粉末材料制品的制造方法及所用设备的制作方法

专利名称：粉末材料制品的制造方法及所用设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及粉末冶金领域，更确切地说，是涉及粉末材料制品的制造方法及所用设备。
本发明可以最成功地用来制造长尺寸的圆形截面粉末难熔无机材料制品，例如冲模的轴销、切削刀具的杆坯等。
此外，本发明还可用来制造具有各种横截面形状的异形制品。
已知有用热冲击挤压来制造耐热粉末材料制品的方法，它是用标准的粉末冶金方法得到圆柱形的毛坯，将该毛坯在150～460MN/m2的压力下进行静力液压，在真空中高达1450℃的温度下烧结1～6小时，并将该毛坯在玻璃质润滑剂中进行热动态挤压，然后在真空中退火1小时(文摘杂志，《冶金类》，1981年，1┏445;伦敦城工业大学，冶金及材料系;附

图12，表1，参考文献9，《某些镍基耐热合金的热冲击挤压及其随后处理》)。动态挤压可以加工难熔元素含量低于50%的镍基耐热合金，并且，在许多情况下还可提高热硬度，降低孔隙度，并使第二相质点在材料中均匀分布。
上述方法的主要缺点与它的多阶段性有关，这导致能量消耗大，所用工艺设备复杂，生产周期长，劳动量大。此外，如所周知，难熔元素含量高于50%的复杂合金，不宜采用动态挤压法，因为这类合金在热态下有高的脆性和硬度。
已知有获得硬质合金材料制品的方法，它是在粉末原料(金属、非金属和粘结材料)混合料中进行燃烧反应，然后在所有的面上压缩，使其变形(Me＊aHoB A。T。，等人《基于燃烧的制造高温材料新方法》，见《材料学的科学基础》一书，莫斯科，科学出版社，1981，193～206页)。该方法应看作是热挤压法的一种方案，在此方法中，燃烧过程为材料变形准备了组成部分(合成和加热)。此法曾用于制造不含钨、由Ti、C、Ni、Mo元素组成的硬质合金混合料，是按要得到工业合金来配成的，即含有20%镍和30%钼作为粘结剂的碳化钛。在一定条件下，得到了性能不错、接近于工业牌号的材料。现在，带有压缩的自行扩展高温合成方法也用来制造含有某些难熔化合物的密实材料。
上述方法可在一个步骤短时间(约1分钟)内制得硬质合金材料及其制品，而能量消耗最少。
这种方法的主要缺点是，所得到制品的形状有限，即不可能得到长度与直径之比大(h/d＞＞1)的长尺寸制品。在此方法中用的不均衡的三轴压缩方法，导致材料中主要形成压应力。所以，用此方法制造h/d＞＞1的制品时，就失去最初所给定的形状，并在材料中产生裂纹和压不透的情况。
已知有一种方法，在压力下自行燃烧结陶瓷，这是在高压下扩展放热合成反应。这时在含有合成所需元素的预制先配好的粉末混合料中进行烧结材料的合成和压实(Miyamoto K.等人《陶瓷的高压自燃烧结》，Funtai oyobi Funmatsu Jakin1987。Vol。34，N3-P。101～106(gp)。CA107，N1，P.266(1981 1H)参考文献，文摘杂志，《化学类》1988，T13，H11，7E 13M。)在此方法中，作为在压力下烧结的能源乃是在合成反应中放出的热量。为了引发过程，必须对混合料施加热脉冲(通入200～400安的电流，历时3秒)，然后，烧结过程急速进行(几秒钟)。采用这种同时进行烧结和合成的方法，能够得到诸如TiB2、ZrB2、NbB2、TiC、SiC的难熔材料以及复合材料和这些材料为基体的制品。
已知有实现上述方法所用的设备，它是一种放置在高压室内的反应器，这种反应器是带有氮化硼衬垫、用叶蜡石做的六面体，混合原料装到其中。从混合料的一点或从其所有侧表面进行点燃。
上述方法和设备的优点是工艺过程的时间短，能量消耗不大。其缺点是工艺性差(对于制品的每种形状，要配置专用的反应器)、生产率不高(这与必须将反应器放到高压室中有关)、制品的尺寸也有限制(这也是该设备的结构所决定的)。
下面一种方法最接近所申请的发明，这种制造粉末材料制品的方法，粉末材料选用含有至少一种过渡金属、至少一种非金属和至少一种金属基粘结料的一组材料，这种方法包括下列步骤制备上述材料的粉状混合料;在混合料中引发燃烧反应，在燃烧产物中形成由上述过渡金属和非金属组成的硬质相;然后使燃烧产物变形再取出制成品。
已知有实施这种方法的设备，它包括带有放置粉状混合料挤压筒的压模;引发挤压筒内混合料燃烧反应的引燃装置;使挤压筒内燃烧产物变形的阳模;还有产生使燃烧产物变形所需压力的压力机，该压力机有与阳模作运动上联接的滑座，并装有控制滑座移动的操纵系统。〔Richardson G.Y.，等人《用自扩散合成法热压陶瓷》(Ceram。Eng。Sci。Proc.1986。Vol.7，n7～8，P761～770)(文摘杂志，《化学类》，M.，1987，No.4，4n20)《用自扩散合成的热压陶瓷》〕。
按照上述方法，将混合原料压成块状，并装到设备中去。
实施此法用的设备含有带阴模的石墨压模，它的挤压筒用厚度为1.5cm的陶瓷纤维绝缘层覆盖。因此，压模可用感应方法加热到1000℃高温。在点燃之前，对压模中的混料团块加34Mpa的压力。其引发混合料燃烧反应的装置位于压模的挤压筒之外，燃烧波沿着置于压模底部渠道内的混合粉料扩展到混料团块。当反应剂点燃后，压力大大降低(约为初始压力的50%)，然后，在大约2秒内，压力重新又提高到34MPa，之后，保持5～10分钟。用带有控制系统的热压压力机将材料压紧。
用这种方法得到了含有10～30(体积)%Ti作为粘结材料的TiC基材料，以及TiC-TiB2基材料。
上述方法及实施该方法所用设备的特点是，不可能得到长尺寸的制品(高度与直径之比＞＞1)，因为它采用了单轴压缩的方式，导致在材料中只产生压应力。在上述设备中制得的试件系圆盘状，直径为2.5cm，厚度为0.3cm。曾试图在那样的加载方式下制得具有h/d＞＞1的制品，结果以试件中出现裂纹而告终，并在其个别部位出现未压透的情况。
此外，由于缺少对材料的温度控制，可能导致制品体积内材料组织和成分的不均匀性，这样的不均匀性常常在材料变形时产生，其组分处于各种团聚状态，例如，坚硬的基体处于固态，而金属粘结剂处于液态。
本发明的任务是避免上述现有技术中的不足之处，而提供一种改进的制造粉材料制品的方法，粉末材料选用含有至少一种过渡金属、至少一种非金属和至少一种金属基粘结料的一组材料，该方法包括下列步骤预先制备由上述材料组成的粉状混合料;在混合料中引发燃烧反应，并在燃烧产物中形成由上述过渡金属和非金属组成的硬质相;然后使燃烧产物变形并取出制成品。并提供实施此方法的设备，使得在其中燃烧产物经过变形，获得密实的长尺寸(h/d＞＞1)制品，并且在制品的整个体积内具有均匀的组织和成分。
采用下列措施来解决所提出任务，提供一种用粉末材料制造制品的方法，这些材料选用含有至少一种过渡金属、至少一种非金属和至少一种以金属为基的粘结料的一组材料，该方法包括下列步骤制备上述材料组成的粉状混合料;在混合料中引发燃烧反应，并在燃烧产物中形成由上述过渡金属和非金属组成的硬质相;然后使燃烧产物变形并取出制成品，其中，按照本发明，燃烧产物的变形是通过挤压来实现的，挤压温度T为0.3T1～T2(其中，T1为燃烧产物中硬质相的熔化温度，T2为粘结材料的熔化温度)，挤压压力P为2000～5000kg/cm2。
本发明的实质在于，挤压时材料应力状态是同时承受压缩和剪切应力，由于这种有利的应力状态方式，获得了具有长度与直径之比不受限制(h/d＞＞1)的密实粉末材料制品。
在将燃烧产物保持在燃烧温度至粘结材料熔化温度的温度范围内时，来得及进行从经过完全反应的初始混合料的材料形成晶体结构的过程，并且排出混合料中的夹杂气体。这就导致气孔率的降低，因而也降低了对初始混合料材料纯度的要求。在粘结材料变硬后，对燃烧产物进行的挤压，保证了制品长度方向的组织和成分的均匀性。
挤压过程的温度范围由下列相互可对比的原则确定-如果在T＜0.3T1的温度保温，那么，燃烧产物的变形将按照干摩擦(晶体滑移)规则进行，这就需要大的机械作用力，而且，温度梯度大，热弹性应力的松驰主要依靠形成裂纹来进行。
-如果在T＞T2的温度下保温，那么，燃烧波穿过以后，热过程就来不及形成晶体结构，由于加入混合料的粘结材料在燃烧温度下处于熔融状态，就促使它在燃烧产物的硬质相组织骨架中扩展，并促使粘结剂在纵向或横向都均匀分布。但是，如果挤压是在T＞T2的温度开始，那么，由于硬质相和液态粘结材料的迁移性有明显的差异，就会发生粘结剂沿样件长度方向不均匀的体积再分配。
这样，上述挤压过程的温度范围(0.3T1～T2)可保证燃烧产物中硬质相的塑性不变，而在T＜0.3T1的温度下进行挤压，则会导致硬质相的塑性降低，在T＞T2的温度下进行挤压，就不能保证粘结材料在硬质相的颗粒之间均匀分布的条件。
实施上述方法的设备包括如下部分带有挤压筒的压模，该挤压筒有放置粉状混合料的腔室;引发挤压筒腔室内混合料燃烧反应的引燃装置;使挤压筒腔室内燃烧产物发生变形的阳模;产生压力使燃烧产物变形的压力机，它具有与阳模作运动上连接的滑座，并装有控制滑座移动的操纵系统;该设备的特征在于，挤压筒由直立式组件装成，组件之间留有间隙，用以排除设备中的气体，挤压筒有带开口的阴模，该阴模有连接阴模开口和挤压筒腔室的圆锥形进口部分，挤压筒还有形成制品形状的隔热的定径管，该定径管的横截面与阴模开口的形状相适应，同时，控制滑座移动的操纵系统含有控制挤压温度规范的部件组，该部件组包括设置在阴模锥形进口部分表面的温度传感器和在电路上与传感器和阳模相连系的机构。
所提出的任务还应用实施上述方法的设备来完成，该设备包括带有挤压筒的压模，该挤压筒有一个放置粉状混合料的腔室;引发挤压筒腔室内混合料燃烧反应的引燃装置;保证挤压筒腔室内的燃烧产物发生变形的阳模;产生压力使燃烧产物变形的压力机，它带有与阳模作运动上连接的滑座，该压力机还装有控制滑座移动的操纵系统，按照本发明，在该设备中的挤压筒由直立式组件组成，组件之间留有间隙，用以排出设备中的气体，挤压筒还有带开口的阴模，该阴模有连接其开口和挤压筒腔室的圆锥形进口部分，挤压筒还有形成制品形状的隔热定径管，该定径管的横截面与阴模开口的形状相适应，同时，控制滑座移动的操纵系统有一个控制挤压温度规范的部件组，该部件组包括装在阴模锥形进口部分表面的温度传感器和在电路上与传感器和压力机相连系并对阳模发出移动指令的机构。
上述设备的各种结构元件的组合，可以保证实现制造长尺寸粉末材料制品的节能的方法，其途径是将放热的原始组分混合料的燃烧反应和随后利用该反应的热量对燃烧产物进行的挤压相结合。
有了带圆锥形进口部分的阴模和带有与阴模开口相吻合的开口的绝热导向定径管，就可以制得具有所需形状的、长度与直径之比大的、没有轴向弯曲和裂纹的、长尺寸制品。
挤压筒由立式组件装成的这种结构，有助于最有效地沿整个毛坯高度，将燃烧过程中析出的混合气体排到组件之间的间隙中去。这就使挤压开始之前就得以进行充分的除气，从而获得没有气孔和粗大孔隙的密实材料。
此外，挤压筒的这种结构也保证了它具有良好的抗循环负荷紧固性，这一点十分重要，因为混合料的燃烧温度可达1500～3000℃。
操纵压力机的系统含有控制挤压温度规范的部件组，这就使得在该设备中可以制得整个体积都具有均匀组织和成分的优质制品。这是如此做到的装在阴模的锥形进口部分表面的温度传感器记录下散热最大区域的材料温度，而从传感器得到信息的装置则被调到T＝0.3T1～T2范围内的完全确定的挤压温度，并在达到这一温度值时发出使阳模移动的指令。
在阳模内部设置引发燃烧反应的引燃装置是颇为合理的。这简化了设备的结构，并保证了进行过程的工艺性在经过阴模开口挤压材料时没有干扰，而转入下一工作循环的准备工作则缩减为只是更换一下钨丝。
下面结合附图通过具体实施例来详细说明本发明，附图中图1示出了制造粉末制品的设备总图;
图2示出了挤压用压模图纵剖面;
图3示出了沿图2中Ⅲ-Ⅲ线的剖面。
所提出的制造粉末材料制品方法，按如下方式进行取粉末原料，至少有一种元素周期表Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ族的过渡金属，至少有一种在C、B、Si、S、Se中选取的非金属，和至少有一种以元素周期表Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ族的金属和Fe、Ni、Co、Cu为基的粘结材料。
将各种粉末的秤量置入球磨机，并按已知方法混合。
将制备好的粉状混合料在预压用的钢压模中形成毛坯，然后，从钢压模中取出毛坯，用石棉布包裹隔热，并置入挤压的压模中，然后对在混合料中的钨丝通电，引发燃烧反应，燃烧结束后，将所得材料保温。
在保温过程中，进行燃烧产物的除气并形成晶体结构，当材料的温度从燃烧温度降到挤压温度后(挤压温度按公式T＝0.1T1～T2确定，式中T为燃烧产物的挤压温度，T1为燃烧产物中硬质相的熔化温度，T2为粘结材料的熔化温度)，施加压力P(2000～5000kg/cm2)，并经过阴模对燃烧产物进行挤压。待做好的制品冷却到室温后，从压模中将其取出。
上述方法在所提出的制造粉末材料制品的设备上实施，该设备有一台产生燃烧产物变形所需压力的压力机1(图1)，该压力机1具有滑座2，并装有控制滑座2移动的操纵系统3和带有挤压筒5(图2)的挤压压模4，挤压筒5有放置粉状混合料的腔室6(图3)。该设备还有引发挤压筒5的腔室6内的混合料燃烧反应的引燃装置7(图2)，后者具有钨丝8和导线9，以及带有孔道11的阳模10，该阳模使挤压筒5的腔室6内的燃烧产物产生变形，并与压力机1的滑座2作运动上的连接。
按照本发明，挤压筒5由直立式组件12(图3)装成，这些组件之间留有间隙13，用以排出设备内的气体。挤压筒5包括带有开口15的阴模14(图2)，该阴模有连接阴模14的开口15和挤压筒5的腔室6的圆锥形进口部分16。此外，挤压筒5还有横截面与阴模14的开口15的形状相适应的隔热的定径管17，用以形成制品的形状，该定径管用绝热层18覆盖，装在压力机1的工作台19内。
阴模14的开口15用塞子20堵住。
控制滑座2移动的操纵系统3有一个控制挤压温度规范的部件组21(图1)，该部件组21具有装在阴模14的圆锥形进口部分16表面上的温度传感器22(图2)和从传感器22获得信息并发出使阴模10移动的指令的机构23，该机构是电子装置，在电路上与传感器22和压力机1相连系。
用粉状混合料做成的毛坯24放在挤压筒5的腔室6内，它与挤压筒5的内壁用石棉布25隔热，与阳模10用挤压垫26隔热。
引发混合料燃烧反应的引燃装置7装在阳模10的孔道11内。
制造粉末材料制品的设备按下述方式工作。预先用粉状混合料制成毛坯24，该混合料含有至少一种元素周期表Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ族的过渡金属、至少一种从C、B、Si、S、Se组中选取的非金属和至少一种以元素周期表的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ族的金属和Fe、Co、Ni、Cu为基的粘结材料。
做成的毛坯24用石棉布25做的绝热物包住其侧表面，放入挤压筒5的腔室6内，经过挤压垫26的开口将钨丝8插入引燃装置7内，将与压力机1的滑座2作运动上连接的阳模10降下，直到钨丝8与毛坯24接触，然后，开动在电气上与引燃装置7和控制挤压温度规范的部件组21相连系的操纵系统3，系统3对引燃装置7发出指令，在0.5～2秒的期间内供给20～50伏电压的电流，结果，加热了钨丝8，并由它在混合料制的毛坯24内引发燃烧反应。燃烧时析出的混合气体向位于挤压筒5的组件12之间、沿整个毛坯24高度的间隙13排出去。
装在阴模14的圆锥形进口部分16表面的温度传感器(即钨-铼热电偶)22记录下毛坯24燃烧完结的时刻，它的信号传至制成电子装置的机构23，该机构在温度达到预定值时发出使滑座2及与其作运动上连接的阳模10移动的指令。机构23事先调到的温度选在0.3T1～T2的范围内，其中，T1为燃烧产物中硬质相的熔化温度，T2为粘结材料的熔化温度。
压力机1通过阴模10在压模4内产生2000～5000kg/cm2的压力。
当压力达到塞子20材料变形所需的值时，它被压出，并经过阴模14的开口15开始向导向的定径管17挤压材料。压力达到上述给定的范围值时，操纵系统3就发出使压力机1的滑座2升高的指令，于是，滑座2又回到原来的位置。冷却后，从压模4取出所得到的制品。
所申请的方法和设备可以通过已用各种材料制成、直径为8mm的制品的实例来说明。
实例1取钛、碳和镍的粉料，混合比例(重量%)为Ti-56，C-14，Ni-30。将这些粉末置于球磨机内混合。用混好的粉料做成重50克、直径25mm的毛坯，用厚度为1.5mm的石棉布将毛坯包住隔热，然后置入挤压筒腔室直径为30mm和阴模开口直径为8mm的挤压压模内，在阴模的进口部分表面装一个温度传感器(钨-铼热电偶)。在装在阳模内的引燃装置的电路中，插入钨丝。阳模与引燃装置一起装入挤压筒的腔室内，直到钨丝与毛坯接触。在1秒的时间内对钨丝供给电压为50伏的电流，引发混合料的燃烧反应。上述混合料的燃烧温度为2000℃。燃烧的结果得到复合材料TiC-Ni，其硬质相(Tic)的熔化温度Ti＝3200℃，而粘结材料(Ni)的熔化温度T2＝1456℃。温度传感器连续记录下合成材料的温度。在燃烧波穿过后，将材料放置，让其达到预定的温度(本实例为约1400℃，即T＝0.44T1)，当达到预定温度时，从温度传感器得到信息的控制机构便发出使压力机滑座及与其作运动上连接的阳模移动的指令。通过阳模在挤压筒的腔室内产生5000kg/cm2的压力，此时，合成材料被压实，然后经过阴模的开口向隔热的定径管挤压出去。
冷却之后，取出所得的制品。该制品是一种棒材，其直径为8mm，长度为120mm，带有平整而光洁的表面。
该棒材有在横截面上缺陷层0.1mm。研究了棒材各段的定量相成分，结果(重量%)如下起始段TiC-70，Ni-30未段TiC-70，Ni-30关于其他实例的数据，全部列在表1。
用所申请的方法及其实施设备，可以制得具有各种横截面形状、高度与直径之比没有限制的许多种产品。
用本方法制得的产品，在整个体积内有均匀的组织和成分，其表面质量好，随后需要很少量的机加工。
权利要求
1.制造粉末材料制品的方法，该粉末材料选用含有至少一种过渡金属、至少一种非金属和至少一种以金属为基的粘结料的一组材料，该方法包括如下步骤制备由上述材料组成的粉状混合料；在混合料中引发燃烧反应，并在燃烧产物中形成由上述过渡金属和非金属组成的硬质相；然后使燃烧产物变形；并取出制成品；该方法的特征在于，燃烧产物的变形是通过挤压实现的，燃烧产物的挤压温度T为0.3T1～T2，(其中，T1为燃烧产物中硬质相的熔化温度，T2为粘结材料的熔化温度)，挤压压力P为2000～5000kg/cm2。
2.实施上述方法的设备，包括如下部分带有挤压筒(5)的压模(4)，该挤压筒有放置粉状混合料的腔室(6);引发挤压筒(5)的腔室(6)内的混合料燃烧反应的引燃装置(7);保证使挤压筒(5)的腔室内的燃烧产物产生变形的阳模(10);产生使燃烧产物变形所需压力并带有滑座(2)的压力机(1)，该压力机还带有控制滑座(2)移动的操纵系统(3);该设备的特征在于，它的挤压筒(5)由直立式组件(12)装成，在该组件之间有间隙，用以排除设备中的气体，挤压筒(5)还有带开口(15)的阴模(14)，该阴模有连接其开口(15)和挤压筒(5)的腔室(6)的圆锥形进口部分(16)，挤压筒(5)还有形成制品形状的隔热的定径管(17)，该定径管的横截面与阴模(14)的开口(15)的形状相适应，同时，控制滑座(2)移动的操纵系统(3)含有控制挤压温度规范的部件组(21)，该部件组(21)包括装在阴模(14)的圆锥形进口部分(16)表面的温度传感器(22)和与传感器(22)和压力机(1)在电路上相连系并对阳模(10)发出移动指令的控制机构(23)。
3.根据权利要求2的设备，其特征在于，引发混合料燃烧反应的引燃装置(7)安装在阳模(10)内部。
全文摘要
本发明涉及粉末冶金领域。在本发明中，燃烧产物的变形是通过在挤压筒5内在0.3T
文档编号C22C1/05GK1050694SQ89107648
公开日1991年4月17日 申请日期1989年10月5日 优先权日1988年12月20日
发明者亚历山大·格里高里维奇·墨札罗瓦, 亚历山大·莫赛维奇·斯托林, 瓦狄母·温尼米罗维奇·普德尔斯瓦, 莱尼得·米哈依罗维奇·布切特斯克, 塔特耶·尼克莱瓦·史克兰 申请人:苏联科学院宏观动力学结构研究所