控制粉末注模形成的材料中碳和/或氧含量的方法
【專利說明】控制粉末注模形成的材料中碳和/或氧含量的方法
[0001]本申請是以下申請的分案申請:申請日2010年10月13日，申請?zhí)?01080056582.5，發(fā)明名稱“方法”。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及控制粉末注模形成的材料中碳和/或氧含量的方法。具體地講，本發(fā)明提供合金，優(yōu)選鈦合金，或具有提高純度的金屬陶瓷。
【背景技術(shù)】
[0003]有很寬范圍金屬合金用于不同應(yīng)用，各合金提供多種性質(zhì)的具體組合，包括強度、延性、抗蠕變性、耐腐蝕性、抗疲勞性和可鑄性。例如，雖然純鈦非常耐腐蝕，但其耐腐蝕性可通過用0.15%重量鈀形成合金來改善。同樣，T1-6A1-4V是顯示高強度、抗蠕變性、抗疲勞性和可鑄性的常用鈦合金。T1-6A1-4V的耐腐蝕性也可類似地通過加入鈀來改善。
[0004]與其它金屬或合金比較，鈦的全球產(chǎn)量小，目前生產(chǎn)的大部分鈦用于航空航天工業(yè)。然而，其它工業(yè)，已遇到它們需要的材料的尋源方面的困難，并且已另外發(fā)現(xiàn)由于高鈦價保持大量一定范圍不同鈦合金不合乎需要。
[0005]現(xiàn)已設(shè)計金屬陶瓷，以便它們顯示陶瓷和金屬組分兩者的特征。關(guān)于這一點，陶瓷組分可貢獻耐高溫性和硬度，而金屬組分可貢獻塑性變形。金屬陶瓷已用于電子工業(yè)(制造電阻器和電容器)、陶瓷-金屬接頭和密封及醫(yī)療應(yīng)用(例如牙科)。
[0006]粉末注模(PM)是制備定制組合物的熟悉方法(參見，例如“Inject1n Moldingof Metals and Ceramics”(金屬和陶瓷的注模)，Randall M.German 和 Animesh Bose,MPIF Publishers, 1997 (ISBN N0.1-878-954-61-X)，所述文獻出于所有目的全文通過引用結(jié)合到本文中)。通常，PM包括將粉末和粘合劑混合成原料，然后將原料制粒，并注模成“綠”體。然后，通過去除粘合劑，使綠體轉(zhuǎn)變成“棕”體。去粘合的方法可以為熱方法，粘合劑可通過溶劑萃取或兩種方法的組合去除。不考慮產(chǎn)生棕體的方法，方法的最終步驟包括熔結(jié)產(chǎn)生被稱為“白”體的材料。
[0007]具有與流程氣體(如，氫、氧或氮)反應(yīng)的親合力的粉末相關(guān)的PIM有關(guān)的一個缺點是需要在整個制造過程中保持高水平純度。根據(jù)被處理的金屬粉末，流程氣體和溫度偏移的不良控制可導(dǎo)致在熔結(jié)的金屬體內(nèi)形成不合乎需要水平的例如氧化物、氮化物或氫化物雜質(zhì)。用鈦PM的情況作為實例，熟知在PIM處理期間使用的溫度條件并且分別在氧、氮或氫存在下形成鈦氧化物、氮化物或氫化物。已觀察到，存在隙間摻雜元素可對合金性質(zhì)具有大的影響，因此，在標準合金組合物內(nèi)仔細確定(參見，例如“Titanium and TitaniumAlloys”(欽和欽合金)，Kirk-Othmer Encyclopaedia of Chemical Technology,4thEdit1n，Vol.24，pg 186-224，所述文獻為了所有目的全文通過引用結(jié)合到本文中)。
[0008]與PIM相關(guān)的第二個缺點是，在綠體中存在相對大量有機物質(zhì)(有效和可再現(xiàn)模壓操作粘合劑作用需要)可導(dǎo)致在最終熔結(jié)體中不合乎需要水平的基于碳的雜質(zhì)。在去粘合和熔結(jié)階段使用不適合的粘合劑組合物和/或不良工藝控制可導(dǎo)致不完全去除粘合劑材料，這可變得殘留在最終熔結(jié)體內(nèi)。在鈦和鈦合金的情況下，例如，通常規(guī)定存在低水平碳雜質(zhì)，一般小于0.1%，以避免在合金中大于0.2%水平出現(xiàn)脆的固體碳化物相(參見，例如，ASTM國際鈦合金標準表，所述文獻出于所有目的全文通過引用結(jié)合到本文中)。
[0009]除了在白體中產(chǎn)生基于碳的雜質(zhì)的粘合劑制劑的可能性外，為去除粘合劑選擇粘合劑制劑和工藝條件之間的相互影響也可導(dǎo)致在最終熔結(jié)體中另外的不合乎需要的基于氧、氫和氮的雜質(zhì)的形成。例如，S.Froes 的 “Getting better:big boost for titaniumMIM prospects”(越來越好:欽PIM希望的大提高)中表II和III (Metal Powder ReportVolume 61, Issue 11, December 2006, Pages 20-23，所述文獻出于所有目的全文通過引用結(jié)合到本文中)分別列出鈦合金P頂粘合劑組合物的選擇和主要在實驗室規(guī)模方法中使用那些組合物制備的熔結(jié)合金的性質(zhì)。多數(shù)去粘合方法包括基于熱或溶劑的方法，或者有時兩者的組合。雖然基于溶劑的方法已顯示能夠制備具有低雜質(zhì)水平的熔結(jié)鈦體，但產(chǎn)生大量污染溶劑，成為需要隨后操作和處理的廢流。從那些表的回顧明顯看出，用ASTM標準雜質(zhì)水平得到熔結(jié)合金組分對很多從業(yè)者仍是挑戰(zhàn)。
[0010]只要涉及基于熱的去粘合過程，就應(yīng)了解，這些類型方法排除與液體流出物處理相關(guān)的問題。然而，由于Froes在前述文章中說明，甚至已知容易“熱解聚”成其起始單體的那些聚合物粘合劑可能仍在熔結(jié)的鈦MM體中留下不合乎需要的殘余物。解聚作用或解聚傾向于在接近雜質(zhì)攝入變得不可忽略的溫度發(fā)生，已提出對于包含鈦的組分在或高于260。。。
[0011]US20080199822(授予BASF)描述從粉末注模制造的金屬和/或陶瓷成形體連續(xù)催化去除粘合劑的設(shè)備。方法包括使用與粘合劑反應(yīng)的氣態(tài)硝酸。然而，US20080199822未說出減少由于棕色部件中剩余的粘合劑殘余物存在的碳和/或氧內(nèi)容物。US20080199822似乎也未描述在整個PIM過程中保持良好的純度水平。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明尋求克服上述缺點。具體地講，已發(fā)現(xiàn)，在原料組合物中存在鉑族金屬可制造比不包含鉑族金屬形成的類似體具有更低雜質(zhì)濃度的完成熔結(jié)體。因此，本發(fā)明提供控制材料中碳和/或氧含量的方法，所述方法包括以下步驟:
a)形成包含至少一種粉末、至少一種鉑族金屬和至少一種粘合劑的原料組合物；和
b)通過粉末注模使材料成形；
其中至少一部分碳和/或氧通過至少一種鉑族金屬催化去除。
[0013]在一個實施方案中，本發(fā)明提供控制材料中碳含量的方法。在一個優(yōu)選的實施方案中，將碳含量控制到最終熔結(jié)體中< 0.1%重量碳的水平。
[0014]在另一個實施方案中，本發(fā)明提供控制材料中氧含量的方法。在一個優(yōu)選的實施方案中，將氧含量控制到最終熔結(jié)體中< 0.3%重量氧的水平。
[0015]在另一個實施方案中，本發(fā)明提供控制材料中碳和氧含量的方法。
[0016]因此，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案。
[0017]方案1.一種控制材料中碳和/或氧含量的方法，所述方法包括以下步驟:
a)形成包含至少一種粉末、至少一種鉑族金屬和至少一種粘合劑的原料組合物；和
b)通過粉末注模使材料成形； 其中至少一部分碳和/或氧通過至少一種鉑族金屬催化去除。
[0018]方案2.方案I的方法，其中原料組合物為粉末、鉑族金屬和粘合劑的混合物。
[0019]方案3.方案I的方法，其中將鉑族金屬涂在粉末上。
[0020]方案4.方案3的方法，其中鉑族金屬通過低能量球磨、無電鍍、還原化學(xué)沉積或使用雙不對稱離心力涂在粉末上。
[0021]方案5.方案3或4的方法，其中鉑族金屬用雙不對稱離心力涂在粉末上。
[0022]方案6.方案3至5中任一項的方法，其中涂層為薄膜或離散顆粒的形式。
[0023]方案7.前述方案中任一項的方法，其中粉末包含鈦、鉬、鎢、鎳或鐵的至少一種。
[0024]方案8.方案I至6中任一項的方法，其中粉末包含硅、鋯、鋁、釔、鈰、鈦或鎢的至少一種。
[0025]方案9.前述方案中任一項的方法，其中粉末包括基本球形、不規(guī)則或其組合的顆粒。
[0026]方案10.前述方案中任一項的方法，其中鉑族金屬選自鉑、鈀、銠、釕、銥和鋨的至少一種。
[0027]方案11.前述方案中任一項的方法，其中鉑族金屬選自鉑和鈀的至少一種。
[0028]方案12.前述方案中任一項的方法，其中材料為合金或金屬陶瓷。
[0029]方案13.方案12的方法，其中合金包含鈦。
[0030]方案14.前述方案中任一項的方法，其中催化去除通過熱誘導(dǎo)進行。
[0031]方案15.方案14的方法，其中熱誘導(dǎo)催化去除在熱去粘合、熔結(jié)或其組合期間進行。
[0032]方案16.方案15的方法，其中碳和/或氧含量進一步通過調(diào)節(jié)流程氣體控