CN104668909B - 一种高精度无焊缝铱坩埚制造方法 - Google Patents

一种高精度无焊缝铱坩埚制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高精度无焊缝铱坩埚制造方法，本发明采用板料旋压成形的加工方法，用铱板直接旋压成形整体无焊缝铱坩埚，解决了因铸造法、焊接法无法达到铱坩埚高精度的要求。采用本发明可以生产直经为100毫米以下的高精度铱坩埚，外形尺寸偏差及厚度偏差可达0.02毫米。

Description

一种高精度无焊缝铱坩埚制造方法
技术领域
本发明涉及铱坩埚制造领域,尤其涉及一种高精度无焊缝铱坩埚制造方法。
背景技术
由于金属铱具有高密度(22.56g/cm3)，高熔点(2454℃)，耐高温、高硬度、高强度及耐酸碱腐蚀的特点，使用温度可达2200℃，被广泛地应用于生长高温晶体时用的坩埚容器及其它特殊场合，尤其当前航天事业的迅猛发展，对高精度铱制品的需求量在不断增加。
目前，铱坩埚加工方法主要有铸造法及塑性焊接法，铸造法是将铱粉或铱块经中频感应炉加热融化后，直接将铱溶液注入氧化镁或石墨模具中，铸成铱坩埚,虽然工艺简单,但是缺陷很多,最主要的是容易出现气孔、砂眼、内部夹层及疏松严重等缺陷，产品的密度与理论密度相差甚远,产品的密度只能达到18.86克/cm3。塑性焊接法制作的铱坩埚要比铸造法先进很多，有效避免了由于铸造法产生的气孔、夹层及疏松严重等缺陷，并且产品的密度接近铱的理论密度。塑性焊接法制作的铱坩埚，由于有焊缝存在，焊缝的缺陷是显而易见的，主要有焊接应力大、咬边、塌陷、气孔、未焊透及裂纹等焊缝缺陷，并且要求焊接操作人员的技术水平非常高。
上述2种方法制作的铱坩埚，产品质量不易控制。并且铱制品的尺寸精度很低，外形尺寸偏差在2毫米左右。对于精密尺寸的铱制品来说是达不到设计要求的，很难达到精细产品的水准，远远不能满足现在航天所用部件的高精度要求。采用板料旋压成形方法制造铱坩埚是很困难的,因为在室温时,铱的弹性模量高(538.3GPa)；泊松系数低(0.26)，因此具有很高的刚性。铱的晶界结合强度低，在外力作用下，容易发生穿晶脆断及沿晶脆断，即使加热至1200℃时，也具有很高的刚性。在制造方法中，加工技术难度非常大，有关高精度无焊缝铱坩埚加工方法，没有见到国内外有任何资料。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度无焊缝铱坩埚制造方法，用以克服上述技术缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种高精度无焊缝铱坩埚制造方法，该制造过程为：
步骤a，模具的制备；
初旋模具采用YG类硬质合金材料,加工并修磨至初旋模具的尺寸，斜角角度为45°，终成型模具修磨成坩埚内形的尺寸及形状；
步骤b，旋压工具的制备；
旋压工具包括旋压轮、顶板和赶刀，均采用硬质合金材料；
步骤c，铱坩埚的旋压成形过程；
步骤c1,将事先制好的铱圆板坯料紧紧地顶在初旋模具及顶板之间，在铱坯料的外表面不停地涂抹二硫化钼并保持到旋压过程结束,旋压设备采用C620G车床，初旋的转速为150转/min,先将初旋模具及顶板用氢氧气火焰加热至1000℃，并保持到加工结束；然后将铱坯料加热至1100-1200℃并保持，用赶刀匀力挤压铱坯料表面，每次变形量保持在10-15°斜角之间,使铱坯料缓慢而充分的变形；
步骤c2,在车床上换用终成型模具，将半成品的铱坯料紧紧地顶在终成型模具与顶板之间，车床的转速调整为250转/min，将终成型模具及顶板旋转加热至1000℃后，再将铱坯料加热至1100-1200℃，用旋压轮挤压铱坯料表面，每次变形量控制在斜角10°以内，直至完全贴附在终成型模具上；
步骤c3,旋压好的铱坯料里面会出现微量的缩纹，将终成型模具及顶板加热至900℃左右，把铱坯料装在终成型模具上，车床主轴转速调整在380转/min,加热至1000℃，用旋压轮碾压铱坯料表面，纵向走进速度控制在0.3毫米/转,横向进给量为0.1-0.2毫米，直至将铱坯料内表面紧紧地贴附在终成型模具上，内表面的缩纹消失；
步骤c4,车床转速调整到480转/min,将终成型模具、顶板、坯料加热至900℃，用旋压轮碾压铱坯料的圆周表面,纵向进给量0.082毫米,旋压至外圆直径所需尺寸,尺寸误差小于0.02毫米；
步骤c5,用立方氮化硼车刀，在常温下将已经成形铱坩埚的顶部切削至所需高度；
步骤c6,加工好的铱坩埚，无焊缝无接点，整体一次成形。
进一步地，制得的铱坩埚的公称直径在10-100mm之间。
进一步地，
所述的旋压轮采用普通碳钢作为刀杆材料，外套材料为YG类硬质合金，外套与刀杆之间用向心轴承采用过盈配合连接；
所述的顶板，采用YG类硬质合金作为顶板材料，顶板外圆与终成型模具外圆一致；
所述的赶刀，把圆柱形YG类硬质合金焊接在普通碳钢的刀杆上，把硬质合金的工作部位修磨成腰鼓形状。
进一步地，终成型模具的外圆修磨成比铱坩埚的内径尺寸小0.02毫米,旋压成形后,铱坩埚的内径尺寸在要求的公称尺寸的-0.01到+0.01毫米之间。
进一步地，铱坩埚的外径通过滚轮碾压，并保持温度900℃直至达到所需的尺寸，铱坩埚的外径尺寸偏差控制在0.02毫米之内。
与现有技术相比本发明的有益效果在于，本发明采用板料旋压成形的加工方法，用铱板直接旋压成形整体无焊缝铱坩埚，解决了因铸造法、焊接法无法达到铱坩埚高精度的要求。采用本发明可以生产直经为100毫米以下的高精度铱坩埚，外形尺寸偏差及厚度偏差可达0.02毫米。
具体实施方式
以下，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
本发明的高精度无焊缝铱坩埚制造方法的过程包括：
模具的制备；旋压工具的制备；旋压轮的制备；顶板的制备；赶刀的制备；铱坩埚的旋压成型过程。
上述制造高精度无焊缝铱坩埚的每种工艺及原理详细叙述如下：
步骤a，模具的制备：
初旋模具采用YG类硬质合金材料,加工并修磨至初旋模具的尺寸，斜角角度为45°，终成型模具修磨成坩埚内形的尺寸及形状；
步骤b，旋压工具的制备：
(1)旋压轮：旋压轮采用普通碳钢做为刀杆材料，外套材料为YG类硬质合金，外套与刀杆之间用向心轴承采用过盈配合连接。
(2)顶板：采用YG类硬质合金做为顶板材料，顶板外圆与终成型模具外圆一致。
(3)赶刀：把圆柱形YG类硬质合金焊接在普通碳钢的刀杆上，把硬质合金的工作部位修磨成腰鼓形状。
步骤c，铱坩埚的旋压成形过程：
步骤c1,将事先制好的铱圆板坯料紧紧地顶在初旋初旋模具及顶板之间，在铱坯料的外表面不停地涂抹二硫化钼并保持到旋压过程结束,旋压设备采用C620G车床，初旋的转速为150转/min,先将初旋模具及顶板用氢氧气火焰加热至1000℃，并保持到加工结束；然后将铱坯料加热至1100-1200℃并保持，用赶刀匀力挤压铱坯料表面，每次变形量保持在10-15°斜角之间,使铱坯料缓慢而充分的变形。
在旋至斜角45°的时候,此时,铱坯料的里面出现轻微的缩纹,改用旋压轮将铱坯料里面的缩纹旋压平，若缩纹继续加重，则会产生沿晶脆断甚至开裂。
步骤c2,在车床上换用终成型模具，将半成品的铱坯料紧紧地顶在终成型模具与顶板之间，车床的转速调整为250转/min，将终成型模具及顶板旋转加热至1000℃后，再将铱坯料加热至1100-1200℃，用旋压轮挤压铱坯料表面，每次变形量控制在斜角10°以内，直至完全贴附在终成型模具上；
步骤c3,旋压好的铱坯料里面会出现微量的缩纹，将终成型模具及顶板加热至900°℃左右，把铱坯料装在终成型模具上，车床主轴转速调整在380转/min,加热至1000℃，用旋压轮碾压铱坯料表面，纵向走进速度控制在0.3毫米/转,横向进给量为0.1-0.2毫米，直至将铱坯料内表面紧紧地贴附在终成型成型模具上，内表面的缩纹消失；
步骤c4,车床转速调整到480转/min,将终成型模具、顶板、坯料加热至900℃，用旋压轮碾压铱坯料的圆周表面,纵向进给量0.082毫米,旋压至外圆直径所需尺寸,尺寸误差小于0.02毫米；
步骤c5,用立方氮化硼车刀，在常温下将已经成形铱坩埚的顶部切削至所需高度。
步骤c6,加工好的铱制品，无焊缝无接点，整体一次成形，经计算测量达到了铱的理论密度。内外直径及厚度的尺寸误差小于0.02毫米，高于GB标准的100倍。
本发明采用上述方法制得的铱坩埚公称直径在10-100mm之间。
模具的外圆修磨成比铱坩埚的内径尺寸小0.02毫米,旋压成形后,铱坩埚的内径尺寸在要求的公称尺寸的-0.01到+0.01毫米之间。(如Φ30±0.01，尺寸在29.99至30.01毫米之间，偏差范围0.02毫米)
铱坩埚的外径通过滚轮碾压，并保持温度900℃直至达到所需的尺寸，铱坩埚的外径尺寸偏差控制在0.02毫米之内。
铱坩埚的外径尺寸，常温下在车床上用立方氮化硼车刀切削至所需的尺寸，(如Φ32±0.01，尺寸在31.99至32.01毫米之间，偏差范围0.02毫米)
GB/T1597-2004的国标中规定，铸造法铱坩埚的直径允许偏差±1-1.5毫米(偏差范围2-3毫米)；焊接法铱坩埚的直径允许偏差±1毫米(偏差范围2毫米)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高精度无焊缝铱坩埚的制造方法,其特征在于，该制造过程为：
步骤a，模具的制备；
初旋模具采用YG类硬质合金材料,加工并修磨至初旋模具的尺寸，斜角角度为45°，终成型模具修磨成坩埚内形的尺寸及形状；
步骤b，旋压工具的制备；
旋压工具包括旋压轮、顶板和赶刀，均采用硬质合金材料；
步骤c，铱坩埚的旋压成形过程；
步骤c1,将事先制好的铱圆板坯料紧紧地顶在初旋模具及顶板之间，在铱坯料的外表面不停地涂抹二硫化钼并保持到旋压过程结束,旋压设备采用C620G车床，初旋的转速为150转/min,先将初旋模具及顶板用氢氧气火焰加热至1000℃，并保持到加工结束；然后将铱坯料加热至1100-1200℃并保持，用赶刀匀力挤压铱坯料表面，每次变形量保持在10-15°斜角之间,使铱坯料缓慢而充分的变形；
步骤c2,在车床上换用终成型模具，将半成品的铱坯料紧紧地顶在终成型模具与顶板之间，车床的转速调整为250转/min，将终成型模具及顶板旋转加热至1000℃后，再将铱坯料加热至1100-1200℃，用旋压轮挤压铱坯料表面，每次变形量控制在斜角10°以内，直至完全贴附在终成型模具上；
步骤c3,旋压好的铱坯料里面会出现微量的缩纹，将终成型模具及顶板加热至900℃左右，把铱坯料装在终成型模具上，车床主轴转速调整在380转/min,加热至1000℃，用旋压轮碾压铱坯料表面，纵向走进速度控制在0.3毫米/转,横向进给量为0.1-0.2毫米，直至将铱坯料内表面紧紧地贴附在终成型模具上，内表面的缩纹消失；
步骤c4,车床转速调整到480转/min,将终成型模具、顶板、坯料加热至900℃，用旋压轮碾压铱坯料的圆周表面,纵向进给量0.082毫米,旋压至外圆直径所需尺寸,尺寸误差小于0.02毫米；
步骤c5,用立方氮化硼车刀，在常温下将已经成形铱坩埚的顶部切削至所需高度；
步骤c6,加工好的铱坩埚，无焊缝无接点，整体一次成形。
2.根据权利要求1所述的高精度无焊缝铱坩埚的制造方法,其特征在于，制得的铱坩埚的公称直径在10-100mm之间。
3.根据权利要求1所述的高精度无焊缝铱坩埚的制造方法,其特征在于，
所述的旋压轮采用普通碳钢作为刀杆材料，外套材料为YG类硬质合金，外套与刀杆之间用向心轴承采用过盈配合连接；
所述的顶板，采用YG类硬质合金作为顶板材料，顶板外圆与终成型模具外圆一致；
所述的赶刀，把圆柱形YG类硬质合金焊接在普通碳钢的刀杆上，把硬质合金的工作部位修磨成腰鼓形状。
4.根据权利要求3所述的高精度无焊缝铱坩埚的制造方法,其特征在于，终成型模具的外圆修磨成比铱坩埚的内径尺寸小0.02毫米,旋压成形后,铱坩埚的内径尺寸在要求的公称尺寸的-0.01到+0.01毫米之间。
5.根据权利要求4所述的高精度无焊缝铱坩埚的制造方法,其特征在于，铱坩埚的外径通过滚轮碾压，并保持温度900℃直至达到所需的尺寸，铱坩埚的外径尺寸偏差控制在0.02毫米之内。
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