CN106413947A - 用于制造可酸洗的金属部件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于制造金属部件(90)的方法，包括下述步骤：提供预成形部件(10)的步骤(100)，所述预成形部件(10)包括构成金属部件(90)的金属材料(20)，和限定所述金属部件(90)的形状的成型装置(30、40)；在预定压力和预定温度下使所述预成形部件(10)经受热等静压持续预定时间的步骤(200)；通过用酸洗剂(60)接触所述预成形部件(10)而去除所述成型装置(30、40)的步骤(300)；其特征在于，提供所述预成形部件(10)的步骤(100)包括向所述预成形部件(10)提供耐酸金属层(50)，其中所述耐酸金属层(50)利用电镀施加，并且其中所述耐酸金属层(50)被布置使得其保护所述金属材料(20)免于接触所述酸洗剂(60)。
Description
技术领域
本公开涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于制造金属部件的方法。本公开还涉及一种根据权利要求要求13的前序部分所述的包括致密金属材料制成的本体的金属部件。
背景技术
热等静压(HIP)是用于制造近净成形部件和高性能材料的优选方法。在HIP中，限定出部件的形状的包套通常用钢板制造。包套用金属或复合粉末填充，并承受高温高等静压，因此使得金属粉末冶金结合而形成具有锻件类似强度的致密部件。
酸洗是从HIP部件去除包套材料的最常见方法。因而，HIP部件浸在温硫酸(H2SO4)中足够时间段，使得包套材料全部被去除。这适合于具有复杂形状的部件，复杂形状使得难以通过加工将包套去除。当制造具有内腔的部件时，有时用实心型芯来限定内腔的形状。在HIP后，型芯通过加工和酸洗组合被去除。
但是，当使用低合金材料时，诸如碳钢、工具钢和复合材料，酸洗不适于包套或型芯的去除，这是因为低合金材料不能承受酸。在这种情况下，当包套或型芯已经被溶解时，部件的材料可能被酸腐蚀。
因此，加工经常用来去除包套材料。尽管加工是一种相当费时而且麻烦的方法，但其可用在简单几何形状的外表面上。然而，具有复杂表面的部件不能通过加工而全部去除包套，并且在这些情况下，至少部分包套材料必然留在部件上。此外，由于下列材料它们的高硬度和材料中非常高含量的硬质颗粒，一些材料(例如金属基质的复合材料(MMC))不能被加工。在这些情况下，因为必须避免MMC和加工工具之间的接触，所以包套必须被留在部件上。复杂几何形状的型芯更难通过加工而从HIP部件中去除，这限制了具有内部通道的部件的设计。
而且，在HIP工艺中，包套的焊缝是气密的并且在固化过程中也保持气密是非常重要的。任何泄露都会导致有废弃的部件。因此，在与包套的焊接接头接触的区域内的包套的内部的任何覆层都不影响焊缝质量是非常重要的。
本公开的一个方面是获得一种用于制造金属部件的方法，该方法能改正和/或克服现有技术的至少一个问题。
特别地，本公开的一个方面是实现一种能酸洗金属部件而对该金属部件没有不利影响的方法。
定义
术语“成型装置”表示下述物品或工具，该物品或工具在用于制造金属部件的创造性方法中使用，但该物品或工具不形成最终部件的组成部分，因此当金属部件成型后，该物品或工具应当被移除。这种“成型装置”的示例为型芯或模具或包套或模板。
术语“金属材料”表示如下材料，该材料是金属，或是金属和非金属相或颗粒的复合物。金属的示例是(但不限于)纯金属，或金属和其它元素的合金，例如钢。复合材料的非限制性示例是包括硬质颗粒的金属基质的复合材料，硬质颗粒例如但不限于WC、TiC、TaC、TiN，或金属基质中的硬质相，金属基质例如但不限于Ni、Co、Fe、Cr。
发明内容
根据本公开，至少一个上述方面通过用于制造金属部件90的本发明的方法而得到满足，所述方法包括下述步骤：提供预成形部件10，所述预成形部件10包括构成金属部件90的金属材料20，和限定金属部件90形状的成型装置30、40；在预定压力和预定温度下对预成形部件10进行热等静压持续预定时间；用酸洗剂60接触所述预成形部件10，从而去除成型装置30、40；其特征在于，提供预成形部件10的步骤100包括向预成形部件10提供耐酸金属层50，其中耐酸金属层50利用电镀施加，其中耐酸金属层50被布置使得其保护金属材料20免于接触酸洗剂60。
耐酸金属层提供酸洗剂的屏障，并且在去除HIP工艺中所使用的辅助成型装置(诸如型芯或包套)时保护金属部件。耐酸金属层的存在可以完全去除成型装置，而没有酸洗剂侵蚀部件的金属材料的风险。这反过来允许HIP部件的有效制造。进一步的优点在于，可以免除通过加工去除型芯和包套的相当复杂的步骤。本方法还可以制造现有技术中不能加工的具有复杂几何形状的部件。
使用电镀将耐酸金属层施加到预成形部件是一种简单有效的方法，其用于对复杂几何形状涂覆以预定厚度，例如，整个预成形部件可被涂覆。进一步的优点是在施加之后，镀层不需要加工。进一步的优点是所获得的镀层不像化学镀通常的那样包含任何磷，因此所获得的镀层不会影响焊缝，并且焊缝因此是气密的。
包括镍和/或铬的金属对酸洗剂(例如硫酸、盐酸)具有非常良好的耐酸性，因此提供对酸洗剂的有效屏障，并且在去除辅助成型装置的过程中有效保护金属部件。
根据如上下文限定的本公开的一个实施例，耐酸金属层50为镍金属。除对某些用在酸洗中使用的特定酸(如硫酸(H2SO4)和盐酸(HCl))具有良好的耐酸性之外，镍还具有高熔点，即，1455℃。这使得镍非常适合作为通过HIP工艺制造的金属部件中的耐酸金属层50，这是因为在HIP工艺的过程中的流行高温和高压下，镍保持其结构稳定性并且保持完好。镍还对碳有低亲和性。这在HIP工艺的过程中是重要的特征，这是因为镍由此会限制碳从金属材料和耐酸金属层50扩散的可能性。应该避免碳扩散，这是因为它会引起HIP部件中脆性相的形成。
镍金属可以具有至少95wt％的镍含量。残余由自然存在的杂质，如P、S、O、Fe、Cu、C和Si构成。特别地，磷含量低于5wt％以保持镍金属的高熔点是重要的。因此，耐酸金属层应该含有至少95wt％的镍金属，残余为自然存在杂质，其磷含量＜5wt％，诸如＜3wt％，诸如＜2wt％。耐酸金属层50对酸洗剂的耐酸性和在高温下的结构稳定性随着镍含量的增加而增加，因此镍含量可以至少为97wt％，诸如至少为98wt％，例如镍含量为95-98wt％或97-98wt％，并且其余为不可避免的杂质。
根据替代例，耐酸金属层50是铬。铬也是一种具有非常良好耐酸性的金属。铬的高熔点，即1857℃，使得其适于用作HIP工艺中的耐酸金属层50，因为其在HIP工艺的过程中保持完好。
根据替代例，耐酸金属层50包括5-20wt％的Ni和20-40wt％的Cr，其余为Fe。合金还包括额外元素，诸如Mn和/或Mo，这些元素也有助于耐蚀性，诸如镍基金属，如合金625、718和825。
耐酸金属层50可以具有50-200μm的厚度，诸如75-175μm，诸如75-125μm，诸如100μm。耐酸金属层应当至少厚50μm，以保证层是连续的，而没有孔隙，该孔隙会形成酸洗剂的进入点。完全没有孔隙的层的可能性随着层厚增加而增加。厚度的上限由涂覆工艺的限制而确定。在大厚度下，即，200μm之上，可能具有层脱落的趋势。
根据如上下文限定的方法，耐酸金属层50可以被布置在成型装置30、40和金属材料20之间。这保证成型装置在使用外部布置的HIP包套情况下可以从外向内溶解，或在使用型芯的情况下，从内向外溶解，因而当成型装置被完全溶解时，阻止酸洗剂接触部件。
耐酸金属层50可直接施加到成型装置30、40的外表面。这是将耐酸金属层施加到保护相邻的预成形部件的金属材料所处的位置的简单并且有效的手段。
根据如上下文限定的方法的一个替代例，成型装置30、40可以是限定金属部件90的至少一部分形状的包套30。在这个替代例中，耐酸金属层50可以直接施加到包套的内表面上，即面向金属材料的包套的那一侧。
根据本方法的一个替代例，金属部件90可以包括空腔92，由此成型装置30、40是限定空腔92的形状的型芯40。在该替代例中，耐酸金属层被直接施加到型芯的表面。
包套和型芯可由非常低合金化的钢(诸如铁)制造，其具有至少95wt％的铁含量并且其余为自然存在杂质，诸如Mn、C、Si、Mo和V。低合金钢和铁是用于成型装置的非常合适的材料，因为其将在短时间内溶解于硫酸。
根据如上下文限定的方法的一个实施例，去除型芯40涉及在型芯40中形成开口45。开口可以是凹槽、孔或通孔，其增加酸洗剂的侵蚀表面积。当型芯设有纵向孔或通孔时，因为型芯在其整个长度上从中心向外溶解，所以通过酸洗去除型芯的速率会增加，从而获得非常有效的去除型芯的方法。
去除型芯40的步骤可包括在型芯40的开口45内或通过开口45循环酸洗剂60。因为用过的酸洗剂被连续地从孔中除去，并且新酸洗剂被供应，所以酸洗剂的循环增加了型芯的溶解速率。
本公开还涉及一种金属部件90，所述金属部件90包括HIP金属材料制成的本体95，其中本体95的外表面91、93的至少一部分包括耐酸金属层50。外表面意指暴露在环境中的最终金属部件的表面。
金属部件90还包括如下本体95，所述本体95具有外壁91和内壁93以及被内壁93包围的空腔92，其中内壁93涂覆有耐酸金属层50。
金属部件的耐酸金属层(50)通过电镀施加。
根据本公开，如上下文限定的金属部件90是用于石油工业的雾化器喷嘴，或者是叶轮或阀轴。
附图说明
图1至图4：示意地示出本发明的方法的步骤。
图5：示意地示出本发明的方法制造的部件。
图6：示意地示出根据本发明的方法的替代例的预成形部件。
图7：示出本发明的方法的主要步骤的顺序的流程图。
具体实施方式
本公开将在下面参照包括内腔的金属部件的制作来详细描述。图7的流程图中示出本公开的主要步骤的一般顺序。图1至图6是示意性横截面侧视图。
在所描述的实施例中，获得的金属部件是用在石油工业中的雾化器喷嘴。雾化器喷嘴具有贯穿喷嘴孔。但是，应当理解，上下文中描述的本发明的方法适合于制造需要酸洗步骤的所有类型的部件，例如叶轮和阀部件。尽管所描述的实施例示出了具有贯穿喷嘴孔的部件，但是这不应被理解为限制本公开。本发明的方法还非常适合于制造具有实心横截面的部件，如杆、块和板，或例如辊的实心圆柱部件。
本发明的方法的第一步骤100中，提供了预成形部件。
因而型芯40被制造出来，图1示出了型芯4的横截面侧视图。型芯40将限定最终部件的内腔形状，即，雾化器喷嘴中的喷嘴孔。型芯由高纯度铁或低合金碳钢制造，诸如市售的SS2172。合适的钢的其它示例包括S355、S235、SS2142、SS2172、SS1650。这些钢以及铁相对便宜，可被例如硫酸或盐酸的市售酸洗剂迅速溶解。可以通过常规方法制造型芯40，诸如铸造、锻造和加工。显然，型芯可具有适于讨论的部件的任何形状。
根据如本公开上下文所限定的方法，型芯40设有耐酸金属层50。耐酸金属层50具有高于95％的镍金属含量。镍层通过电镀被施加在型芯的表面。然而，镍层也可以镍箔的形式施加。型芯的整个周向表面被镍涂覆，即，在随后的步骤中将会嵌入或接触部件的金属材料的型芯的所有表面都涂覆有镍。然而，根据讨论的部件，还能够仅在型芯的选择出来的表面上设置镍层。镍层为例如100μm厚。
型芯40被置于包套30中，见图2，包套30限定了最终部件的外部形状。当然，也能够围绕型芯建立包套30，在这种情况下，包套的部分能够直接附着到型芯上，例如包套能够附着到型芯的端部。包套通常由已经焊接到一起的钢板制造。包套的材料包括非常低合金化的钢或纯铁，即至少95％的铁含量。市售钢类型的示例为DC04或DC05、DC06、S235、S355。包套40和型芯30划定内部空间35，该内部空间35限定最终部件90的形式。根据如上下文限定的本方法，还能够将耐酸金属层50施加在包套的内表面上，即，面向内部空间35的包套的那一侧(未示出)。在随后的酸洗步骤去除包套时，耐酸金属层50将会保护下面的金属材料不与酸洗剂接触。
内部空间35填充有金属材料20的粉末，该金属材料20的粉末将构成最终金属部件的本体。金属材料粉末可以是适于讨论的金属部件的任何类型的材料，例如Ni合金、Co合金或Fe合金粉末或高速钢，如AISI M3∶2。金属材料20还可以是复合粉末，即，金属粉末和诸如碳化钨或碳化钛或诸如TiN的氮化物的硬质颗粒的混合物。使用呈实心件的金属材料也是可以的。在包套中填充粉末过程中，包套被振动，以压实粉末，之后包套被抽真空，并且通过焊接任何开口使之闭合而将包套密封，即，通过焊接使包套气密密封。型芯30、耐酸金属层50、包套40和金属粉末20的布置形成预成形部件10。
第二步骤200中，预成形部件10在预定压力和预定温度下进行热等静压持续预定时间，使得预成形部件变致密。在HIP过程中，粉末混合物的颗粒、包套、耐酸金属层和型芯相互冶金结合，因而获得致密、扩散结合、一致的HIP预成形部件。
预成形部件10由此放置在HIP室80中，见图3。HIP室被例如氩气的气体增压到500bar之上的等静压力。通常地，等静压力为900-1200bar。HIP室加热至低于熔点最低的材料的熔点或可以形成的相的熔点之下的温度。温度越接近熔点，形成熔融材料和不希望的相的风险越高。因此，在HIP工艺中，炉中温度应该尽可能得低。然而，低温时，扩散过程变慢，材料将会包含残余孔隙，颗粒间的冶金连接将会变弱。因此，温度优选为低于熔点最低的材料的熔点100-300℃，例如在900-1150℃的范围中，或在1000-1500℃的范围中。在HIP工艺中发生在包套中的材料之间的扩散过程依赖于时间，因此优选的是长HIP时间。然而，由于例如相的晶粒生长或过度溶解，过长的时间可能导致HIP材料的不良性能。优选地，根据讨论的部件的横截面尺寸，预成形部件应该进行HIP工艺达0.5-4小时的时间段。
第三步骤300中，通过使HIP预成形部件接触酸洗剂而对HIP预成形部件进行酸洗。
预成形部件10由此被置于包含酸洗剂60的容器65中，见图4。酸洗剂通常为能够溶解型芯和包套的材料的液体。优选地，酸洗剂是包括硫酸的液体。然而，酸洗用酸也可以是盐酸。优选的，酸洗剂是用水稀释的硫酸，例如10-15vol％的硫酸并且其余为水。容器65的尺寸和酸洗剂60的量被选择成使得待去除的预成形部件10的所有部件浸在酸洗剂60中。预成形部件留在酸洗剂中足够时间，以允许完全溶解型芯和包套。精确的酸洗时间取决于部件尺寸、型芯和包套的尺寸，而且必须在各个情况中确定。
还能够用酸洗剂仅接触预成形部件的选定部分，而不将整个预成形部件浸入酸洗剂中。例如，只有一部分部件可以浸在酸洗剂中，或酸洗剂被喷在或倒在预成形部件上。
为增加酸洗过程中的材料的去除率，并且因此降低酸洗时间，可以采用各种措施。如可以在型芯上加工开口。这可例如通过在型芯40上钻出钻孔45获得，使得酸洗用酸能够进入型芯的中心。并且同时去除型芯整个长度上的型芯材料。酸洗用酸还可以围绕预成形部件的包套循环，也可通过型芯中的孔45循环。循环可以通过泵实现。加热酸洗剂提高材料的去除率是可能的。酸洗剂因此可被加热到80-90℃。
在酸洗后，将最终部件从酸洗容器65去除。图5示意地示出部件90的最终形状。该部件包括致密的且扩散结合的金属材料20制成的本体95。本体95具有外壁91和内壁93以及通孔92，通孔92由现在已经完全去除的型芯40限定。耐酸金属层50留在内壁93的表面上。
尽管已经详细讨论过具体的实施例，但这仅用于说明性目的并且无意限制。特别地，预期是可在所附的权利要求范围内作出各种替换、替代和修改。
例如，图6示出本发明的方法的可替代实施例。在这种情况下，预成形部件10包括环形实心钢元件25，该环形实心钢元件25形成最终部件的一部分，如作为增强部。包套被焊接在环形钢元件25上，使得金属粉末20部分地被包套10包围，并且部分地被环形钢元件25包围。在建立预成形部件时，这种布置节省包套材料和制备时间。然而，在图4中所示的布置中，环形钢元件25暴露在环境中。根据本公开，环形钢元件25因此设置有耐酸金属层50，从而防止其在酸洗步骤过程中接触酸洗剂。
Claims (15)
1.一种用于制造金属部件(90)的方法，包括步骤：
-提供预成形部件(10)的步骤(100)，所述预成形部件(10)包括构成金属部件(90)的金属材料(20)；和成型装置(30，40)，所述成型装置限定所述金属部件(90)的形状；
-在预定压力和预定温度下使所述预成形部件(10)经受热等静压持续预定时间的步骤(200)；
-将所述预成形部件(10)通过与酸洗剂(60)接触而去除所述成型装置(30、40)的步骤(300)；
其特征在于，
提供所述预成形部件(10)的步骤(100)包括向所述预成形部件(10)提供耐酸金属层(50)，其中通过电镀施加所述耐酸金属层(50)，并且其中所述耐酸金属层(50)被布置成使得其保护所述金属材料(20)免于与所述酸洗剂(60)接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述耐酸金属层(50)包含具有至少95wt％的镍含量的镍金属，其余为自然存在的磷含量＜5wt％的杂质。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述耐酸金属层(50)是铬金属。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述耐酸金属层(50)是含镍和/或铬金属。
5.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述耐酸金属层(50)具有50-200μm的厚度。
6.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述耐酸金属层(50)被布置在所述成型装置(30、40)和所述金属材料(20)之间。
7.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述耐酸金属层(50)直接施加在所述成型装置(30、40)上。
8.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述成型装置(30、40)由铁或低合金碳钢制成。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中所述成型装置(30、40)是型芯(40)，所述型芯(40)限定了所述金属部件(90)中的空腔(92)的形状。
10.根据权利要求9所述的方法，其中去除所述型芯(40)涉及在所述型芯(40)中形成开口(45)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中去除所述型芯(40)涉及在所述型芯(40)的开口(45)中使酸洗剂(60)循环的步骤。
12.一种金属部件(90)，包括HIP金属材料制成的本体(95)，其特征在于，至少所述本体(95)的外表面(91、93)的一部分包括耐酸金属层(50)。
13.根据权利要求12所述的金属部件(90)，其中所述本体(95)包括外壁(91)、内壁(93)和被所述内壁(93)包围的空腔(92)，其中所述内壁(93)涂覆有耐酸金属层(50)。
14.根据权利要求12或13中的任一项所述的金属部件，其中所述耐酸金属层(50)通过电镀施加。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的金属部件(90)，其中所述金属部件(90)是雾化器喷嘴、叶轮或阀部件。
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