CN101722308B - 钼基稀土粉冶成形顶头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无缝钢管，特别是高镍铬不绣钢无缝管所用的钼基稀土粉冶成形顶头及其制备方法，其主要技术在于在纯钼粉中同时掺入ZrO₂；Y₂O₃；La₂O₃；SC₂O₃四种稀土氧化物，利用超声波特性，将钼基材料混合制粉，装入叶片式混合搅拌机内，经过初步细化分散混合的钼基稀土粉末，再通过超声波换能器，将经过超声细化分散均质的钼基稀土粉末，在“振动筛分机”内，以配置的泰勒标准180目筛孔的分选筛进行筛选筛下物即是混配合格的钼基稀土粉末，经制造钼顶头等静压成形模具、脱模、清理，由配置的氢气气氛烘烤炉、氢气气氛预烧结炉和氢气气氛卧式中频炉完成，本发明广泛应用在化工、冶金、机械、航空、国防等工业部门。

Description

钼基稀土粉冶成形顶头及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种无缝钢管，特别是高镍铬不绣钢无缝管所用的钼基稀土粉冶成形顶头及其制造方法。

背景技术

无缝钢管，特别是高镍铬不绣钢无缝管是国民经济建设中十分重要的产品，被广泛应用在化工、冶金、医药、食品、机械、航空、国防等工业部门。目前，在生产制造无缝钢管方面，世界各国基本上都在采用“顶头热穿孔成形”技术。因此，选择使用高温红硬性好强度高、耐冷热疲劳性稳定、表面质量好、作业性能优良的“钼顶头”，是确保无缝钢管成型和质量的重要因素。

我国在上世纪六十年代以前，基本全部采用了3Cr2W3V模具钢或其他型号模具钢材料制造“顶头”，做为热穿孔成形工具，生产制造不锈钢无缝管，采用模具钢顶头进行热穿孔成形，不仅很难保证无缝钢管的形状质量，而且模具钢顶头的使用寿命极低。

随着我国钼工业的发展与进步，在上世纪进入七十年代以后，我国科研工作者及“顶头”生产企业，开发研制出多种铸态TZM钼合金顶头，不仅基本上满足了高镍铬不锈钢无缝管的形状质量，而且还大大提高了顶头的使用寿命；平均每只铸态TZM钼合金顶头的穿管数量已经可以达到118条，最高纪录已能达到158条。凭此优势，铸态TZM钼合金顶头很快就全面取代了模具钢顶头；直到现在，铸态TZM钼合金顶头依然是我国不锈钢无缝管生产制造工艺中的重要工具，并以其造价低廉、供货充足方便等特点，在全国“顶头”市场上仍占有重要位置。

自上世纪九十年代以后，粉未冶金成形技术得到快速发展，特别是粉未冶金在钼基材料中的发展应用，使我国的科研单位和钼制品生产企业，首先开发研制出以钼基材料为主的粉治TZM和TZC钼合金顶头，进而又在此基础上开发研制出添加少量稀土元素的粉冶MTZR钼基稀土合金顶头，业内人士***均穿管数量已经可以达到186条，最高记录已能达到289条。

但由于在不锈钢无缝管的生产制造过程中，钼顶头承担着“热穿孔成形”的关键作用，使其工作条件十分恶劣，受力状态极其复杂。因此，无论国内国外，凡采用“顶头热穿孔成形”技术的钼顶头，都普遍存在着使用寿命不高，损坏严重的实际问题；以钼基材料的为主的粉冶TZM、TZC、MTZR等钼顶头也不能例外。本发明针对钼顶头存在使用寿命不高、损坏严重等问题的产生原因，提出来“钼基稀土粉冶成形顶头及其制造方法”，从而解决了上述存在着的弊端。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术中存在着的不足之处，提供一种工艺简单、价格低廉、使用寿命长、损坏率低的一种钼基稀土粉冶成形顶头。

本发明另一个目的是提供钼基稀土粉冶成形顶头的制造方法。

本发明的解决方案基于纯钼粉中同时掺入ZrO₂；Y₂O₃；La₂O₃；SC₂O₃四种稀土氧化物，能使钼基稀土合金的再结晶温度提高700℃左右，达到1800℃以上；生产制造成的钼基稀土粉冶成形顶头的抗拉强度最高可达1080N/mm²，屈服强度最高可达96N/mm²，延伸率最高可达到8％，完全能够满足不锈钢无缝管的热穿孔成形工艺环境下，对“钼顶头”的物理机械性能要求。

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，在气体、液体、固体等媒质中都有极好的传导性，超声波在传导过程中，可以引起媒质微粒进入振动状态，同时能产生并传递强大能量，从而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的平方成正比的加速度却极大，有时甚至可以超过重力加速度的几万倍，如此巨大的加速能量，足以引起媒质微粒发生碰撞、破裂、移动等结构性变化，充分利用超声波的这种分散均质能力，对钼基材料所有配料组料实施分散均质细化作用，就能细化配料组料的晶粒粒度，强化配料各组元的分散均化程度，抑制配料组料中粗大脆性晶粒的生长条件，从而实现改善钼基材料的机械物理性能目标，为此：

1、在纯相粉中同时掺入四种稀土氧化物及较大掺杂比例的配料组料新。

制备本发明钼基稀土粉冶成形顶头的最佳方案是以纯钼粉重量为基数是：

ZrO₂掺入1.3～1.4％    Y₂O₃掺入0.4～0.6％

La₂O₃掺入2.4～2.6％   Se₂O₃掺入1.2～1.4％

合计掺入比例最高6.0％。

2、充分利用超声波细化分散均质特性对钼基材料配料组料的混合制粉。

本发明针对传统现有的混合技术技术中存在的不足，提出了采用超声波细化分散均质技术，这种技术，就是要充分利用超声波特有的高强度频率振动功能，细化配料组料的晶粒粒度，强化配料组元的分散均化程度，抑制配料组料中脆性粗大晶粒的生长条件。

本发明采用的超声波细化分散均质技术的具体操作实施方法是：

A、将经过称重计量的纯钼粉及应掺入的四种稀土氧化物粉末，共同装入配置的“叶片式混合搅拌机”内，以240r/min的转速，混合搅拌50～55min；使纯钼粉和四种稀土氧化物粉末能得到初步细化分散混合。

B、将经过初步细化分散混合的钼基稀土粉末，装入配置的“超声波分散器”内，通过特殊设计的“超声波换能器”，对钼基稀土粉末以频率42KHz，声强3.5W/cm²，辐射时间10～12min的技术参数，进行强力超声细化分散均质作业。

C、将经过超声细化分散均质的钼基稀土粉末，装入配置的“振动筛分机”内，以振幅10～12mm，振频120次/min的技术参数，以配置的泰勒标准180目筛孔的分选筛进行筛选。筛下物即是混配合格的钼基稀土粉末，通过出料口装筒暂存备用；筛上物可返回“混合搅拌机”内，继续进行细化分散混合。

3、能对钼基稀土混配粉末进行有效细化分散均质作业的超声波换能器。

超声波换能器，是一种能把电能转换成声能，产生超声波特有的机械振动作用，对钼基稀土混配粉末进行有效细化分散均质作业的功能性部件。

根据超声作业对象的物性特征，超声波换能器，是由聚能辐射棒、安装基座、外壳、微调套筒、预应力套筒、振子晶堆、后振动体、吸收块、声反馈晶片、节点支座、后端盖、冷却气进口、电极引线等主要部件组件组成。

超声波换能器，由电—声转换部分和聚能辐射棒两部分组成。所有电—声转换零部件都组装在圆柱形外壳内，通过预应力套筒与前负载块即聚能辐射棒连接；通过导线与配置的超声波发生器连接；通过冷却气进口，与冷却器连接，超声波换能器通过安装基座，安装固定在“超声波分散器”上，以安装基座为分界面，聚能辐射棒以浸没形式布置在分散器容器中的钼基稀土混配粉末内，电—声转换部分布置在分散器容器外。

所述的超声波换能器主要技术：

A、振子晶堆由压电稀土陶瓷晶片、厚铜电极板、薄铜电极片、电极导线，通过环氧胶合组成；压电稀土陶瓷晶片的数量、直径、厚度、孔径等形状尺寸，根据超声波发生器产生的频率、功率等条件计算选定，厚铜电极板，薄铜眲极片的数量及形状尺寸，根据压电稀土陶瓷晶片数量匹配设计。

振子晶堆与前负载块即聚能辐射棒，以平面全接触方式连接。前负载块通过螺纹与预应力套筒、微调套筒连接，并作为固定机构。振子晶堆与后负载块，也以平面全接触方式连接，在后负载块中，锒有吸收块和声反馈晶片，形成声、电信息反馈。

B、因压电稀土陶瓷晶片的抗压强度有限，在振子晶堆外，设计有预应力套筒、微调套筒、前后负载块等调控机构；通过调整预应力套筒，改变前后负载块的间距，既能对振子晶堆形成足够预应力，也可以控制晶片的预应力大小；使换能器在作大功率振动时，压电效应始终能被控制在设计的变化范围内，确保振子晶堆不被破坏。

C、因压电稀土陶瓷晶片是由铁电材料经磨细、烧结、极化制成，在大电场、高功率条件下会产生大量热能，如不采取有效措施，晶片温度将不断升高；当晶片温度达到其居里温度的一半时，就会使换能器处于严重不稳定状态。为此，振子晶堆设计了厚铜电极板，有利于散热；同时设计安装有小型冷却器，通过冷气进口送入冷却气体，可以确保晶片能获得良好的散热条件。

D、聚能辐射棒，是超声波换能器中的重要工作部件，是向钼基稀土混配粉末辐射超声波声能的功率源，也是功率超声振幅的机械放大源。为增加振幅放大系数，选择设计成复合式聚能辐射棒；考虑到聚能辐射棒不仅要浸没在钼基稀土混配粉末中工作，而且还要辐射大功率、高振幅，选择具有较大疲劳强度、较小声阻抗，而且耐腐蚀的钛金材料制造。

E、超声波换能器的聚能辐射棒，以垂直全浸没形式布置在钼基稀土混配粉末中，可以在360°方向内均匀向四周辐射超声波，实现辐射无盲区，有利于确保强力超声细化分散均质作业质量。

4、本发的钼基稀土粉冶成形顶头的技术路线及相应工艺参数。

钼顶头普遍存在使用寿命短、损坏率高等问题的产生原因，有针对性解决这些技术难题的具体措施，“钼基稀土粉冶成形顶头”的技术路线及相应工艺参数上。

钼基稀土粉冶成形顶头技术路线，由配料处理工部、混合处理工部、成形处理工部、烧结处理工部等四个工艺单元组成。各生产工艺单元设置的理由目的、应用的主要技术装备、承担的主要工艺内容、执行的具体运行参数、实现的作业目标等具体内容，分别描述如下：

(1)配料处理工部：

配料处理工部，是为生产制造钼基稀土粉冶成形顶头，进行配料组料准备的基础处理工艺单元。

主要工艺内容是：根据配料组料的生产工艺配方规定，按组批生产数量，计算选择组料，计量称重。

配料处理工部的作业任务，由设计配置的“电子称重器”完成。

(2)混合处理工部：

混合处理工部，是为生产制造钼基稀土粉冶成形顶头，制备钼基稀土混配粉末的加工制备工艺单元。工艺目标是：把生产制造钼基稀土粉冶成形顶头的所有配料组元，细化分散混合成粒度大小规范、组元分布均匀、干湿松散适度的钼基稀土粉末。

混合处理工部的作业任务，由设计配置的“叶片式混合搅拌机”、“超声波分散器”、“振动筛分机”等专用设备完成。

混合处理工部承担的工艺内容有：

——将经过称重计量的纯钼粉及应掺入的四种稀土氧化物粉末，按密度大小顺序加入设计配置的“叶片式混合搅拌机”内。搅拌机以240r/min的速度，混合搅拌50～55min，使纯钼粉和4种稀土氧化物粉末，得以初步细化分散混合，制成钼基稀土混配粉末。

——将经过初步分细化散混合的钼基稀土混配粉末，装入设计配置的“超声波分散器”的分散容器罐内；通过设计配置的“超声波发生器”和“超声波换能器”，对钼基稀土混配粉末进行强力超声细化分散均质作业。超声波换能器以频率42KHz，声强3.5W/cm²，辐射时间10～12min的作业技术参数，制成满足标准要求的钼基稀土粉末。

——将经过强力超声细化分散均质的钼基稀土粉末，装入设计配置的“振动筛分机”内；筛分机以振幅10～12mm，振频120次/min的作业技术参数，以泰勒标准180目筛孔的分选筛进行筛选。筛下物即是混合处理合格的钼基稀土粉末，通过排料口装筒暂存备用；筛上物可通过回收口，再送回“混合搅拌机”内进行二次细化分散混合处理。

(3)成形处理工部

成形处理工部，是将钼基稀土粉末，压制密实成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度的钼基稀土粉冶成形顶头坯料体的加工制造工艺单元。工艺目标是：把钼基稀土粉末，压制密实成受压全面均衡、密度分布均匀、结构强度较大的顶头成形坯料体。

成形处理工部的作业任务，由于设计配置的“等静压机”及“顶头模具”完成。

成形处理工部承担的工艺内容有：

——模具设计制造。根据不锈钢无缝管厂给出的钼顶头图纸，充分考虑烧结收缩率、成形孔隙度等因素，设计制造钼顶头等静压成形模具。

——计算模具装粉数量。根据模具尺寸、钼基稀土粉末密度、钼顶头要求净重等因素，计算模具装粉数量。

——装粉。根据计算的装粉数量，称重备粉；装粉，振实；压入胶塞；绑扎整形。

——等静压压制成形。

——脱模；清理。

成形处理工部等静压压制成形，选择确定的作业技术参数是：等静压机的最高压力285Mpa；达到最高压力的升压时间20～25min；在高压点保压的时间20min。卸压时的压力控制：一次卸压到185Mpa，稳压5min后；二次卸压到110Mpa，稳压5min后，三次卸压到自动除压。

(4)烧结处理工部：

烧结处理工部，是使钼基稀土粉冶成形顶头坯料体，在适当的氢气气氛和温度中受热后，发生收缩致密、强度增加、物理化学性能提高稳定的加工制造工艺单元。主要工艺内容是：把已经压制密实成形的钼基稀土粉冶成形顶头坯料体，烧结成表面无粘料脏化，内部无分层裂纹，有相当密度、强度及机械物理特性的钼基稀土粉冶成形顶头产品。

本发明对坯料体进行烧结处理过程中，在氢气氛中使用较低温度进行烘烤。烘烤可使金属颗粒间的联结强度增大，联结面上原子间的引力增加，使金属颗粒间发生粘结。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，虽然坯料体无明显收缩，密度也基本不变，但能使坯料体内的弹性内应力得到消除，也能挥发排除坯料体吸附的气体和水份，分解还原部分氧化物，可为以后的预烧结、高温烧结定型奠定良好的基础。

预烧结能形成较大激活能，让原子振动的振幅加大，使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，在颗粒界面形成晶粒界面，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(即：再结晶)，产生体积扩散、表面扩散和晶界扩散。设计安排的预烧结结果是：金属颗粒间的距离缩短，孔隙度缩小，密度增大，坯料体经预烧结后收缩；而且颗粒表面的氧化物被完全还原，坯料体吸附的气体、水份及杂质被全部排除挥发；颗粒在压坯成形中因接触或联接而形成的内应力，也能得到彻底消解。

本发明对坯料体进行烧结处理过程中，后期设计在氢气气氛中使用较高温度和较长保温时间，在中频炉中进行最后高温烧结定型。高温烧结可使坯料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，已形成的物理、化学、机械性能得到充分稳定。

烧结处理工部的作业任务，由设计配置的“氢气气氛烘烤炉”、“氢气气氛预烧结炉”和“氢气气氛卧式中频炉”完成。

烧结处理工部的作业技术参数是：

烘烤工艺参数：烘烤最高温度：700℃

              升温速率：10℃/min

              烘烤时间：240min

              冷却方式：炉内断电自然降温冷却

              氢气流量：0.8m³/h

预烧结工艺参数：预烧结最高温度：1150℃

                升温速率：20℃/min

               烧结时间：260min

               冷却方式：炉内断电自然降温冷却

               氢气流量：1.5m³/h

中频高温烧结工艺参数：中频烧结最高温度：1850℃

                   升温速率：15℃/min×50min

                             10℃/min×40min

                             15℃/min×45min

                   烧结时间：360min

                   冷却方式：炉内断电自然降温冷却

本发明的基稀土粉冶成形顶头与现有技术相比其有益效果是：

(1)、具有创造性、先进性：

A、本发明对钼顶头普遍存在的使用寿命短、损坏率高等问题的产生原因，对钼顶头的工作条件、受力状态、材质性能、制造工艺等多方面的影响因素，并且提出有效消除不利影响因素的多项技术措施，形成了一项包括配料、混合、成形、烧结等工艺加工单元在内的“钼基稀土粉冶成形顶头”生产制造技术路线，具有新颖性、创造性和实用性；

B、在纯钼粉中同时掺入有较大掺杂比例的四种稀土氧化物粉末，充分发挥了稀土元素对金属钼晶粒特有的弥散强化作用和包埋效应，有效地提高了金属钼的再结晶温度，从而增强了钼基材料的高温强度、韧性及可塑性，较好地解决了钼顶头选用钼基材料自身存在的性能缺陷问题；

C、充分利用超声技术特有的高频振动、细化分散均质的强大功能，创造性地把超声细化分散均质技术，成功地引进嫁接到钼基稀土粉末细化分散混合作业中，充分发挥了超声波能细化配料组料的晶粒粒度、强化各组元的分散均化程度、抑制组料中脆性粗大晶粒的生长条件等特殊功能，从而较好地解决了生产制造钼顶头的制造工艺不佳，在钼基材料内部容易造成裂纹、缩松、孔洞等隐患的技术难题；

B、本发明为消除钼顶头发生使用寿命短、损坏率高等问题的原因，在配料组料组、组元混合、制造工艺等方面，有针对性地设计出多项创新技术措施具体表现：

(1)“钼基稀土粉冶成形顶头”应用于高镍铬不锈钢无缝管生产制造过程中采用“顶头热穿孔成形”技术的热穿孔成形工具；钼基稀土粉冶成形顶头，具有了高温红硬性好强度高、耐冷热疲劳性能稳定，使用韧性好寿命高等突出物理性能特点。

(2)本发明充分利用了稀土元素对金属钼晶粒特有的弥散强化作用和包埋效应，使选择使用的钼基稀土粉末材料，具有了再结晶温度高、晶粒细化尺度小、脆性粗大晶粒量少、组元分散均化程度好等突出钼基材料特性；

(3)、通进直接向纯钼粉中同时掺入较大比例的四稀土氧化物粉末，采取超声细化分散均质混合，等静压成形，分步深度高温烧结定型等完整配套的技术路线，较好地解决了我国钼顶头生产制造中长期存在的一些关键性技术难题，为促进钼顶头的行业发展和技术进步，提供了一种新途径。

(4)、充分利用超声技术特有的强大细化分散均质能力，针对纯钼粉与稀土氧化物粉末固相混合的特殊需要，提出具有独特作业性能的超声波换能器，细化了配料组料的晶粒粒度，强化了各组元的分散均化程度，抑制了配料组料中脆性粗大晶粒的生长条件，为超声技术在粉末治金中的有效应用，开拓了一个新领城。

(5)、直接选用纯钼粉与稀土氧化物粉末以固/固混合技术制备钼基稀土粉末的全新技术路线，成功地取代了用液/液混合后，再经过还原、烘干、粉碎、筛分制备钼基材料粉末的传统技术路线，具有制备工艺简单、使用设备不多、耗用电能小、工艺消耗低的突出特点，为生产制造钼顶头或其他钼制品企业的增产、节能、减排，展示了一种新方法。

附图说明

图1是本发明的超声波换能器整体结构示意图；

图2是钼基稀土粉冶炼成形顶头技术路线示意图。

在图2中：复合式聚能辐射棒1、微调套筒2、预应力套筒3、安装基座4、压电稀土陶瓷品片5、厚铜板电极6、薄铜板电7、外壳8、节点支座9、后振动体10、吸收块11、声反馈晶片12、后端盖13、电极引线14、冷却气进气口15。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明作进一步详细描述。

1、在纯相粉中同时掺入四种稀土氧化物及较大掺杂比例，按最佳配伍，以纯钼粉重量为基数是：

ZrO₂掺入1.3～1.4％    Y₂O₃掺入0.4～0.6％

La₂O₃掺入2.4～2.6％    Se₂O₃掺入1.2～1.4％

合计掺入比例最高6.0％。

定这种配料组料技术方案的依据，是因为：

A、这四种稀土族金属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、这四种稀土族金属都有较高的熔点和沸点，ZrO₂有2715/4840℃；Y₂O₃有2410/4300℃；La₂O₃有2300/4200℃；Se₂O₃有2272/4050℃。在高温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、这四种稀土元素不仅都具有稀土族金属共有的抗下垂性和较好蠕变性，而且这四种稀土元素还各自具有不同的高延伸性和塑性，具有较好的耐冷脆性和抗氧化性。这四种稀土元素的特殊个性，正是“钼顶头”特别需要钼基材质提供的使用性能。

D、选择确定同时掺杂四种稀土氧化物，能相互支持，充分展现各自特性，能更好的充分发挥对金属钼晶粒的弥散强化作用，能有效提高金属钼的再结晶温度，从而提高钼基材料的韧性及可塑性，改善钼基材料的物理机械性能。

2、利用超声波细化分散均质特性对钼基材料配料组料混合制粉。

本发明针对传统现有的混合技术技术中存在的不足，提出了采用超声波细化分散均质技术，这种技术就是要充分利用超声波特有的高强度频率振动功能，细化配料组料的晶粒粒度，强化配料组元的分散均化程度，抑制配料组料中脆性粗大晶粒的生长条件。

本发明采用的超声波细化分散均质技术的具体操作实施方法是：

A、将经过称重计量的纯钼粉及应掺入的四种稀土氧化物粉末，共同装入配置的“叶片式混合搅拌机”内，以240r/min的转速，混合搅拌50～55min；使纯钼粉和四种稀土氧化物粉末能得到初步细化分散混合。

B、将经过初步细化分散混合的钼基稀土粉末，装入配置的“超声波分散器”内，通过特殊设计的“超声波换能器”，对钼基稀土粉末以频率42KHz，声强3.5W/cm²，辐射时间10～12min的技术参数，进行强力超声细化分散均质作业。

C、将经过超声细化分散均质的钼基稀土粉末，装入配置的“振动筛分机”内，以振幅10～12mm，振频120次/min的技术参数，以配置的泰勒标准180目筛孔的分选筛进行筛选。筛下物即是混配合格的钼基稀土粉末，通过出料口装筒暂存备用；筛上物可返回“混合搅拌机”内，继续进行细化分散混合。

3、能对钼基稀土混配粉末进行有效细化分散均质作业的超声波换能器。

所述的超声波换能器，是一种能把电能转换成声能，产生超声波特有的机械振动作用，对钼基稀土混配粉末进行有效细化分散均质作业的功能性部件。图2是钼基稀土粉冶炼成形顶头技术路线示意图，它是由聚能辐射棒1、微调套筒2、预应力套筒3、安装基座4、压电稀土陶瓷品片5、厚铜板电极6、薄铜板电7、圆柱形外壳8、节点支座9、后振动体10、吸收块11、声反馈晶片12、后端盖13、电极引线14、冷却气进气口15、其中振子晶堆、冷却器、超声波分散器(图中未出)。

超声波换能器，由电——声转换部分和聚能辐射棒两部分组成。所有电—声转换零部件都组装在圆柱形外壳内8，通过预应力套筒3与前负载块即聚能辐射棒1连接；通过导线与配置的超声波发生器连接；通过冷却气进口15，与冷却器连接。超声波换能器通过安装基座4，安装固定在“超声波分散器”上；以安装基座4为分界面，聚能辐射棒1以浸没形式布置在分散器容器中的钼基稀土混配粉末内，电—声转换部分布置在分散器容器外。

所述的超声波换能器主要技术：

A、振子晶堆由压电稀土陶瓷晶片5、厚铜电极板6、薄铜电极片7、电极导线，通过环氧胶合组成；压电稀土陶瓷晶片5的数量、直径、厚度、孔径等形状尺寸，根据超声波发生器产生的频率、功率等条件计算选定。厚铜电极板6，薄铜眲极片7的数量及形状尺寸，根据压电稀土陶瓷晶片7数量匹配设计。

振子晶堆与前负载块即聚能辐射棒1，以平面全接触方式连接。前负载块通过螺纹与预应力套筒3、微调套筒2连接，并作为固定机构。振子晶堆与后负载块，也以平面全接触方式连接。在后负载块中，锒有吸收块和声反馈晶片12，形成声、电信息反馈。

B、因压电稀土陶瓷晶片的抗压强度有限，在振子晶堆外，设计有预应力套筒3、微调套筒2、前后负载块等调控机构；通过调整预应力套筒，改变前后负载块的间距，既能对振子晶堆形成足够预应力，也可以控制晶片的预应力大小；使换能器在作大功率振动时，压电效应始终能被控制在设计的变化范围内，确保振子晶堆不被破坏。

C、因压电稀土陶瓷晶片5是由铁电材料经磨细、烧结、极化制成，在大电场、高功率条件下会产生大量热能，如不采取有效措施，晶片温度将不断升高；当晶片温度达到其居里温度的一半时，就会使换能器处于严重不稳定状态。为此，振子晶堆设计了厚铜电极板6，有利于散热；同时设计安装有小型冷却器，通过冷气进口15送入冷却气体，可以确保晶片能获得良好的散热条件。

D、聚能辐射棒1，是超声波换能器中的重要工作部件，是向钼基稀土混配粉末辐射超声波声能的功率源，也是功率超声振幅的机械放大源。为增加振幅放大系数，选择设计成复合式聚能辐射棒；考虑到聚能辐射棒不仅要浸没在钼基稀土混配粉末中工作，而且还要辐射大功率、高振幅，选择具有较大疲劳强度、较小声阻抗，而且耐腐蚀的钛金材料制造。

E、超声波换能器的聚能辐射棒1，以垂直全浸没形式布置在钼基稀土混配粉末中，，可以在360°方向内均匀向四周辐射超声波，实现辐射无盲区，有利于确保强力超声细化分散均质作业质量。

4、本发明采用的钼基稀土粉冶成形顶头的技术路线及工艺参数。

钼顶头普遍存在使用寿命短、损坏率高等问题的产生原因，有针对性解决这些技术难题的具体措施，“钼基稀土粉冶成形顶头”的技术路线及相应工艺参数上。

图2是钼基稀土粉冶炼成形顶头技术路线示意图，钼基稀土粉冶成形顶头技术路线，由配料处理工部、混合处理工部、成形处理工部、烧结处理工部等四个工艺单元组成。各生产工艺单元设置的理由目的、应用的主要技术装备、承担的主要工艺内容、执行的具体运行参数、实现的作业目标等具体内容，分别描述如下：

(1)配料处理工部：

配料处理工部，是为生产制造钼基稀土粉冶成形顶头，进行配料组料准备的基础处理工艺单元。

主要工艺内容是：根据配料组料的生产工艺配方规定，按组批生产数量，计算选择组料，计量称重。

配料处理工部的作业任务，由配置的“电子称重器”完成。

(2)混合处理工部：

混合处理工部，是为生产制造钼基稀土粉冶成形顶头，制备钼基稀土混配粉末的加工制备工艺单元，工艺目标是：把生产制造钼基稀土粉冶成形顶头的所有配料组元，细化分散混合成粒度大小规范、组元分布均匀、干湿松散适度的钼基稀土粉末。

混合处理工部的作业任务，由配置的“叶片式混合搅拌机”、“超声波分散器”、“振动筛分机”专用设备完成。

混合处理工部承担的工艺内容有：

——将经过称重计量的纯钼粉及应掺入的四种稀土氧化物粉末，按密度大小顺序加入设计配置的“叶片式混合搅拌机”内。搅拌机以240r/min的速度，混合搅拌50～55min，使纯钼粉和4种稀土氧化物粉末，得以初步细化分散混合，制成钼基稀土混配粉末。

——将经过初步分细化散混合的钼基稀土混配粉末，装入设计配置的“超声波分散器”的分散容器罐内；通过设计配置的“超声波发生器”和“超声波换能器”，对钼基稀土混配粉末进行强力超声细化分散均质作业。超声波换能器以频率42KHz，声强3.5W/cm²，辐射时间10～12min的作业技术参数，制成满足标准要求的钼基稀土粉末。

——将经过强力超声细化分散均质的钼基稀土粉末，装入设计配置的“振动筛分机”内；筛分机以振幅10～12mm，振频120次/min的作业技术参数，以泰勒标准180目筛孔的分选筛进行筛选。筛下物即是混合处理合格的钼基稀土粉末，通过排料口装筒暂存备用；筛上物可通过回收口，再送回“混合搅拌机”内进行二次细化分散混合处理。

(3)成形处理工部

成形处理工部，是将钼基稀土粉末，压制密实成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度的钼基稀土粉冶成形顶头坯料体的加工制造工艺单元。工艺目标是：把钼基稀土粉末，压制密实成受压全面均衡、密度分布均匀、结构强度较大的顶头成形坯料体。

成形处理工部的作业任务，由配置的“等静压机”及“顶头模具”完成。

成形处理工部承担的工艺内容有：

——模具设计制造。根据不锈钢无缝管厂给出的钼顶头图纸，充分考虑烧结收缩率、成形孔隙度等因素，设计制造钼顶头等静压成形模具。

——计算模具装粉数量，根据模具尺寸、钼基稀土粉末密度、钼顶头要求净重等因素，计算模具装粉数量。

——装粉。根据计算的装粉数量，称重备粉；装粉，振实；压入胶塞；绑扎整形。

——等静压压制成形。

——脱模；清理。

成形处理工部等静压压制成形，选择确定的作业技术参数是：等静压机的最高压力285Mpa；达到最高压力的升压时间20～25min；在高压点保压的时间20min。卸压时的压力控制：一次卸压到185Mpa，稳压5min后；二次卸压到110Mpa，稳压5min后，三次卸压到自动除压。

(4)烧结处理工部：

烧结处理工部，是使钼基稀土粉冶成形顶头坯料体，在适当的氢气气氛和温度中受热后，发生收缩致密、强度增加、物理化学性能提高稳定的加工制造工艺单元。主要工艺内容是：把已经压制密实成形的钼基稀土粉冶成形顶头坯料体，烧结成表面无粘料脏化，内部无分层裂纹，有相当密度、强度及机械物理特性的钼基稀土粉冶成形顶头产品。

本发明对坯料体进行烧结处理过程中，在氢气氛中使用较低温度进行烘烤。烘烤可使金属颗粒间的联结强度增大，联结面上原子间的引力增加，使金属颗粒间发生粘结。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，虽然坯料体无明显收缩，密度也基本不变，但能使坯料体内的弹性内应力得到消除，也能挥发排除坯料体吸附的气体和水份，分解还原部分氧化物，可为以后的预烧结、高温烧结定型奠定良好的基础。

预烧结能形成较大激活能，让原子振动的振幅加大，使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，在颗粒界面形成晶粒界面，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(即：再结晶)，产生体积扩散、表面扩散和晶界扩散。设计安排的预烧结结果是：金属颗粒间的距离缩短，孔隙度缩小，密度增大，坯料体经预烧结后收缩；而且颗粒表面的氧化物被完全还原，坯料体吸附的气体、水份及杂质被全部排除挥发；颗粒在压坯成形中因接触或联接而形成的内应力，也能得到彻底消解。

本发明对坯料体进行烧结处理过程中，后期设计在氢气气氛中使用较高温度和较长保温时间，在中频炉中进行最后高温烧结定型。高温烧结可使坯料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，已形成的物理、化学、机械性能得到充分稳定。

烧结处理工部的作业任务，由设计配置的“氢气气氛烘烤炉”、“氢气气氛预烧结炉”和“氢气气氛卧式中频炉”完成。

烧结处理工部的作业技术参数是：

烘烤工艺参数：烘烤最高温度：700℃

             升温速率：10℃/min

             烘烤时间：240min

             冷却方式：炉内断电自然降温冷却

             氢气流量：0.8m³/h

预烧结工艺参数：预烧结最高温度：1150℃

               升温速率：20℃/min

               烧结时间：260min

               冷却方式：炉内断电自然降温冷却

               氢气流量：1.5m³/h

中频高温烧结工艺参数：中频烧结最高温度：1850℃

                    升温速率：15℃/min×50min

                              10℃/min×40min

                              15℃/min×45min

                    烧结时间：360min

                    冷却方式：炉内断电自然降温冷却

                    氢气流量：2m³/h

Claims (3)

1.一种钼基稀土粉冶成形顶头，其特征在于：在纯钼粉中同时掺入ZrO₂、Y₂O₃、La₂O₃、Sc₂O₃四种稀土氧化物，其中制备钼基稀土粉冶成形顶头以纯钼粉重量为基数是：

ZrO₂掺入1.3～1.4％    Y₂O₃掺入0.4～0.6％

La₂O₃掺入2.4～2.6％   Sc₂O₃掺入1.2～1.4％

合计掺入比例最高6.0％。

2.根据权利要求1所述的一种钼基稀土粉冶成形顶头制造方法，其特征在于：制造钼基稀土粉冶成形顶头所采用的技术路线，由配料处理工部、混合处理工部、成形处理工部、烧结处理工部四个工艺单元组成：

(1)配料处理工部：根据配料组料的生产工艺配方规定，按组批生产数量，计算选择组料，计量称重；

(2)混合处理工部：

——将经过称重计量的纯钼粉及应掺入的四种稀土氧化物粉末，按密度大小顺序加入设计配置的叶片式混合搅拌机内，搅拌机以240r/min的速度，混合搅拌50～55min，使纯钼粉和四种稀土氧化物粉末，得以初步细化分散混合，制成钼基稀土混配粉末；

——将经过初步分细化散混合的钼基稀土混配粉末，装入设计配置的超声波分散器的分散容器罐内，通过配置的超声波发生器和超声波换能器，对钼基稀土混配粉末进行强力超声细化分散均质作业，超声波换能器以频率42KHz，声强3.5W/cm²，辐射时间10～12min的作业技术参数，制成满足标准要求的钼基稀土粉末； 

——将经过强力超声细化分散均质的钼基稀土粉末，装入设计配置的振动筛分机内，筛分机以振幅10～12mm，振频120次/min的作业技术参数，以泰勒标准180目筛孔的分选筛进行筛选，筛下物即是混合处理合格的钼基稀土粉末，通过排料口装筒暂存备用，筛上物可通过回收口，再送回混合搅拌机内进行二次细化分散混合处理；

(3)成形处理工部：

——模具设计制造，制造钼顶头等静压成形模具；

——计算模具装粉数量，计算模具装粉数量；

——装粉，根据计算的装粉数量，称重备粉；装粉，振实；压入胶塞；绑扎整形，

——等静压压制成形，

——脱模；清理，

成形处理工部等静压压制成形，选择确定的作业技术参数是：等静压机的最高压力285Mpa；达到最高压力的升压时间20～25min；在高压点保压的时间20min,卸压时的压力控制：一次卸压到185Mpa，稳压5min后；二次卸压到110Mpa，稳压5min后，三次卸压到自动除压,

(4)烧结处理工部：

由配置的氢气气氛烘烤炉、氢气气氛预烧结炉和氢气气氛卧式中频炉完成；

烧结处理工部的作业技术参数是：

烘烤工艺参数：烘烤最高温度：700℃

升温速率：10℃/min 

烘烤时间：240min

冷却方式：炉内断电自然降温冷却

氢气流量：0.8m³/h

预烧结工艺参数：预烧结最高温度：1150℃

升温速率：20℃/min

烧结时间：260min

冷却方式：炉内断电自然降温冷却

氢气流量：1.5m³/h

中频高温烧结工艺参数：中频烧结最高温度：1850℃

升温速率：15℃/min×50min

10℃/min×40min

15℃/min×45min

烧结时间：360min

冷却方式：炉内断电自然降温冷却

氢气流量：2m³/h。

3.根据权利要求2所述的一种钼基稀土粉冶成形顶头的制造方法，其特征在于所述的超声波换能器，它是由聚能辐射棒(1)、微调套筒(2)、预应力套筒(3)、安装基座(4)、压电稀土陶瓷品片(5)、厚铜板电极(6)、薄铜板电(7)、圆柱形外壳(8)、节点支座(9)、后振动体(10)、吸收块(11)、声反馈晶片(12)、后端盖(13)、电极引线(14)、冷却气进气口(15)、振子晶堆、冷却器、超声波分散器组成；

所述的超声波换能器，由电——声转换部分和聚能辐射棒两部分组成， 所有电-声转换零部件都组装在圆柱形外壳内(8)，通过预应力套筒(3)与前负载块即聚能辐射棒(1)连接；通过导线与配置的超声波发生器连接；通过冷却气进口(15)，与冷却器连接，超声波换能器通过安装基座(4)，并固定在超声波分散器上；以安装基座(4)为分界面，聚能辐射棒(1)以浸没形式布置在分散器容器中的钼基稀土混配粉末内，电-声转换部分布置在分散器容器外；

所述的超声波换能器主要技术在于：

A、振子晶堆由压电稀土陶瓷晶片(5)、厚铜电极板(6)、薄铜电极片(7)、电极导线，通过环氧胶合组成；

振子晶堆与前负载块即聚能辐射棒(1)，以平面全接触方式连接，前负载块通过螺纹与预应力套筒(3)、微调套筒(2)连接，并作为固定机构，振子晶堆与后负载块，也以平面全接触方式连接，在后负载块中，锒有吸收块和声反馈晶片(12)，形成声、电信息反馈；

B、在振子晶堆外，设计有预应力套筒(3)、微调套筒(2)、前后负载块调控机构；通过调整预应力套筒(3)，改变前后负载块的间距；

C、因压电稀土陶瓷晶片(5)是由铁电材料经磨细、烧结、极化制成，振子晶堆设计了厚铜电极板(6)，安装有小型冷却器，通过冷气进口(15)送入冷却气体；

D、聚能辐射棒(1)，采用复合式聚能辐射棒；

E、超声波换能器的聚能辐射棒(1)，以垂直全浸没形式布置在钼基稀土混配粉末中，可以在360°方向内均匀向四周辐射超声波。 

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