專利名稱：一種低成本大規(guī)模工業(yè)化生產鐵基彌散強化材料的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬材料領域，屬于氧化物彌散強化材料的范疇。特別提供了一種利 用工業(yè)鹽酸酸洗液回收過程低成本大規(guī)模工業(yè)化制備氧化釔氧化鐵混合氧化物粉末，再經 過還原，致密化工藝制備鐵基彌散強化材料的工藝。本發(fā)明的氧化物彌散強化鐵基材料，因為其成本低性能好，除可以使用在核聚變 反應堆第一壁材料等要求優(yōu)異的高溫強度和蠕變強度的場合，還可以用于制備低成本高性 能的粉末冶金零件。
背景技術：
隨著科學技術的迅猛發(fā)展，各種熱力機械(燃氣輪機、噴氣發(fā)動機、火箭)，宇航工 業(yè)，原子能工業(yè)對耐熱材料的高溫強度與耐腐蝕性能的要求越來越高。目前，傳統(tǒng)的耐熱金 屬材料一般采用固溶強化和析出相的沉淀硬化作為其主要的強化手段，但析出相在高溫下 會聚集長大或重新固溶于基體中，失去了強化作用，限制了其使用溫度；另一方面，固溶強 化元素均極大的降低抗氧腐蝕性能。而鐵基氧化物彌散強化材料通過穩(wěn)定的氧化物彌散相 增強金屬，可以克服上述限制，提高一般金屬的高溫性能和力學性能，更有效提高高溫合金 的熱穩(wěn)定性和硬度、強度。彌散強化是靠在金屬中加入或形成一般是較穩(wěn)定的第二相粒子以強化合金的方 法。第二相粒子是人為加入到基體材料中的，均勻、細小，具有很好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定 性，能夠釘扎位錯、晶界、亞晶界，阻礙位錯的移動，從而強化材料，并且將合金加熱到較高 溫度下，它們不再發(fā)生溶解，強化效果可以維持到接近合金的熔點(0. 8-0. ，使得彌 散強化材料在接近熔點附近仍然具有很高的強度、蠕變性能和抗氧化性能。這樣可以很大 程度上挖掘材料的潛力，充分利用金屬材料。金屬材料中產生強化效果的第二相粒子，必須 是比較均勻地分散于金屬中的細小顆粒，一般認為氧化物顆粒越細小，分布越均勻，材料性 能的提高就越顯著。目前，在制備鐵基氧化物彌散材料上主要采用機械合金化技術，以！^為原始粉 末，以Cr，Al，Ti，Mo等為中間合金粉末，以^O3為第二相彌散強化粒子，通過機械合金化工 藝制備。這種方法存在成本高，不易控制，易引入雜質，污染合金，生產周期長等缺點，難以 實現(xiàn)大規(guī)?；I(yè)生產。高生產成本限制鐵基彌散強化材料的使用范圍，目前僅僅用于高 端行業(yè)，因此，開發(fā)一種低成本鐵基氧化物彌散強化塊體材料的制備工藝具有重要的現(xiàn)實 意義和很大的市場潛力。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種有工業(yè)應用價值，成本低廉的彌散強化鐵基材料的粉 末冶金制備方法，即利用工業(yè)鹽酸酸洗液回收過程低成本大規(guī)模工業(yè)化制備氧化釔氧化鐵 混合氧化物粉末，再經過還原，兩種不同致密化過程制備出針對不同需求的鐵基彌散強化 材料的工藝。解決現(xiàn)有方法成本高，不易控制，生產周期長等缺點。
熱軋帶鋼經過鹽酸酸洗后，方能進行冷軋，酸洗時，帶鋼表面鐵及氧化皮被鹽酸洗 掉，消耗的鹽酸轉變成為以!^Cl2為主的氯化物，溶解在鹽酸溶液中。其主要反應化學方程 式為Fe+2HC1 = FeCl2+H20Fe0+2HC1 = FeCl2+H20目前國內外基本采用Ruthner-噴霧焙燒技術工藝對酸洗廢液進行處理，鹽酸再 生的同時得到大量副產品狗203。本發(fā)明的原理是基于經噴霧干燥的鹽混合物的選擇還原，將氯化釔加入酸洗廢 液中，利用酸洗廢液回收過程中的噴霧焙燒過程，制備出含有氧化釔彌散相金屬氧化物混 合粉末。將氯化釔加入酸洗廢液后，得到含有氯化鐵、氯化亞鐵和氯化釔的溶液，溶液在噴 霧焙燒過程中被霧化成為微小液滴，使液滴同氣體發(fā)生接觸并干燥成粉末，粉末在空氣中 加熱成為金屬氧化物。其主要反應化學方程式為4FeCl2+4H20+02 = 2Fe203+8HCl 個2FeCl3+3H20 = Fe203+6HC1 個2YC13+3H20 = Y203+6HC1 個將所得超細金屬氧化物混合粉在氫氣流中選擇性還原后得到氧化釔彌散強化鐵 粉，再進行致密化工藝。彌散分布在基體中的氧化物顆?？梢宰璧K晶粒長大，容易獲得穩(wěn)定 的晶粒尺寸，因此在冷壓燒結時可以采用較高的燒結溫度得到高致密度。具體工藝步驟如下a、將氯化釔加入含鐵的鹽酸酸洗廢液(酸洗廢液中鐵的濃度為50_150g/L)中，得 到含有基體金屬離子和彌散相金屬離子的酸洗廢液，基體金屬離子最終生成金屬單質，彌 散相金屬離子最終生成彌散相氧化物；將原料折合成彌散相氧化物和基體金屬的質量時， 彌散相氧化物占總合金的質量分數(shù)在0. 1-2%。b、將含有基體金屬離子和彌散相金屬離子酸洗廢液進入預濃縮器，濃縮廢酸，濃 縮后的鐵的濃度為600-1500g/L ；C、將被濃縮的廢酸經焙燒爐爐頂?shù)膰娮祆F化噴灑成微小液滴，濃縮酸中的氯化鐵 顆粒在燃燒的氣體中被焙燒成游離的氯化氫和氧化鐵，氯化釔焙燒成游離的氯化氫和氧化 釔。d、混合氧化物在900-1000°C下在氫氣氣氛中還原，還原時間為60-90分鐘，得到 氧化釔彌散相的彌散強化鐵粉末。e、彌散強化鐵粉末采用冷壓燒結過程或熱擠壓過程進行致密化，得到鐵基彌散強 化材料。冷壓燒結過程為將彌散強化鐵粉末冷壓成型，冷壓成型過程采用模壓或冷等靜 壓。模壓壓制壓力為600-1200Mpa，冷等靜壓壓力200_300MPa，保壓時間為30-90分鐘，采 用真空燒結工藝，燒結工藝為1300-1400°C，保溫60-120分鐘，真空度為0. l-0.01Pao熱擠壓過程為將彌散強化鐵粉末裝入包套中，先在真空度KT1-KT2Pa下抽真空 1-2小時，加熱到1150-1250°C進行熱擠壓，使彌散強化鐵粉末固化。本發(fā)明的優(yōu)點在于
利用現(xiàn)有的生產工藝制備低成本的彌散鐵粉，在制備混合氧化物粉末時，除了增 加彌散相原料氯化釔的成本外，基本不需外加成本，并根據(jù)不同使用情況需求分別提供對 應兩種致密化工藝，其中冷壓燒結成本較低，熱擠壓工藝成本較高，但與冷壓燒結相比性能 更好。本發(fā)明制備的鐵基彌散強化材料的致密度高，采用冷壓燒結工藝平均致密度可以達 到97%以上，含^O3彌散相的材料室溫抗拉強度達到400MPa，采用熱擠壓工藝的平均 致密度可以達到99%以上，含^O3彌散相的材料室溫抗拉強度達到600MPa。
具體實施例方式實施例1 :0. 1 % Y2O3彌散強化鐵材料(1)將氯化釔加入鹽酸酸洗廢液(酸洗廢液中鐵的濃度為50g/L)中，得到含有基 體金屬離子和彌散相金屬離子的酸洗廢液，基體金屬離子最終生成金屬單質，彌散相金屬 離子最終生成彌散相氧化物；將原料折合成彌散相氧化物和基體金屬的質量時，彌散相氧 化物占總合金的質量分數(shù)在0. 1% ；(2)將含有基體金屬離子和彌散相金屬離子酸洗廢液進入預濃縮器，濃縮廢酸，濃 縮后的鐵的濃度為600g/L ；(3)將被濃縮的廢酸經焙燒爐爐頂?shù)膰娮祆F化噴灑成微小液滴，濃縮酸中的氯化 鐵顆粒在燃燒的氣體中被焙燒成游離的氯化氫和氧化鐵，氯化釔焙燒成游離的氯化氫和氧 化釔；(4)混合氧化物在900°C下在氫氣氣氛中還原，還原時間為90分鐘，得到氧化釔彌 散相的彌散強化鐵粉末；(5)將彌散強化鐵粉模壓成型，壓制壓力為600Mpa，采用真空燒結工藝，燒結溫 度1300°C，保溫120分鐘。實施例2:1.0% Y2O3彌散強化鐵材料(1)將氯化釔加入鹽酸酸洗廢液(酸洗廢液中鐵的濃度為100g/L)中，得到含有基 體金屬離子和彌散相金屬離子的酸洗廢液，基體金屬離子最終生成金屬單質，彌散相金屬 離子最終生成彌散相氧化物；將原料折合成彌散相氧化物和基體金屬的質量時，彌散相氧 化物占總合金的質量分數(shù)在；(2)將含有基體金屬離子和彌散相金屬離子酸洗廢液進入預濃縮器，濃縮廢酸，濃 縮后的鐵的濃度為1000g/L ；(3)將被濃縮的廢酸經焙燒爐爐頂?shù)膰娮祆F化噴灑成微小液滴，濃縮酸中的氯化 鐵顆粒在燃燒的氣體中被焙燒成游離的氯化氫和氧化鐵，氯化釔焙燒成游離的氯化氫和氧 化釔；(4)混合氧化物在950°C下在氫氣氣氛中還原，還原時間為75分鐘，得到氧化釔彌 散相的彌散強化鐵粉末；(5)將彌散強化鐵粉冷等靜壓成型，壓制壓力為200Mpa，保壓時間為60分鐘采用 真空燒結工藝，燒結溫度140(TC，保溫120分鐘。實施例3 :2. 0 % Y2O3彌散強化鐵合金(1)將氯化釔加入鹽酸酸洗廢液(酸洗廢液中鐵的濃度為150g/L)中，得到含有基 體金屬離子和彌散相金屬離子的酸洗廢液，基體金屬離子最終生成金屬單質，彌散相金屬離子最終生成彌散相氧化物；將原料折合成彌散相氧化物和基體金屬的質量時，彌散相氧 化物占總合金的質量分數(shù)在2% ；(2)將含有基體金屬離子和彌散相金屬離子酸洗廢液進入預濃縮器，濃縮廢酸，濃 縮后的鐵的濃度為1500g/L ；(3)將被濃縮的廢酸經焙燒爐爐頂?shù)膰娮祆F化噴灑成微小液滴，濃縮酸中的氯化 鐵顆粒在燃燒的氣體中被焙燒成游離的氯化氫和氧化鐵，氯化釔焙燒成游離的氯化氫和氧 化釔；(4)混合氧化物在1000°C下在氫氣氣氛中還原，還原時間為60分鐘，得到氧化釔 彌散相的彌散強化鐵粉末；(5)將彌散強化鐵粉末裝入包套中，先在真空度10_2pa下抽真空2小時，加熱到 1250°C進行熱擠壓，使彌散強化鐵粉末固化。
權利要求
1.一種低成本大規(guī)模工業(yè)化生產鐵基彌散強化材料的方法，其特征在于步驟一、將氯化釔加入到含鐵的鹽酸酸洗廢液中，得到含有基體金屬離子和彌散相金 屬離子的酸洗廢液，基體金屬離子最終生成金屬單質，彌散相金屬離子最終生成彌散相氧 化物；將原料折合成彌散相氧化物和基體金屬的質量時，彌散相氧化物占總合金的質量分 數(shù)為 0. 1-2% 步驟二、將含有基體金屬離子和彌散相金屬離子酸洗廢液進入預濃縮器，濃縮廢酸；步驟三、將濃縮廢酸經焙燒爐爐頂?shù)膰娮祆F化噴灑成微小液滴進行焙燒，濃縮廢酸中 的氯化鐵顆粒在燃燒的氣體中被焙燒成游離的氯化氫和氧化鐵，氯化釔焙燒成游離的氯化 氫和氧化釔，得到氧化鐵和氧化釔的混合氧化物；步驟四、將混合氧化物在900-1000°C氫氣氣氛中還原，還原時間為60-90分鐘，得到氧 化釔彌散相的彌散強化鐵粉末；步驟五、彌散強化鐵粉末采用冷壓燒結過程或熱擠壓過程進行致密化，得到鐵基彌散 強化材料。
2.如權利要求1所述的低成本大規(guī)模工業(yè)化生產鐵基彌散強化材料的方法，其特征在 于所述的冷壓燒結過程為a、將彌散強化鐵粉末冷壓成型，冷壓成型過程采用模壓或冷等靜壓；模壓壓制壓力為 600-1200Mpa，冷等靜壓壓力200_300MPa，保壓時間為30-90分鐘；b、將冷壓成型的彌散強化鐵粉末進行真空燒結，燒結溫度為1300-1400°C，保溫 60-120分鐘，真空度為0. 1-0. OlPa0
3.如權利要求1所述的低成本大規(guī)模工業(yè)化生產鐵基彌散強化材料的方法，其特征在 于所述的熱擠壓過程為將彌散強化鐵粉末裝入包套中，在真空度KT1-IO-2I^下抽真空 1-2小時后，加熱到1150-1250°C進行熱擠壓，使彌散強化鐵粉末固化。
4.如權利要求1所述的低成本大規(guī)模工業(yè)化生產鐵基彌散強化材料的方法，其特征在 于所述的步驟一中的含鐵的鹽酸酸洗廢液，其中含鐵的濃度為50-150g/L。
5.如權利要求1所述的低成本大規(guī)模工業(yè)化生產鐵基彌散強化材料的方法，其特征在 于所述的步驟二中濃縮廢酸過程中，使?jié)饪s后的廢酸中鐵的濃度為600-1500g/L。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種低成本大規(guī)模工業(yè)化生產鐵基彌散強化材料的方法，屬于氧化物彌散強化材料技術領域。本發(fā)明提供了一種有工業(yè)應用價值，成本低廉的彌散強化鐵基材料的粉末冶金制備方法，在工業(yè)酸洗廢液中加入氯化釔后，利用Ruthner-噴霧焙燒技術工藝對酸洗廢液進行處理，溶液在噴霧焙燒過程中被霧化成為微小液滴，使液滴同氣體發(fā)生接觸并干燥成粉末，粉末在空氣中加熱成為金屬氧化物。將所得金屬氧化物混合粉在氫氣流中還原后得到氧化釔彌散強化鐵粉。該彌散強化鐵粉經致密化后得到高性能的彌散強化鐵材料。該方法制備出的鐵基彌散強化材料制備工藝簡單，直接利用鋼廠酸洗廢液工藝即可，成本低廉，且制備出的彌散強化鐵基材料性能優(yōu)異，適合大規(guī)模生產。
文檔編號B22F3/20GK102091788SQ20101056253
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月23日 優(yōu)先權日2010年11月23日
發(fā)明者曹慧欽, 楊薇薇, 羅驥, 郭志猛, 陳存廣 申請人:北京科技大學