

4、擬解決的關鍵問題：
1) 不同粘結劑對漿料流變性和生坯機械性能的影響規(guī)律。
2) 不同分散劑對漿料流變性和生坯機械性能的影響規(guī)律。
3) 粘結劑含量對漿料流變性和生坯機械性能的影響規(guī)律。
4) 分散劑濃度對漿料流變性和生坯機械性能的影響規(guī) ……（未完，全文共4758字，當前僅顯示2403字，請閱讀下面提示信息。收藏《論文開題：利用明膠凝膠注模成形工藝研究》）