粉末溫壓近凈成形鉬基稀土合金頂頭及制備技術(shù)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及一種生產(chǎn)制造無縫鋼管熱穿孔成形工具，具體說涉及一種生產(chǎn)制造高鎳鉻厚壁不銹鋼無縫管進行熱穿孔成形用粉冶溫壓近凈成形鑰基稀土合金頂頭及制備技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]無縫鋼管，特別是高鎳鉻厚壁不銹鋼無縫管是國民經(jīng)濟和國防建設(shè)十分重要的基礎(chǔ)產(chǎn)品，不僅應(yīng)用廣泛，而且需求數(shù)量巨大。目前，世界各國生產(chǎn)制造無縫鋼管基本都采用“頂頭熱穿孔成形”技術(shù)，因此選擇使用高溫紅硬性好強度高、耐冷熱疲勞性能穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小、使用壽命長、作業(yè)質(zhì)量好的熱穿孔成形頂頭，是提高無縫鋼管成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要因素，也是相關(guān)大專院校、科研單位、生產(chǎn)企業(yè)始終關(guān)注的熱點科研課題。
[0003]在上世紀六十年前，我國生產(chǎn)制造無縫鋼管基本都采用工具鋼做原料生產(chǎn)制造熱穿孔成形頂頭，不僅使用壽命極低，而且很難保證無縫鋼管的形狀質(zhì)量。隨著我國鑰制品工業(yè)的發(fā)展進步，上世紀七十年代后期我國開發(fā)研制出“鑄態(tài)鑰合金成形頂頭”，不僅極大地提高了成形頂頭使用壽命和無縫鋼管生產(chǎn)效率，而且基本滿足了無縫鋼管的形狀質(zhì)量要求；因其具有制造容易、價格低廉、供貨方便等優(yōu)勢，在很長時間內(nèi)一直是我國無縫鋼管生產(chǎn)制造行業(yè)選擇使用成形頂頭的重要來源。
[0004]粉末冶金技術(shù)，是一項集材料制備和制品成形于一體，具有節(jié)材、省能、高效等特點的現(xiàn)代先進制備技術(shù)；粉冶鑰基合金制件，因其具有優(yōu)異的高密度、高強度、高熔點、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性強等材質(zhì)特性，一直是粉末冶金制件產(chǎn)業(yè)鏈中高端制品和高技術(shù)產(chǎn)品的重要代表性品種。自上世紀九十年代以后，隨著粉末冶金技術(shù)的發(fā)展進步，特別是隨著粉末冶金技術(shù)在鑰制品行業(yè)的廣泛應(yīng)用，我國科研單位和鑰制品生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)熱穿孔成形頂頭的技術(shù)要求條件，應(yīng)用粉末冶金技術(shù)先后開發(fā)研制出TZM和TZC“粉冶鑰基合金成形頂頭”、MTZR “粉冶鑰基稀土合金成形頂頭”等粉冶鑰基合金制件，不僅極大地提高了我國熱穿孔成形頂頭的制備技術(shù)水平，而且滿足了我國生產(chǎn)制造高鎳鉻厚壁不銹鋼無縫管的形狀質(zhì)量要求。
[0005]在生產(chǎn)制造高鎳鉻厚壁不銹鋼無縫管過程中，承擔熱穿孔成形作業(yè)功能的粉冶鑰基合金成形頂頭作業(yè)條件惡劣、受力狀態(tài)復(fù)雜，對密度、強度、高溫紅硬性、耐冷熱疲勞性、熱膨脹系數(shù)、化學(xué)穩(wěn)定性等材料材質(zhì)和技術(shù)性能都要求較高，再加上鑰基合金粉末存在著流動性較差、微粉顆粒極易產(chǎn)生團聚效應(yīng)等技術(shù)特性，應(yīng)用“組料一混配一制粉一液體介質(zhì)等靜壓成形一燒結(jié)定型”傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)制造鑰基合金成形頂頭，不僅存在工藝路線長、配置設(shè)備多、生產(chǎn)效率低、成本費用高等經(jīng)濟問題，而且存在組元分布不均、強度密度較低、形狀精度較差等制造質(zhì)量問題，也極易存在膨脹、縮松、氣泡、裂紋、夾層等組織結(jié)構(gòu)缺陷；同時因形狀精度較差，還存在后續(xù)加工量大、廢屑量多等制造問題，不僅造成成本費用居高難下，而且還浪費了大量金屬鑰、稀土等寶貴稀缺資源。
[0006]本發(fā)明專利通過緊密連續(xù)跟蹤國內(nèi)外粉末冶金技術(shù)的最新科技成果和研究動態(tài)，在認真分析研究目前國內(nèi)外生產(chǎn)制造粉冶鑰基合金成形頂頭存在不足和弱點基礎(chǔ)上，緊緊圍繞多元組料科學(xué)配比、超聲均質(zhì)固相混配、柔性溫壓近凈成形、連續(xù)逐次燒結(jié)定型等關(guān)鍵核心技術(shù)內(nèi)容，有針對性研究設(shè)計出多項創(chuàng)新技術(shù)措施，及與其配套應(yīng)用的專用技術(shù)裝備、操作運行工藝程序和技術(shù)參數(shù)，形成一項有實質(zhì)性技術(shù)進步和突出效益的粉冶溫壓近凈成形鑰基稀土合金頂頭及制備技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明專利擬解決的技術(shù)問題。
[0008]本發(fā)明專利針對目前國內(nèi)生產(chǎn)制造粉冶鑰基合金成形頂頭存在的不足和弱點，通過采取多元組料科學(xué)配比技術(shù)措施，解決好選擇使用金屬鑰做基體原料存在的再結(jié)晶溫度低、容易脆斷、機械物理性能較差、流動性不好等技術(shù)難題；通過采取超聲均質(zhì)固相混合技術(shù)措施，解決好固相混配鑰基稀土合金粉末能細化配料組元晶粒粒度、強化配料組元分散均質(zhì)程度等技術(shù)難題；通過采取柔性溫壓近凈成形技術(shù)措施，解決好使用專用技術(shù)裝備獲得頂頭近凈成形坯體、大幅度提高坯體組織密度強度、消除坯體組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷等技術(shù)難題；通過采取連續(xù)逐次燒結(jié)定型技術(shù)措施，解決好使用通用技術(shù)裝備能使成形坯體收縮致密、技術(shù)性能穩(wěn)定提高等技術(shù)難題，形成一項有實質(zhì)性技術(shù)進步和突出效益的粉冶溫壓近凈成形鑰基稀土合金頂頭及制備技術(shù)，為高鎳鉻厚壁不銹鋼無縫管生產(chǎn)制造行業(yè)進行熱穿孔成形作業(yè)提供一種具有高溫紅硬性好強度高、耐冷熱疲勞性能穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小、使用壽命長、作業(yè)質(zhì)量好等突出特點，可以實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)的粉冶溫壓近凈成形鑰基稀土合金頂頭高新技術(shù)產(chǎn)品。
[0009]本發(fā)明專利解決技術(shù)問題采取的技術(shù)方案。
[0010]本發(fā)明專利解決的技術(shù)問題，通過采取以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):研究設(shè)計出一種生產(chǎn)制造高鎳鉻厚壁不銹鋼無縫管進行熱穿孔成形用粉冶溫壓近凈成形鑰基稀土合金頂頭及制備技術(shù)，包括多元組料科學(xué)配比、超聲均質(zhì)固相混合、柔性溫壓近凈成形、連續(xù)逐次燒結(jié)定型、商品整理標志包裝5個相對獨立工藝技術(shù)單元，及與其配套應(yīng)用的專用技術(shù)裝備、操作運行工藝程序和技術(shù)參數(shù)。
[0011]所述的多元組料科學(xué)配比工藝技術(shù)單元，是根據(jù)生產(chǎn)制造粉冶溫壓近凈成形鑰基稀土合金頂頭技術(shù)要求條件，對選擇使用基體原料和摻混原料，進行科學(xué)選擇匹配，確定組料結(jié)構(gòu)成分配比，依據(jù)的技術(shù)理論是。
[0012]選擇使用鑰粉做基體原料，因為金屬鑰是一種難熔金屬，熔點高達2620°C，在1800°C高溫條件下仍有極好的強度和硬度，而且具有熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性高、耐冷熱疲勞性好等優(yōu)異材質(zhì)性能，能充分滿足熱穿孔成形頂頭作業(yè)條件惡劣、受力狀態(tài)負雜的技術(shù)要求條件。在一般情況下，大粒徑顆粒物料流動性較好，小粒徑顆粒物料流動性較差；因此，選擇由高配比份額的大粒徑鑰粉做主體基體原料，有利于提高溫壓成形過程中金屬鑰的流動性，同時選擇由低配比份額的小粒徑鑰粉做填配基體原料，在溫壓成形過程中能自動充填到大粒徑鑰粉顆粒之間的空隙中，有利于提高成形坯體的密度和強度。
[0013]由于金屬鑰的再結(jié)晶溫度只有1100°C左右，在結(jié)晶后分子組織結(jié)構(gòu)由纖維狀轉(zhuǎn)變成等軸晶粒狀，成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形態(tài)，而且隨著使用溫度升高晶粒結(jié)構(gòu)會沿軸向急劇長大，致使金屬鑰存在脆性較高，抗拉、屈服、延伸等機械物理性能較差等材質(zhì)缺陷。選擇使用鑭粉、鈰粉、釹粉、釤粉等4種鑭系稀土材料做摻混原料，因為這4種稀土材料都具有較高的熔點和沸點，熱膨脹系數(shù)與金屬鑰十分接近，在高達1800°C的工作條件下都不會與基體金屬鑰相溶解，可以較好保持基體金屬鑰的優(yōu)異特性。同時，這4種稀土材料的分子組織結(jié)構(gòu)都是沿軸向排列的長大連鎖晶粒，在結(jié)晶后呈燕尾狀長晶連鎖搭接結(jié)構(gòu)形狀，在高溫條件下仍具有較強的抗下垂性和較好的蠕變性；向金屬鑰中摻混添加后，能對基體金屬鑰的晶粒增長具有較強的阻止和抑制作用。另外，這4中稀土材料都具有較強的彌散強化能力，向金屬鑰中摻混添加后，能在基體金屬鑰晶粒表面形成一種薄膜，發(fā)揮較強的“包埋效應(yīng)”，形成彌散質(zhì)點，能有效阻止氣相水或氧化物在基體金屬鑰晶粒表面沉積，并能通過彌散質(zhì)點與金屬鑰分子網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)生錯位或交互作用，可以大幅度將基體金屬鑰的再結(jié)晶溫度提高到18450C以上，從而改善提高鑰基稀土合金材料的機械物理性能和加工工藝性。
[0014]本發(fā)明專利研究設(shè)計的多元組料科學(xué)配比技術(shù)，由費氐平均粒度6?1um鑰粉、粒度0.5?Ium鑰粉組成基體原料，由費氐平均粒度3?5um鑭粉、鈰粉、釹粉、釤粉4種鑭系稀土組成摻混原料；各組料組元的配比份額以批次生產(chǎn)制造粉冶溫壓近凈成形鑰基稀土合金頂頭總重量為基數(shù)，各組料組元配比份額按質(zhì)量分數(shù)計:基體原料【94】份，其中粒度6?1um鑰粉(Mo) [81.25?83.75】份，粒度0.5?Ium鑰粉(Mo) [12.75?10.25】份；摻混原料【6】份，其中鑭粉(La)【2.2?2.4】份，鈰粉(Ce)【1.6?1.4】份，釹粉(Nd)【1.4?1.2】份，釤粉(Sm)【0.8?1.0】份；各組料組元的純度、雜質(zhì)總含量等技術(shù)性能指標，均需達到國家標準一級品要求。
[0015]所述的超聲均質(zhì)固相混合工藝技術(shù)單元，是根據(jù)生產(chǎn)制造粉冶溫壓近凈成形鑰基稀土合金頂頭技術(shù)要求條件，通過選擇使用專用技術(shù)設(shè)備，對基體原料和摻混原料的各組料組元單質(zhì)金屬粉末進行超聲均質(zhì)固相混合作業(yè)，混配制成鑰基稀土合金粉末，依據(jù)的技術(shù)理論是。
[0016]功率超聲具有極強的穿透能力，在固相粉末中也有極好的傳導(dǎo)性；超聲波在固相粉末中傳導(dǎo)，能引發(fā)粉末微粒進入高頻振動狀態(tài)，產(chǎn)生并傳遞強大能量，促使粉末微粒不斷向波腹或波節(jié)進行位移運動，形成位移效應(yīng)；雖然位移距離不大，但與超聲波振動頻率平方成正比的加速度卻極大，甚至可以達到重力加速度的幾萬倍；巨大的加速能量，足以引發(fā)固相粉末微粒產(chǎn)生強烈的移動、碰撞、破裂等結(jié)構(gòu)性變化。霧化噴射、攪拌混合等高速機械運動，能使攪拌分散盤周邊和盤面上的齒爪獲得極高的線速度，提高切割撞擊固相粉末微粒的高頻率，產(chǎn)生出對固相粉末微粒極強的高速剪切、離心擠壓等動態(tài)能量；極強的動態(tài)勢能，同樣會引發(fā)固相粉末微粒產(chǎn)生強烈的移動、碰撞、破裂等結(jié)構(gòu)性變化。使用這種將功率超聲分散均質(zhì)技術(shù)與機械霧化噴射攪拌混合技術(shù)相結(jié)合的專用技術(shù)裝備，能使各組料組元單質(zhì)金屬粉末微粒都產(chǎn)生出重大結(jié)構(gòu)性變化，足以對固相粉末微粒的粒度、均質(zhì)、分布、混配等方面發(fā)揮巨大作用，也能有效消除或破壞粉末微粒特有的團聚效應(yīng)。
[0017]本發(fā)明專利研究設(shè)計的超聲均質(zhì)固相混合工藝技術(shù)單元，對各組料組元單質(zhì)金屬粉末進行超聲均質(zhì)固相混合作業(yè)，選擇使用申請人的母公司四平市北威鑰業(yè)有限公司已獲得實用新型專利授權(quán)的《多元金屬粉末超聲均質(zhì)混配器》(專利號:ZL201120490224.7)專利產(chǎn)品獨立完成。專利授權(quán)產(chǎn)品多元金屬粉末超聲均質(zhì)混配器，由混配罐、板式超聲波換能器、真空抽氣泵、氫氣注氣泵、金屬粉末霧化加料器、攪拌分散器、操縱控制裝置等作業(yè)功能部件組成。
[0018]混合罐，整體設(shè)計成全封閉錐體形罐狀結(jié)構(gòu)，由安裝支架、錐體形混合罐罐體、穹頂形混合罐罐蓋組成，通過快速連接法蘭盤實現(xiàn)快速開啟或封閉固定；在混合罐罐蓋上，安裝固定有金屬粉末霧化加料器、攪拌分散器、安全排氣閥等作業(yè)部件；在混合罐罐體上，安裝固定有板式超聲波換能器、真空抽氣泵、總接線盒、氫氣注氣泵、出料口。
[0019]板式超聲波換能器，設(shè)計有3組，沿混合罐罐體的外壁以120°角等分位置安裝固定，通過總接線盒與設(shè)置在操縱控制裝置內(nèi)的他激式超聲波發(fā)生器相連接，把超聲電能轉(zhuǎn)換成具有相當功率能量的超聲波，穿透混合罐罐壁向進入混合罐內(nèi)的粉霧狀金屬粉末輻射傳導(dǎo)，使金屬粉末微粒產(chǎn)生高頻振動并傳遞巨大能量，產(chǎn)生位移效應(yīng)，引發(fā)金屬粉末微粒發(fā)生移動、碰撞、破裂等結(jié)構(gòu)性變化。
[0020]真空抽氣泵和氫氣注氣泵，分別安裝固定在混合罐罐體的上部和下部。由于基體原料金屬鑰具有電負性小、極易被氧化腐蝕等特性，特別是高純度粉未狀態(tài)對空氣中氧十分敏感；為保證金屬鑰粉末在分散均質(zhì)攪拌混合作業(yè)過程中的純度，研究設(shè)計出在混配加料前制造出真空加料作業(yè)環(huán)境，在進行分散均質(zhì)攪拌混合作業(yè)過程中選擇使用氫氣做為保護氣體；真空抽氣泵和氫氣注氣泵，分別承擔提供真空加料作業(yè)環(huán)境和注入保護氣體