CN106868427A - 新型微粒喷丸丸粒及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了新型微粒喷丸丸粒及其制造方法。本发明微粒喷丸丸粒是一种球形度极高，且高强度、高硬度、高弹性、几乎不产生塑形变形的微粒喷丸丸粒；同时，本发明微粒喷丸丸粒具有喷丸效果好、喷丸效率高、喷丸质量稳定、材料寿命长等诸多优点。进一步的，本发明喷丸丸粒制造方法操作简便，且生产效率高，适宜大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金领域，具体而言，涉及新型微粒喷丸丸粒及其制造方法。
背景技术
喷丸是一种材料表面处理工艺，起于上个世纪20年代，是利用高速喷射出的喷丸，对工件的表面进行撞击，以提高零件的力学性能和改变表面状态的工艺方法。这种技术最先应用于汽车工业，后来逐渐扩大至飞机制造业和其他工业中。
喷丸的原理是在受喷材料的再结晶温度下，对其进行冷加工的方法，在加工过程中由高速的细小丸粒流在较高的速度下撞击材料表面，使材料表面产生塑形变形，形成残余压应力薄层，塑形变形的深度一般为0.1～0.8mm。通过喷丸可以提高零件的机械强度以及耐磨性、抗疲劳和耐蚀性等，还可以用于表面消光、去氧化皮和消除铸锻焊后的残余应力。
喷丸的效果除了与受喷材料有关，还受其他工艺参数的影响，包括丸粒的大小、种类、硬度、丸粒喷射速度、喷嘴与受喷面的距离和喷射角度、喷丸时间和覆盖率等，其中丸粒对喷丸质量有着决定性的作用。微粒喷丸指的就是丸粒尺寸在微米级的喷丸工艺技术。
由此可见，提高喷丸丸粒的性能对于提高喷丸工艺而言，是极为重要的，也非常有必要对于喷丸材料和制造工艺进行深入研究，从而进一步改善喷丸工艺的效果。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一是为了针对现有的技术不足之处，提供一种新型微粒喷丸丸粒，该丸粒具有高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀、弹性好、不易变形、球形度高等诸多优点，非常适合用于喷丸加工。
本发明的目的之二在于针对现有技术的不足之处，提供一种生产效率高、生产工艺简单的非晶态微粒喷丸丸粒的制造方法。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种新型微粒喷丸丸粒，所述微粒喷丸丸粒是由非晶合金材料制造得到的；
其中，所述非晶合金材料为铁基非晶合金、钴基非晶合金、镍基非晶合金、锆基非晶合金，或者钛基非晶合金。
非晶合金具体成分为FeCrMoCBP、FeNiCrBY、FeBSiNb、CoFeTaB、CoFeNbBSi、NiTiZrAl、NiNbTiZr、NiZrTi、ZrAlNiCuY、ZrTiY，或者TiZrCuNi系等非晶合金材料。
可选的，本发明中，所述微粒喷丸丸粒是具有高球形度和高流动性的金属粉末。
可选的，本发明中，所述微粒喷丸丸粒的直径为10～150μm，并在此范围内呈正态分布；
其中，最大概率得到的微粒喷丸丸粒的直径为50±10μm。
可选的，本发明中，所述微粒喷丸丸粒的维氏硬度为600～1600HV，弹性极限为2～3％。
同时，本发明还提供了所述新型微粒喷丸丸粒的制造方法，所述方法包括如下步骤：
a)根据微粒喷丸丸粒材料成分配比，称取所需合金原材料；
b)将合金原材料放入雾化炉的熔化坩埚内；
c)关闭雾化炉炉盖，开启真空系统，并将炉膛内抽真空至1×10-2Pa以下；然后，关闭真空系统，向炉膛内通入惰性气体至其压力为0.01～0.1MPa；
d)加热熔化合金原材料，并待合金原材料完全熔化后保温；同时，对雾化炉中的导流坩埚进行加热；
e)将保温后所得熔融态的合金材料导入导流坩埚内，并由导流坩埚上的导流管连续流出进入雾化室内；
f)将导入的熔融态的合金材料在雾化室内以高压惰性气体进行雾化，待雾化后所得合金冷却后收集，即为微粒喷丸丸粒。
可选的，本发明方法中，步骤c)和步骤f)中所述惰性气体分别独立的为氮气、氦气、氖气或者氩气中的一种或几种的混合惰性气体。
可选的，本发明方法中，所述惰性气体的纯度为＞99.9％。
可选的，本发明方法中，步骤d)中合金原材料的加热温度为1000～1600℃，保温的时间为30～60min。
可选的，本发明方法中，步骤f)中所述高压惰性气体的压力为0.3～10MPa。
可选的，本发明方法中，步骤f)中，离心雾化盘的转速为2000～10000r/min。与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)非晶合金材料有着极高的强度，相对与传统的铸铁喷丸丸粒，本发明非晶合金喷丸的强度要强3到10倍，在喷丸后不易产生裂纹，提高了使用寿命，节省了生产成本；
同时，本发明微粒喷丸丸粒还可以对许多高硬度材料进行喷丸强化，提高了喷丸技术的应用范围；
(2)本发明微粒喷丸丸粒拥有着极强的弹性性能，在喷丸过程中可以大大提高能量的利用率，可以大大提高表面的加工性能；
(3)本发明微粒喷丸丸粒几乎不产生塑形变形，在喷丸过程后任然会保持原始的形状，对喷丸工艺的质量有着较大的提高；
(4)通过本发明制备的微粒喷丸丸粒球形度好，几乎没有尖锐的棱角，大大提高了喷丸效果；
同时，所制得的微粒喷丸丸粒耐腐蚀性极好，可以长期保存使用，不会产生腐蚀，降低了生产成本并提高了生产效率。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明中，所述喷丸丸粒是一种球形度高的金属粉末，其直径可以达到微米级，因而本发明喷丸丸粒是一种微粒喷丸丸粒；进一步的，还可以通过喷枪将本发明微粒喷丸丸粒高速射出，并冲击材料表面，从而提高材料的力学性能；
由于本发明微粒喷丸丸粒是以非晶合金制造得到的，因而，其综合力学性能十分优秀，相较于传统的铸铁、陶瓷等材料的喷丸丸粒，本发明微粒喷丸丸粒具有高强度、高硬度、强耐腐蚀性、高弹性能能、疲劳强度高以及几乎不会产生形变的诸多的优点。
本发明微粒喷丸丸粒，主要是在惰性气体保护氛围中，利用锆基和/或钛基原料颗粒在高温下熔融后，再以气态雾化的方法制备微粒喷丸丸粒。制造方法具体包括如下步骤：
a)根据所要制造微粒喷丸丸粒材质的不同，选择合适的原材料，并按照所需各原材料的配比，准确称量各原料；
例如，如果想要制造合金材质的化学组成为FeCrMoCBP的微粒喷丸丸粒，就需要称量适量的Fe、Cr、Mo、C、B以及P，作为原料备用；
b)根据雾化炉中熔化坩埚的尺寸，将适量的原料按照配比放入坩埚中，同时需要保证合金在熔化后，不能超出坩埚容积的2/3，从而避免加热熔化过程中原料的溅出，进而保证所制得合金材料的化学组成与预先设计的组成相同；
c)然后，将雾化炉的炉盖关闭，并开启真空系统，将雾化炉炉膛抽真空至其气压达到1×10-2Pa以下，然后，关闭真空系统，并向雾化炉炉膛内充入惰性气体，至其气压达到0.01～0.1MPa；
此步骤中，所用惰性气体为氮气、氦气、氖气或者氩气中的一种或几种的混合惰性气体；优选的，此步骤中，所用惰性气体为氦气或氩气中的一种；更优选的，此步骤中，所用惰性气体为氩气；进一步的，所用惰性气体的纯度要大于99.9％；
同时，采用先抽真空，再充入惰性气体的方法，也能够有效保证雾化炉体系内的惰性气体环境，进而避免熔融过程中原料被氧化；
d)接着，就是对原材料以及导流坩埚的加热步骤，本发明中，是采用感应加热的方式，将合金原材料和进一步导流步骤中所用到的导流坩埚进行加热，并将加热的温度控制在1000～1600℃；
在将合金原材料熔融后，需要进一步的将合金原材料进行保温，以使得各原料间能够充分混合均匀；
同样的，也要对导流坩埚进行保温；
e)然后，将保温后所得熔融态的合金材料导入加热保温后的导流坩埚内，并由导流坩埚上的导流管连续流出进入雾化室内；
f)最后，就是将熔融的合金材料进行雾化造粒的步骤，雾化操作是在雾化室中进行的；
在雾化正式进行前，需要在雾化室内充入惰性气体，并使得惰性气体的气压能够达到0.3～10MPa；同时，调节雾化室内离心雾化盘的转速为2000～10000r/min；
在如上环境和各参数设置完成后，将导入的熔融态的合金材料进行雾化，并待雾化后所得合金冷却后收集，得到本发明的微粒喷丸丸粒。
实施例1
本实施例中制造的微粒喷丸丸粒，具体为用FeCrMoCBP非晶合金锭来制备微粒喷丸丸粒；
其制造方法是在高压惰性气氛中，通过气雾化制粉来制备的，具体步骤如下：
a)根据微粒喷丸丸粒材料成分配比，称取所需合金原材料；
b)根据雾化炉熔化坩埚的尺寸将原材料按配比放入坩埚内，合金熔化后体积不超过坩埚容积的三分之二；
c)关闭雾化炉炉盖，开启真空系统，并将炉膛内抽真空至1×10-2Pa以下；然后，关闭真空系统，向炉膛内通入纯度大于99.9％的氩气至其压力为0.1MPa；
d)开启加热系统，通过感应加热熔化合金原材料，加热的温度为1200℃；待合金原材料完全熔化后，保温60min；
同时，对雾化炉中的导流坩埚进行加热，并加热至1200℃；
e)将保温后所得熔融态的合金材料导入导流坩埚内，并由导流坩埚上的导流管连续流出进入雾化室内；
f)在雾化室内采用纯氩气作为雾化气体，雾化压力为10MPa，同时，将离心雾化盘的转速调节为9000r/min，然后将导入的熔融态的合金材料在雾化室内进行雾化；
待雾化后所得合金冷却后收集，即为实施例1的微粒喷丸丸粒。
然后，对实施例1所制得的微粒喷丸丸粒进行检测，检测结果为：维氏硬度为910HV，弹性极限为2％，弹性模量为180GPa，其球形度达到98％以上，使用寿命是ZG18号铸钢丸(JB/T 10174－2000标准)的17倍；同时，微粒喷丸丸粒还具有优良的耐腐蚀性能。
实施例2
本实施例中制造的微粒喷丸丸粒，具体为用CoFeTaB非晶合金锭来制备微粒喷丸丸粒；
其制造方法是在高压惰性气氛中，通过气雾化制粉来制备的，具体步骤如下：
a)根据微粒喷丸丸粒材料成分配比，称取所需合金原材料；
b)根据雾化炉熔化坩埚的尺寸将原材料按配比放入坩埚内，合金熔化后体积不超过坩埚容积的三分之二；
c)关闭雾化炉炉盖，开启真空系统，并将炉膛内抽真空至1×10-2Pa以下；然后，关闭真空系统，向炉膛内通入纯度大于99.9％的氩气至其压力为0.05MPa；
d)开启加热系统，通过感应加热熔化合金原材料，加热的温度为1140℃；待合金原材料完全熔化后，保温60min；
同时，对雾化炉中的导流坩埚进行加热，并加热至1100℃；
e)将保温后所得熔融态的合金材料导入导流坩埚内，并由导流坩埚上的导流管连续流出进入雾化室内；
f)在雾化室内采用纯氩气作为雾化气体，雾化压力为5MPa，同时，将离心雾化盘的转速调节为10000r/min，然后将导入的熔融态的合金材料在雾化室内进行雾化；
待雾化后所得合金冷却后收集，即为实施例1的微粒喷丸丸粒。
然后，对实施例2所制得的微粒喷丸丸粒进行检测，检测结果为：维氏硬度为1540HV，弹性极限为3％，弹性模量为240GPa，其球形度达到98％以上，使用寿命是ZG18号铸钢丸(JB/T 10174－2000标准)的25倍；同时，微粒喷丸丸粒还具有优良的耐腐蚀性能。
实施例3
本实施例中制造的微粒喷丸丸粒，具体为用系NiTiZrAl非晶合金锭来制备微粒喷丸丸粒；
其制造方法是在高压惰性气氛中，通过气雾化制粉来制备的，具体步骤如下：
a)根据微粒喷丸丸粒材料成分配比，称取所需合金原材料；
b)根据雾化炉熔化坩埚的尺寸将原材料按配比放入坩埚内，合金熔化后体积不超过坩埚容积的三分之二；
c)关闭雾化炉炉盖，开启真空系统，并将炉膛内抽真空至1×10-2Pa以下；然后，关闭真空系统，向炉膛内通入纯度大于99.9％的氩气至其压力为0.02MPa；
d)开启加热系统，通过感应加热熔化合金原材料，加热的温度为1200℃；待合金原材料完全熔化后，保温60min；
同时，对雾化炉中的导流坩埚进行加热，并加热至1000℃；
e)将保温后所得熔融态的合金材料导入导流坩埚内，并由导流坩埚上的导流管连续流出进入雾化室内；
f)在雾化室内采用纯氩气作为雾化气体，雾化压力为6MPa，同时，将离心雾化盘的转速调节为8000r/min，然后将导入的熔融态的合金材料在雾化室内进行雾化；
待雾化后所得合金冷却后收集，即为实施例1的微粒喷丸丸粒。
然后，对实施例3所制得的微粒喷丸丸粒进行检测，检测结果为：维氏硬度为775HV，弹性极限为3％，弹性模量为114GPa，其球形度达到95％以上，使用寿命是ZG18号铸钢丸(JB/T 10174－2000标准)的17倍；同时，微粒喷丸丸粒还具有优良的耐腐蚀性能。
实施例4
本实施例中制造的微粒喷丸丸粒，具体为用FeBSiNb非晶合金锭来制备微粒喷丸丸粒；
其制造方法是在高压惰性气氛中，通过气雾化制粉来制备的，具体步骤如下：
a)根据微粒喷丸丸粒材料成分配比，称取所需合金原材料；
b)根据雾化炉熔化坩埚的尺寸将原材料按配比放入坩埚内，合金熔化后体积不超过坩埚容积的三分之二；
c)关闭雾化炉炉盖，开启真空系统，并将炉膛内抽真空至1×10-2Pa以下；然后，关闭真空系统，向炉膛内通入纯度大于99.9％的氩气至其压力为0.1MPa；
d)开启加热系统，通过感应加热熔化合金原材料，加热的温度为1140℃；待合金原材料完全熔化后，保温60min；
同时，对雾化炉中的导流坩埚进行加热，并加热至1100℃；
e)将保温后所得熔融态的合金材料导入导流坩埚内，并由导流坩埚上的导流管连续流出进入雾化室内；
f)在雾化室内采用纯氩气作为雾化气体，雾化压力为10MPa，同时，将离心雾化盘的转速调节为10000r/min，然后将导入的熔融态的合金材料在雾化室内进行雾化；
待雾化后所得合金冷却后收集，即为实施例1的微粒喷丸丸粒。
然后，对实施例4所制得的微粒喷丸丸粒进行检测，检测结果为：维氏硬度为1050HV，弹性极限为3％，弹性模量为180GPa，其球形度达到98％以上，使用寿命是ZG18号铸钢丸(JB/T 10174－2000标准)的19倍；同时，微粒喷丸丸粒还具有优良的耐腐蚀性能。
本发明微粒喷丸丸粒强度高、硬度高且耐磨、耐腐蚀、弹性好、不易变形，同时球度高，十分适用于喷丸加工。同时，本发明微粒喷丸丸粒制造工艺简单，而且生产效率高，适于工业化大规模制造喷丸丸粒。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明的保护范围的限制，尽管参照了较佳的实施例对本发明做了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行了修改和等同性替换，不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种新型微粒喷丸丸粒，其特征在于，所述微粒喷丸丸粒是由非晶合金材料制造得到的；
其中，所述非晶合金材料为铁基非晶合金、钴基非晶合金、镍基非晶合金、锆基非晶合金，或者钛基非晶合金。
2.根据权利要求1所述的新型微粒喷丸丸粒，其特征在于，所述微粒喷丸丸粒是具有高球形度和高流动性的金属粉末。
3.根据权利要求1所述的新型微粒喷丸丸粒，其特征在于，所述微粒喷丸丸粒的直径为10～150μm，并在此范围内呈正态分布；
其中，最大概率得到的微粒喷丸丸粒的直径为50±10μm。
4.根据权利要求1所述的新型微粒喷丸丸粒，其特征在于，所述微粒喷丸丸粒的维氏硬度为600～1600HV，弹性极限为2～3％，弹性模量为150～280GPa。
5.权利要求1～4中任一项所述新型微粒喷丸丸粒的制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
a)根据微粒喷丸丸粒的材料成分配比，称取所需合金原材料；
b)将合金原材料放入雾化炉的熔化坩埚内；
c)关闭雾化炉炉盖，开启真空系统，并将炉膛内抽真空至1×10-2Pa以下；然后，关闭真空系统，向炉膛内通入惰性气体至其压力为0.01～0.1MPa；
d)加热熔化合金原材料，并待合金原材料完全熔化后保温；同时，对雾化炉中的导流坩埚进行加热；
e)将保温后所得熔融态的合金材料导入导流坩埚内，并由导流坩埚上的导流管连续流出进入雾化室内；
f)将导入的熔融态的合金材料在雾化室内以高压惰性气体进行雾化，待雾化后所得合金冷却后收集，即为微粒喷丸丸粒。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，步骤c)和步骤f)中所述惰性气体分别独立的为氮气、氦气、氖气或者氩气中的一种或几种的混合惰性气体。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述惰性气体的纯度为＞99.9％。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤d)中合金原材料的加热温度为1000～1600℃，保温的时间为30～60min。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤f)中所述高压惰性气体的压力为0.3～10MPa。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤f)中，离心雾化盘的转速为2000～10000r/min。
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