專利名稱：還原金屬粒子高速微鍛成形工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬粒子的還原高速微鍛成形技術(shù)，特別涉及表面微氧化 粒子在還原后直接微鍛成形，從而形成結(jié)構(gòu)材料的一種還原金屬粒子高速 微鍛成形工藝。
背景技術(shù)：
通常情況下，金屬結(jié)構(gòu)材料是由金屬熔體在一定的容器中凝固成固體 而形成的。也有部分材料是在一個(gè)特定的無模條件下凝固成固體而形成 的。但是這些材料的形成在一定程度下受到模具的限制，制備的形狀不能 太復(fù)雜，如果結(jié)構(gòu)復(fù)雜則鑄態(tài)形成后則難以進(jìn)行加工。金屬的致密度難以 達(dá)到理想值，而使結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能受到影響。無模條件下凝固成固體的形 狀更加有限， 一般用于形成具有優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)較為理想的球形或近球形結(jié)
近來粉末冶金技術(shù)發(fā)展較快，不是采用金屬熔體，而是采用金屬粉末 直接在一定的模具內(nèi)壓制成形，然后進(jìn)行燒結(jié)形成結(jié)構(gòu)材料。此方法可以 在一定程度上可以將熔體中難以有效固溶的元素進(jìn)行結(jié)合形成塊體材料， 但是粉末冶金技術(shù)也受到模具的限制不能得到高致密度和復(fù)雜形狀。為了 提高致密度，在高應(yīng)力的應(yīng)用狀態(tài)下，必須事先對(duì)粉末成形的預(yù)成型體進(jìn) 行半高溫狀態(tài)下的大變形擠壓。以提高材料的密度，這在一定的條件下極 大地限制了材料的制備和應(yīng)用，成本很高。
噴射成形技術(shù)是將液態(tài)金屬霧化成液滴，再由液滴相互粘接形成結(jié)構(gòu) 材料。但是密度也不高，需要進(jìn)行等溫固溶處理及一定程度的鍛造，并且 鍛造成材率較低。
熱噴涂技術(shù)是采用熱源， 一般是氧燃料，對(duì)粒子加高溫，導(dǎo)致粒子的 表面發(fā)生熔化或半熔化，再沉積形成結(jié)構(gòu)材料。 一般情況下對(duì)材料的結(jié)構(gòu) 引入較高的氧，如果采用真空狀態(tài)可以減少氧含量。但其密度也不高。
冷噴涂技術(shù)完全利用粒子的動(dòng)能進(jìn)行沉積，對(duì)于粒子的表面狀態(tài)要求極高，表面一旦有氧化膜存在，能量消耗極大，并且不能消除結(jié)構(gòu)中的氧， 常常只發(fā)生沖蝕現(xiàn)象，沉積率較低。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有狀況，本發(fā)明的目的在于提供一種還原金屬粒子高速微鍛成 形工藝，為制造高密度復(fù)雜形態(tài)的金屬結(jié)構(gòu)件提供方法，適合于各種復(fù)雜 形狀的材料和多種金屬材料。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是 還原金屬粒子高速微鍛成形工藝，其包括如下歩驟
a) 采用霧化法制備的球形金屬粒子，對(duì)粒子進(jìn)行微氧化處理
b) 金屬粒子在高溫高壓還原腔內(nèi)還原，金屬粒子得到高活性新鮮表面， 高壓還原腔內(nèi)充滿惰性氣體和氫氣的混合氣，氫氣的比例在1-6%之 間，還原腔內(nèi)溫度為金屬粒子的0.5Tm-0.8Tm，壓力為20-40atm;
c) 金屬粒子經(jīng)加速器加速后在模具上進(jìn)行高速微鍛成形，得到模具表 面形狀材料。
又，制備金屬粒子的霧化法包括水霧化和氣霧化。 金屬粒子的粒徑范圍為5-50微米。
采用水霧化或氣霧化的方法制備金屬粒子，粒子呈球形或近球形，這 種球形粒子的流動(dòng)性強(qiáng)，金屬粒子的粒徑控制在5-50微米之間。不能采用 研磨破碎的法制備金屬粒子，這樣的粒子呈不規(guī)則形狀，不能達(dá)到要求， 或者效果不理想。
另外，對(duì)霧化法制備的金屬粒子進(jìn)行還原處理，完全消除粒子內(nèi)部的
完全還原后的金屬粒子再進(jìn)行表面微氧化處理，粒子在氧化溫度下暴 露于氧環(huán)境的時(shí)間為3-5s，含氧量在3-5%之間。
表面微氧化處理后的金屬粒子在惰性氣體保護(hù)中進(jìn)行加熱，加熱的溫
度范圍為0.5Tm-0.6Tm之間。
高壓還原腔內(nèi)惰性氣體和氫氣的混合氣中氫氣的比例優(yōu)選在1-3%之間。
再有，微氧化的金屬粒子通過高溫高壓還原腔的時(shí)間為5-10s。金屬粒子經(jīng)加速器加速，速度達(dá)到l-3倍音速。
對(duì)制得的金屬粒子進(jìn)行還原處理，消除造粒過程中的氧化，還原要進(jìn) 行的完全，完全消除金屬粒子內(nèi)部的氧。還原可以采用氫氣或者是乙醇?xì)?等還原氣體。
然后對(duì)金屬粒子進(jìn)行低溫下的表面微氧化處理，氧化區(qū)的溫度為
0.3Tm-0.4Tm之間，Tm為金屬材料的熔點(diǎn)。粒子在氧化溫度下暴露于氧環(huán) 境的時(shí)間為3-5s，粒子的外表面形成氧化層，內(nèi)部保持無氧結(jié)構(gòu)，含氧量 在3-8%之間，較佳的含量為3-5%之間。
表面微氧化金屬粒子制備后，在惰性氣體保護(hù)中進(jìn)行加熱。加熱的溫 度范圍為0.5Tm-0.6Tm之間。然后在惰性氣體保護(hù)下將加熱的微氧化粒子 輸送到高溫高壓還原腔內(nèi)。
高壓還原腔內(nèi)由惰性氣體和氫氣的混合氣充滿，氫氣的比例在1-6% 之間，優(yōu)選在1-3%之間。高溫高壓還原腔內(nèi)的溫度為金屬粒子的 0.5Tm-0.8Tm之間。壓力為20-40atm之間。
微氧化粒子通過高溫高壓還原腔的時(shí)間為5-10s。還原成表面活性極 高的新鮮還原粒子?；瘜W(xué)成分由氧化態(tài)還原為金屬單質(zhì)或合金，表面溫度 會(huì)在還原和氣體加熱作用下會(huì)進(jìn)一步升高。
然后高溫高壓混合氣體與新鮮還原粒子一同導(dǎo)入加速器加速，粒子的 速度由惰性驅(qū)動(dòng)氣體的溫度和壓力控制。并且由于粒子近球形，粒子粒徑 小，加速性好，會(huì)達(dá)到l-3倍音速。
高速、高溫、表面活性極高的新鮮還原粒子對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具件表面進(jìn) 行高速撞擊，最先到達(dá)的粒子在模具表面發(fā)生形變，同時(shí)被模具冷卻而粘 接在模具表面。后到達(dá)的粒子對(duì)先到達(dá)的已粘接的粒子形成強(qiáng)烈的微區(qū)鍛 造，并且由于粒子的溫度高，速度大，表面活性強(qiáng)，強(qiáng)烈的鑄造使前面的 粒子發(fā)生強(qiáng)烈的變形。而表面的溫度進(jìn)一歩升高而達(dá)到熔化或接近熔化的 狀態(tài)，塑性軟化性強(qiáng)，微區(qū)鍛造力又高，所以粒子變形嚴(yán)重，兩個(gè)粒子的 有效接觸表面會(huì)明顯增加，形成高致密度的結(jié)構(gòu)，為冶金結(jié)合，部分影響 下發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成高致密度的熔化烙合結(jié)構(gòu)。并且由于持續(xù)不斷的 鍛造，形成鍛造結(jié)構(gòu)特征的體材料。
這種高速微小的粒子鍛造具有明顯的微區(qū)特征。鍛造的面積為一個(gè)粒
5子的截面積，僅為5-50微米。鍛造的深度為粒子粒徑的三倍，即為15-150 微米。但是鍛造的速度高，達(dá)到1000米/秒左右，時(shí)間非常短，僅為20 納秒左右。因此材料微區(qū)的變形量極大，可獲得接近理論密度的材料。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的主要區(qū)別在于
1) 形成的體材料組織為冶金結(jié)合。
2) 采用的是表面微氧化粒子做為原材料，這是其它制備金屬材料所不 能實(shí)現(xiàn)的。而這種微氧化粒子是表面微氧化，內(nèi)部不含有氧，可在氫氣或 其它氣氛中還原。
3) 采用氫氣或還原氣體含量1-6%的惰氫混合氣體做為還原氣體，操作 簡易，還原能力強(qiáng)。
4) 微氧化粒子在還原后，立刻進(jìn)行高溫微鍛結(jié)合，形成的體材料的致 密度高。
5) 制備后不需要后續(xù)熱加工或其它機(jī)械加工處理，可形成復(fù)雜形狀的 體材料。
本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)在于
1. 本發(fā)明采用球形或近球形的粒子，粒子流動(dòng)性易控制。采用還原處 理完全消除粒子內(nèi)部的氧，提高粒子的性能。
2. 采用的微小粒子，粒子的氧化速率和還原速率均較高。采用粒子的 表面氧化，溫度為0.3Tm-0.4Tm之間，不會(huì)引起粒子的內(nèi)部氧化，含氧量 在3-5%之間。
3. 在惰性氣體保護(hù)下，預(yù)先加熱微氧化粒子，溫度為0.5Tm-0.6Tm之間，
提高還原反應(yīng)的速度。
4. 采用氫氣作為還原劑，氫氣的含量為惰性氣體和氫氣或其它還原氣 體的混合氣的1-6%之間，最佳在1-3%之間。在此含量下還原劑量可以滿 足反應(yīng)需要，并且是安全狀態(tài)的含量。
5. 還原在高溫高壓還原腔內(nèi)進(jìn)行，溫度為金屬粒子的0.5Tm-0.8Tmt 間。壓力為20-40atm之間。還原反應(yīng)速度快。
6. 高溫高壓氣體在加速器內(nèi)加速，粒子的速度達(dá)到1-3倍音速。由還 原腔內(nèi)還原到微鍛結(jié)合區(qū)的時(shí)間非常短，保持新鮮還原粒子的高表面活性 和高溫，粒子間鍛造效果好。同時(shí)防止了外部氧的干擾。7. 高速、高溫、表面活性極高的新鮮還原粒子經(jīng)微區(qū)鍛造形成的體材
料為冶金結(jié)合結(jié)構(gòu)。鍛造的頻率高，形成lmn^的材料要經(jīng)過500次以上 的鍛造。
8. 適應(yīng)于各種復(fù)雜形狀金屬材料制備。
圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的工藝流程圖； 圖2為本發(fā)明制備銅鎳板組織形貌。
具體實(shí)施例方式
參見圖l，本發(fā)明還原金屬粒子高速微鍛成形工藝，其步驟如下 采用霧化法制備的球形金屬粒子(步驟101)，對(duì)霧化法制備的金屬 粒子進(jìn)行還原處理，完全消除粒子內(nèi)部的氧(步驟102);對(duì)粒子進(jìn)行微 氧化處理(步驟103);表面微氧化處理后的金屬粒子在惰性氣體保護(hù)中 進(jìn)行加熱(步驟104);金屬粒子在高溫高壓還原腔內(nèi)還原(步驟105);
金屬粒子經(jīng)加速器加速(歩驟106)后在模具上進(jìn)行高速微鍛成形(步驟 107)，得到模具表面形狀材料(步驟108)。
實(shí)施例1
在鋼管內(nèi)壁制備銅合金螺紋。采用氣霧化的銅合金粒子，粒子材料的 熔點(diǎn)為105(TC，粒子的平均粒徑為35微米。采用氨解還原的方法對(duì)銅合 金粒子進(jìn)行了充分的還原，消除了內(nèi)部的氧。在40(TC下空氣環(huán)境中通過 粒子，粒子均溫時(shí)間為5秒，得到的表面微氧化銅合金粒子。含氧量為3%。 在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將微氧化銅合金粒子迅速加熱至500°C ，送到含氫量1%的氮 氫混合高溫高壓還原腔內(nèi)，還原腔內(nèi)的溫度為600°C，壓力為25bar。然后 引入到加速器內(nèi)，加速到1.5倍音速，進(jìn)行整體微鍛成形。直接獲得與鋼 管內(nèi)壁無縫密封螺紋，耐壓值達(dá)到500MPa。材料結(jié)構(gòu)與無氧銅相當(dāng)。
實(shí)施例2
在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體腔內(nèi)制備流線型的鋁鎂合金復(fù)合結(jié)構(gòu)骨架。眾所周知，鋁鎂合金難以制備和加工。本實(shí)驗(yàn)采用氣霧化的鋁鎂合金粒子，粒子
材料的熔點(diǎn)為760°C，粒子的平均粒徑為75微米。采用氫還原方法對(duì)鋁鎂 合金粒子進(jìn)行了還原，消除了內(nèi)部的氧。在30(TC下空氣環(huán)境中通過粒子， 粒子均溫時(shí)間為3秒，得到的表面微氧化鋁鎂合金粒子。含氧量為2.5% 左右。在氦氣保護(hù)下將微氧化鋁鎂合金粒子迅速加熱至350°C，送到含氫 量1%的氮?dú)浠旌细邷馗邏哼€原腔內(nèi)，還原腔內(nèi)的溫度為500°C，壓力為 30bar，時(shí)間為5秒。然后引入到加速器內(nèi)，加速到2.5倍音速，進(jìn)行整體 微鍛成形。直接獲得在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體腔內(nèi)制備流線型的鋁鎂合金復(fù)合結(jié) 構(gòu)骨架，完全不必進(jìn)行機(jī)械加工，材料平均厚度為20mm，不同部位尺寸 精度均達(dá)到要求。強(qiáng)度達(dá)到550MPa，致密度為100%，無偏析和組織長大， 材料性能優(yōu)異。
實(shí)施例3
制備不銹鋼異形滾壓模具。采用水霧化不銹鋼粉。粒子材料的熔點(diǎn)為 1750°C，粒子的平均粒徑為30微米。采用氨解還原的方法對(duì)不銹鋼粒子 進(jìn)行了充分的還原，消除了內(nèi)部的氧。在70(TC下空氣環(huán)境中通過粒子， 粒子均溫時(shí)間為5秒，得到的表面微氧化不銹鋼粒子。含氧量為5%。在 氮?dú)獗Ｗo(hù)下將微氧化不銹鋼粒子迅速加熱至600°C ，送到含CO量6%的氮 CO混合高溫高壓還原腔內(nèi)，還原腔內(nèi)的溫度為800°C，壓力為30bar。然 后引入到加速器內(nèi)，加速到2.0倍音速，進(jìn)行整體微鍛成形。在環(huán)氧樹脂 基體上獲得了不銹鋼模具，強(qiáng)度達(dá)到1500MPa。大大優(yōu)于普通材料。且不 需要再加工。
實(shí)施例4
渦輪機(jī)耐熱板，采用含W的In718合金。水霧化粒子，粒子材料的熔 點(diǎn)為205(TC，粒子的平均粒徑為15微米。采用氫還原的方法對(duì)合金粒子 進(jìn)行了充分的還原，消除了內(nèi)部的氧。在60(TC下空氣環(huán)境中通過粒子， 粒子均溫時(shí)間為5秒，得到的表面微氧化合金粒子。含氧量為4.5%。在氮 氣保護(hù)下將微氧化合金粒子迅速加熱至70(TC，送到含氫量5%的氮?dú)浠旌?高溫高壓還原腔內(nèi)，還原腔內(nèi)的溫度為80(TC，壓力為40bar。然后引入到加速器內(nèi)，加速到2.5倍音速，進(jìn)行整體微鍛成形。在殼體上制備了3mm厚的保護(hù)材料，與殼體緊密結(jié)合。
實(shí)施例5
在結(jié)晶器上制備銅鎳合金復(fù)合板。采用氣霧化粒子。粒子材料的熔點(diǎn)為1835°C，粒子的平均粒徑為24微米。采用氨解還原的方法對(duì)鎳合金粒子進(jìn)行了充分的還原，消除了內(nèi)部的氧。在55(TC下空氣環(huán)境中通過粒子，粒子均溫時(shí)間為5秒，得到的表面微氧化鎳合金粒子。含氧量為3.8%。在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將微氧化鎳合金粒子迅速加熱至65(TC，送到含氫量3.4%的氮?dú)浠旌细邷馗邏哼€原腔內(nèi)，還原腔內(nèi)的溫度為800°C，壓力為35bar。然后引入到加速器內(nèi)，加速到2.2倍音速，進(jìn)行整體微鍛成形。形成了銅鎳結(jié)晶器復(fù)合板材料。形狀為漏斗型，強(qiáng)度為220MPa。
圖2所示為銅鎳復(fù)合板的微觀組織結(jié)構(gòu)。通過熔體制備銅鎳合金極易產(chǎn)生成分偏析，而采用還原粒子微鍛成形技術(shù)可以得到成分均勻的微觀組織，材料強(qiáng)度和導(dǎo)熱性等綜合性能達(dá)到并部分超過通過熔體制備的銅鎳合金材料。并直接形成了漏斗形，減少了加工量。
實(shí)施例6
制備耐高溫齒輪，采用硬Cr與In718合金混合粉末。均為水霧化粒子，粒子材料的熔點(diǎn)為220(TC和2050°C，粒子的平均粒徑為15微米。采用氫還原的方法對(duì)合金粒子進(jìn)行了充分的還原，消除了內(nèi)部的氧。在60(TC下空氣環(huán)境中通過粒子，粒子均溫時(shí)間為5秒，得到的表面微氧化合金粒子。含氧量為4.5%。在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將微氧化合金粒子迅速加熱至700°C，送到含氫量5%的氮?dú)浠旌细邷馗邏哼€原腔內(nèi)，還原腔內(nèi)的溫度為800°C，壓力為40bar。然后引入到加速器內(nèi)，加速到3倍音速，進(jìn)行整體微鍛成形。齒輪內(nèi)模具上制備了材料，形成實(shí)心材料。脫膜后直接得到了尺寸精度非常高的耐高溫齒輪。
實(shí)施例7
制備工具鋼刃具，采用水霧化工具鋼粉。粒子材料的熔點(diǎn)為190(TC，粒子的平均粒徑為20微米。采用氬氣與氫氣還原的方法對(duì)粒子進(jìn)行了充分的還原，消除了內(nèi)部的氧。在80(TC下空氣環(huán)境中通過粒子，粒子均溫
時(shí)間為5秒，得到的表面微氧化粒子。含氧量為5%。在氦氣保護(hù)下將微氧化粒子迅速加熱至700°C，送到含氫量6%的氦氫混合高溫高壓還原腔內(nèi)，還原腔內(nèi)的溫度為850°C，壓力為35bar。然后引入到加速器內(nèi)，加速到2.5倍音速，進(jìn)行整體微鍛成形。在碳鋼底座上獲得了工具刃口。。
實(shí)施例8
制備壓力罐出氣口不銹鋼內(nèi)保護(hù)套。采用水霧化不銹鋼粉。粒子材料的熔點(diǎn)為175(TC，粒子的平均粒徑為30微米。采用氨解還原的方法對(duì)不銹鋼粒子進(jìn)行了充分的還原，消除了內(nèi)部的氧。在70(TC下空氣環(huán)境中通過粒子，粒子均溫時(shí)間為5秒，得到的表面微氧化不銹鋼粒子。含氧量為5%。在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將微氧化不銹鋼粒子迅速加熱至60CTC，送到含氫量2%的氮?dú)浠旌细邷馗邏哼€原腔內(nèi)，還原腔內(nèi)的溫度為800°C，壓力為30bar。然后引入到加速器內(nèi)，加速到2.0倍音速，在壓力罐出口壁直接制備了保護(hù)套。
權(quán)利要求
1.還原金屬粒子高速微鍛成形工藝，其包括如下步驟a)采用霧化法制備的球形金屬粒子，對(duì)粒子進(jìn)行微氧化處理；b)金屬粒子在高溫高壓還原腔內(nèi)還原，金屬粒子得到高活性新鮮表面，高壓還原腔內(nèi)充滿惰性氣體和氫氣的混合氣，氫氣的比例在1-6％之間，還原腔內(nèi)溫度為金屬粒子的0.5Tm-0.8Tm，壓力為20-40atm；c)金屬粒子經(jīng)加速器加速后在模具上進(jìn)行高速微鍛成形，得到模具表面形狀材料。
2. 如權(quán)利要求1所述的還原金屬粒子高速微鍛成形工藝，其特征在于， 制備金屬粒子的霧化法包括水霧化和氣霧化。
3. 如權(quán)利要求1所述的還原金屬粒子高速微鍛成形工藝，其特征在于， 金屬粒子的粒徑范圍為5-50微米。
4. 如權(quán)利要求1所述的還原金屬粒子高速微鍛成形工藝，其特征在于， 對(duì)霧化法制備的金屬粒子進(jìn)行還原處理，完全消除粒子內(nèi)部的氧。
5. 如權(quán)利要求1所述的還原金屬粒子高速微鍛成形工藝，其特征在于， 對(duì)霧化法制備的金屬粒子進(jìn)行還原處理，還原采用氫氣或者乙醇?xì)狻?br>
6. 如權(quán)利要求1所述的還原金屬粒子高速微鍛成形工藝，其特征在于， 完全還原后的金屬粒子再進(jìn)行表面微氧化處理，粒子在氧化溫度下暴 露于氧環(huán)境的時(shí)間為3-5s，含氧量在3-5%之間。
7. 如權(quán)利要求1所述的還原金屬粒子高速微鍛成形工藝，其特征在于， 表面微氧化處理后的金屬粒子在惰性氣體保護(hù)中進(jìn)行加熱，加熱的溫 度范0.5Tm- 。
8. 如權(quán)利要求1所述的還原金屬粒子高速微鍛成形工藝，其特征在于， 高壓還原腔內(nèi)惰性氣體和氫氣的混合氣中氫氣的比例優(yōu)選在1-3%之 間。
9. 如權(quán)利要求1所述的還原金屬粒子高速微鍛成形工藝，其特征在于， 微氧化的金屬粒子通過高溫高壓還原腔的時(shí)間為5-10s。
10. 如權(quán)利要求1所述的還原金屬粒子高速微鍛成形工藝，其特征在于， 金屬粒子經(jīng)加速器加速，速度達(dá)到l-3倍音速。
全文摘要
還原金屬粒子高速微鍛成形工藝，其包括如下步驟a)采用霧化法制備的球形金屬粒子，對(duì)粒子進(jìn)行微氧化處理；b)金屬粒子在高溫高壓還原腔內(nèi)還原，金屬粒子得到高活性新鮮表面，高壓還原腔內(nèi)充滿惰性氣體和氫氣的混合氣，氫氣的比例在1-6％之間，還原腔內(nèi)溫度為金屬粒子的0.5T<sub>m</sub>-0.8T<sub>m</sub>，壓力為20-40atm；c)金屬粒子經(jīng)加速器加速后在模具上進(jìn)行高速微鍛成形，得到模具表面形狀材料。本發(fā)明高速、高溫、表面活性極高的新鮮還原金屬粒子經(jīng)高速微鍛成形的體材料為冶金結(jié)合結(jié)構(gòu)，適應(yīng)于各種復(fù)雜形狀金屬材料制備。
文檔編號(hào)B22F9/22GK101537495SQ20081003482
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2008年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月19日
發(fā)明者宋洪偉, 張俊寶, 張宇軍, 梁永立 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司