专利名称：金属陶瓷大件异型制品的制造方法
技术领域：
本发明涉及金属陶瓷产品制备技术领域，具体地说是涉及一种金属陶瓷大件异型制品的制造方法的技术领域。
金属陶瓷复合材料综合了难熔金属和陶瓷氧化物材料的性能，是一种新型的高温材料。由金属陶瓷材料制成的产品具有远远超过单纯难熔金属及陶瓷氧化物产品的一系列优良的性能，如难熔金属在高温中易被氧化，故高温强度及硬度下降；而纯高级陶瓷氧化物制品在使用中不耐急冷热性，尤其是有脆性大的致命弱点。但是采用难熔金属和高级陶瓷氧化物混合料经过等静压机成型和高温烧结后制得的金属陶瓷制品具有耐高温(＞2000℃)、高温强度高、硬度大；热稳定性好、抗热震、耐急热急冷性能优良；对各种金属、非金属熔液、熔渣皆具有很强的耐蚀力和抗冲刷性能；此外若采用不同的原料配比，金属陶瓷制品还具有良好的抗氧化还原性能。
如上所述，由于金属陶瓷制品有着单纯难熔金属和单纯陶瓷氧化物所无法媲美的一系列综合的优良技术性能，因而在航空、航天、冶金、机械、电子、化工、建材等工业技术领域有着广泛而又必不可少的用途。
具有优良综合性能的金属陶瓷制品的大件异型制品在航空、航天、冶金、造纸等行业都有迫切需要。如火箭尾部喷口、高炉风口、煤气化的气化炉炉管、大型甘锅、造纸工业用的热解罐等，都是金属陶瓷大件或大件异型制品。其中火尾部喷嘴的喇叭口外形尺寸在φ320m/m以上；冶金工业的高炉风口外形尺寸可达到φ400×450m/m以上；热解罐两端轴颈细而长为250mm，两轴颈中间大鼓肚长380mm，两端轴颈部都带有法兰，法兰盘上有螺柱孔4个。类似这样结构复杂，外形尺寸不一的金属陶瓷大件异型制品有许多，但制造金属陶瓷大件异型制品的技术目前国内外尚处于研究阶段，没有适合于大规模工业化的方法。这类金属陶瓷大件异型制品的生产之所以难工业化，是因为这类产品几何尺寸大，制备上难度大，在生产过程中易出现弯曲、变形、产生裂纹或开裂的质量问题，难以得到几何尺寸合格的产品，结构复杂的产品更难生产出来，解体分成几部分生产又满足不了用户现场使用的技术条件。
本发明的目的就是提供一种金属陶瓷大件异型制品的制造方法，此方法解决了上述的生产质量问题，可制得几何尺寸精确的合格产品，是一种适合于大规模工业化的生产工艺。
本发明的制造金属陶瓷大件异型制品的制造方法由以下工艺步骤组成(一)制造假颗粒步骤；(二)超高压成型步骤；(三)半成品的轻烧步骤；(四)本成品的机加工步骤；(五)高温烧成步骤；(六)机加工步骤。
生产工艺流程如下原料的干燥→配料→混料→制造假颗粒→向模具内装料→高压成型→轻烧→半成品的机加工→高温烧结→特殊部位的机加工→质量检查验收入库。
附图的图面说明如下
图1是大件异型制品碳酸钡热解罐成型前装好料的模具示意图；图2是大件异型制品碳酸钡热解罐成型前装好料的模具示意图；图3是大件异型制品在炉内平台上的装炉示意图。
下面结合附图对本发明的金属陶瓷大件异型制品的制造步骤进行详细说明(一)制造假颗粒步骤此步骤由下面工序依次组成准备合格原料、配制原料，然后将各组分装入球磨机均匀混合，接着将干燥后的混合料制成假颗粒。
按照本发明的制备方法，对原料的选择有严格要求，即各组分原料的粒度小于5μ的占90％以上。金属粉如钼粉、钨粉的纯度≥99.9％，陶瓷氧化物MgO、ZrO2、Al2O3细粉、Cr2O3、铬粉以及稀土氧化物纯度≥99.5％以上。
在金属陶瓷氧化物配料时，通常陶瓷项原料成分占比例＜64％，优选占20-35％(按重量百分比计算)，其余为金属项原料，如钼粉、钨粉。
假颗粒的制造是将上述配制好的原料经球磨机均匀混合后，装入不带钢芯的橡胶模具中，封装后，再放入等静压机的高压容器内进行压制(压力为800-900kg/cm2)，取出后破碎过筛，得到0.1-0.8mm的小颗粒，即为假颗粒，作为下步骤的模料。
(二)超高压成型步骤此步骤由下面工序依次组成干燥假颗粒、装入模具内、超高压成型、半成品干燥。
在将假颗粒向模具内装料时，应尽量保证假颗粒的均匀分布。本发明的制造方法中所用模具是一种橡胶模具，它应有耐油的金橡胶外套，其厚度在6-8mm之间，以保证压力的均匀传递及耐久性使用。
所用模具的模芯，对于不能出芯的异型大件制品，在其模芯没有锥度的外表面处要挂上低熔合金或者复合蜡料，这种设计是便于脱模、生产出合格的异型大件制品。此低熔合金所用原料由Bi、Pb和Sn组成，而复合蜡料通常用白石蜡、硬质酸、地蜡按比例组成。
图1、图2是大件异型制品碳酸钡热解罐成型前装好料的模具示意图，图中的2是悬挂在钢芯模具3外表上的低熔合金或复合蜡料。图1中，1是钢芯橡胶塞，2是溶液状态下挂在钢芯外表上的低熔合金，3是通过自行设计制造的加料器装入橡胶套4内的假颗粒合格料，4是橡胶模套，5是白色橡胶塞，6是紧固卡，在两端橡胶塞用紧固卡与橡胶外套密封好后，擦洗干净，放入自行设计的器具内，运往成型车间放入超高压容器内进行成型(设计压力＞1800kg/cm2)。如图1中4(橡胶模具)的设计结构是无法脱模的，因为半成品两端都带有法兰，唯一的办法是将橡胶模用刀子割开取掉。为此本发明专利为了保障用户使用产品的结构完整，又保护好橡胶模具，设计出碳酸钡热解罐大件异型制品制造方法，如图2中7这种中间是子母口搭接一起的橡胶模具，同时图2中3处是增加的假颗粒。这样经过超高压成型后、经过干燥、轻烧产生足够的强度后进行机加工，再经过高温烧结就可得到合格的整体结构的产品。这为今后许多大件异型制品生产找到出路。
本发明制造方法中的超高压成型的工艺是在等静压中超高压(成型压力＞1800kg/cm2)成型的，常温等静压机是一种超高压设备，等静压机对受压体可施加各向均匀静压力，是一种优选的成型设备。
(三)半成品的轻烧步骤金属陶瓷大件异型制品，在生产上难度是很大的。通过轻烧增加强度，给修坯创造了条件。能生产与用户送来的金属陶瓷大件异型制品图纸一样外形尺寸和形状复杂的结构，半成品的轻烧这道工序是非常重要的。
对于半成品的轻烧，同高温烧成一样，只是最高温度达到940℃时就可以恒温，恒温时间不少于3小时，到3小时时断电不停冷却水，当被烧结物的环境温度达到300℃，停止冷却，100℃时可出炉。出炉后放进大型干燥箱存放。
(四)半成品的机加工步骤为了在高温烧结时准确无误地生产出用户图纸上所要求的每一个尺寸，生产这种产品时，生产单位又设计出第二张大件异型制品的图纸，照这种图纸用车床、钻床等对半成品进行修坯加工，这道工序给下道高温烧结定了性，其根据就在于配方(原料的性能)已给产品定了性、假颗粒的制成给产品质量带来了保障、半成品的轻烧给金属陶瓷大件异型制品通过机加工(修坯)给最后的高温烧结成功奠定了基础。到了高温烧成时，当达到升温曲线的最高烧结温度时，半成品的外形尺寸亦已确定，产品收缩率是12％。这说明半成品的机加工，也即修坯的重要作用了。
(五)高温烧成步骤在对本发明的半成品装炉烧结之前，必须对半成品修整，检查合格后的半成品方能装炉烧结，以保证烧成得到合格产品。
每个大件异型制品在烧结时，都已经为它专门准备好料垫和石墨保护桶。如图3，图中12是ZrO2料垫，14是石墨桶。两者坐落在炉底工作平台的石墨垫11上，15是被烧结物，13是保护被烧结物的外围填充料ZrO2砂，其粒度为0.1～0.5mm。填充料均匀地填充后，石墨桶顶部盖一个0.1～1mm厚的钨片17，钨片中间有一个φ50mm的圆孔18。装炉前，大件异型制品一直是放在大型电热鼓风干燥箱内的烘干盘上进行干燥的。不到装炉时不可以提前取出，以免受潮，防止产品产生裂纹、龟裂、开裂。当一切都检查准备好后，方可装炉，自此上岗人员，一切都要严格遵守超高温中频感应真空烧结炉的安全技术操作规程。图3中的测试孔16指示部位是连续测温热电偶从炉底通过此孔穿进炉体中心及被烧结物中心中部位置的。在烧成工序中，升温速度及保温时间均根据烧结制品的升温曲线进行，通常升温速度控制在85～95℃/小时，烧成温度范围在1850～1950℃之间(具体的最高烧成温度因原料配方而定)，当炉温升到升温曲线所要求的最高温度时，恒温时间不少于3小时，总烧结时间不少于24小时。当炉内恒温时间达到时，断电不断冷却水，直至炉顶及炉底温度达到300℃时，停止冷却，待炉内温度降至100℃时方可出炉。
本发明的制造工艺中的烧结过程采用的是超高温真空感应烧结炉，此烧结炉工作区域温度可顺利地升到2000℃，炉内清洁、易抽真空，是优选的烧结设备。
(六)机加工步骤这道机加工是指产品特殊的小小局部。整体来看，出炉的产品绝大部分的产品尺寸与用户所给的产品图纸尺寸是一致的。对于金属陶瓷大件异型制品，经过高温烧成后，靠机加工保障产品的结构及外形尺寸是办不到的，也是错误的，有一些原料配方的产品，电火花、激光等热加工根本打不动，只有极个别特殊的小小局部如阴螺纹、阳螺纹等要进行机加工。用铣床、车床等机加工时，在刀具上加水流就可以加工了。
实施例，制备喇叭口外形尺寸为φ366mm，内径尺寸为φ186mm的大型喷嘴的大件异型制品。
按陶瓷氧化物(MgO、ZrO2)占66.0％(重量百分比)，其余的金属粉(Mo、W粉)的比例配制原料，称取化学纯度＞99.9％的Mo粉以及由MgO、ZrO2的混合物，两者纯度都＞99.5％，各组分的细度都不大于0.8μ。
将称取好的上述原料按上述的详细步骤，经过混合、干燥、制造假颗粒、干燥后将假颗粒装入橡胶模具内，放入静压机高压成型、半成品干燥、检查合格后的半成品装入超高温真空感应烧结炉烧结，出炉后对产品机加工，成品检验合格后即完成全部的工艺过程。
按照本发明的制造方法制得的金属陶瓷大件异型制品都得到几何尺寸精确的合格产品，且产品无裂纹，龟裂，开裂现象，满足各项物理性能指标要求，解决了金属陶瓷大件异型制品的制造质量不过关及大规模工业化问题。
权利要求
1.金属陶瓷大件异型制品的制造方法，其特征在于该方法包括下列步骤(一)制造假颗粒步骤它由下面工序依次组成准备合格原料、配制原料、进球磨机均匀混合，接着将干燥后的混合料制成假颗粒；其中构成原料的各种组分的粒度小于5微米的占90％以上；配制金属陶瓷氧化物原料时，陶瓷项原料成分占比例＜64％(按重量百分比计算)，其余为金属项原料；其中的假颗粒的制造是将配制好的原料均匀混合后，装入橡胶模具中封装，再放入压力为800-900kg/cm2的等静压机高压容器内压制，取出后破碎制成假颗粒，作为下步骤的模料；(二)超高压成型步骤它由下面工序依次组成干燥假颗粒、将假颗粒装入模具内、超高压成型、半成品干燥；其中的超高压成型的工艺是在成型压力＞1800kg/cm2的等静压中超高压成型的；(三)半成品轻烧步骤；(四)半成品的机加工步骤；(五)高温烧成步骤它由以下工序依次组成半成品修坯、半成品干燥、半成品装炉、烧结、出炉；其中在烧成工序阶段中，升温速度及保温时间均根据烧结制品的升温曲线进行，升温速度控制在85-95℃/小时，烧成温度范围在1850-1950℃之间；当炉温升到升温曲线所要求的最高温度时，恒温时间不少于3小时，总时间不少于24小时；(六)机加工步骤。进行冷却，然后进行机加工；其中，炉内填充料为0.1-0.5mm的ZrO2颗粒。
2.根据权利要求1的金属陶瓷大件异型制品的制造方法，其特征在于所述的步骤(一)中的金属粉是纯度≥99.9％的钼粉、钨粉；陶瓷氧化物是纯度≥99.5％的MgO、ZrO2、Al2O3细粉、Cr2O3、铬粉以及稀土氧化物。
3.根据权利要求1的金属陶瓷大件异型制品的制造方法，其特征在于所述的步骤(一)中的假颗粒粒径是0.1-0.8mm。
4.根据权利要求1的金属陶瓷大件异型制品的制造方法，其特征在于所述的步骤(二)中所用的模具是一种具有耐油性的全橡胶外套，橡胶厚度在6-8mm之间。
5.根据权利要求1的金属陶瓷大件异型制品的制造方法，其特征在于所述的步骤(二)中的所用模具的模芯，对于制备不能脱出模芯的大件异型制品，所用模芯在没有锥度部位的外表面处要挂上低熔合金或者复合蜡料，此低熔合金所用原料由Bi、Pb和Sn组成，而复合蜡料通常用白石蜡、硬质酸、地蜡按比例组成。
6.根据权利要求1的金属陶瓷大件异型制品的制造方法，其特征在于所述的步骤(五)的烧结过程采用的是超高温真空感应烧结炉。
7.根据权利要求1的金属陶瓷大件异型制品的制造方法，其特征在于所述的步骤(五)的半成品装炉工序中，将半成品安装在工作平台上之后，在其外围套上大石墨保护桶，再向半成品的外围间隙及顶部部位均匀填充熟料ZrO2细颗粒，ZrO2颗粒度为0.1-0.5mm。
8.根据权利要求1的金属陶瓷大件异型制品的制造方法，其特征在于所述的步骤(五)的烧成工序阶段，当炉内恒温时间达到时，断电但不断冷却水，直至炉顶及炉底温度达到300℃时，停止冷却，待炉内温度降至100℃时出炉。
全文摘要
本发明是关于金属陶瓷大件异型制品的制造方法,该方法由制造假颗粒步骤、超高压成型步骤、半成品的轻烧步骤、半成品的机加工步骤和高温烧成步骤组成。用此方法制得的金属陶瓷产品几何尺寸精确、无裂纹、无龟裂、无开裂。各项性能指标均满足设计要求,是一种适合于大规模工业化生产的方法。
文档编号B22F3/12GK1302708SQ0012434
公开日2001年7月11日 申请日期2000年9月8日 优先权日2000年9月8日
发明者王旭 申请人:王旭