CN107620004A - 一种Fe‑Mn‑Al系列合金的粉末冶金制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Fe‑Mn‑Al系列合金的粉末冶金制备方法，属于粉末冶金制备技术领域。首先将铝粉、锰粉和铁粉混合均匀得到Fe‑Mn‑Al混合粉；在氩气保护下，将得到的Fe‑Mn‑Al混合粉熔炼为合格的合金液体，然后将合金液体注入位于雾化喷嘴之上的中间包内，合金液由中间包底部漏眼流出，通过HK‑03型环孔喷嘴时与压力为6MPa的高速氩气气流相遇被雾化为细小液滴，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成Fe‑Mn‑Al合金粉末，过100目标注筛；将得到的Fe‑Mn‑Al合金粉末压制成型，在氢气环境中，升温至温度为800～1200℃烧结4～8h，烧结完成后，随炉冷却降温至室温，制备得到块状Fe‑Mn‑Al合金。本方法得到的Fe‑Mn‑Al合金的耐腐蚀性能、比强度和高温抗氧等化性得到了极大的提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种Fe-Mn-Al系列合金的粉末冶金制备方法，属于粉末冶金制备技术领域。
背景技术
Fe-Mn-Al合金具有较高的强度、比重轻，同时有很好的耐腐蚀性能、高温抗氧化性能、高电阻、低电导率，及价格低廉等显著特点，是很有发展前途的高温结构材料。目前，作为高温结构材料的有序金属间化合物，国内外重点研究并取得重大进展的主要为Ni-Al系、Ti-Al系和Fe-Al系的A3B个AB型铝化物。Fe-Al系金属间化合物，由于不含战略元素，成本低，具有优异的抗氧化性、抗腐蚀性和较高的高温强度。单一的Fe-Al合金材料强度较低，脆性较大。在Fe-Al系金属间化合物的基础上添加Mn元素，将会生成DO3([Fe、Mn]3Al)、B2([Fe、Mn]Al)有序相，从而显著提高合金的强度和综合力学性能。
在Fe-Mn-Al合金制备方法中，熔铸法和粉末冶金法是比较常见的制备方法。传统的熔铸方法是将原料通过真空感应熔炼或真空电弧熔炼的方法进行熔炼，然后通过细化晶粒或相关热处理工艺来改善质量与性能，该法的原料一般为纯金属锭。缺点是液态金属间化合物的流动性较差，凝固时补缩困难，容易产生缩孔或缩松，产生微裂纹，使铸件性能降低。粉末冶金法是将金属粉末按照一定比例配比，通过真空球磨是粉末混合均匀，将粉末压制成胚料，然后在烧结设备中进行真空烧结。该法的原料一般为高纯金属粉末。该法的缺点是成本高，难以获得高的致密度，从而显著影响材料的强度、塑性和综合力学性能。另外，升温速率和烧结温度对材料组织和成分有较大影响，工艺较为复杂。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种Fe-Mn-Al系列合金的粉末冶金制备方法。本方法首先通过气雾化法制备得到Fe-Mn-Al合金化粉末，将纳米粉体挤压成块状，采用真空双管加热炉在氢气环境中烧结实现再次Fe-Mn-Al合金化，得到Fe-Mn-Al块状合金。烧结时还原性气体的使用有效降低粉末的氧化，减少其他氧化物杂质的产生，运用纳米技术制备的Fe-Mn-Al合金晶粒得到细化，同时得到的Fe-Mn-Al合金的耐腐蚀性能、比强度和高温抗氧等化性得到了极大的提高。本发明通过以下技术方案实现。
一种Fe-Mn-Al系列合金的粉末冶金制备方法，其具体步骤如下：
（1）首先将铝粉、锰粉和铁粉按质量比为10～12：20～29：59～70混合均匀得到Fe-Mn-Al混合粉；
（2）在氩气保护下，将步骤（1）得到的Fe-Mn-Al混合粉熔炼为合格的合金液体，然后将合金液体注入位于雾化喷嘴之上的中间包内，合金液由中间包底部漏眼流出，通过HK-03型环孔喷嘴时与压力为6MPa的高速氩气气流相遇被雾化为细小液滴，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成Fe-Mn-Al合金粉末，过100目标注筛；
（3）将步骤（2）得到的Fe-Mn-Al合金粉末压制成型，在氢气环境中，升温至温度为800～1200℃烧结4～8h，烧结完成后，随炉冷却降温至室温，制备得到块状Fe-Mn-Al合金。
所述步骤（3）中压制成型的压制力为350～450MPa。
所述步骤（3）氢气环境为氢气流量60～160mL/min。
本发明的有益效果是：
（1）本发明制备的Fe-Mn-Al轻质高强合金宏观硬度达到45HRC以上，抗拉强度达到940MPa以上，密度可以达到6.40g/cm3；
（2）本发明运用气雾化法制备预合金粉，并细化了结晶结构，消除了偏析；
（3）本发明运用氢气气体能够使在机械混合过程中生成氧化物的粉末原位还原并合金化，这样有效防止了在Fe-Mn-Al合金化过程中产品的氧化，避免杂质产生；
（4）考虑到Al元素相对密度较低，降低了合金密度，本发明Al含量控制在10-12%；锰作为主要合金元素加入，一方面在基体中产生了明显的固溶强化，另一方面Al会与基体Fe-Al合金形成DO3([Fe、Mn]3Al)、B2([Fe、Mn]Al)有序相，产生明显的固溶强化；
（5）本发明所述方法相对简单，可靠，制备的Fe-Mn-Al合金强度高、质量轻、抗氧化性能和抗腐蚀性能较好，因而在航空航天工业、汽车工业、航海器件和能源转换系统等方面有广泛的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
该Fe-Mn-Al系列合金的粉末冶金制备方法，其具体步骤如下：
（1）首先将纳米级铝粉、锰粉和铁粉按质量比为11：25：64混合均匀得到Fe-Mn-Al混合粉；
（2）在氩气保护下，将步骤（1）得到的Fe-Mn-Al混合粉在感应炉中升温至1450℃熔炼1h得到合格的合金液体，然后将合金液体注入位于雾化喷嘴之上的中间包内，合金液以1.8kg/min流速由中间包底部漏眼流出，通过HK-03型环孔喷嘴时与压力为6MPa的高速氩气气流相遇被雾化为细小液滴，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成Fe-Mn-Al合金粉末，过100目标注筛；
（3）将步骤（2）得到的Fe-Mn-Al合金粉末压制成型（压制成型的压制力为400MPa），在氢气环境中（氢气环境为氢气流量110mL/min），升温至温度为1000℃烧结6h，烧结完成后，随炉冷却降温至室温，制备得到块状Fe-Mn-Al合金。
实施例2
该Fe-Mn-Al系列合金的粉末冶金制备方法，其具体步骤如下：
（1）首先将纳米级锰铝粉、锰粉和铁粉按质量比为10：20：70混合均匀得到Fe-Mn-Al混合粉；
（2）在氩气保护下，将步骤（1）得到的Fe-Mn-Al混合粉在感应炉中升温至1450℃熔炼1h得到合格的合金液体，然后将合金液体注入位于雾化喷嘴之上的中间包内，合金液以1.8kg/min流速由中间包底部漏眼流出，通过HK-03型环孔喷嘴时与压力为6MPa的高速氩气气流相遇被雾化为细小液滴，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成Fe-Mn-Al合金粉末，过100目标注筛；
（3）将步骤（2）得到的Fe-Mn-Al合金粉末压制成型（压制成型的压制力为350MPa），在氢气环境中（氢气环境为氢气流量60mL/min），升温至温度为800℃烧结8h，烧结完成后，随炉冷却降温至室温，制备得到块状Fe-Mn-Al合金。
实施例3
该Fe-Mn-Al系列合金的粉末冶金制备方法，其具体步骤如下：
（1）首先将纳米级铝粉、锰粉和铁粉按质量比为12：29：59混合均匀得到Fe-Mn-Al混合粉；
（2）在氩气保护下，将步骤（1）得到的Fe-Mn-Al混合粉在感应炉中升温至1450℃熔炼1h得到合格的合金液体，然后将合金液体注入位于雾化喷嘴之上的中间包内，合金液以1.8kg/min流速由中间包底部漏眼流出，通过HK-03型环孔喷嘴时与压力为6MPa的高速氩气气流相遇被雾化为细小液滴，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成Fe-Mn-Al合金粉末，过100目标注筛；
（3）将步骤（2）得到的Fe-Mn-Al合金粉末压制成型（压制成型的压制力为450MPa），在氢气环境中（氢气环境为氢气流量160mL/min），升温至温度为1200℃烧结4h，烧结完成后，随炉冷却降温至室温，制备得到块状Fe-Mn-Al合金。
表1本发明实施例1~3制备得到的Fe-Mn-Al合金的性能
以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (3)
1.一种Fe-Mn-Al系列合金的粉末冶金制备方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）首先将铝粉、锰粉和铁粉按质量比为10～12：20～29：59～70混合均匀得到Fe-Mn-Al混合粉；
（2）在氩气保护下，将步骤（1）得到的Fe-Mn-Al混合粉熔炼为合格的合金液体，然后将合金液体注入位于雾化喷嘴之上的中间包内，合金液由中间包底部漏眼流出，通过HK-03型环孔喷嘴时与压力为6MPa的高速氩气气流相遇被雾化为细小液滴，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成Fe-Mn-Al合金粉末，过100目标注筛；
（3）将步骤（2）得到的Fe-Mn-Al合金粉末压制成型，在氢气环境中，升温至温度为800～1200℃烧结4～8h，烧结完成后，随炉冷却降温至室温，制备得到块状Fe-Mn-Al合金。
2.根据权利要求1所述的Fe-Mn-Al系列合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中压制成型的压制力为350～450MPa。
3.根据权利要求1所述的Fe-Mn-Al系列合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：所述步骤（3）氢气环境为氢气流量60～160mL/min。
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