專利名稱：金屬陶瓷細長管材與大件異形制品的制造方法及其制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬陶瓷產(chǎn)品制備技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是涉及一種金屬陶瓷細長管材與大件異型制品的制造方法及其制品的技術(shù)領(lǐng)域。
金屬陶瓷復合材料綜合了難熔金屬和陶瓷氧化物材料的性能，是一種新型的高溫材料。由金屬陶瓷材料制成的產(chǎn)品具有遠遠超過單純難熔金屬及陶瓷氧化物產(chǎn)品的一系列優(yōu)良的性能，如難熔金屬在高溫中易被氧化，故高溫強度及硬度下降;而純高級陶瓷氧化物制品在使用中不耐急冷熱性，尤其是有脆性大的致命弱點。但是采用難熔金屬和高級陶瓷氧化物混合料經(jīng)過等靜壓機成型和高溫燒結(jié)后制得的金屬陶瓷制品具有耐高溫(＞2000℃)、高溫強度高、硬度大;熱穩(wěn)定性好、抗熱震、耐急熱急冷性能優(yōu)良;對各種金屬、非金屬熔液、熔渣皆具有很強的耐蝕力和抗沖刷性能;此外若采用不同的原料配比，金屬陶瓷制品還具有良好的抗氧化還原性能。
正如上述，由于金屬陶瓷制品有著單純難熔金屬和單純陶瓷氧化物所無法媲美的一系列綜合的優(yōu)良技術(shù)性能，因而在航空、航天、冶金、機械、電子、化工、建材等工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛而又必不可少的用途。
具有優(yōu)良綜合性能的金屬陶瓷制品的細長管材(如規(guī)格在ψ50-60×60-1100mm)和大件異型制品在航空、航天、冶金、造紙等行業(yè)都有迫切需要。如運載火箭的噴嘴的喇叭口外形尺寸在ψ320m/m以上;冶金工業(yè)的高爐風口外形尺寸可達到ψ400×450m/m以上。造紙工業(yè)用的熱解罐，煤氣化的氣化爐爐管，氮化爐爐管，以及大型甘堝等，都是金屬陶瓷大件或大件異型制品，但制造金屬陶瓷細長管材及大件異型制品目前國內(nèi)尚屬空白，國外也尚未過質(zhì)量關(guān)，沒有適合于大規(guī)模工業(yè)化的方法，如日本專利JP004272187、JP004272189述及方法，按該方法制出的是夾層式的金屬-陶瓷管材，在性能上與均相的金屬陶瓷管材有差距，且不適合于工業(yè)化生產(chǎn)。這類金屬陶瓷的細長管材及大件異型制品的生產(chǎn)之所以難工業(yè)化，是因為這類產(chǎn)品幾何尺寸大，制備上難度大，在生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)彎曲、變形、產(chǎn)生裂紋或開裂的質(zhì)量問題，難以得到幾何尺寸合格的產(chǎn)品。
本發(fā)明的目的就是提供一種金屬陶瓷細長管材(φ50-60×600-1100m/m)和大件異型的金屬陶瓷制品的制造方法，該方法解決了上述的生產(chǎn)質(zhì)量問題，可制得幾何尺寸精確的合格產(chǎn)品，是一種適合于大規(guī)模工業(yè)化的生產(chǎn)工藝。
本發(fā)明的另一個目的就是提供由本發(fā)明方法制得的金屬陶瓷細長管材及大件異型制品。
本發(fā)明的制造金屬陶瓷細長管材及大件異型制品的制造方法由以下工藝步驟組成(一)制造假顆粒步驟;
(二)超高壓成型步驟;
(三)高溫燒成步驟;
(四)機加工步驟。
下面對各個步驟加以詳細說明(一)制造假顆粒步驟此步驟由下面依次工序組成準備合格原料、配制原料，然后將各組份均勻混合，再將干燥后的混合料制成假顆粒。
按照本發(fā)明的制備方法，對原料的選擇有嚴格要求，即各組份原料的顆粒度小于5μ的占90%以上;金屬粉如鉬粉、鎢粉的化學純度≥99.9%，陶瓷氧化物MgO、ZrO2、Al2O3細粉、Cr2O3、鉻粉以及稀土氧化物純度≥99.5%以上。
在金屬陶瓷氧化物配料時，通常陶瓷項原料成分占比例≤64%(按重量百分比計算)，其余為金屬項原料，如鉬粉、鎢粉。
假顆粒的制造是將上述配制好的原料經(jīng)球磨機均勻混合后，裝入不帶鋼芯的橡膠模具中封裝后，放入等靜壓機的高壓容器內(nèi)壓制(壓力為800-900kg/cm2)，取出后破碎過篩，得到0.1-0.8mm的小顆粒，即為假顆粒，作為下步的模料。
(二)超高壓成型步驟此步驟由下面依次工序組成干燥假顆粒、裝入模具內(nèi)、超高壓成型、半成品干燥。
在將假顆粒向模具內(nèi)裝料時，應盡量保證假顆粒的均勻分布。本發(fā)明的制造方法中所用模具是一種橡膠模具，它應有耐油的全橡膠外套，其厚度在5-8.3mm之間，以保證壓力的均勻傳遞及耐久性使用。對模具的模芯，對細長管材要采用高強度的軸承鋼制造;對于不能出芯的異型大件制品，在其模芯沒有錐度部位的外表面處要掛上低熔合金或著復合蠟料，這種設計是便于脫模、生產(chǎn)出合格的異型大件制品。此低熔合金所用原料由Bi、Pb和Sn組成，而復合蠟料通常用白石蠟、硬質(zhì)酸、地蠟按比例組成。


圖1是單根金屬陶瓷細長管成型前裝好料的模具示意圖;
在圖1中，1是橡膠塞，2是橡膠模套，3是鋼芯模具，4是裝入橡膠模具內(nèi)的假顆粒合格料，5是緊固卡。將合格的假顆粒料4裝入橡膠模具2內(nèi)，用橡膠塞1塞緊后，用緊固卡5夾持住，即完成裝模過程。
圖4是大件異型制品-大型噴嘴成型前裝好料的模具示意圖，圖中的4是懸掛在鋼芯模具3外表上的低熔合金或復合蠟料。
圖4中，1是橡膠塞，2是橡膠模套，3是鋼芯模具，6是裝入橡膠模具內(nèi)的假顆粒合格料一半成品噴嘴，5是緊固卡，4是懸掛在鋼芯模具3上的低熔合金或復合蠟料。
圖4所示噴嘴是屬于大件異型制品，大件異型產(chǎn)品與大件產(chǎn)品所不同的是半成品時鋼芯內(nèi)部模具有區(qū)別，因為大件異型產(chǎn)品存在脫模難的問題。為解決此問題采取的必要技術(shù)措施就是如圖4在鋼芯模具3上沒有錐度的部位掛有序號4的低熔合金，形成復合型型芯，將半成品噴嘴6在等靜壓機成型，脫去外套后，連同復合型芯放進干燥箱擺好，當干燥箱內(nèi)溫度上升到180℃時，低熔合金4就被熔化，就可方便地取出鋼芯。
本發(fā)明的制造方法中超高壓成型的工藝是在等靜壓中超高壓(成型壓力＞1800kg/cm2)成型的，等靜壓機對受壓體可施加各向均勻靜壓力，是一種優(yōu)選的成型設備。
(三)高溫燒成步驟此步驟由以下工序組成半成品修坯、半成品干燥、半成品裝爐、燒結(jié)、出爐。
在對本發(fā)明的半成品裝爐燒結(jié)之前，必須對半成品修整，檢查合格后的半成品方能裝爐燒結(jié)，以保證燒成得到合格產(chǎn)品。
本發(fā)明的制造工藝中的燒結(jié)過程采用的是超高溫真空感應燒結(jié)爐，此燒結(jié)爐工作區(qū)域溫度可順利地升到2000℃，爐內(nèi)清潔、易抽真空，是優(yōu)選的燒結(jié)設備。
根據(jù)本發(fā)明的制造方法，將被燒結(jié)物安裝在工作平臺上之后，在被燒結(jié)物的外圍套上大石墨保護桶，在被燒結(jié)物的外圍空隙間及頂部均勻填充熟料ZrO2細顆粒，填入量要高出被燒結(jié)制品頂部高度的20-30mm，ZrO2顆粒為0.1-0.5mm。
圖2是金屬陶瓷細長管材在爐內(nèi)燒結(jié)平板上的裝爐示意圖;
圖2中1是超高溫真空感應燒結(jié)爐爐底內(nèi)部的支撐平臺;2是耐高溫、高強度的隔熱保溫墊;3是石墨氈墊;4是石墨盤;5是氧化鋁制品墊;6是氧化鋯工作平臺，被燒結(jié)物管材安置在燒結(jié)臺的頂部氧化鋯工作平臺上;8是石墨保護桶;9是金屬陶瓷細長管材的半成品;10是粒度為0.1-0.5m/m的ZrO2顆粒填充料。
對每支細長管材檢查合格后平穩(wěn)直立在氧化鋯工作平臺上，然后放好石墨保護桶。再將ZrO2細砂粒均勻地自由下落到管材之間的空隙當中，直到高于管材頂部20-30mm高為止，然后就可封爐按燒結(jié)工藝進行。
對于被燒結(jié)制品是大件異型制品則在其底部和工件臺之間加上載體(如圖3的料墊7)，構(gòu)成該載體原料的收縮率要不小于被燒結(jié)制品的收縮率，厚度至少為27mm。
圖3是大件異型制品高爐風口的裝爐示意圖;
在圖3中，1是燒結(jié)爐爐底內(nèi)部的支撐平臺;2是隔熱保溫墊;3是石墨氈墊;4是石墨盤;5是氧化鋁制品墊;6是氧化鋯工作平臺;7是在被燒結(jié)物底部放置的載體-料墊;8是石墨保護桶;9是ZrO2顆粒填充料;10是被燒結(jié)制品高爐風口。與圖2所示的細長管材不同的是增加了擋砂板11，它是安裝在風口頂部，用于阻止ZrO砂粒進入高爐風口的內(nèi)部，它由一塊圓形厚度為0.1-1mm的鉬片或鎢片制成，料墊7是為大件異型制品高爐風口特別安裝的，其放置于高爐風口10底部及氧化鋯工作平臺6之間。
在此燒成工序階段的升溫速度及保溫時間均根據(jù)待燒結(jié)制品的升溫曲線進行，通常升溫速度控制在85-95℃/小時，燒成溫度范圍在1850-1950℃之間，當爐溫升到升溫曲線所要求的最高溫度時，恒溫時間不少于3小時，總燒結(jié)時間不少于24小時。當爐內(nèi)恒溫時間達到時，斷電不斷冷卻水，直至爐頂及爐底溫度達到300℃時，停止冷卻，待爐內(nèi)溫度降至100℃時方可出爐。
(四)機加工步驟對于出爐后的產(chǎn)品可根據(jù)實際用途的需要，進行冷熱機械加工，可用線切、電火花、激光等機加工工藝，制得所需要的合格金屬陶瓷制品。
實施例1，制備φ55×1180mm長的金屬陶瓷細長管材。
按陶瓷氧化物(MgO、ZrO2)占66.0%(重量百分比)，其余的金屬粉(Mo、W粉)的比例配制原料，稱取化學純度＞99.9%的Mo粉以及由MgO、ZrO2的混合物(混合比為重量比1∶1)，兩者純度都＞99.5%，各組份的細度都不大于0.8μ。
將稱取好的上述原料按上述的詳細步驟，經(jīng)過混合、干燥、制造假顆粒、干燥后將假顆粒裝入橡膠模具內(nèi)(如圖1所示)，放入靜壓機高壓成型、半成品干燥、檢查合格后的半成品裝入超高溫真空感應燒結(jié)爐(如圖2所示)燒結(jié)，出爐后對產(chǎn)品機加工，成品檢驗合格后即完成全部的工藝過程。
實施例2，制造外形尺寸為ψ462×516mm的大件異型制品高爐風口。
按照前述的本發(fā)明的方法如圖與實例1相同的步驟制得大件異型制品高爐風口，其中按圖3所示的方式裝爐燒成。
實施例3，制造喇叭口外型尺寸為φ366mm，內(nèi)徑尺寸為φ186mm的大型噴嘴。
按照前述的本發(fā)明的方法和如同實施例1相同的步驟，按圖4的方式裝入模具內(nèi)，制得大件異型制品噴嘴。
按本發(fā)明的制造方法制得的實施例1、2、3的金陶瓷細長管材、金屬陶瓷大件制品及大件異型制品都得到幾何尺寸精確的合格產(chǎn)品，且產(chǎn)品無裂紋，龜裂，開裂現(xiàn)象，滿足各項物理性能指標要求，解決了金屬陶瓷細長管材及大件異型制品的制造質(zhì)量不過關(guān)及大規(guī)模工業(yè)化問題。
權(quán)利要求
1.金屬陶瓷細長管材和大件異型制品的制造方法，其特征在于該方法由以下順序的工藝步驟組成A.制造假顆粒步驟；B.超高壓成型步驟；C.高溫燒成步驟；D.機加工步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬陶瓷細長管材與金屬陶瓷大件異型制品的幾何尺寸為φ50-60×600-1100mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的步驟(A)由下面依次的工序組成原料準備、混合、干燥、制造假顆粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于其中所述的原料各組份的顆粒細度小于5μ的粒度分布在90%以上;金屬粉如鉬粉、鎢粉的化學純度≥99.9%，陶瓷氧化物MgO、ZrO2、Al2O3細粉、Cr2O3、鉻粉以及稀土氧化物化學純度≥99.5%。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于其中的制造假顆粒工藝是將配制好的原料經(jīng)均勻混合后，裝入橡膠模具內(nèi)，然后放入壓力為800-900kg/cm2的等靜壓機高壓容器內(nèi)，取出后破碎成0.1-0.8mm的小顆粒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的步驟(B)由下面依次工序組成假顆粒干燥、裝入橡膠模具內(nèi)、超高壓成型、取出半成品干燥。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于其中所述的模具是具有耐油性的全橡膠外套，橡膠的厚度在5-8.3mm之間;模芯對細長管材選用軸承鋼制造，對大件異型制品采用軸承鋼鋼芯而外表面處掛低熔合金或復合蠟料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于其中所述的低熔合金由鉍、鉛和錫組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于其中所述的復合蠟料是由白石蠟、硬質(zhì)酸、地蠟按比例混合制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述的超高壓成型是在成型壓力＞1800kg/cm2的等靜壓機內(nèi)成型。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(C)由下面依次工序組成半成品修坯、半成品干燥、裝爐、燒結(jié)、出爐。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于其中所述的半成品裝爐工序中在半成品的外圍用一個大石墨桶保護。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于其中所述的裝爐工序中在每個半成品的外圍空隙間及頂部部位均勻填充熟料ZrO2細顆粒。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于其中所述的ZrO2細粒的粒度為0.1-0.5mm之間，填入量要高于被燒結(jié)制品的頂部高度的20-30mm。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于其中所述的半成品裝爐工序中對于大件異型半成品在其底端和燒結(jié)平臺之間加入載體。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述載體的厚度不小于27mm，構(gòu)成此載體原料的收縮率要小于被燒結(jié)制品的收縮率。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于其中所述的燒成工序中使用超高溫真空感應燒結(jié)爐。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于其中所述的燒成工序中升溫速度及保溫時間均按升溫曲線進行;升溫速度控制在85-95℃/小時，在高溫點時恒溫時間不少于3小時，燒結(jié)溫度在1850-1950℃之間，總燒結(jié)時間不少于24小時。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的步驟(C)可使用冷或熱機械加工，可選用線切割、電火花、激光加工工藝。
20.由權(quán)利要求1-9方法制得的金屬陶瓷細長管材及大件異型制品。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于制造金屬陶瓷細長管材與大件異形制品的制造方法。該方法由制造假顆粒、超高壓成型、高溫燒成和機加工步驟組成。用該方法制得金屬陶瓷產(chǎn)品幾何尺寸精確、無裂紋、龜裂、開裂，各項性能指標均滿足設計要求，是一種適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的方法，拓展了金屬陶瓷的制品制造技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號C04B35/65GK1099369SQ9410785
公開日1995年3月1日 申請日期1994年7月21日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月21日
發(fā)明者王旭 申請人:王旭