CN109689905B

CN109689905B - 金属基体复合材料铸件

Info

Publication number: CN109689905B
Application number: CN201780054317.5A
Authority: CN
Inventors: K.F.多尔曼; X.唐
Original assignee: Weir Minerals Australia Ltd
Current assignee: Weir Minerals Australia Ltd
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2021-12-21
Anticipated expiration: 2037-08-04
Also published as: CL2019000297A1; WO2018023171A1; EP3507388A4; AU2017306581A1; PH12019500234A1; EP3507388A1; CN109689905A; AU2017306581B2; BR112019002148A2; BR112019002148B1; PE20190647A1

Abstract

一种金属基体复合铸件，其包括(a)以下主体金属的一种或多种：钛、锆、铪和钽，和(b)包含所述主体金属的至少一种的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的至少一种、和典型地两种或更多种的难熔粒子的分散体。

Description

金属基体复合材料铸件

技术领域

本发明涉及耐腐蚀的且耐磨的金属基体复合材料的铸件。

本发明还涉及铸造金属基体复合材料的方法。

背景技术

本发明的金属基体复合材料铸件尤其适于作为需要耐严重腐蚀性和耐磨性的组合的组件使用。

适合的组件的实例包括，例如在高压酸浸(HPAL)设备(工厂，plant)中的组件，其暴露于输送在HPAL设备中的在高的温度和压力条件下的高度腐蚀和侵蚀的矿物淤浆。所述组件包括例如搅动机桨叶。所述组件还包括例如用于在HPAL设备中典型地在高至200-250℃的温度、高至5MPa的压力和高至340m/s的速度下运送淤浆的阀门的内部件(即统称为阀内件(valve trim))。HPAL设备中高的温度和压力使矿物淤浆的腐蚀性显著增大。矿物淤浆中夹带的固体和高的速度导致搅动机桨叶、阀门的内部件和与矿物淤浆接触的其它组件的暴露表面的侵蚀。这些条件的整体(综合)效果为所述组件的内部件的暴露表面的高的磨损速率。

总的来说，HPAL设备中与上述的矿物淤浆接触的搅动机桨叶、阀门的内部件和其它组件需要耐热冲击性、耐侵蚀性和耐严重腐蚀性。

HPAL设备中的这些组件典型地由如下制造：(a)选自碳化钨、碳化硅和部分稳定氧化锆(PSZ)的经由烧结的难熔材料，(b)合金，其包括基于钴的合金(例如合金6)，和(c)硬面(表面硬化的，hardfaced)钛合金。对于所述设备，一直渴望找到这些材料的替代物的，因为这些材料无法表现得令人满意或是过于昂贵的。

本发明提供这些材料的替代物。

发明内容

本发明提供一种金属基体复合材料铸件，其包括主体金属(主要金属，hostmetal)钛、锆、铪和钽的任意一种或不止一种的分散在所述主体金属的至少一种的基体中的碳化物和/或氮化物和/或硼化物粒子。

更具体地，本发明提供金属基体复合材料铸件，其包括(a)以下主体金属的一种或多种：钛、锆、铪和钽，和(b)包含所述主体金属的至少一种的两种或更多种碳化物和/或氮化物和/或硼化物的难熔粒子的分散体。

术语“难熔粒子”在本文中被理解为意指熔点>2900℃的材料的粒子。

在基体的上下文中使用的术语“主体金属”可包括所述主体金属之一而不包括其它主体金属。

在基体的上下文中使用的术语“主体金属”还可包括金属钛和/或锆和/或铪和/或钽的合金。

主体金属还可包含浓度小的(典型地至多6重量％、更典型地至多2重量％)作为故意添加物或作为无法避免的杂质的其它元素。例如，主体金属还可包含浓度小的用于机械性质增强的铝、钒、铌、镍、钼、铬和钴以及用于腐蚀性能提升的钯、钌的任意一种或不止一种。

优选的是，所述铸件不含浓度大于0.005重量％的铂族元素。

所述铸件可包括所述四种主体金属之一的在该主体金属的基体中的碳化物和/或氮化物和/或硼化物。

例如，所述铸件可包括在钛基体中钛的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的两种或更多种。

例如，所述难熔粒子可包括在钛基体中的钛的碳化物和钛的硼化物。

所述难熔粒子可包括在钛基体中的钛的碳化物和钛的氮化物。

所述难熔粒子可包括在钛基体中的钛的硼化物和钛的氮化物。

所述铸件可包括所述四种主体金属之一的在所述主体金属的另一种的基体中的两种或更多种碳化物和/或氮化物和/或硼化物。

例如，所述铸件可包括在钛基体中钽的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的两种或更多种。

所述铸件可包括5-60体积％在主体金属的基体中分散的难熔粒子。

所述铸件可包括5-50体积％在主体金属的基体中分散的难熔粒子。

所述铸件可包括5-40体积％在主体金属的基体中分散的难熔粒子。

所述铸件可包括大于10体积％在主体金属的基体中分散的难熔粒子。

所述铸件可包括大于15体积％在主体金属的基体中分散的难熔粒子。

所述铸件可包括小于30体积％在主体金属的基体中分散的难熔粒子。

所述铸件可包括小于25体积％在所述基体中分散的难熔粒子。

所述铸件可包括小于20体积％在主体金属的基体中分散的难熔粒子。

所述铸件可包括在铸件总重量的5重量％-65重量％范围中的难熔粒子。

所述铸件可包括在铸件总重量的12重量％-45重量％范围中的难熔粒子。

所述铸件可包括在铸件总重量的12重量％-25重量％范围中的难熔粒子。

所述难熔粒子的主尺寸(major dimension)可小于400微米。

所述难熔粒子的主尺寸可小于200微米。

所述难熔粒子的主尺寸可小于150微米。

所述难熔粒子的主尺寸可小于100微米。

所述难熔粒子的主尺寸可小于50微米。

所述难熔粒子的主尺寸可大于5微米。

碳、硼和氮的至少两种的浓度可为铸件总重量的至多10重量％。

碳、硼和氮的至少两种的浓度可小于铸件总重量的8重量％。

碳、硼和氮的至少两种的浓度可小于铸件总重量的7重量％。

碳、硼和氮的至少两种的浓度可小于铸件总重量的6重量％。

所述主体金属可为纯金属。

所述主体金属可为工业级金属，即作为非100％纯金属但是基本上为纯金属的金属。

例如，所述主体金属可为等级12(Grade)的钛。钛的等级12为在还原和氧化环境中具有优异的耐腐蚀性的与钼和镍合金化的钛的等级。以下规格涵盖钛等级12：ASTM B265(12)、ASTM B337(12)、ASTM B338(12)、ASTM B348(12)、ASTM B381(F-12)和UNS R53400。钛等级12具有按重量％计的以下标称化学成分：C:最大0.08％；H:最大0.015％；Fe:最大0.3％；Mo:0.2-0.4％；Ni:0.6-0.9％；N:最大0.03％；O:最大0.25％；和Ti：余量。

所述铸件可为具有所需形状的任何合适的组件。

所述组件可作为独立的组件或作为更复杂的组件的部分被使用。

所述组件可为需要耐热冲击性、耐侵蚀性和耐腐蚀性的在暴露于高的温度和压力下的矿物淤浆的HPAL设备中使用的任何组件。所述组件包括例如搅动机桨叶和阀门的内部件。

本发明还提供这样的金属基体复合材料：其包括主体金属钛、锆、铪和钽的任意一种或不止一种的在该主体金属的至少一种的基体中分散的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的粒子。

更具体地，本发明还提供这样的金属基体复合材料：其包括主体金属钛、锆、铪和钽的任意一种或不止一种的在该主体金属的至少一种的基体中分散的两种或更多种碳化物和/或氮化物和/或硼化物的粒子。

本发明还提供形成金属基体复合材料铸件的方法，其包括如下步骤：

(a)形成主体金属钛、锆、铪和钽的至少一种与碳、硼和氮的至少两种的液态熔体；和

(b)由所述液态熔体形成具有所需形状的组件的铸件，其中经凝固的组件具有包括所述主体金属的在该主体金属的基体中分散的两种或更多种碳化物和/或氮化物和/或硼化物的分散体的微观结构。

申请人在实验室的实验工作中已经发现，当钛与碳、硼和氮的至少两种一起熔融时可在比当钛与碳、硼和氮的仅一种一起熔融时显著更低的温度下形成液态钛熔体。特别地，申请人发现，需要显著高于2000℃的炉温使75重量％等级12的钛和25重量％钛的碳化物的进料材料在电渣重熔炉中熔融，并且在所述温度下的操作对所述炉造成损害。申请人还发现，低于2000℃的炉温可使如下熔融而没有任何炉损害：(a)钛、硼和碳的进料材料，(b)钛、硼和氮的进料材料，(c)钛、氮和碳的进料材料，以及(d)钛、硼、碳和氮的进料材料。换言之，用硼、碳和氮的两种或不止两种的进料材料的操作使对于所述材料的熔融温度显著降低。申请人还发现，由所述进料材料形成的所得铸件具有优异的耐腐蚀性、硬度和其它的机械性质。

所述方法可包括在小于2000℃的炉温下形成所述主体金属的一种与碳、硼和氮的至少两种的液态熔体。

所述炉温可小于1900℃、典型地小于1800℃。

在其中所述液态熔体包括钛、碳和硼的实例中，所述铸件的微观结构可包括在钛基体中分散的钛的碳化物和钛的硼化物，其中所述碳化物和所述硼化物在凝固期间从所述液态熔体沉淀。

所述方法可包括混合包含所述主体金属的至少一种与碳、硼和氮的至少两种的进料材料。

所述方法可包括形成所述进料材料的均匀混合物。

所述进料材料可为海绵形式的。

术语“海绵形式”在本文中被理解为意指所述进料材料为多孔的形式。

所述进料材料可为粉末形式的。

术语“粉末”在本文中被理解为意指由当摇动或倾斜时可自由流动的大量细粒子构成的干的散装固体。

所述进料材料可为所述主体金属的粉末的形式。

所述进料材料可为所述主体金属以及碳、硼和氮的一种或多种的粉末的形式。

例如，所述进料材料可为钛的硼化物的粉末。

所述进料材料可为碳、硼和氮的两种或更多种的粉末的形式。

例如，所述进料材料可为包含硼-碳的粉末或者包含硼-碳-氮的粉末。

所述进料材料可包含至多10重量％的碳、硼和氮的至少两种。

所述进料材料可包含小于8重量％的碳、硼和氮的至少两种。

所述进料材料可包含小于7重量％的碳、硼和氮的至少两种。

所述进料材料可包含小于6重量％的碳、硼和氮的至少两种。

所述主体金属可为纯金属。

所述主体金属可为工业级金属，即非100％纯金属但是基本上纯金属的金属。

例如，当所述主体金属为钛时，钛可为等级12的钛。

所述主体金属可为所述主体金属和另外金属的合金。

所述方法可包括挤压所述进料材料的混合物，和形成丸粒(pellet)、压实体、或其它被挤压的成型体。

所述方法可包括通过在任何适合的炉中使所述进料材料在惰性气氛条件下熔融而形成主体金属之一与碳、硼和氮的至少两种的液态熔体。

所述炉可为电渣再熔炉。

所述炉可为真空熔炉。

所述方法可包括将所述液态熔体铸造成组件的任何适合选项。

所述方法可包括将所述液态熔体离心铸造成组件。

所述铸件可包括在所述材料的总重量的5重量％至65重量％范围内的难熔粒子。

所述铸件可包括在所述材料的总重量的12重量％至25重量％范围内的难熔粒子。

所述难熔粒子的主尺寸可小于400微米。

所述难熔粒子的主尺寸可小于200微米。

所述难熔粒子的主尺寸可小于150微米。

所述难熔粒子的主尺寸可小于100微米。

所述难熔粒子的主尺寸可小于50微米。

所述难熔粒子的主尺寸可大于5微米。

所述铸件可包括所述难熔粒子在所述主体金属的基体中的均匀分散体。

所述铸件可包括所述难熔粒子在所述主体金属的基体中的非均匀分散体。

附图说明

参考以下实施例和附图进一步描述本发明，在图中：

图1为按照本发明的在申请人实施的实验室工作中形成的钛的碳化物粒子/钛主金属基体的复合材料的一种实施方式的显微照片；和

图2为按照本发明的在申请人实施的实验室工作中形成的包括钛的碳化物和钛的硼化物的分散体的钛金属基体的复合材料铸件的一种实施方式的显微照片。

具体实施方式

申请人已经实施了与按照本发明的由在钛主体金属的基体中分散的钛的碳化物粒子形成的复合金属基体材料相关的实验室实验工作。

申请人还已经实施了与按照本发明的包括在钛主体金属的基体中分散的钛的碳化物和钛的硼化物粒子的复合金属基体材料铸件相关的实验室实验工作。

所述实验室实验工作包括与按照本发明的包含在钛主体金属的基体中分散的钛的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的两种或更多种的复合金属基体材料铸件相关的工作。

申请人在所述实验室实验工作中发现，所测试的金属基体复合材料铸件相对于通过烧结工艺形成的已知陶瓷材料，即碳化钨、碳化硅和部分稳定氧化锆(PSZ)，具有优势。

下面讨论实验室实验工作的发现。以下描述还包括两个具体的实施例。

1.钛的碳化物、钛的硼化物和钛的氮化物是化学惰性的，并且钛主体金属(该术语包括金属合金)的耐腐蚀性在HPAL淤浆中在实际操作条件下已经被证明–该证据是由钛等级12的金属(标称化学组成，按重量％计：Fe≤0.30；O≤0.18；Ti为余量的；C≤0.08；H≤0.15；N≤0.03；Mo 0.2-0.4，Ni 0.6-0.9)制成的现有阀体的成功操作。

2.钛的碳化物、钛的硼化物和钛的氮化物是极硬的(>2000HV)。而且，基于钛的难熔材料(其包括钛的碳化物、钛的硼化物和钛的氮化物)具有和主体金属的基体材料(即钛)非常近似的热膨胀系数。这一般意味着较高的耐热冲击性，其对于HPAL应用是关键的，当材料用于阀内件时尤其如此。

3.钛为韧性金属。

4.包括如下的钛金属基体复合材料铸件具有对于腐蚀-侵蚀和热冲击的耐受性：(a)硬的钛的碳化物粒子和钛等级12的金属的韧性主体金属的基体、或者(b)硬的钛的碳化物/硼化物粒子和钛等级12的金属的韧性主体金属的基体。所述性质通过改变所述难熔粒子和所述主体金属的基体的相对量以及其他变量例如难熔粒子的尺寸和形状可按需调节。

5.包括如下的钛金属基体复合材料铸件具有高硬度(其由于所述粒子引起)和高韧性(其由于钛基体引起)以及高的总体耐腐蚀性：钛的碳化物、钛的硼化物和钛的氮化物的两种或不止两种的分散体。

6.在申请人的液态金属制造工艺中在钛等级12的金属中可直接地原位合成钛的碳化物和钛的碳化物/硼化物以确保在钛的碳化物和主体钛基体之间强的结合。

7.可进一步优化金属基体复合材料铸件的主体钛基体以提高硬度和/或耐腐蚀性。

8.包括钛的碳化物分散体的钛金属基体复合材料铸件的化学组成和预期性质于下:

a.由主体钛金属基体中的钛的碳化物组成的金属基体复合材料铸件的组成的一种实例于下。

N

C

H

Fe

O

Ni

Mo

Ti

<0.03

3.2-4.3

<0.01

<0.3

<0.25

0.5-0.8

0.1-0.3

余量

b.估计的具有以上组成的钛的碳化物粒子/钛的金属基体复合材料铸件的最小的机械和物理性质。

c.钛的碳化物/钛的金属复合材料铸件在HPAL设备中使用的预期性能：

·对于HPAL淤浆的耐腐蚀性类似于钛等级12的金属的对于HPAL淤浆的耐腐蚀性。

·对于HPAL淤浆的耐侵蚀性类似于或优于由Hexoloy SA insert构造的现有阀座的对于HPAL淤浆的耐侵蚀性。

·断裂韧性大于50MPa m^1/2。

9.包含钛的碳化物和钛的硼化物的分散体的钛金属基体复合材料铸件的化学组成和预期性质于下：

a.由主体钛金属基体中的钛的碳化物和钛的硼化物组成的金属基体复合材料铸件的组成的一种实例于下。

b.估计的具有以上组成的钛的碳化物/硼化物粒子/钛的金属基体复合材料铸件的最小的机械和物理性质。

c.钛的碳化物和硼化物/钛的金属复合材料铸件在HPAL设备中使用的预期性能：

·对于HPAL淤浆的耐侵蚀性类似于或优于由Hexoloy SA insert构造的现有阀座的对于HPAL淤浆的耐侵蚀性

·断裂韧性大于20MPa m^1/2。

申请人实施的实验工作表明，图1和2中所示的复合材料铸件具有非常有前景的微观结构、机械性质和铸件特性。

如上所指出的，图1为按照本发明的在申请人实施的实验室工作中形成的钛的碳化物粒子/钛主体金属的基体复合材料铸件的一种实施方式的显微照片。

图1中所示的复合材料包括30体积％的具有大约15微米的主直径的钛的碳化物粒子和具有上述的标称组成的钛等级12的主体金属。

所述金属基体复合材料铸件通过将来自在电弧熔炉中产生的钛等级12的熔体的锭在氩气分压下在水冷的铜炉膛(hearth)中铸造而制造，即将所述锭冷却铸造。钛的碳化物粒子作为具有大约15微米的主尺寸的离散粒子被加入到炉熔体。

如上所指出的，图2为按照本发明的在申请人实施的实验室工作中形成的包含钛的碳化物和钛的硼化物在钛基体中的分散体的按照本发明的钛金属基体复合材料铸件的一种实施方式的显微照片。

图2中所示的复合材料铸件包括30体积％的钛的碳化物和钛的硼化物以及具有上述的标称组成的钛等级12的主体金属。

参考图2，在所述复合材料铸件的凝固期间，钛的碳化物作为枝晶(树枝状晶体)并且钛的硼化物作为有角粒子沉淀。

图2中所示的复合材料铸件的本体硬度为350HV。

图2的金属基体复合材料铸件从由包括钛等级12的粉末和含硼-碳的粉末的进料材料在2000℃下在电渣重熔炉中在惰性条件下形成的液态熔体作为铸锭制造。

申请人实施的实验工作表明，图2中所示的复合材料铸件具有非常有前景的微观结构、机械性质和铸造特性.

可对本发明的如上所述的实施方式作出很多改进而不偏离本发明的精神和范围。

例如，注意到元素周期表的IIIB和IVB族中元素的相似性，尽管以上描述具体地指的是由钛形成的金属基体复合材料铸件，但是本发明还可延伸到由锆或铪或钽或这四种元素的组合和包括该主体金属的至少一种的两种或更多种碳化物和/或氮化物和/或硼化物的难熔粒子在该主体金属的基体中形成的金属基体复合材料。

将理解，如在本说明书和权利要求书中使用的术语“包含(包括，comprise)”或其语法变型等同于术语“包括(包含，include)”并且不视为将其它特征或元素的存在排除在外。

Claims

1.金属基体复合铸件，其包括(a)以下主体金属的一种或多种：钛、锆、铪和钽，和(b)大于10体积%的难熔粒子的分散体，所述难熔粒子由如下组成：

i. 在钛基体中的钛的碳化物和钛的氮化物；

ii. 在钛基体中的钛的硼化物和钛的氮化物；

iii. 在锆基体中的锆的碳化物和锆的硼化物；

iv. 在铪基体中的铪的碳化物和铪的硼化物；

v. 在钽基体中的钽的碳化物和钽的硼化物；或

vi. 在四种所述主体金属之一的基体中的另一主体金属的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的两种或更多种。

2.根据权利要求1所述的金属基体复合铸件，其包括在钛基体中的钽的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的两种或更多种。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其包括至多60体积%的在所述主体金属的基体中分散的难熔粒子。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其包括至多40体积%的在所述主体金属的基体中分散的难熔粒子。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其包括大于15体积%的在所述主体金属的基体中分散的难熔粒子。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，在所述主体金属的基体中分散的难熔粒子小于30体积%。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，在所述主体金属的基体中分散的难熔粒子小于25体积%。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其包括小于20体积%在所述主体金属的基体中分散的难熔粒子。

9.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其包括在铸件总重量的5重量%-65重量%的范围中的难熔粒子。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其包括在铸件总重量的12重量%-25重量%的范围中的难熔粒子。

11.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其包括主尺寸小于400微米的难熔粒子。

12.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其包括主尺寸小于200微米的难熔粒子。

13.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其包括主尺寸小于150微米的难熔粒子。

14.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其包括主尺寸小于100微米的难熔粒子。

15.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其包括主尺寸小于50微米的难熔粒子。

16.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其中碳、硼和氮的至少两种的浓度为铸件总重量的至多10重量%。

17.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其中碳、硼和氮的至少两种的浓度小于铸件总重量的8重量%。

18.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其中碳、硼和氮的至少两种的浓度小于铸件总重量的7重量%。

19.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其中碳、硼和氮的至少两种的浓度小于铸件总重量的6重量%。

20.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其中所述主体金属为纯金属。

21.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其中所述主体金属为工业级金属。

22.根据权利要求21所述的金属基体复合铸件，其中所述主体金属为等级12的钛。

23.根据权利要求1或权利要求2所述的金属基体复合铸件，其作为在需要耐热冲击性、耐侵蚀性和耐腐蚀性的高压酸浸设备中使用的组件形成，所述高压酸浸设备暴露于高的温度和压力下的矿物淤浆。

24.形成根据权利要求1-23任一项所述的金属基体复合铸件的方法，其包括如下步骤：

(b)由所述液态熔体形成具有所需形状的组件的铸件，其中经凝固的组件具有包括从所述液态熔体沉淀并且在所述主体金属的基体中分散的所述主体金属的碳化物和/或氮化物和/或硼化物的两种或更多种的大于10体积%难熔粒子的分散体的微观结构。

25.根据权利要求24所述的方法，其包括在小于2000℃的炉温下形成所述主体金属的至少一种和碳、硼和氮的至少两种的液态熔体。

26.根据权利要求24或权利要求25所述的方法，其中所述液态熔体包括钛、碳和硼，所述铸件的微观结构包括在钛基体中分散的钛的碳化物和钛的硼化物，其中碳化物和硼化物在所述铸件的凝固期间从所述液态熔体沉淀。

27.根据权利要求24或权利要求25所述的方法，其包括混合包含所述主体金属的至少一种与碳、硼和氮的至少两种的进料材料。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述进料材料为粉末和海绵的形式。

29.根据权利要求27所述的方法，其包括挤压所述进料材料的混合物，和形成丸粒、压实体、或其它被挤压的成型体。

30.根据权利要求27所述的方法，其包括通过使所述进料材料在炉中在惰性气氛或真空条件下熔融而形成所述主体金属的至少一种与碳、硼和氮的至少两种的液态熔体。

31.根据权利要求24或权利要求25所述的方法，其包括通过离心系统进行铸造。