CZ309485B6 - Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením - Google Patents

Abstract

Způsob zhutňování kovových prášků objemovým tvářením spočívá v tom, že prášek určený ke zhutnění je tvořen kovovou matricí obsahující alespoň jeden typ vytvrzovacího oxidu kovů s objemovým podílem 1 až 10 %. Prášek je uložen v deformovatelné a vzduchotěsné pracovní nádobě, ze které je odčerpán vzduch, a následně je při teplotě 700 až 1300 °C provedeno objemové tváření pracovní nádoby provedené zejména rotačním kováním nebo válcováním. Po zhutnění je zhutněný prášek vyžíhán při teplotě 1000 až 1400 °C po dobu 0,5 až 24 hodin pro zajištění sekundární rekrystalizace.

Description

Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením

Oblast techniky

Vynález se zabývá způsobem zhutňování oxidickou dispersí zpevněných prášků objemovým tvářením, zejména rotačním kováním, přednesené podmínky a způsob přípravy pak přináší vysoce mechanicky odolné ocelové slitiny za velmi vysokých teplot.

Dosavadní stav techniky

Prášková metalurgie je oblast zabývající se metodami zhutňování práškových směsí na bázi kovů, nekovů, oxidů a karbidů, případně jejich směsí. Výhodou těchto způsobů je jejich poměrně vysoká výrobní přesnost a možnost vytváření směsí, které by nevznikly klasickým sléváním. Oproti ostatním metodám zpracování a výroby kovů výsledné výrobky většinou dosahují nižší mechanické pevnosti.

Jednou z rozšířených metod práškové metalurgie je tzv. zápustkové kování (swaging), využívané např. pro zmenšování průměru kovových válců, kdy je kován mechanickými buchary po celém svém obvodu zároveň. V práškové metalurgii tento způsob aplikuje např. dokument GB 981065 A. Dokument popisuje způsob výroby kovových trubek či prutů na bázi zirkonu, niobu, či jejich slitin. Slitinový prášek je vložen do kovové nádoby, zahřát na teplotu přibližně 1000 °C a následně podstoupí zápustkové kování. Poté je kovová nádoba odstraněna a je možné využít finální produkt. Přednesená metoda však není aplikovatelná univerzálně na všechny typy kovových prášků, jelikož je vždy nutné zvolit vhodnou soustavu parametrů, která se může lišit i přidáním zlomku aditiva do práškové směsi.

Obdobnou metodou je dále rotační kování (rotary forging), popsané např. v dokumentu EP 0238186 B1. Práškové materiály na bázi hliníku, hliníkových sloučenin, mědi, železa, oceli nebo bronzu se zrny o velikosti do 50 pm jsou vloženy do pracovní nádoby a udusány za účelem získání směsi s co nejvyšší hustotou. Následně je materiál podroben rotačnímu kování, kdy je na něj působeno bucharem rotujícím jednak kolem jeho vlastní osy a dále provádějícím precesní pohyb okolo osy nádoby, ve které je uložen zhutňovaný prášek. Metoda představená v tomto dokumentu však neumožňuje vytváření dlouhých válcových produktů na bázi kovových prášků.

Další využívaná metoda pro formování prášků na bázi karbidů je popsána v dokumentu EP 1231014 B1. Způsob popisuje vytvoření práškové směsi karbidu a kovových aditiv, pojiva a dalších aditiv ovlivňujících vlastnosti výsledného materiálu. Prášek je vložen do kovového kontejneru, na který je následně působeno izostatickým tlakem tak, aby výsledný produkt získal podstatně vyšší hustotu než výchozí prášek.

Současný výzkum v oboru práškové metalurgie směřuje k vývoji pokročilých materiálů, které vykazují vysokou odolnost vůči oxidaci a creepovým deformacím zejména při velmi vysokých teplotách. Sloučeniny na bázi niklu jsou využitelné do teplot řádově 1100 °C, ODS (Oxide dispersion strengthened) slitiny do teplot řádově 1300 °C a slitiny wolframu až do 1500 °C. Nicméně příprava těchto materiálů je poměrně náročná, jelikož je třeba zvolit vhodné procesní parametry, např. vhodný podíl hliníku v práškové směsi výrazně ovlivňuje odolnost výsledného materiálu vůči oxidaci, naopak jeho příliš vysoký podíl má za důsledek změnu vnitřní struktury materiálu, tedy rozdílné mechanické vlastnosti a leckdy kratší životnost. U ODS slitin umožňuje krystalická mřížka na bázi železa dostatečné obohacení hliníkem, což zaručuje vynikající odolnost materiálu vůči oxidaci.

- 1 CZ 309485 B6

Slitiny na bázi ODS jsou zpravidla poměrně náročné na maloobjemovou i velkoobjemovou výrobu kvůli poměrně složitému technologickému procesu získání výsledného materiálu, což vede k vysoké ceně finálních produktů.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky z podstatné části odstraňuje způsob zhutňování prášků objemovým tvářením. Směs kovového prášku je tvořena kovovou matricí na bázi železa a hliníku a alespoň jedním druhem vytvrzovacího oxidu kovů. Prášek je uložen v deformovatelné a vzduchotěsné pracovní nádobě, ze které je následně odčerpán vzduch a vytvořen podtlak. Objemové tváření probíhá za teplot 700 až 1300 °C. Výhodou uvedeného způsobu je vysoký podíl vytvrzovacího oxidu ve výsledném materiálu, který je 1 až 10 %. Vytvrzovacím oxidem je pak oxid yttritý Y2O3.

Objemovým tvářením je myšleno rotační kování nebo válcování, zejména pak dvouosé válcování. Objemové tváření pak výhodně probíhá za teplot 700 až 1000 °C.

Zhutňovaný prášek zahrnuje atomy železa a hliníku či dalších kovů, a dále vytvrzovací oxid, kterým je výhodně oxid yttritý. Výhodně dále zahrnuje kovový prášek alespoň jednu leguru, např. chrom nebo mangan, či jiný dodatečný materiál ovlivňující výsledné vlastnosti získaného zhutněného tělesa. Přítomnost vytvrzovacího oxidu zajišťuje vysokou tvrdost získaného materiálu, který je po objemovém tváření zpravidla vyžíhán po dobu 0,5 až 24 hodin při teplotě 1000 až 1400 °C. Vyžíháním je zajištěna sekundární rekrystalizace získaného materiálu vytvářející podlouhlá zrna podél osy rotačního kování, čímž se dále zlepšují mechanické vlastnosti materiálu za velmi vysokých teplot a odstraňují se lokální defekty v krystalické struktuře. Pro zajištění optimálního zpracování je objemové tváření prováděno třífázově.

Před samotným zpracováním je prášek připraven mechanickým legováním.

Zhutněný materiál získaný výše uvedeným způsobem vykazuje o 30 % vyšší creepovou pevnost než obdobnými metodami získané materiály na bázi ODS, a to zejména při aplikačních teplotách 1100 až 1300 °C. Výše uvedený zhutněný materiál zahrnuje kovovou matrici na bázi železa a hliníku a vytvrzovací oxid, kterým je příkladně oxid yttritý. Výhodně dále zahrnuje zhutněný materiál alespoň jednu leguru, např. mangan nebo chrom. Získaný materiál má creepovou pevnost 70 až 120 MPa a tažnost 1 až 10 % při teplotě 1100 °C. Výhodně je podíl vytvrzovacího oxidu v získaném materiálu 4 až 6 %, tedy cca 10x vyšší, než v obdobně získaných materiálech. Přítomnost velkého podílu hliníku v materiálu pak poskytuje vysokou odolnost vůči oxidaci díky přítomnosti tenké povrchové vrstvy hliníku na materiálu při reakci se vzduchem.

Objasnění výkresů

Podstata vynálezu je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, kde na:

obr. 1 je schematicky znázorněn přednesený způsob zhutňování prášků objemovým tvářením;

obr. 2 je schematicky znázorněno zařízení pro rotační kování;

obr. 3 je schematicky znázorněno zařízení pro válcování;

obr. 4 je snímek mikrostruktury vzorku získaného přednesenou metodou při válcování, snímek byl pořízen rastrovacím elektronovým mikroskopem;

- 2 CZ 309485 B6 obr. 5 je snímek mikrostruktury vzorku získaného přednesenou metodou při rotačním kování, snímek byl pořízen rastrovacím elektronovým mikroskopem; a obr. 6 je znázorněno grafické srovnání pevnosti vzorků získaných přednesenou metodou při válcování, rotačním kování a komerčně vyráběnou ODS slitinou MA 956.

Příklady uskutečnění vynálezu

Vynález bude dále objasněn na příkladech uskutečnění s odkazem na příslušné výkresy, které však nemají z hlediska rozsahu ochrany žádný omezující vliv.

Přednesený způsob zhutňování prášků, znázorněný schematicky na obr. 1, využívá prášky s kovovou matricí na bázi železa, hliníku a titanu a dále zahrnující vytvrzovací oxid. Příkladně může být tímto práškem Fe- 10Al-3Y2O3- 1Ti (ve váhových %). Prášek určený ke zhutnění je uložen do deformovatelné a vzduchotěsné pracovní nádoby a udusán. Následně je v pracovní nádobě snížen tlak na hodnotu 1 až 10 Pa a nádoba je uzavřena a utěsněna. Uzavření a utěsnění může probíhat například svařováním. V další fázi je uzavřený a v pracovní nádobě utěsněný prášek podroben objemovému tváření, které probíhá v rozmezí teplot 800 až 1300 °C, výhodnější teplotní interval je omezený na 800 až 1000 °C, přičemž příkladně probíhá objemové tváření při teplotě 900 °C. Objemovým tvářením je myšleno zejména rotační kování nebo válcování, zejména dvouosé válcování. Při rotačním kování dochází k silovému působení písty 2 na zpracovávané těleso 1 podél celého jeho obvodu zároveň, jak je znázorněno na obr. 2, zároveň je při rotačním kování otáčeno buďto zařízením provádějícím rotační kování nebo zpracovávaným tělesem 1, obrobkem, respektive pracovní nádobou, která je v tomto příkladném provedení válcového tvaru, přičemž rotační kování je prováděno ve směru kolmém na středovou osu válce. Po rotačním kování se objem zpracovávaného materiálu zmenší o objem prostoru mezi zrny zhutňovaného prášku. Vlivem rotačního kování klesá průměr zpracovávaného válečku, respektive pracovní nádoby. Průměr pracovní nádoby po rotačním kování je 1,5x až 5x menší než před rotačním kováním. Při válcování je pracovní nádoba s práškem ke zhutnění podrobena tlaku válců působícímu ze dvou protilehlých stran, viz. obr. 3. Válcování odpovídá tváření zpracovávaného tělesa 1, které prochází prostorem mezi dvěma otáčejícími se válci 3, kde mezera mezi válci 3 je menší než výška vstupního zpracovávaného tělesa 1. Příkladně může být zhutňovaný materiál zpracován dvouosým válcováním, kdy osa působení tvarovacího tlaku zůstává stejná, avšak mění se orientace zpracovávaného materiálu, zpravidla o 90°. Válcováním tak klesá průměr pracovní nádoby v případě válcové nádoby, respektive výška rovnoběžnostěnu v případě jiného tvaru pracovní nádoby, a to 1,5x až 10x. Výhodně je objemové tváření zhutňovaného prášku v pracovní nádobě prováděno alespoň třikrát. Po objemovém tváření je získaný materiál vyžíhán po dobu 0,5 až 24 hodin za teploty 1000 až 1400 °C. V příkladném provedení probíhá vyžíhání po dobu 4 hodin za teploty 1200 °C. Tímto je zajištěna sekundární rekrystalizace zrn tvořících získaný materiál.

V příkladném provedení je předmětná metoda způsobu zhutňování prášků objemovým tvářením předcházena krokem přípravy prášku ke zhutnění. Vysoce homogenní prášek zahrnující kovovou matrici a nanočástice oxidu yttritého Y2O3 je vytvořen mechanickým legováním. Kovová matrice může rovněž zahrnovat i oxidy jiných kovů, případně další legury, jako chrom a mangan. Dalším krokem přípravy prášků může být příkladně termomechanické zpracování za účelem snížení porozity materiálů a zvýšení jejich odolnosti. Termomechanickým zpracováním je myšleno např. za tepla prováděné dvouosé válcování za zvýšené teploty (Hot cross rolling). Po prvotním zpracování prášek vykazuje vysokou míru homogenity, kdy je kyslík pocházející z oxidu yttritého a oxidovaných kovových matric kompletně rozpuštěn v práškové směsi a zachycen v defektech, poruchách, krystalické báze prášku, zejména v dislokacích a vakancích. Takto připravený prášek je následně uzavřen do kovové pracovní nádoby a podroben konsolidaci za zvýšené teploty. Tímto je zajištěno odstranění porozity a zahájena dynamická rekrystalizace. Dynamická rekrystalizace pak vede k vytvoření jemnozrnných mikrostruktur (ultra-fine grained microstructures). Vysoce jemnozrnné mikrostruktury jsou stabilizovány přítomností nanooxidů o velikostech řádově 5 nm

- 3 CZ 309485 B6 až do teplot v rozmezí 1000 až 1100 °C. Překročením kritické teploty 1200 °C po dobu několika hodin, příkladně v intervalu 0,5 až 24 hodin, dojde k sekundární rekrystalizaci. Ve výsledku pak finální mikrostruktura zahrnuje hrubá zrna o velikosti řádově 100 pm zpevněné homogenní disperzí oxidu yttritého o velikosti přibližně 20 nm.

V příkladném provedení vynálezu je k přednesené metodě využit prášek Fe-10Al-3Y2O3-1Ti vyrobený z prášků železa, hliníku, oxidu yttritého a titanu, kde čistota prášků je nejméně 99,9 %. Jednotlivé prášky tvořící výsledný kovový prášek jsou uzavřeny ve vzduchotěsném kulovém mlýnu, který obsahuje příkladně ložiskové kuličky o velikosti 40 mm vyrobené z nízkolegované oceli. V kulovém mlýnu je následně provedeno mechanické legování prášků jeho rotací okolo horizontální osy. Příkladně je tento proces prováděn ve vakuu při tlaku 1 až 10 Pa po dobu 2 až 3 týdnů. Po mechanickém legování jsou vlastnosti prášku saturované, přičemž částice prášku zahrnují značné množství defektů, např. vakancí a dislokací.

Materiál získaný výše uvedeným způsobem pomocí válcování a sekundární rekrystalizaci vykazuje při teplotě 1100 °C a deformační rychlosti 10^-6 s^-1 pevnost 75 MPa s odchylkou řádově 5 % a tažnost v intervalu hodnot 1 až 10 %, typicky 1 až 2 %. Mikroskopická struktura válcovaného materiálu vykazuje velké množství ultrajemných zrn s přibližně homogenním rozmístěním, na obr. 4 je znázorněn snímek výsledného materiálu získaný analýzou zpětně odražených elektronů v rastrujícím elektronovém mikroskopu.

Materiál získaný výše uvedeným způsobem pomocí rotačního kování a sekundární rekrystalizaci vykazuje při teplotě 1100 °C a deformační rychlosti 10^-6 s^-1 pevnost 115 MPa s odchylkou řádově 5 % a tažnost v intervalu hodnot 1 až 10 %, typicky 1 až 3 %. Mikroskopická struktura takto získaného materiálu po rotačním kování vykazuje oproti válcování větší velikost zrn. Na obr. 5 je znázorněn snímek výsledného materiálu získaný analýzou zpětně odražených elektronů v rastrujícím elektronovém mikroskopu.

Na obr. 6 je graficky srovnána creepová pevnost vzorků získaných výše uvedenou metodou při teplotě 1100 °C. Specimen 1 označuje vzorek získaný výše uvedenou metodou při využití válcování, Specimen 2 označuje vzorek získaný výše uvedenou metodou při využití rotačního kování. MA 956 je pak komerčně dostupná ODS slitina. Na horizontální ose jsou hodnoty působícího napětí a na vertikální ose je čas do lomu vzorku. Vzorek získaný rotačním kováním pak vykazuje mnohem vyšší pevnost než komerční ODS slitina nebo válcovaný materiál. Creepová pevnost je vlastnost vzorku prověřovaná v teplotním oboru využití daného materiálu. U vzorků získaných výše uvedenou metodou je dosaženo při aplikované teplotě 1100 °C a požadované době do lomu 1000 creepové pevnosti 70 až 100 MPa.

Průmyslová využitelnost

Přednesený způsob zhutňování prášků objemovým tvářením produkuje o cca 30 % pevnější materiály než konvenční metody zhutňování prášků na bázi ODS. Tyto materiály se stávají dostupné pro uplatnění při teplotách 1100 až 1300 °C.

Claims (13)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením, kde prášek je tvořen kovovou matricí obsahující alespoň jeden typ vytvrzovacího oxidu kovů a je uložen v deformovatelné a vzduchotěsné pracovní nádobě, kde objemové tváření probíhá v rozmezí teplot 700 až 1300 °C v pracovní nádobě při tlaku plynu nižším, než je atmosférický tlak, vyznačující se tím, že kovová matrice je na bázi železa a hliníku, a že podíl vytvrzovacího oxidu v práškové směsi je 1 až 10 %, přičemž vytvrzovacím oxidem je oxid yttritý Y2O3.
2. 2. Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením podle nároku 1, vyznačující se tím, že objemovým tvářením je lisování, kování, rotační kování nebo válcování.
3. 3. Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že objemové tváření probíhá za teploty 700 až 1000 °C.
4. 4. Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že zhutňovaný prášek dále zahrnuje alespoň chrom nebo mangan.
5. 5. Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že po objemovém tváření je zhutněný prášek vyžíhán při teplotě 1000 až 1400 °C po dobu 0,5 až 24 hodin.
6. 6. Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že objemové tváření je vícestupňové.
7. 7. Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že prášek je připraven mechanickým legováním.
8. 8. Zhutněný materiál sestávající z kovové matrice na bázi slitiny železa, hliníku a vytvrzovacího oxidu, vyznačující se tím, že podíl vytvrzovacího oxidu ve zhutněném materiálu je 1 až 10 %.
9. 9. Zhutněný materiál podle nároku 8, vyznačující se tím, že má na vzduchu při teplotě creepovou pevnost 70 až 100 MPa při 1000 hodinách do lomu.
10. 10. Zhutněný materiál podle kteréhokoliv z nároků 8 až 9, vyznačující se tím, že má tažnost 1 až 10 %.
11. 11. Zhutněný materiál podle kteréhokoliv z nároků 8 až 10, vyznačující se tím, že vytvrzovacím oxidem je oxid yttritý.
12. 12. Zhutněný materiál podle kteréhokoliv z nároků 8 až 11, vyznačující se tím, že podíl vytvrzovacího oxidu je 4 až 6 %.
13. 13. Zhutněný materiál podle kteréhokoliv z nároků 8 až 12, vyznačující se tím, že dále zahrnuje alespoň chrom nebo mangan.