一種低溫結(jié)晶真空脫水法制備彌散強化鐵基合金用預(yù)合金粉末的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬彌散強化技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種制備氧化物彌散強化鐵基合金用的預(yù)合金粉末的方法。采用混合鹽類熔融-結(jié)晶-低溫真空脫水-氫氣還原的工藝，綜合了膠體化學(xué)、無機化學(xué)及粉末冶金等相關(guān)知識，屬于濕法制復(fù)合金屬氧化物粉末的范疇。所制備的氧化物彌散強化鐵基材料，適用于多種要求良好的高溫力學(xué)性能的鐵基金屬粉末制品的生產(chǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)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。而氧化物彌散強化材料通過穩(wěn)定的氧化物彌散相提高金屬強度，可以克服上述限制，提高一般金屬的高溫性能和力學(xué)性能，更有效提高高溫合金的熱穩(wěn)定性和硬度、強度。
[0003]彌散強化是通過在金屬基體中引入穩(wěn)定、均勻、細小的氧化物質(zhì)點，釘扎位錯、晶界、亞晶界，阻礙位錯的移動，從而強化材料的方法，強化效果可以維持到接近合金的熔點(0.8-0.0Tfes)，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(chǎn)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，研究表明氧化物顆粒越細小，分布越均勻，材料性能的提高就越顯著。氧化物彌散強化在高性能銅合金、高溫合金等領(lǐng)域已有非常成功的應(yīng)用實例。
[0004]目前，在制備鐵基氧化物彌散材料主要采用機械合金化。文獻I(金屬學(xué)報，2013，49:2)報道了，以Fe粉末為主要原料，以Cr、N1、T1、Mo等為中間合金粉末，以Y2O3粉(d< 50nm)為第二相彌散強化粒子，通過機械合金化工藝制備高溫合金。這些方法對材料的性能有一定的提聞，但存在成本聞，不易控制，彌散程度不夠均勻等缺點。因此，開發(fā)一種結(jié)構(gòu)均勻、易于實現(xiàn)實驗室操作的制備工藝對于彌散強化材料研究具有重要的現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種制備氧化物彌散強化金屬用的預(yù)合金粉末的制備方法。此方法的特點為均勻、易操作、不需要大型設(shè)備，適合實驗室研究彌散強化材料，制備的復(fù)合粉末中彌散相能均勻地分布在基體金屬粉末中。
[0006]本發(fā)明的原理是:基于經(jīng)混合鹽類熔融-結(jié)晶-低溫真空脫水的混合氧化物的選擇還原，將含彌散相形成元素的硝酸鹽加入含基體金屬的硝酸鐵的熔融液體中使其溶解，在水浴中冷卻、結(jié)晶，將結(jié)晶物低溫真空脫水，最后慢慢升溫?zé)岱纸獬苫旌涎趸?。這個方法要求十分嚴格的控制脫水、分解的條件，絕對不能發(fā)生熔化的現(xiàn)象，否則將要出現(xiàn)彌散相的聚集。
[0007]工藝操作步驟:本發(fā)明首先將含基體金屬元素的硝酸鐵結(jié)晶鹽加熱熔融(熔點)，然后將含彌散相形成元素的硝酸鹽晶體按所需要的比例加入到硝酸鐵熔鹽中使其溶解，混合均勻，在強烈的攪拌情況下在水浴中冷卻，得到粒狀結(jié)晶，所得的結(jié)晶物經(jīng)磨細并在室溫下真空中脫水3-4天以排除部分結(jié)晶水。然后再慢慢升溫，進一步排除殘余之結(jié)晶水得到無水鹽，最后分解成混合氧化物。將所得的混合物在氫氣流中選擇還原，即得到氧化物彌散強化鐵基合金用的預(yù)合金粉末。
[0008]具體工藝步驟如下:
[0009]a、將硝酸鐵Fe (NO3) 3.QH2O加熱熔融(熔點47.2°C )，然后將含彌散相形成元素的硝酸鹽按所需要的比例加到硝酸鐵熔鹽中使其溶解，混合均勻，攪拌15-20分鐘，在強烈的攪拌情況下在水浴中冷卻，得到粒狀結(jié)晶。硝酸鐵最終生成基體Fe單質(zhì)，含彌散相形成元素的硝酸鹽最終生成氧化物彌散相，將原料折合成彌散相和基體金屬Fe單質(zhì)的質(zhì)量時，彌散相占總合金的質(zhì)量分數(shù)在0.25% -5% ;
[0010]b、所得粒狀結(jié)晶物經(jīng)磨細并在室溫下真空中脫水3-4天以排除部分結(jié)晶水，然后再慢慢升溫，進一步排除殘余結(jié)晶水得到無水鹽，最后分解成混合氧化物；
[0011]C、將混合氧化物再用氫氣還原，反應(yīng)溫度800-1100°C，最終得到彌散相粒子與基體高度均勻混合的鐵-氧化物彌散相復(fù)合粉末；
[0012]d、將所得預(yù)合金粉末在SOO-1lOOMpa壓力下鋼模壓制，然后在H2氣氛下進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000-1300°C，保溫時間為60-90min。由于氧化物的高度均勻彌散強化，從而獲得了組織均勻、性能優(yōu)良的合金材料。
[0013]本發(fā)明的特點在于:均勻、易操作、成本低，適合實驗室研究彌散強化鐵基合金材料。
【具體實施方式】
[0014]實施例1:0.5% Y2O3彌散強化鐵基合金
[0015](I)將硝酸鐵Fe (NO3) 3.9H20加熱熔融(熔點47.2°C )，然后將含彌散相形成元素的硝酸釔Y(NO3)3.6H20按所需要的比例加入到硝酸鐵熔鹽中使其溶解，混合均勻，攪拌15分鐘，在強烈的攪拌情況下在水浴中冷卻，得到粒狀結(jié)晶。將原料折合成彌散相Y2O3和基體金屬Fe單質(zhì)的質(zhì)量時，彌散相Y2O3占總合金的質(zhì)量分數(shù)為0.5% ；
[0016](2)所得粒狀結(jié)晶物經(jīng)磨細并在室溫下真空中脫水3天以排除部分結(jié)晶水，然后再慢慢升溫，進一步排除殘余之結(jié)晶水得到無水鹽，最后分解成混合氧化物；
[0017](3)混合氧化物在氫氣氣氛下還原，反應(yīng)溫度850°C，最終得到彌散相粒子與基體高度均勻混合的鐵-Y2O3復(fù)合粉末；
[0018](4)將所得鐵粉在850Mpa壓力下鋼模壓制，H2氣氛下，1200°C燒結(jié)60min后得到產(chǎn)品組織性能良好。
[0019]實施例2:1% Al2O3彌散強化鐵基合金
[0020](I)將硝酸鐵Fe (NO3) 3.QH2O加熱熔融(熔點47.2 °C )，然后將硝酸鋁Al (NO3)3.9H20按所需要的比例加入到硝酸鐵熔鹽中使其溶解，混合均勻，攪拌20分鐘，在強烈的攪拌情況下在水浴中冷卻，得到粒狀結(jié)晶。將原料折合成彌散相Al2O3和基體金屬Fe單質(zhì)的質(zhì)量時，彌散相Al2O3占總合金的質(zhì)量分數(shù)為1% ；
[0021](2)所得粒狀結(jié)晶物經(jīng)磨細并在室溫下真空中脫水3天以排除部分結(jié)晶水，然后再慢慢升溫至，進一步排除殘余結(jié)晶水得到無水鹽，最后分解成混合氧化物；
[0022](3)將混合氧化物再用氫氣還原，反應(yīng)溫度900°C，最終得到彌散相粒子與基體高度均勻混合的鐵-Al2O3復(fù)合粉末；
[0023](4)將所得鐵粉在900Mpa壓力下鋼模壓制，H2氣氛下1200°C燒結(jié)60min后得到產(chǎn)品組織性能良好。
[0024]實施例3:2% ThO2彌散強化鐵基合金
[0025](I)將硝酸鐵Fe (NO3) 3.QH2O加熱熔融(熔點47.2 °C )，然后將硝酸釷Th(NO3)4.6H20按所需要的比例加入到硝酸鐵熔鹽中使其溶解，混合均勻，攪拌15分鐘，在強烈的攪拌情況下在水浴中冷卻，得到粒狀結(jié)晶。將原料折合成彌散相ThO2和基體金屬Fe單質(zhì)的質(zhì)量時，彌散相ThO2占總合金的質(zhì)量分數(shù)在2% ；
[0026](2)所得粒狀結(jié)晶物經(jīng)磨細并在室溫下真空中脫水3天以排除部分結(jié)晶水，然后再以慢慢升溫，進一步排除殘余之結(jié)晶水得到無水鹽，最后分解成混合氧化物；
[0027](3)將混合氧化物再用氫氣還原，反應(yīng)溫度100(TC，最終得到彌散相粒子與基體高度均勻混合的鐵-ThO2復(fù)合粉末；
[0028](4)將所得鐵粉在100Mpa壓力下鋼模壓制，H2氣氛下1200°C燒結(jié)60min后得到產(chǎn)品組織性能良好。
[0029]上例制備氧化物彌散強化鐵基合金用預(yù)合金粉末的方法具有均勻、易操作、成本低，適合實驗室研究的特點，所制備的氧化物彌散強化鐵基制品，組織均勻，具有較好的高溫性能和較高的強度、硬度和耐磨性。最后應(yīng)說明的是:顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。
【主權(quán)項】
1.一種均勻、簡單、易操作、低成本，適合實驗室研究制備彌散強化鐵基合金的方法，其特征在于:具體工藝步驟為: 步驟一、將含基體元素的硝酸鐵Fe (NO3)3.9H20加熱熔融(熔點47.2°C )，然后將含彌散相形成元素的硝酸鹽按所需要的比例加到硝酸鐵熔鹽中使其溶解，攪拌混合均勻，在水浴中冷卻，得到粒狀結(jié)晶。將原料折合成彌散相和基體金屬Fe單質(zhì)的質(zhì)量時，彌散相占總合金的質(zhì)量分數(shù)在0.25% -5% ; 步驟二、所得粒狀結(jié)晶物經(jīng)磨細并在室溫下真空中脫水3-4天以排除部分結(jié)晶水。然后再慢慢升溫，進一步排除殘余之結(jié)晶水得到無水鹽，最后分解成混合氧化物； 步驟三、之后將混合氧化物再用氫氣還原，反應(yīng)溫度700-1100°C，最終得到彌散相粒子與基體高度均勻混合的鐵-氧化物彌散相復(fù)合粉末； 步驟四、將所得預(yù)合金粉末在SOO-1lOOMpa壓力下鋼模壓制，然后在H2氣氛下進行燒結(jié),燒結(jié)溫度為1000-1300°C，保溫時間為60-90min，由于氧化物高度均勻彌散強化，從而獲得了組織均勻、性能優(yōu)良的氧化物彌散強化鐵基合金。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述含鐵和彌散相形成元素的鹽要求為硝酸鹽，彌散相選擇陶瓷類金屬氧化物，通常條件下，不能被氫氣還原。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，所述彌散相選自Al203、Th02、Y203、Mg0中的一種或多種。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種適合實驗室制備氧化物彌散強化鐵基合金用預(yù)合金粉末的方法，即采用混合鹽類熔融-結(jié)晶-低溫真空脫水-氫氣還原的方法，解決現(xiàn)有方法微觀結(jié)構(gòu)不均勻，不易控制，成本高，不適合實驗室操作的缺點。本發(fā)明首先將含基體金屬元素的硝酸鐵晶體加熱熔融(熔點)，然后將含彌散相形成元素的硝酸鹽晶體按所需要的比例加入到硝酸鐵熔鹽中使其溶解，攪拌使混合均勻，水浴中冷卻，得到粒狀結(jié)晶，將所得的結(jié)晶物經(jīng)磨細并在室溫下真空中脫水3-4天以排除部分結(jié)晶水。然后再慢慢升溫，進一步排除殘余之結(jié)晶水得到無水鹽，最后分解成混合氧化物，將所得的混合物在氫氣流中選擇還原，即得到氧化物彌散強化鐵基合金用預(yù)合金粉末。
【IPC分類】B22F9/16, B22F9/02, B22F9/22
【公開號】CN105014082
【申請?zhí)枴緾N201410184899
【發(fā)明人】李美霞, 解秀亮, 謝娟, 馬桂芳, 趙強
【申請人】河北工程大學(xué)
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2014年4月25日