CN109173690A - 一种用于金属材料热处理中的空气消耗剂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于金属材料热处理中的空气消耗剂，它由诱导材料、反应材料和催化剂复配而成，所述诱导材料为La、Ce、Pr、Nd、Sm粉末中的一种或几种；所述反应材料为Mg、Al、Ca粉末中的一种或几种，所述催化剂由Ni或Fe粉末组成；该消耗剂材料配比合理，在高温下，短时间内能协同催化将密闭环境中的活性气体消耗，并且不发生二次分解，能够使得金属材料在热处理过程中始终保持低氧状态，进而获得致密的组织结构和良好的性能。本发明适用于对稀土金属功能材料进行热加工时去除密闭加热设备环境中的空气。

Description

一种用于金属材料热处理中的空气消耗剂
技术领域
本发明属于金属材料热处理领域，涉及一种用于金属材料热处理中的空气消耗剂。
背景技术
在金属材料制备工艺中，热处理是调控材料成分和微观结构的关键工艺步骤，近年来，由于金属功能材料产业的高速发展，对金属功能材料的微观结构和成分提出了越来越高的要求，而金属功能材料的微观结构与其热处理环境及热处理工艺息息相关。
在金属材料热处理工艺中，高真空度是保证金属材料在热处理过程中不发生化学转变的关键因素，这是由于该步骤通常需要较高温度（400℃~1500℃），在该温度范围内，大部分金属材料均能够与空气中的氮气、氧气、二氧化碳气体和水蒸汽发生反应生成相应的化合物，并且在较高温度下，该化合物又可逆向分解为金属单质及对应气体，这种低温合成、高温分解的反应历程会显著影响金属材料微观结构上的稳定性及化学活性，使得金属材料的特定功能性质受到破坏。因此，为了避免空气对金属材料在热处理过程中的影响，通常采用真空化方式将金属材料所处空间环境通过气体输送装置转变成高真空状态。目前，所采用的气体输送装置通常为旋片泵与罗茨泵和扩散泵联用的真空系统，虽然这种常用的真空系统能够将金属材料所处环境气压降低至10-3Pa，但是由于热处理设备与真空系统连接处通常采用胶圈一次密封，在外界大气压大而设备内真空状态的压差下，难以阻断空气向设备内的扩散，使得金属材料在热处理过程中难以保持低氧及低空气含量的状态，在金属材料的热处理过程中，会与微量的空气进行反应，导致金属热处理过程中相应的晶格缺陷，造成金属材料性能下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题，是提供一种用于金属材料热处理中的空气消耗剂，该消耗剂材料配伍合理，在高温下，短时间内能协同催化将密闭环境中的活性气体（如氮气、氧气和二氧化碳等）消耗，并且不发生二次分解，能够使得金属材料在热处理过程中始终保持低氧状态，进而获得致密的组织结构和良好的性能。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种用于金属材料热处理中的空气消耗剂，它由诱导材料、反应材料和催化剂复配而成，所述诱导材料为La、Ce、Pr、Nd、Sm粉末中的一种或几种；所述反应材料为Mg、Al、Ca粉末中的一种或几种，所述催化剂由Ni和Fe粉末组成。
在本发明中，采用金属镍、铁作为催化剂，使密闭环境中的氮气在其表面分解成活性氮原子后再与诱导材料发生化学反应生成稀土氮化物（由于氮气比较稳定，稀土氮化物的形成是比较困难的），该反应能够提供较为集中的热量，使得空气消耗剂中的反应材料能够由稳定相结构转变为活泼相结构；该过程具备较高的反应活性，而这一具有反应活性的金属又能与诱导材料形成合金体系，在该合金体系下，诱导材料与反应材料协同催化，形成稳定的热平衡体系，即在与空气中的各组分反应时，不会产生过高热量而影响密闭空间内热处理金属材料的温度环境；
本发明中采用诱导材料、反应材料和催化剂复配后，利用不同金属的化学活性，使空气消耗剂中的金属元素能够分阶段、协同催化空气中的氧气、氮气、二氧化碳和水蒸气，反应生成稳定的化合物，并且在工作温度450℃~1100℃下不再因高温因素发生二次分解，保证密闭空间内气压的稳定性。
作为本发明的限定：
所述诱导材料、反应材料及催化剂的重量比为1:0.5~2:0.05；
诱导材料、反应材料及催化剂的复配比例是至关重要的，这主要体现在诱导材料在与空气接触过程中优先与氧气或氮气发生反应并产生反应热，该反应热诱发反应材料继续与大量的空气进行快速、全面的反应生成相应的化合物，催化剂能够活化空气中的气体分子，降低其与诱导材料和反应材料发生化学反应的能量壁垒，加速反应的进行。当诱导材料过少，反应材料过多时，其产生的反应热若不足以使反应材料活化，则整体反应无法进行；若诱导材料过多，反应材料过少时，会导致诱导材料产生大量反应热无法被反应材料消耗，这些热量会诱发热处理产品与空气反应，对产品性能产生不良影响。
所述诱导材料、反应材料及催化剂混合均匀后，在氩气保护下于0.5~10MPa压制成片状；
当压片过程中压力小于0.5MPa时，会导致消耗剂结构松散，在反应过程中易发生脱落，不利空气消耗反应的进行和最终回收；当压力大于10MPa时会使空气消耗剂过于致密，难以与空间内的空气进行充分接触，阻碍空气消耗效率；
所述诱导材料的粒径为0.1-1mm，反应材料的粒径为0.1-1mm, 催化材料的粒径为0.1-1mm；
诱导材料、反应材料及催化剂的粒径是至关重要的，这主要是因为粒径是决定消耗剂反应进行程度的关键因素，当粒径过大时，会使空气与消耗剂的充分接触受到阻碍，降低空气消耗程度，当粒径过小时会导致在消耗剂制备过程中有部分活性物质与空气进行反应，降低有效活性物质含量。
所述空气消耗剂的适用温度为450℃~1100℃。
本发明还有一种限定，它按照如下的使用方法进行：
（1）在密闭环境中按照100g/m3的剂量，升温至180℃~260℃，保温20min；
（2）将密闭环境升温至450℃~600℃，保温20min，即可消耗密闭环境下的空气；
在本发明的空气消耗剂使用过程中，它是与要热处理的目标材料一同放置于密闭容器中，在消耗空气的过程中，分为两个阶段，第一阶段180℃~260℃下，发生氧气消耗反应；第二阶段450℃~600℃下，发生氮气、二氧化碳和水蒸气的消耗反应；
在稀土金属功能材料热处理过程中，低温热扩散阶段及中温晶相形成阶段是必然要经过的热处理阶段，在该阶段中，温度为600-800℃，保温时间为60-120min，中温阶段的温度为800-1000℃，保温时间为60-1000min，在这两个阶段中，如果密闭的环境下存在空气，部分热处理材料在低温及中温阶段下会与空气中的氧气、氮气、二氧化碳或者水蒸汽等进行反应，直接影响到材料的扩散、晶相的纯度及晶格的完整性；本发明的空气消耗剂与稀土金属功能材料在热处理前，一同放置于密闭的热处理设备中，在热处理设备的区域中，空气消耗剂放置于密闭热处理设备的顶部区域，需要进行热处理的材料放置于密闭热处理设备的下部区域，在加热过程中，先经过空气消耗剂的两个加热保温阶段，此时，密闭环境中的空气会被消耗，而温度在升高后，热处理材料才会进行相扩散和晶相形成，在后续阶段中不会受到空气的干扰，保证了其性能。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
本发明提供了一种用于金属材料热处理中的空气消耗剂，该消耗剂材料配伍合理，在高温下，短时间内能协同催化将密闭环境中的活性气体（如氮气、氧气和二氧化碳等）消耗，并且不发生二次分解，能够使得金属材料在热处理过程中始终保持低氧状态，进而获得致密的组织结构和良好的性能。
本发明适用于对稀土金属功能材料进行热加工时去除密闭加热设备环境中的空气。
本发明下面将结合具体实施例作进一步详细说明。
具体实施方式
下述实施例中所用的试剂，如无特殊说明均为市售的试剂，所用的实验方法如无特殊说明均为现有的实验方法。
实施例1 一种用于金属材料热处理中的空气消耗剂
以金属La粉末为诱导材料，金属Mg粉为反应材料，金属Ni粉为催化剂，按诱导材料:反应材料:催化剂=1:1.5:0.05的重量比，在氩气气氛保护下混合均匀，并在10 MPa压力下压制成直径为10mm的圆片。将该圆片置于内部空间为1L的密闭容器顶部。
将容器以10℃/min的升温速率由室温加热至在200℃后保温20min，随后升温至550℃，保温20min。
通过对密闭容器内部压力进行动态监测，在温度提升至100℃后，容器内部压力开始下降，在200℃下保持20min的过程中，内部压力下降至300Pa，随着温度的持续升高，达到550℃时，容器内部压力降低至3Pa，该结果表明空气消耗剂能够快速，完全的消耗掉容器内的活性气体。
实施例2-6 用于金属材料热处理中的空气消耗剂
实施例2-6分别为一种用于金属材料热处理中的空气消耗剂，与实施例1不同的是：空气消耗剂的成分以及配比不同，具体见下表。
实施例2-6所提供的空气消耗剂能够快速，完全的消耗金属材料热处理密闭容器内的活性气体，经过处理后，密闭容器内的压力能快速达到2.8-3.3Pa。
实施例7 对比例
本实施例分别为不同组分的用于金属材料热处理中的空气消耗剂，其空气消耗剂的压片压力与实施例1相同，使用方法也与实施例1相同，不同之处仅在于：空气消耗剂的配方不同，具体的配方如下。
A组，诱导材料为La粉，反应材料Mg，催化剂Mn；
B组，诱导材料为La粉，反应材料B，催化剂Cu；
C组，诱导材料为La粉，反应材料Mg；
D组，反应材料Mg，催化剂为Ni；
E组，诱导材料为La粉，催化剂为Ni；
F组，诱导材料为La粉，反应材料Co，催化剂Mn。
将A-F组空气消耗剂放置于密闭的设备中，按照实施例1的使用方法对密闭容器进行升温，结果显示：密闭容器内部最终压力均在3000Pa以上，A-F组的空气消耗剂对于密闭环境下消耗空气的效果远不如本发明的效果好，这主要是因为在A-F组材料中，诱导材料、反应材料和催化剂在复配后，各原子在反过程中，能垒较高，其协同催化作用较弱，导致其在与空气中的氧气及氮气等物质反应时，无法快速的与密闭容器内部空气进行反应。
实施例1-5，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明所作的其它形式的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述技术内容作为启示加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但凡是未脱离本发明权利要求的技术实质，对以上实施例所作出的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种用于金属材料热处理中的空气消耗剂，其特征在于：它由诱导材料、反应材料和催化剂复配而成，所述诱导材料为La、Ce、Pr、Nd、Sm粉末中的一种或几种；所述反应材料为Mg、Al、Ca粉末中的一种或几种，所述催化剂由Ni或Fe粉末组成。
2.根据权利要求1所述的一种用于金属材料热处理中的空气消耗剂，其特征在于：所述诱导材料、反应材料及催化剂的重量比为1:0.5~2:0.05。
3.根据权利要求1所述的一种用于金属材料热处理中的空气消耗剂，其特征在于：所述诱导材料、反应材料及催化剂混合均匀后，在氩气保护下于0.5~10MPa压制成片状。
4.根据权利要求1所述的一种用于金属材料热处理中的空气消耗剂，其特征在于：所述诱导材料的粒径为0.1-1mm，反应材料的粒径为0.1-1mm, 催化材料的粒径为0.1-1mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于金属材料热处理中的空气消耗剂，其特征在于：所述空气消耗剂的适用温度为450℃~1100℃。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种用于金属材料热处理中的空气消耗剂，其特征在于，它按照如下的使用方法进行：
（1）在密闭环境中按照100g/m3的剂量，升温至180℃~260℃，保温20min；
（2）将密闭环境升温至450℃~600℃，保温20min，即可消耗密闭环境下的空气。
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