粉冶多元钼基稀土合金板坯制备工艺及设备的制作方法

专利名称：粉冶多元钼基稀土合金板坯制备工艺及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种有色金属合金新材料，具体说是涉及一种粉冶多元钼基稀土合金 板坯制备工艺及设备。
背景技术：
金属钼是稀有难熔金属，价格昂贵，用途广泛，被很多国家列为战略资源。我国金 属钼资源比较丰富，已探明的保有储量约860万吨，占世界总储量的24. 1%，仅次于美国居 世界第二位；但我国的钼工业起步较晚，基础十分薄弱，特别是钼基合金板材的开发研制生 产仅有短短二十多年时间，在技术水平、制造手段、生产能力等诸多方面，与西方工业发达 国家相比差距十分明显。据有关机构公布的统计数据，2006年全国钼产品的结构情况是初级钼产品钼 精矿78123吨，占总产量的43. 84% ；中级产品氧化钼4M87吨，钼铁37705吨，钼化工制 品15187吨，合计95379吨，占总产量的53. 52% ；而高端的钼深加工制品仅有4703吨，占 2. 64% ；在4703吨的高端钼深加工制品中，包括钼丝644吨，占13. 69% ；纯钼粉邪4吨，占 18. 16% ；钼杆1317吨，占28. 01% ；钼条1809吨，占38. 46% ；而钼板材(包括钼圆片，小 型条片)仅有79吨。从上述钼产品的生产制造数据中可以看出我国的钼产品绝大多数居于产业链的 中低端，虽然在国际市场占有一定份额，但基本属于出售资源性质；而真正高端产品钼基合 金板材，基本上处于开发研制、试验完善阶段。我国的钼基合金钣材与西方工业发达国家相 比，至少在以下四个方面存在十分明显的差距1、在组料配比方面，国外早有在金属钼中掺杂稀土元素改善钼板材性能的成功先 例，而我国对钼基合金板材组料的化学成分，依然停留在1983年制定的GB3876国家标准水 平上，对掺杂稀土元素根本没有涉及；致使生产制造企业明知掺杂稀土元素可以改善钼板 性能，却只能各自制定企业标准或企业技术规范探索前进。由于受国家标准的影响和制约， 我国现有钼板材产品，掺入稀土元素一般都只选一种(以La为主)，比例一般都不超过2% ； 个别企业采用多元稀土掺杂配比，单质稀土元素掺入比例一般都不超过1. 8%，多元掺入比 例总和也不过超过4%。但据业内权威期刊《中国钼业》2001年第1期《耐高温的超延性钼 材》介绍，“日本一家公司采用在钼基材中添加多种稀土元素12%左右，制成一种耐高温的 延性钼基稀土新材料，即使加热到2000°C以上，仍具有很高的延伸率，从而解决了钼基材料 在高温条件下易脆化的技术难题”。2、在组料混合方面，我国的钼板材生产企业，绝大多数依然延用着先把钼酸铵或 氧化钼等钼基材料制成溶解液，然后掺入稀土元素的氧化物或氢化物的溶解液，以液/液 混合的传统方法混配，再通过多次还原、烘干、粉碎、筛分等复杂加工过程制成钼基合金粉 未。这种传统组料混合技术，工艺路线长、使用设备多、生产环境封闭性差、杂质元素掺入机 率多、掺混分散均质程度差、能源消耗大、生产成本高、市场竞争力差。3、在坯料成形方面，我国的钼板材生产企业，现在依然都参照制备钼棒、钼条、钼
5顶头等产品的液体介质等静压成形技术，先把钼基合金粉末装入弹性软质模套内，再把模 套放入等静压成形机的钢体密封容器内；然后借助高压水泵把液体介质压入耐高压钢体密 封容器里，使高压液体以等静压压力作用在弹性软质模套内的钼基合金粉未上；使粉末体 可以在各个方向上同时接受均衡压力，以实现组织密度均勻分布的技术目标。这种液体介 质等静压成形设备结构复杂，操纵控制比较困难，而且设计制造钼基合金板坯的板形弹性 软质模套十分困难；用这种方法成形的坯料，也很难适应板材轧机的碾轧技术要求。4、在专用制备设备方面，因基材金属钼自身存在着容易脆断，抗拉、延伸、屈服性 能和加工成形性能都较差等严重材质缺陷；要做成板材使用，在组料和制备技术方面必然 十分复杂，而且钼基材料制备过程中各工序间的“遗传性”十分强大，任何遗留或隐藏的缺 陷，都将直接影响钼基合金板材的质量和性能。在制备过程中，要满足各工序的苛刻技术条 件要求，必须靠先进的技术装备和科学的工艺技术参数保证；而新增先进技术装备就需要 有相当资金，掌握科学工艺技术参数就需要进行大量研究试验验证。目前，我国生产制备钼 基合金板材的钼制品企业一般都是老企业，基本上都在延用着现有功能类似的陈旧设备进 行生产制备，工艺技术参数也大多流于简单、粗放，很多工序依然靠工匠技术凭经验操作， 钼基板材的制备技术水平自然提高缓慢。本发明通过调查研究，针对我国钼基板材制备技术和装备存在的不足和弱点，有 针对性地研究设计出多项创新技术和与其配套应用的专用技术装备、工艺技术参数，形成 一项具有独创技术特色的粉治多元钼基稀土合金板坯制备工艺及设备，生产制造粉冶多元 钼基稀土合金板坯新材料，提供给专业轧板企业进行高精度碾轧制板作业。

发明内容
本发明要解决的技术问题本发明针对我国钼基合金板材制造技术及设备存在的不足和弱点，有针对性地研 究设计出在纯钼粉中直接掺入多种大比例镧系延性轻稀土元素微珠粉未的组料配比，通过 采用超声固相搅拌分散混合、加热模具和双向柔性静压成形、连续逐次氩气保护烧结定型 等创新技术及金属粉末超声混配机、双向柔性压坯机等专用技术装备，形成一项具有独创 技术特色的“粉冶多元钼基稀土合金板坯制备工艺及设备”专利技术。本发明解决技术问题采取的技术方案本发明要解决的技术问题，拟采取研究设计出一种粉冶多元钼基稀土合金板坯制 备工艺及设备的专利技术预以解决。所述的粉冶多元钼基稀土合金板坯制备工艺及设备，包括多元组料配比、超声均 质混配、柔性静压成形、逐次烧结定型、商品整理包装等5个相对独立的工艺技术作业单兀。1、研究设计出在纯钼粉中直接掺入3种大比例镧系延性轻稀土元素氧化物粉末 的多元组料配比创新技术。本发明采用在纯钼粉中直接掺入3种大比例镧系延性轻稀土元素氧化物粉末的 组料配比技术是因为金属钼是稀有难熔金属，具有熔点高(2620°C )，在高温条件下仍有 较高的强度和硬度，有优异的导电、导热性和良好的稳定性。但是，金属钼的再结晶温度较 低(1100°C )，再结晶后分子组织结构由纤维状转变为等轴晶粒状，成网格结构；而且随着使用环境的温度升高，晶粒结构沿轴向急剧长大。因此，金属钼存着退火后容易脆断，抗拉、 屈服、延伸等物理机械性能和加工成形工艺性较差，制材成形困难等严重缺陷。而稀土元素的分子结构一般都是沿轴向排列的长大连锁晶粒，再结晶后能呈燕尾 状长晶连锁搭接结构状态，因此在高温条件下仍具有较强的抗下垂性和较好的蠕变性，添 加后能对金属钼的晶粒增长具有较强的抑制作用，从而能提高金属钼的再结晶温度，改善 金属钼的机械物理性能和加工成形工艺性。同时，稀土元素又都具有较强的弥散强化作用， 添加后能在金属钼的晶粒表面形成薄膜，发挥“包埋效应”，从而阻止气相水和氧化物在金 属钼晶粒表面沉积，形成弥散质点；并能通过弥散质点与金属钼分子网格结构发生错位或 交互作用，能发挥出增加金属钼的晶粒比表面积、细化金属钼的晶粒粒度、抑制金属钼的晶 粒进一步长大、延缓金属钼的再结晶倾向等关键作用，从而实现提高基材金属钼的再结晶 温度，改善钼基合金板材的机械物理性能和加工成形工艺性。本发明研究设计的粉冶多元钼基稀土合金板坯的组料配比份额，以批次生产粉冶 多元钼基稀土合金板坯的总重量为基数，各组料组分的配比份额是纯钼粉(Mtl)93.0 95. 0份；氧化镧(La2O3)2. 2 2. 5份；氧化铈(Ce2O3)1. 6 2. 0份；氧化钕(NdO2) [1. 2 1. 5份。组料组份粒度各组料组份的粉末粒度均< 4 μ m.组料组份纯度各组料组份的纯度均> 99. 9% ；杂质总量均< 500 μ g/g。本发明研究确定采用这样的多元组料配比技术方案，是因为A、这3种稀土元素的热线膨胀系数与金属钼都十分接近。在高温工作条件下都能 保持与母体金属钼基本同步的抗变形能力。B、这3种稀土元素都有较高的熔点和沸点，La有2300/4200 °C，Ce有 2272/4050°C, Nd有2715/4840°C，在高温(1800°C )工作条件下都不会与母体金属钼相溶 解，可以较好的维持母体金属钼的优异特性。C、这3种稀土元素不仅都具有镧系稀土元素共有的较好抗下垂性和蠕变性，而且 这3种稀土元素都属于延性轻稀土金属，各自具有不同的高延伸性和高可塑性，具有较好 的耐冷脆性和抗氧化性。这3种稀土元素的特殊个性，正是钼基板材特别需要的掺混添加 使用性能。D、选择确定同时以较大比例掺杂3种稀土氧化物，是使其既能相互支持，又能充 分展现各自特性，更好的充分发挥稀土元素对金属钼晶粒的弥散强化作用，因而有效提高 金属钼的再结晶温度近700°C，达到1800°C左右，大大提高钼基板材的韧性及可塑性，使屈 服强度最高可达960N/mm2，延伸率最高达到8. 2%。2、研究设计出将先进的功率超声分散均质技术与传统的机械雾化搅拌技术相结 合的超声均质混配创新技术。本发明采用将先进的功率超声分散均质技术与传统的机械雾化搅拌技术相结合 的超声均质混配技术是因为超声波是一种频率大于可听范围的机械振动波。这种机械振 动波有极强的穿透能力，在固体媒质中也有极好的传导性。超声波在固体媒质传导过程中， 可以引发媒质微粒进入振动状态，产生并传递强大能量，促使媒质微粒不断向波腹或波节 进行位移运动；虽然位移距离不大，但与超声波振动频率平方成正比的加速度却极大，甚至 可以超过重力加速度的几万倍；如此巨大的加速能量，足以引发媒质微粒发生强烈的碰撞、
7破裂、移动等结构性变化；这种结构性变化，足以对媒质微粒的细化、分散、均质发挥巨大作 用，也可以有效破坏媒质微粒的团聚能量。充分利用功率超声的这种细化分散均质能力，对 固态粉末状的各配料组料实施细化分散均质作业，就能细化各配料组料的晶粒粒度，强化 各配料组元的分散均质程度，抑制各配料组料中粗大脆性晶粒的生长条件，从而改善钼基 材质的机械物理性能。同时，采用传统的机械雾化搅拌技术，将各组料组分的金属粉末以 粉雾状态按混配比例分别连续喷射进金属粉末超声混配机内，靠搅拌分散器的高速旋转运 动，使设计布置在搅拌分散盘边沿上的若干齿爪，都获得了极高的线速度和切割撞击雾化 金属粉末的高频率，从而产生出对金属粉末微粒极强的高速剪切和离心挤压等动态能量； 这种极强的动态势能与功率超声产生的机械位移效应相配合，足以增大加快金属粉末微粒 发生破裂、移动、碰撞等结构性变化。本发明研究设计出将先进的功率超声分散均质技术与传统的机械雾化搅拌技术 相结合的超声均质混配技术，由独创设计的金属粉末超声混配机完成。所述的金属粉末超声混配机，整体设计成全封闭圆锥罐型容器结构，由安装支架、 锥形混合罐罐体、混合罐罐盖组成，通过快速连接法兰盘实现快速开启或封闭固定作业；在 混合罐罐盖上，安装固定有金属粉末雾化加料器、搅拌分散器、安全排气阀等作业部件；在 混合罐罐体上，安装固定有真空抽气泵，总接线盒、氩气注气泵、出料管；在混合罐罐体的外 壁上，沿罐体圆周以120°角分位置安装固定3组板式超声波换能器，通过总接线盒与自动 控制装置相连接。板式超声波换能器，把超声波发生器产生的超声电能转换成具有相当功率能量的 高频机械振动波，穿透混合罐罐壁向混合罐内的粉雾状金属粉末中传导，使金属粉末颗粒 产生高频振动，发生微粒位移效应，产生并传递巨大能量；这种能量足以引发金属粉末微粒 发生移动、碰撞、破裂等结构性变化；这种结构性变化，能发挥出强大的细化晶粒粒度、强化 分散均质程度作用，从而实现组元分布均勻、颗粒松散规范的工艺作业技术目标。真空抽气泵和氩气注气泵，分别安装固定在混合罐罐体的上部和下部。镧系稀土 元素都具有4f电子结构，而且电负性小，极易被腐蚀，特别是高纯度单质粉未状态对空气 中的氧十分敏感；为保证金属粉末在搅拌混合作业过程中的纯度，研究设计出真空作业环 境，同时选择使用隋性气体氩气做为保护气体；设计的真空作业环境和氩气保护作业功能， 由真空抽气泵和氩气注气泵承担。真空抽气真空度10X10_3Pa，氩气注气量0. 12m3/m3。金属粉末雾化加料器，设计由金属粉末储存罐、粉末高压喷雾泵、粉末喷出管组 成。设计配置的6台金属粉末加料器，以同心圆60°角分位置安装固定在混合罐罐盖上； 其中3台装入纯钼粉末，其余3台分别装入其他3种稀土氧化物粉末，4种金属粉末呈交替 位置分布，可以同时将4种组料组份的金属粉末以粉雾状态按混配比例连续喷射进混合罐 内，使4种金属粉末都能以雾化形态进入固相搅拌混配作业。搅拌分散器，安装固定在混合罐罐盖中心位置上；搅拌分散器选择变频调速电机 做为驱动动力源，可以根据不同阶段的混配需要，做出不同转速变化的实时在线调整；搅拌 分散器的结构形式，设计成在搅拌轴上安装固定有2组各呈上、下双层布置，各自有2排齿 爪的2个反向安装的齿爪型搅拌分散盘。在进行搅拌分散作业时，由于搅拌分散器的高速 旋转和2组反向齿爪型分散盘的作用，在齿爪型分散盘的盘面上，各自都会产生一股极强 的轴向吸引力；使粉雾状金属粉末从盘面的轴向相对方向被同时快速吸入，再从2个分散盘盘背的中间快速向四周流出，碰到混合罐罐壁后，分别向上、下两个方向流动；从而带动 起混合罐内的粉雾状金属粉末形成双向连续翻动的路线快速流动，消除了搅拌分散混合可 能存在的盲区或死角。靠搅拌分散器的高速旋转运动，使设计布置在搅拌分散盘边沿上的 若干齿爪，都获得了极高的线速度和切割撞击雾化金属粉末的高频率，从而产生出对金属 粉末微粒极强的高速剪切和离心挤压等动态能量；这种极强的动态势能与功率超声产生的 机械位移效应相配合，足以增大加快金属粉末微粒发生破裂、移动、碰撞等结构性变化。自动控制装置，整体设计成由他激式超声波发生器和自动控制器两部分组成，制 成操纵控制柜形式，通过导线束与混合罐上的总接线盒相连接。他激式超声波发生器由信 号源、功率放大、输入输出、控制等四个主要工作部分组成，采用基于单片机CAT89C51的数 字波形发生器产生正弦波，由功率晶体管进行线性功率放大，通过高频变压器和相关电路、 器件把电能量耦合到板式超声波换能器上，达到隔离和阻抗匹配。自动控制器，设计成具 有工业控制单片机编程、信号现场在线采集处理、数据存储备份处理、LED屏幕显示、键盘输 入、指令输出等自动控制功能；通过导线束与总接线盒相连接，再由总接线盒分别与各作业 功能部件的电机，电动蝶阀，电磁开关等驱动部件相连接。3、研究设计出将具有低温加热功能的成形模具与能进行双向柔性静压施压的液 压系统相结合的柔性静压成形创新技术。本发明采用将具有低温加热功能的成形模具与能进行双向柔性静压施压的液压 系统相结合的柔性静压成形技术是因为低温成形是粉末冶金行业的先进成熟技术，通过 具有低温加热功能的成形模具，将钼基稀土合金粉末加热到60 70°C时，可以在金属粉末 中形成较大的激活能；这种激活能，可以提高金属粉末颗粒之间的机械啮合力和表面原子 吸引力，增大成形坯体的强度；可以提高金属粉末颗粒的流动性，增加成形坯体的密度和均 质程度；还可以提高稀土氧化物的氧气还原速度，避免或减少成形坯体中出现的气泡，缩松 等组织缺陷。由于粉末成形的基本动力来源是压制致密，这种动力必须能使金属粉末颗粒 全部产生脆性断裂后，才能再结成新的形体；但是，如果对金属粉末施加的压力不均，或压 力不足、时间不够，就会有一部分金属粉末颗粒仅仅发生了弹性变形，还未发生塑性形变， 更未产生脆性断裂；此时如果解除压力，这些仅仅发生弹性变形的粉末颗粒就可能发生反 弹或恢复原状，在新形体内部会因此而出现膨胀、缩松，或者产生内部裂纹，留下严重质量 隐患。因此，必须采取双向柔性静压施压创新技术，才能确保施压压力均衡强大，使金属粉 末颗粒全部产生脆性断裂，形成合格新形体。本发明在压制致密成形过程中，为确保钼基稀土合金粉末能在不添加任何粘接 剂、润滑剂的前提下结成新的形体，除依靠特殊设计的具有加热功能的成形模具，对混配金 属粉末采用低温压制致密成形新技术外，还要依靠独创设计的卧式双向柔性压坯机的液压 系统先进功能。卧式双向柔性压坯机的独创先进技术主要体现在液压系统的左、右油缸， 能从左、右两个方向以等同的压力和速度，推动成形模具的左、右活动压板，对已有一定温 度的金属粉末施加压力；而成形模具的四周模板在外加压力作用下，形成与压力相等的反 作用力同时向粉末施压，从而保证各向压力均衡。随着压坯机的压力不断增加，金属粉末体 积缩小，粉末颗粒发生较大幅度的位移和变形；在位移和变形过程中，由于粉末颗粒之间的 机械啮合力和表面原子引力都会发生作用，使得粉末颗粒不断发生从弹性变形向塑性形变 演变，最后全部完成脆性断裂；在此过程中，金属粉末颗粒之间的联结力逐步增强，并逐渐形成具有一定规格尺寸、一定密度和一定强度的新形体；此时，虽然成形模具的活动压板停 止移动；但油缸必须依然保有工作压力，并继续施加在新形体上；并在此压力下保持稳压 相当时间后，才能完成柔性静压成形作业。本发明研究设计的将具有低温加热功能的成形模具与能进行双向柔性静压施压 功能的液压系统相结合的柔性静压成形技术，由独创设计的加热成形模具和卧式双向柔性 压坯机完成。所述的加热成形模具，是根据钼基稀土合金板坯所需要的密度、净重、形状、尺寸 等具体技术要求，充分考虑粉冶成型过程中的消耗、烧损、成形孔隙度、烧结收缩率等因素， 设计制造出的具有能将混配合金粉末加热到60 70°C温度功能的成形模具，包括成形模 具底座、电加热元件、右活动压板、左活动压板、压板定向移动槽、成形模具盖板等部件。在 进行柔性静压成形作业时，首先准确计算出加热成形模具中应填装的混配合金粉末的具体 重量；然后进行称重备粉、装粉振实、加热待压等工艺作业。卧式双向柔性压坯机，是将加热成形模具安装固定在压坯机工作台上，模具右活 动压板与右油缸压头相连接，模具左活动压板与左油缸压头相连接；由右油缸压头、右油 缸、右油缸支架和右油缸油管组成右方向压制密实作业单元，通过右油缸支架固定在压坯 机工作台面上，通过右油缸油管与液压操纵控制箱相连接；由左油缸压头、左油缸、左油缸 支架和左油缸油管组成左方向压制密实作业单元，通过左油缸支架固定在压坯机工作台面 上，通过左油缸油管与液压操纵控制箱相连接。液压操纵控制箱安装固定在压坯机床身旁， 内部装有电动机、液压油箱、齿轮油泵、操纵阀、分配阀、溢流阀、安全阀、监测控制仪表、操 纵控制面板等液压系统工作部件。在对钼基稀土合金粉末进行低温柔性静压成形压制致密 作业时，不添加任何粘接剂、润滑剂，依靠加热成形模具对粉体的低温加热功能和卧式双向 柔性压坯机液压系统的先进功能，使左、右油缸都能以Smm/min的工作速度和大于300MPa 的工作压力，从左、右两个方向以等同的压力和速度，推动成形模具的左、右活动压板，对已 有一定温度的钼基稀土合金粉末施加压力；而成形模具的四周模板在外加压力作用下，形 成与压力相等的反作用力同时向粉末施压，从而保证各向压力均衡。当成形模具的左、右活 动压板被推进到设计位置时停止移动；此时左、右油缸依然保持有300MPa的工作压力，并 继续施加在粉末新形体上；在此压力下，保持稳压40min以上，即完成钼基稀土合金粉末坯 体的压制致密成形。在卸压时也必须采取柔性分段减压技术措施；减压速率6Mpa/min ；第 一次减压至270MPa，稳压IOmin ；第二次减压至210MPa，稳压IOmin ；第三次减压至120MPa， 稳压5min ；第四次依然按6Mpa/min的减压速率，直至减至常压；然后进行脱模处理。4、研究设计出对压制致密的钼基稀土合金粉末坯体进行连续逐次烧结的逐次烧 结定型创新技术。本发明采用的逐次烧结定型创新技术，包括低温烘烤、中温预烧结、高温烧结定型 等连续逐次烧结作业，是使钼基稀土合金粉末的成形坯体在适当的氩气气氛中，经过连续 逐次加热烧结后发生收缩致密、强度增加、机械物理性能提高稳定等巨大变化，成为表面无 粘料脏化，内部无分层裂纹，有相当密度、强度及机械物理特性的粉冶多元钼基稀土合金板 坯产品。低温烘烤，在设计配置的氩气气氛烘烤炉中完成；是使用较低温度，使成形坯体的 金属粉末颗粒间联结强度增大，联结面上的原子引力增加，金属粉末颗粒间发生粘结。这种粘结，具有范德华力性质，不需要颗粒原子作明显位移，只使部分原子的排列改变或位置 调整；这种粘结，虽然坯体无明显收缩，密度也基本不变，但能使坯体内在压制致密成形时 形成的弹性内应力得到消除，还能挥发排除掉坯体在压制致密成形时产生的吸附气体和水 份，分解还原部分氧化物，为以后的预烧结、高温烧结定型奠定良好的基础。低温烘烤工艺 作业参数是烘烤最高温度700°C ；升温速率10°C /min ；烘烤时间180min ；冷却方式断 电炉内自然降温冷却至120°C后出炉转序；氩气流量0. 8m3/h。中温预烧结，在设计配置的氩气气氛预烧结炉中完成；是使用足够温度形成较大 激活能，使原子振动振幅加大，有足够多的原子进入原子作用范围，促使原子通过蒸发、扩 散、流动、凝聚等迁移形式在颗粒间形成晶粒界面，并使晶粒界面向颗粒内部移动，导致晶 粒长大或借助晶界移动使晶粒合并，产生体积扩散、表面扩散和晶界扩散。中温预烧结的结 果是金属粉末颗粒间的距离缩短，孔隙度缩小，密度增大，坯体体积收缩；而且粉末颗粒 表面的氧化物被完全还原，坯体吸附的气体、水份被全部排除挥发；粉末颗粒在压制致密成 形中因接触或联接而形成的内应力也能得到彻底消解。中温预烧结工艺作业参数是预烧 结最高温度1150°C ；升温速率20°C /min ；烧结时间240min ；冷却方式断电炉内自然降 温冷却到270°C后出炉转序；氩气流量1. 5m3/h。高温烧结定型，在设计配置的氩气气氛高温中频炉中完成；是使用较高温度，进 行较长时间的高温烧结，使坯体的原子扩散和迁移流动得到更充分进行，孔隙数量和尺寸 得到充分减少，已形成的良好机械物理性能得到充分稳定。高温烧结定型工艺作业参数 是中频高温烧结最高温度1845°C ；升温速率分成三个阶段15°C /minX40min ；10°C / minX30min ； 15°C /minX45min ；烧结时间:300min ；冷却方式断电炉内自然降温冷却至 常温出炉；氩气流量2m3/h。5、研究设计出对烧结定型的粉冶多元钼基稀土合金板坯进行喷丸清理、防腐包装 的商品整理包装技术措施。喷丸清理，是通过设计配置的喷丸清理机，有效清除烧结板坯表面的粘料、毛刺、 烧皮等粘带物，同时提高烧结板坯的表面硬度，避免保管运输过程产生划痕、压迹等缺陷。防腐包装，是根据产品技术标准要求，进行的标志、防腐、防碰撞包装等商品化处 理，便于产品安全存储运输和使用时识别。本发明具有的优点及效果1、研究设计出在纯钼粉中直接掺入3种较大比例的镧系延性轻稀土氧化物粉末 的多元组料配比独创新技术，充分利用稀土元素对金属钼晶粒特有的弥散强化作用和包埋 效应，有效提高了粉冶多元钼基稀土合金板坯材质的再结晶温度，提高了制成板材的韧性 及可塑性等成形、使用性能，较好地解决了传统钼基合金板材自身存在的材质性能缺陷问 题，从而大大拓展了钼基合金板材的应用范围。2、研究设计出利用功率超声分散均质技术和机械雾化搅拌混合技术相结合的金 属粉末超声固相分散均质混配独创新技术，充分利用功率超声特有的高频率、高强度机械 振动功能和位移效应，有效地细化了各配料组元的晶粒粒度，强化了各配料组元的分散均 质程度，简化了多元合金粉末的制备工艺，降低了制备成本。3、研究设计出由加热成形模具和双向柔性静压施压相结合的粉末低温柔性静压 成形独创新技术，在对多元金属混配粉末进行压制致密成形过程中，不填加任何粘接剂、润
11滑剂，依靠成形模具的低温加热功能和液压系统的双向柔性静压施压功能，使多元合金粉 末颗粒彻底完成从弹性变形向脆性断裂的演变，并结成新的成形坯体，有效地消除了新形 体内存在的膨胀、缩松、裂纹等严重质量隐患，确保了粉冶多元钼基稀土合金板材产品的材 质内在质量。4、研究设计出包括多元组料配比、超声均质混配、柔性静压成形、逐次烧结定型在 内的制备工艺创新技术路线，及其配套应用的专用设备、工艺技术参数，成功地生产出粉冶 多元钼基稀土合金板坯，为我国钼基合金板材行业的生产制备，提供了一种新方法。


附图1 粉冶多元钼基稀土合金板坯制备工艺路线示意图。附图2、金属粉末超声混配机结构原理示意图。附图3、卧式双向柔性压坯机结构原理示意图。
具体实施例方式如附图1所示，本发明粉冶多元钼基稀土合金板坯制备工艺及设备，包括多元组 料配比、超声均质混配、柔性静压成形、逐次烧结定型、商品整理包装。如附图1所示，所述的多元组料配比，是以批次生产粉冶多元钼基稀土合金板坯 的总重量为基数，各组料组份配比份额是纯钼粉(M0)93. 0 95. 0份；氧化镧(La2O3)2. 2 2. 5份；氧化铺(Ce2O3)1. 6 2. 0份；氧化钕(NdO2)1.2 1.5份。组料组份粒度各组料组份的粉末粒度均< 4 μ m.组料组份纯度各组料组份的纯度均> 99. 9% ；杂质总量均< 500 μ g/g。如附图2所示，所述的超声均质混配，由独创设计的金属粉末超声混配机完成。金 属粉末超声混配机，整体设计成全封闭圆锥罐型容器结构，由安装支架(14)、锥形混合罐罐 体(11)、混合罐罐盖(9)组成，通过快速连接法兰盘(10)实现快速开启或封闭固定作业； 在混合罐罐盖(9)上，安装固定有金属粉末雾化加料器(7)、搅拌分散器G)、安全排气阀 (8)等作业部件；在混合罐罐体(11)上，安装固定有真空抽气泵(6)，总接线盒(3)、氩气注 气泵(1 、出料管(1 ；在混合罐罐体(11)的外壁上，沿罐体圆周以120°角分位置安装 固定有3组板式超声波换能器(5)，通过总接线盒C3)与自动控制装置(1)相连接。板式超声波换能器(5)，安装固定在混合罐罐体(11)的外壁上，通过总接线盒(3) 把超声波发生器产生的超声电能转换成具有相当功率能量的高频机械振动波，穿透混合罐 罐壁向混合罐内的粉雾状金属粉末中传导，使金属粉末颗粒产生高频振动，发生微粒位移 效应，产生并传递巨大能量。真空抽气泵(6)和氩气注气泵(12)，分别安装固定在混合罐罐体(11)的上部和下 部，分别承担超声均质混配作业中真空作业环境和氩气保护的作业功能，真空抽气真空度 10X10_3Pa，氩气注气量0. 12mVm3ο金属粉末雾化加料器(7)，由金属粉末储存罐、粉末高压喷雾泵、粉末喷出管组成； 设计配置的6台金属粉末加料器，以同心圆60°角分位置安装固定在混合罐罐盖(9)上； 其中3台装入纯钼粉末，其余3台分别装入其他3种稀土氧化物粉末，4种金属粉末呈交替 位置分布，可以同时将4种组料组份的金属粉末以粉雾状态按混配比例连续喷射进混合罐内，使4种金属粉末都能以雾化形态进入固相搅拌混配作业。搅拌分散器(7)，安装固定在混合罐罐盖(9)中心位置上；搅拌分散器(7)选择变 频调速电机做为驱动动力源，可以根据不同阶段的混配需要，做出不同转速变化的实时在 线调整；搅拌分散器的结构形式，设计成在搅拌轴上安装固定有2组各呈上、下双层布置， 各自有2排齿爪的2个反向安装的齿爪型搅拌分散盘。自动控制装置(1)，整体设计成由他激式超声波发生器和自动控制器两部分组成， 制成操纵控制柜形式，通过导线束( 与混合罐上的总接线盒C3)相连接。他激式超声 波发生器由信号源、功率放大、输入输出、控制等四个主要工作部分组成，采用基于单片机 CAT89C51的数字波形发生器产生正弦波，由功率晶体管进行线性功率放大，通过高频变压 器和相关电路、器件把电能量耦合到板式超声波换能器(5)上，达到隔离和阻抗匹配。自动 控制器，设计成具有工业控制单片机编程、信号现场在线采集处理、数据存储备份处理、LED 屏幕显示、键盘输入、指令输出等自动控制功能；通过导线束(2)与总接线盒(3)相连接，再 由总接线盒(3)分别与各作业功能部件的电机，电动蝶阀，电磁开关等驱动部件相连接。如附图3所示，所述的柔性静压成形，由独创设计的加热成形模具和卧式双向柔 性压坯机完成。加热成形模具，是根据钼基稀土合金板所需要的密度、净重、形状、尺寸等具体技 术要求，充分考虑粉冶成型过程中的消耗、烧损、成形孔隙度、烧结收缩率等因素，设计制 造出的具有能将混配合金粉末加热到60 70°C温度功能的成形模具，包括成形模具底座 03)、电加热元件、右活动压板(20)、左活动压板(25)、压板定向移动槽(19)、成形模具盖 板0 等部件。在进行柔性静压成形作业时，首先准确计算出加热成形模具中应填装的混 配合金粉末的具体重量；然后进行称重备粉、装粉振实、加热待压等工艺作业。卧式双向柔性压坯机，是将加热成形模具安装固定在压坯机工作台面09)上，模 具右活动压板00)与右油缸压头相连接，模具左活动压板0 与左油缸压头06) 相连接；由右油缸压头(21)、右油缸(18)、右油缸支架(17)和右油缸油管(16)组成右方向 压制致密作业单元，通过右油缸支架(17)固定在压坯机工作台面09)上，通过右油缸油管 (16)与液压操纵控制箱(31)相连接；由左油缸压头06)、左油缸08)、左油缸支架(XT)和 左油缸油管(30)组成左方向压制致密作业单元，通过左油缸支架、2 )固定在压坯机工作 台面09)上，通过左油缸油管(30)与液压操纵控制箱(31)相连接。液压操纵控制箱(31) 安装固定在压坯机床身(1 旁，内部装有电动机、液压油箱、齿轮油泵、操纵阀、分配阀、溢 流阀、安全阀、监测控制仪表、操纵控制面板等液压系统工作部件。在对钼基稀土合金粉末 进行低温柔性静压成形压制致密作业时，不添加任何粘接剂、润滑剂，依靠加热成形模具 对粉体的低温加热功能和卧式双向柔性压坯机液压系统的先进功能，使左、右油缸都能以 8mm/min的工作速度和大于300MPa的工作压力，从左、右两个方向以等同的压力和速度，推 动成形模具的左、右活动压板，对已有一定温度的钼基稀土合金粉末施加压力；而成形模具 的四周模板在外加压力作用下，形成与压力相等的反作用力同时向粉末施压，从而保证各 向压力均衡。当成形模具的左、右活动压板被推进到设计位置时停止移动；此时左、右油缸 依然保持有300MPa的工作压力，并继续施加在粉末新形体上；在此压力下，保持稳压40min 以上，即完成钼基稀土合金粉末坯体的压制致密成形。在卸压时也必须采取柔性分段减压 技术措施；减压速率6Mpa/min ；第一次减压至270MPa，稳压IOmin ；第二次减压至210MPa，稳压IOmin ；第三次减压至120MPa，稳压5min ；第四次依然按6Mpa/min的减压速率，直至减 至常压；然后进行脱模处理。如附图1所示，所述的逐次烧结定型，包括低温烘烤、中温预烧结、高温烧结定型。低温烘烤，在设计配置的氩气气氛烘烤炉中完成；是使用较低温度，使成形坯体的 金属粉末颗粒间联结强度增大，联结面上的原子引力增加，金属粉末颗粒间发生粘结。低温 烘烤工艺作业参数是烘烤最高温度700°C ；升温速率10°C /min ；烘烤时间180min ；冷 却方式断电炉内自然降温冷却至120°C后出炉转序；氩气流量0. 8m3/h。中温预烧结，在设计配置的氩气气氛预烧结炉中完成；是使用足够温度形成较大 激活能，使原子振动振幅加大，有足够多的原子进入原子作用范围，促使金属粉末颗粒间的 距离缩短，孔隙度缩小，密度增大，坯体体积收缩；而且粉末颗粒表面的氧化物被完全还原， 坯体吸附的气体、水份被全部排除挥发；粉末颗粒在压制致密成形中因接触或联接而形成 的内应力也能得到彻底消解。中温预烧结工艺作业参数是预烧结最高温度1150°C ；升温 速率20°C /min ；烧结时间240min ；冷却方式断电炉内自然降温冷却到270°C后出炉转 序；氩气流量1. 5m7h。高温烧结定型，在设计配置的氩气气氛高温中频炉中完成；是使用较高温度，进 行较长时间的高温烧结，使坯体的原子扩散和迁移流动得到更充分进行，孔隙数量和尺寸 得到充分减少，已形成的良好机械物理性能得到充分稳定。高温烧结定型工艺作业参数 是中频高温烧结最高温度1845°C ；升温速率分成三个阶段15°C /minX40min ；10°C / minX30min ； 15°C /minX45min ；烧结时间:300min ；冷却方式断电炉内自然降温冷却至 常温出炉；氩气流量2m3/h。如附图1所示，所述的商品整理包装，包括喷丸清理、防腐包装。喷丸清理，是通过设计配置的喷丸清理机，有效清除烧结板坯表面的粘料、毛刺、 烧皮等粘带物，同时提高烧结板坯的表面硬度，避免保管运输过程产生划痕、压迹等缺陷。防腐包装，是根据产品技术标准要求，进行的标志、防腐、防碰撞包装等商品化处 理，便于产品安全存储运输和使用时识别。
权利要求
1.一种粉冶多元钼基稀土合金板坯制备工艺及设备，其特征在于该制备工艺及设备 包括多元组料配比、超声均质混配、柔性静压成形、逐次烧结定型、商品整理包装。
2.根据权利要求1所述的粉冶多元钼基稀土合金板坯制备工艺及设备，其特征在于 所述的多元组料配比，是以批次生产粉冶多元钼基稀土合金板坯的总重量为基数，各组料 组份配比份额是纯钼粉(M0)93. 0 95. 0份；氧化镧(La2O3)2. 2 2. 5份；氧化铈 (Ce2O3)1. 6 2. 0份；氧化钕(NdO2)1. 2 1. 5份；组料组份粒度各组料组份的粉末粒度均< 4 μ m ；组料组份纯度各组料组份的纯度均> 99. 9% ；杂质总量均< 500μ g/g。
3.根据权利要求1所述的粉冶多元钼基稀土合金板坯制备工艺及设备，其特征在于 所述的超声均质混配，由独创设计的金属粉末超声混配机完成；金属粉末超声混配机，整体 设计成全封闭圆锥罐型容器结构，由安装支架(14)、锥形混合罐罐体(11)、混合罐罐盖(9) 组成，通过快速连接法兰盘(10)实现快速开启或封闭固定作业；在混合罐罐盖(9)上，安装 固定有金属粉末雾化加料器(7)、搅拌分散器(4)、安全排气阀(8)等作业部件；在混合罐罐 体(11)上，安装固定有真空抽气泵(6)，总接线盒(3)、氩气注气泵(12)、出料管(13)；在混 合罐罐体(11)的外壁上，沿罐体圆周以120°角分位置安装固定有3组板式超声波换能器 (5)，通过总接线盒(3)与自动控制装置(1)相连接；板式超声波换能器(5)，安装固定在混合罐罐体(11)的外壁上，通过总接线盒C3)把超 声波发生器产生的超声电能转换成具有相当功率能量的高频机械振动波，穿透混合罐罐壁 向混合罐内的粉雾状金属粉末中传导，使金属粉末颗粒产生高频振动，发生微粒位移效应， 产生并传递巨大能量；真空抽气泵(6)和氩气注气泵(12)，分别安装固定在混合罐罐体(11)的上部和下 部，分别承担超声均质混配作业中真空作业环境和氩气保护的作业功能，真空抽气真空度 10X10_3Pa，氩气注气量0. 12mVm3 ；金属粉末雾化加料器(7)，由金属粉末储存罐、粉末高压喷雾泵、粉末喷出管组成；设 计配置的6台金属粉末加料器，以同心圆60°角分位置安装固定在混合罐罐盖(9)上；其 中3台装入纯钼粉末，其余3台分别装入其他3种稀土氧化物粉末，4种金属粉末呈交替 位置分布，可以同时将4种组料组份的金属粉末以粉雾状态按混配比例连续喷射进混合罐 内，使4种金属粉末都能以雾化形态进入固相搅拌混配作业；搅拌分散器(7)，安装固定在混合罐罐盖(9)中心位置上；搅拌分散器(7)选择变频调 速电机做为驱动动力源，可以根据不同阶段的混配需要，做出不同转速变化的实时在线调 整；搅拌分散器的结构形式，设计成在搅拌轴上安装固定有2组各呈上、下双层布置，各自 有2排齿爪的2个反向安装的齿爪型搅拌分散盘；自动控制装置(1)，整体设计成由他激式超声波发生器和自动控制器两部分组成，制成 操纵控制柜形式，通过导线束( 与混合罐上的总接线盒( 相连接；他激式超声波发生器 由信号源、功率放大、输入输出、控制等四个主要工作部分组成，采用基于单片机CAT89C51 的数字波形发生器产生正弦波，由功率晶体管进行线性功率放大，通过高频变压器和相关 电路、器件把电能量耦合到板式超声波换能器(5)上，达到隔离和阻抗匹配；自动控制器， 设计成具有工业控制单片机编程、信号现场在线采集处理、数据存储备份处理、LED屏幕显 示、键盘输入、指令输出等自动控制功能；通过导线束⑵与总接线盒⑶相连接，再由总接线盒(3)分别与各作业功能部件的电机，电动蝶阀，电磁开关等驱动部件相连接。
4.根据权利要求1所述的粉冶多元钼基稀土合金板坯制备工艺及设备，其特征在于 所述的柔性静压成形，由独创设计的加热成形模具和卧式双向柔性压坯机完成；加热成形模具，是根据钼基稀土合金板所需要的密度、净重、形状、尺寸等具体技术要 求，充分考虑粉冶成型过程中的消耗、烧损、成形孔隙度、烧结收缩率等因素，设计制造出的 具有能将混配合金粉末加热到60 70°C温度功能的成形模具，包括成形模具底座03)、电 加热元件、右活动压板00)、左活动压板0 、压板定向移动槽(19)、成形模具盖板02)等 部件；在进行柔性静压成形作业时，首先准确计算出加热成形模具中应填装的混配合金粉 末的具体重量；然后进行称重备粉、装粉振实、加热待压等工艺作业；卧式双向柔性压坯机，是将加热成形模具安装固定在压坯机工作台面09)上，模具右 活动压板OO)与右油缸压头相连接，模具左活动压板0 与左油缸压头06)相连 接；由右油缸压头(21)、右油缸(18)、右油缸支架(17)和右油缸油管(16)组成右方向压制 致密作业单元，通过右油缸支架(17)固定在压坯机工作台面09)上，通过右油缸油管(16) 与液压操纵控制箱(31)相连接；由左油缸压头06)、左油缸08)、左油缸支架07)和左油 缸油管(30)组成左方向压制致密作业单元，通过左油缸支架(XT)固定在压坯机工作台面 (29)上，通过左油缸油管(30)与液压操纵控制箱(31)相连接。液压操纵控制箱(31)安 装固定在压坯机床身(1 旁，内部装有电动机、液压油箱、齿轮油泵、操纵阀、分配阀、溢流 阀、安全阀、监测控制仪表、操纵控制面板等液压系统工作部件；在对钼基稀土合金粉末进 行低温柔性静压成形压制致密作业时，不添加任何粘接剂、润滑剂，依靠加热成形模具对粉 体的低温加热功能和卧式双向柔性压坯机液压系统的先进功能，使左、右油缸都能以8mm/ min的工作速度和大于300MPa的工作压力，从左、右两个方向以等同的压力和速度，推动成 形模具的左、右活动压板，对已有一定温度的钼基稀土合金粉末施加压力；而成形模具的四 周模板在外加压力作用下，形成与压力相等的反作用力同时向粉末施压，从而保证各向压 力均衡；当成形模具的左、右活动压板被推进到设计位置时停止移动；此时左、右油缸依然 保持有300MPa的工作压力，并继续施加在粉末新形体上；在此压力下，保持稳压40min以 上，即完成钼基稀土合金粉末坯体的压制致密成形；在卸压时也必须采取柔性分段减压技 术措施；减压速率6Mpa/min ；第一次减压至270MPa，稳压IOmin ；第二次减压至210MPa，稳 压IOmin ；第三次减压至120MPa，稳压5min ；第四次依然按6Mpa/min的减压速率，直至减至 常压；然后进行脱模处理。
5.根据权利要求1所述的粉冶多元钼基稀土合金板坯制备工艺及设备，其特征在于 所述的逐次烧结定型，包括低温烘烤、中温预烧结、高温烧结定型；低温烘烤，在设计配置的氩气气氛烘烤炉中完成；是使用较低温度，使成形坯体的金属 粉末颗粒间联结强度增大，联结面上的原子引力增加，金属粉末颗粒间发生粘结；低温烘烤 工艺作业参数是烘烤最高温度700°C ；升温速率10°C /min ；烘烤时间180min ；冷却方 式断电炉内自然降温冷却至120°C后出炉转序；氩气流量0. 8m3/h ；中温预烧结，在设计配置的氩气气氛预烧结炉中完成；是使用足够温度形成较大激活 能，使原子振动振幅加大，有足够多的原子进入原子作用范围，促使金属粉末颗粒间的距离 缩短，孔隙度缩小，密度增大，坯体体积收缩；而且粉末颗粒表面的氧化物被完全还原，坯 体吸附的气体、水份被全部排除挥发；粉末颗粒在压制致密成形中因接触或联接而形成的内应力也能得到彻底消解；中温预烧结工艺作业参数是预烧结最高温度1150°C ；升温速 率20°C /min ；烧结时间240min ；冷却方式断电炉内自然降温冷却到270°C后出炉转序； 氩气流量1.5m3/h;高温烧结定型，在设计配置的氩气气氛高温中频炉中完成；是使用较高温度，进行 较长时间的高温烧结，使坯体的原子扩散和迁移流动得到更充分进行，孔隙数量和尺寸 得到充分减少，已形成的良好机械物理性能得到充分稳定；高温烧结定型工艺作业参数 是中频高温烧结最高温度1845°C ；升温速率分成三个阶段15°C /minX40min ； 10°C / minX30min ； 15°C /minX45min ；烧结时间:300min ；冷却方式断电炉内自然降温冷却至 常温出炉；氩气流量2m3/h。
6.根据权利要求1所述的粉冶多元钼基稀土合金板坯制备工艺及设备，其特征在于 所述的商品整理包装，包括喷丸清理、防腐包装；喷丸清理，是通过设计配置的喷丸清理机，有效清除烧结板坯表面的粘料、毛刺、烧皮 等粘带物，同时提高烧结板坯的表面硬度，避免保管运输过程产生划痕、压迹等缺陷；防腐包装，是根据产品技术标准要求，进行的标志、防腐、防碰撞包装等商品化处理，便 于产品安全存储运输和使用时识别。
全文摘要
本发明公开一种粉冶多元钼基稀土合金板坯制备工艺及设备，包括多元组料配比、超声均质混配、柔性静压成形、逐次烧结定型、商品整理包装。该制备工艺及设备，选择在纯钼粉中直接掺入3种大比例镧系延性轻稀土氧化物粉末，通过分散均质混配、成形模具加热、双向柔性静压成形、连续逐次烧结定型等独创新技术，成功地生产制造出一种粉冶多元钼基稀土合金板坯新产品，提供给专业轧板企业进行碾轧制板作业。应用该制备工艺及设备制备的新产品，具有再结晶温度高、晶粒细化尺度小、组元分散均质程度好等优异的材质特性和使用韧性好、可塑性强等良好的机械物理性能。可以广泛应用于工业、国防、电力、冶金、电子等技术领域。
文档编号B22F3/03GK102140590SQ20101010400
公开日2011年8月3日 申请日期2010年2月2日 优先权日2010年2月2日
发明者时光, 高文哲 申请人:四平市东联筑路机械有限公司