CN112828291A - 一种高温作业机器手制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高温作业机器手制造方法，步骤1：获取原材料；步骤2：将上述原材料进行分散处；步骤3：将上述乳化后的悬浊液在真空干燥箱中干燥，备用；步骤4：将步骤3中分散后的粉末通过摸具压制成手钳样式，并进行烧结；步骤5：在步骤4获得的手钳材料表面进行化学蚀刻造孔，使得材料表面具有微孔结构，将具有微孔结构的手钳材料浸泡在石墨粉和环氧树脂的浸制液中，在手钳材料表面形成一碳涂层，随后将表面具有碳涂层的手钳材料加热处理，得到由具有碳涂层的钛铝复合合金材料制成的手钳；本发明以解决现有技术中基础材料腐蚀性不达标、耐高温性能差带来使用寿命短等问题。

Description

一种高温作业机器手制造方法
技术领域
本发明涉及特种材料制备技术领域，包括高温工作手钳、作业臂特种材料及其抗酸碱性能，特别涉及一种高温作业机器手制造方法。
背景技术
机械手是一种人工智能得体现，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点，随着行业得发展，人力成本升高，在一些特定得工作环境要求机器手具有一些特殊得功用，解决人得工作危险性等。
机械手是目前工业生产过程中重要的工具，尤其一些特殊环境种工作，为了使机械手能适应高温，酸碱等苛刻工作环境，机械手材料要求能够抗高温而不产生蠕变和结构变形，同时在强酸性环境下工作不发生腐蚀带来的结构损坏、因此需要开发特殊性能的材料。
在当前机械手材料中，主要选用的钢材类，这些材料耐腐蚀差，密度大，同时高温性能有待提高，同时在服役过程中还存在特殊工作环境寿命短，膨胀系数大等技术难题。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明的目的是提供一种高温作业机器手制造方法，特别针对高温作业材料制备方法，以解决现有技术中基础材料腐蚀性不达标、耐高温性能差带来使用寿命短等问题。
为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，本发明提供一种高温作业机器手制造方法，包括以下步骤：
步骤1：获取原材料：取质量分数在30％～60％的铝粉，添加质量分数0.5％～3％的铜粉和质量分数0.5％～3％的石蜡作为粘接剂，余量为钛粉；
步骤2：将上述原材料进行分散处理，介质为酒精，分散时转速为5000-8000rpm；
步骤3：将上述乳化后的悬浊液在真空干燥箱中干燥，备用；
步骤4：将步骤3中分散后的粉末通过摸具压制成手钳样式，并进行烧结；
步骤5：在步骤4获得的手钳材料表面进行化学蚀刻造孔，使得材料表面具有微孔结构，将具有微孔结构的手钳材料浸泡在石墨粉和环氧树脂的浸制液中，在手钳材料表面形成一碳涂层，随后将表面具有碳涂层的手钳材料加热处理，得到由具有碳涂层的钛铝复合合金材料制成的手钳；
步骤6：选用TA1钛板作为主体，在两层TA1钛板之间平铺一层铝硅混合材料，将上述夹层材料复合、加热、成型后制得机器手的臂部。
优选的，所述步骤4中压制成型的方法为：
先冷压成型后，进行500℃加热，加热后在摸具中压制成手钳样式，压制力为300MPa，随后在模具中进行热压，热压温度为450～600℃，形成料胚，将获得的料胚在500℃下进行固化脱去石蜡，随后进一步升高温度至600℃，保温时间2-6h，再将炉子的温度提高至1350℃，烧结时间为12h。
优选的，所述步骤5中，手钳加热处理的方法为：在氮气或者氩气氛保护中加热至800～1000℃，保温时间为50～150min。
优选的，所述步骤6中铝硅混合材料的制备方法为：
选用纯度为99.9％的铝粉和纯度为99.9％的的硅粉，纯度为20％的AL-Mg中间合金粉、Al-Ce中间合金粉和Zr粉，以及纯度为为99.9％的铜粉，将上述粉末按照Si-3.5％，Mg-4.3％，Cu-2.5％，Ce-1％，Zr-0.5％，余量为Al，进行成分配比，采用旋转混粉机将上述粉末在氩气气氛下混合均匀，混合时间至少10h，上述选取百分比为质量分数。
优选的，所述步骤6中，选用厚度为0.5mm的TA1钛板，采用蚀刻工艺将TA1钛板进行微孔化，微孔的大小在0.1mm以下，蚀刻液为硝酸和氟化氢铵混合溶液，硝酸浓度为20％，氟化氢铵浓度为10％，刻蚀温度为29～32℃，时间为1min。
优选的，所述步骤6中，夹层材料复合、加热方法为：
采用轧制工艺将夹层材料进行复合，将夹层材料加热至500℃进行热轧，每次轧制前进行加热，轧制厚度为0.8mm；
将获得材料在500℃进行固溶均匀化处理，时间为12h，完成后将上述材料在180℃保温10h。
优选的，对所述在步骤4获得的手钳材料表面进行化学蚀刻造孔中，选用FeCl3刻蚀液，浓度为0.3～1mol/L，并添加0.1～0.3mol/L氟化氢铵作为腐蚀钛使用，蚀刻工艺的温度为35℃，蚀刻时间为40min，深度为0.15mm。
优选的，所述步骤1中，获取纯度为99.9％的钛粉和纯度为99.9％的铝粉，铝粉的活性铝含量至少达到95％，且上述粉末的粒径分布在20～50μm。
优选的，所述步骤5中，浸制液的成分为：质量分数为12～15％的膨胀石墨粉、质量分数为2～5％的环氧树脂，溶剂为丙酮。
与现有技术相比，本发明包含的有益效果在于：
1、提高了机器手部位在强酸强碱工作环境的使用寿命；
2、降低了机器手和机器手臂的重量，达到轻量化的效果，并且在机器手运动过程中，因质量的下降，减少了发生应力腐蚀发生的机率。
3、通过钛铝复合，同时碳涂层涂敷，有效的保证机器手对于高温零件夹持而不发生变形等问题。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明文字能够据以实施。
本发明提供一种高温作业机器手制造方法，主要分为两类关键材料，包括手钳和臂部材料：手钳，要去材料要有抗高温性能，抗腐蚀性能，较好的强度和耐磨性能，如图1所示，制造方法包括以下步骤：
步骤1：获取纯度为99.9％钛粉，99.9％的铝粉，铝粉的活性铝含量要去达到95％以上，且上述粉末的粒径要去控制在30μm：取质量分数在50％的铝粉，添加质量分数1％的铜粉和质量分数2％的石蜡作为粘接剂使用，余量为钛粉；
步骤2：将上述原材料进行分散处理，介质为酒精，分散时转速为6000rpm；
步骤3：将上述乳化后的悬浊液在真空干燥箱中干燥，备用；粉末应避免与空气直接接触。
步骤4：将步骤3中分散后的粉末通过摸具压制成型：先冷压成型后，在进行500℃加热，加热后在摸具中压制成手钳样式，此时压制力为300MPa，此步骤主要是为了将粉末预成型。在模具中进行热压，此时热压温度为500℃，形成料胚，此时的目的是了铝钛合金获得一定的变形，粉末直接得到一个基本的焊合而提高胚体强度。将获得得料胚在500℃进行固化脱去石蜡，进一步升高温度至600℃，此时保温时间2-6h，此时目的是将Cu元素进行扩散，达到粘接铝粉的作用。在将炉子得温度提高至1350℃，此时烧结时间为12h。此时是将铝和钛进行反应，获得钛铝合金，钛铝合金具有强度高，抗腐蚀性能好，热膨胀系数低等优点。
步骤5：在步骤4获得的手钳材料表面进行化学蚀刻造孔，使得材料表面具有微孔结构，将具有微孔结构的手钳材料浸泡在石墨粉和环氧树脂的浸制液中，在手钳材料表面形成一碳涂层，随后将表面具有碳涂层的手钳材料加热处理，得到由具有碳涂层的钛铝复合合金材料制成的手钳。
其中，手钳加热处理的方法为：在氮气或者氩气氛保护中加热至900℃，保温时间为150min，此时获得具有碳涂层得钛铝复合合金材料。首先通过溶胶凝胶法获得碳涂层，同时因为在合金表面预先获得微孔，可以达到碳与金属直接的铆接，从而提高涂层与基底的结合力。
上述技术方案中，对所述在步骤4获得的手钳材料表面进行化学蚀刻造孔中，选用FeCl3刻蚀液，浓度为0.5mol/L，并添加0.2mol/L氟化氢铵作为腐蚀钛使用，蚀刻工艺的温度为35℃，蚀刻时间为40min，深度为0.15mm。其目的为获得微孔的手钳在浸泡碳涂层，碳涂层与钛铝材料形成机械铆合，提高粘接性能。所述步骤5中，浸制液的成分为：质量分数为15％的膨胀石墨粉、质量分数为3％的环氧树脂，溶剂为丙酮。
机器臂相对于手钳来讲抗高温性能要求更低，但要求具有抗腐蚀和抗应力腐蚀等性能，同时要求材料轻便，节约能耗，制造步骤如下：
步骤6：选用TA1钛板作为主体，在两层TA1钛板之间平铺一层铝硅混合材料，将上述夹层材料复合、加热、成型后制得机器手的臂部。具体的，选用纯度为99.9％的铝粉和纯度为99.9％的的硅粉，AL-20％Mg中间合金粉、Al-10％Ce中间合金粉和Zr粉，以及纯度为为99.9％的铜粉，将上述粉末按照Si-3.5％，Mg-4.3％，Cu-2.5％，Ce-1％，Zr-0.5％，余量为Al，进行成分配比，采用旋转混粉机将上述粉末在氩气气氛下混合均匀，混合时间12h，上述选取百分比为质量分数。
所述步骤6中，选用厚度为0.5mm的TA1钛板，采用蚀刻工艺将TA1钛板进行微孔化，微孔的大小在0.1mm以下，蚀刻液为硝酸和氟化氢铵混合溶液，硝酸浓度为20％，氟化氢铵浓度为10％，刻蚀温度为30℃，时间为1min。
所述步骤6中，夹层材料复合、加热方法为：
采用轧制工艺将夹层材料进行复合，将夹层材料加热至500℃进行热轧，每次轧制前进行加热，轧制厚度为0.8mm；轧制是每次缝隙缩小0.05mm，采用多道次轧制工艺获得最终样品。
将获得材料在500℃进行固溶均匀化处理，时间为12h，完成后将上述材料在180℃保温10h。此时的目的主要是将铝合金的合金元素进行固溶，同时通过时效进一步提高性能。
对比分析：
样品1：经过步骤5表面处理制得的手钳样品；
样品2：不经过步骤5表面处理制得的手钳样品；
样品3：步骤6中经过在500℃进行固溶均匀化处理，时间为12h，完成后将上述材料在180℃保温10h后的臂部样品；
样品4：步骤6中不经过在500℃进行固溶均匀化处理，时间为12h，完成后将上述材料在180℃保温10h后的臂部样品。
将获得材料在慢应变机上进行应力腐蚀测试，测试介质为3.5％NaCl，和硅油惰性介质，获得材料应力腐蚀因子I。调制好0.5MH2SO4，在70℃下测试材料的tafel曲线。
应力腐蚀检测方法为：腐蚀介质采用室温25℃的3.5％NaCl溶液，或惰性介质选用25℃的硅油，应变速率为10-6s-1，检测结果如下表所示，表2中惰性介质为25℃硅油条件，腐蚀介质为25℃的3.5％NaCl溶液，完成相应测试后参照国家标准计算应力腐蚀因子I，I值越大说明材料发生应力腐蚀的几率越高。
表一
Figure BDA0002878096470000051
Figure BDA0002878096470000061
经过步骤5的样品，样品1具有抗腐蚀性能，并且发生的腐蚀的电位正向移动，且热处理后样品的腐蚀因子也降低，材料的性能可以获得极大的提高，样品2的抗腐蚀性能因没有碳涂层的保护性能出现下降。
表二
Figure BDA0002878096470000062
样品3和4抗腐蚀性能的获得主要是通过表面的钛TA1，因此两者的抗腐蚀性能相差不大，但由于样品3经过固溶时效处理，铝合金材料发生固溶时效强化，其抗拉强度提高到443MPa，而不经过热处理的样品4为经过合金元素固溶，其强度不如样品3。
由上所述，利用本发明方法制造的机械手提高了机器手部位在强酸强碱工作环境的使用寿命；同时降低了机器手和机器手臂的重量，达到轻量化的效果，并且在机器手运动过程中，因质量的下降，减少了发生应力腐蚀发生的机率另一方面，通过钛铝复合，同时碳涂层涂敷，有效的保证机器手对于高温零件夹持而不发生变形等问题。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易的实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种高温作业机器手制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取原材料：取质量分数在30％～60％的铝粉，添加质量分数0.5％～3％的铜粉和质量分数0.5％～3％的石蜡作为粘接剂，余量为钛粉；
步骤2：将上述原材料进行分散处理，介质为酒精，分散时转速为5000-8000rpm；
步骤3：将上述乳化后的悬浊液在真空干燥箱中干燥，备用；
步骤4：将步骤3中分散后的粉末通过摸具压制成手钳样式，并进行烧结；
步骤5：在步骤4获得的手钳材料表面进行化学蚀刻造孔，使得材料表面具有微孔结构，将具有微孔结构的手钳材料浸泡在石墨粉和环氧树脂的浸制液中，在手钳材料表面形成一碳涂层，随后将表面具有碳涂层的手钳材料加热处理，得到由具有碳涂层的钛铝复合合金材料制成的手钳；
步骤6：选用TA1钛板作为主体，在两层TA1钛板之间平铺一层铝硅混合材料，将上述夹层材料复合、加热、成型后制得机器手的臂部。
2.如权利要求1所述的高温作业机器手制造方法，其特征在于，所述步骤4中压制成型的方法为：
先冷压成型后，进行500℃加热，加热后在摸具中压制成手钳样式，压制力为300MPa，随后在模具中进行热压，热压温度为450～600℃，形成料胚，将获得的料胚在500℃下进行固化脱去石蜡，随后进一步升高温度至600℃，保温时间2-6h，再将炉子的温度提高至1350℃，烧结时间为12h。
3.如权利要求2所述的高温作业机器手制造方法，其特征在于，所述步骤5中，手钳加热处理的方法为：在氮气或者氩气氛保护中加热至800～1000℃，保温时间为50～150min。
4.如权利要求3所述的高温作业机器手制造方法，其特征在于，所述步骤6中铝硅混合材料的制备方法为：
选用纯度为99.9％的铝粉和纯度为99.9％的的硅粉，纯度为20％的AL-Mg中间合金粉、Al-Ce中间合金粉和Zr粉，以及纯度为为99.9％的铜粉，将上述粉末按照Si-3.5％，Mg-4.3％，Cu-2.5％，Ce-1％，Zr-0.5％，余量为Al，进行成分配比，采用旋转混粉机将上述粉末在氩气气氛下混合均匀，混合时间至少10h，上述选取百分比为质量分数。
5.如权利要求4所述的高温作业机器手制造方法，其特征在于，所述步骤6中，选用厚度为0.5mm的TA1钛板，采用蚀刻工艺将TA1钛板进行微孔化，微孔的大小在0.1mm以下，蚀刻液为硝酸和氟化氢铵混合溶液，硝酸浓度为20％，氟化氢铵浓度为10％，刻蚀温度为29～32℃，时间为1min。
6.如权利要求5所述的高温作业机器手制造方法，其特征在于，所述步骤6中，夹层材料复合、加热方法为：
采用轧制工艺将夹层材料进行复合，将夹层材料加热至500℃进行热轧，每次轧制前进行加热，轧制厚度为0.8mm；
将获得材料在500℃进行固溶均匀化处理，时间为12h，完成后将上述材料在180℃保温10h。
7.如权利要求6所述的高温作业机器手制造方法，其特征在于，对所述在步骤4获得的手钳材料表面进行化学蚀刻造孔中，选用FeCl3刻蚀液，浓度为0.3～1mol/L，并添加0.1～0.3mol/L氟化氢铵作为腐蚀钛使用，蚀刻工艺的温度为35℃，蚀刻时间为40min，深度为0.15mm。
8.如权利要求1所述的高温作业机器手制造方法，其特征在于，所述步骤1中，获取纯度为99.9％的钛粉和纯度为99.9％的铝粉，铝粉的活性铝含量至少达到95％，且上述粉末的粒径分布在20～50μm。
9.如权利要求1所述的高温作业机器手制造方法，其特征在于，所述步骤5中，浸制液的成分为：质量分数为12～15％的膨胀石墨粉、质量分数为2～5％的环氧树脂，溶剂为丙酮。
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