CN111004940A - 一种用于制作年产量20000t玄武岩纤维用拉丝漏板的铂铑合金金属材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于制作年产量20000t玄武岩纤维用拉丝漏板的铂铑合金金属材料，该金属材料为四元合金，为Pt‑Rh‑Y‑Zr合金，其中，各金属成分的添加量为Rh 20%，Y 0.010‑0.015%，Zr 0.4‑0.5%，其余为Pt；利用该金属材料制作拉丝漏板的制造方法为：（1）高温熔炼；（2）粉末冶金；（3）内氧化；（4）高温烧结锻造；（5）低温退火。利用上述金属材料以及制造方法制造出的拉丝漏板高温强度大，不易变形，拉丝漏板报废率降低，生产成本降低，随着拉丝漏板底板上漏嘴数量的增加，拉丝漏板的变形率小，从而大大提高了玄武岩拉丝漏板的生产效率。

Description

一种用于制作年产量20000t玄武岩纤维用拉丝漏板的铂铑合 金金属材料

技术领域

本发明涉及玄武岩纤维生产设备的技术领域，尤其是涉及一种用于制作玄武岩纤维用拉丝漏板的铂铑合金金属材料。

背景技术

玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，是以天然的玄武岩拉制的连续纤维，是玄武岩石料在高温下熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。玄武岩纤维不仅强度高，而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温等多种优异性能，玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用。

拉丝漏板是玄武岩纤维拉丝生产过程中一个非常重要的装置，呈槽形容器结构状，其底板上设置有若干漏嘴，并设置有对漏嘴进行加热和控制温度的电极，底板由铂铑合金制成。铂铑合金是铂基含铑的二元合金，由铂(Pt)和铑(Rh) 组成，在高温下为连续固溶体。铑可提高合金对铂的热电势、抗氧化和耐酸腐蚀能力。在熔炉内的玄武岩熔融液的温度高达1500℃，熔融液到达拉丝漏板的温度降至1300℃。拉丝过程中，玄武岩熔融液流入槽形腔漏板后，漏板在电流的作用下将漏板温度调高，然后其溶液通过底板上的漏嘴流出，并在漏板下方用高速旋转的拉丝机拉制成玄武岩连续纤维。

目前，在玄武岩拉丝生产的过程中，漏板承受的温度高达1300℃，在上述的高温条件下，拉丝漏板的合金强度和弹性模量模数都很低，蠕变趋向增强，在这种情况下漏板很容易变形，高温变形后的漏板中间凹陷，漏板报废频率大，生产成本增加；另外，目前国内外拉丝漏板孔数多为数百孔左右，很难达到上千孔，严重影响玄武岩纤维生产效率，随着底板上的漏嘴的增加，高温变形趋势及变形程度也逐渐增加，因而限制了现有的拉丝漏板底板上设置的漏嘴数量，进而限制了玄武岩纤维的生产效率。针对上述问题，目前尚未有比较好的解决办法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一是提供一种用于制作年产量20000t玄武岩纤维用拉丝漏板的铂铑合金金属材料，通过在原有的铂铑合金的基础上，添加钇(Y)和锆(Zr)，得到一种新型铂铑合金金属材料，该金属材料高温强度得到提高，利用该金属材料制成的拉丝漏板高温下不易变形，节约了生产成本，大大提高了玄武岩纤维的生产效率。

本发明的目的之二是提供一种年产量20000t玄武岩纤维用铂铑合金拉丝漏板的制造方法，可以制得耐受温度高和可有效防止高温变形的拉丝漏板，节约了生产成本的同时，提高了玄武岩纤维的生产效率。

本发明的目的之三是一种年产量20000t玄武岩纤维用铂铑合金拉丝漏板，拉丝漏板是利用上述新型铂铑合金金属材料和制造方法制成的，拉丝漏板上耐受的温度高、不易变形，且底板上设置的漏嘴数的增加基本不会使拉丝漏板变形，进而大大提高了玄武岩纤维的生产效率。

为实现上述第一目的，本发明提供了以下技术方案：一种用于制作年产量20000t玄武岩纤维用拉丝漏板的铂铑合金金属材料，所述金属材料为四元合金，所述四元合金为Pt-Rh-Y-Zr合金。

通过上述技术方案，Y是稀土金属元素之一，熔点1522℃，沸点3338℃，第一电离能为6.38电子伏特。稀土金属及其合金在炼钢中起脱氧脱硫作用，能改善钢的加工性能，提高强度、韧性、耐腐蚀性和抗氧化性等。在青铜和黄铜冶炼中添加少量的稀土金属能提高合金的强度、延伸率、耐热性和导电性。在铸造铝硅合金中添加1％-1.5％的稀土金属，可以提高高温强度。在铝合金导线中添加稀土金属，能提高抗张强度和耐腐蚀性。Fe-Cr-Al电热合金中添加0.3％的稀土金属，能提高抗氧化能力，增加电阻率和高温强度。Zr是一种高熔点金属，熔点1852±2℃，沸点4377℃，第一电离能为6.84电子伏特，主要来源于锆石和斜锆石等许多矿物中。锆在高温时，可与非金属元素和许多金属元素反应，生成固体溶液化合物。锆的表面易形成一层氧化膜，具有光泽，故外观与钢相似，且具有耐腐蚀性。在原有铂铑合金的基础上，加入Y元素，能够提高铂铑合金的强度和延伸率，还可以提高铂铑合金的高温强度；加入Zr元素，能够促进多种金属元素在高温时生成固体溶液化合物。通过添加元素Y、Zr来改善高温状态下铂铑合金漏板的拉伸强度和延长率。因此，将原来二元合金的铂铑合金改进为四元合金，有效了提高该铂铑合金的高温强度，高温下不易变形。利用改进后的铂铑合金制造的拉丝漏板高温下不易变形，可有效节约生产成本，提高了玄武岩纤维的生产效率。

进一步地，所述金属材料中各金属成分的添加量如下：Rh 20％，Y 0.010-0.015％，Zr 0.4-0.5％，其余为Pt。

通过上述技术方案，在原有铂铑合金材料的金属元素成分为Pt+20％Rh 的基础上，添加Y和Zr，增加Y和Zr降低了伸长率，有效阻止了合金漏板高温下蠕变情况发生，提高漏板使用寿命，降低生产成本。

为实现上述第二目的，本发明提供了以下技术方案：一种年产量20000t 玄武岩纤维用铂铑合金拉丝漏板的制造方法，具体操作步骤如下：

(1)高温熔炼：按照各金属元素添加量配料并进行高温熔炼；

(2)粉末冶金：将步骤(1)得到的Pt-Rh-Y-Zr合金制备成合金粉末；

(3)内氧化：将步骤(2)得到的合金粉末置于氧化环境中，使得活性元素发生氧化得到强化相颗粒；

(4)高温烧结锻造：将步骤(3)得到的样品高温烧结，并利用高温热模制备合金锻坯；

(5)低温退火：将步骤(4)得到的合金锻坯退火。

通过上述技术方案，将铂铑合金材料的配方中的各金属元素按所需添加量进行高温熔炼，得到Pt-Rh-Y-Zr合金；将Pt-Rh-Y-Zr合金进行冶金得到合金粉末；将合金粉末进行内氧化得到活性元素的强化相颗粒；将前一步所得进行高温烧结并于高温模具中进行锻造处合金锻坯，并进行退火，即可得到铂铑合金拉丝漏板。由于在原有配方为Pt+20％Rh的铂铑合金材料的基础上，加入了Y和 Zr，因此利用新的金属元素配方制作拉丝漏板的过程与原有的制备拉丝漏板的过程有较大的差异，Pt-Rh-Y-Zr合金高温组织呈纤维状,且晶粒长宽比值较大，有助于合金在高温时保持较高强度。制得的拉丝漏板是利用改进后的新型铂铑合金金属材料配方制成的，故制得的铂铑合金拉丝漏板耐高温且不易变形，降低了拉丝漏板的报废率和生产成本，提高了利用拉丝漏板生产玄武岩纤维的生产效率。

进一步地，步骤(1)中高温熔炼的熔炼温度为1970℃-2000℃，熔炼时间为80min-100min。

通过采用上述技术方案，铂铑合金材料中Pt的熔点为1772℃，Rh的熔点为1963℃-1969℃，Zr的熔点为1852℃，Y的熔点为1522℃，因此，高温熔炼的温度范围为1970℃-2000℃，均可以达到四种金属材料的熔点，在不同的熔炼温度下，熔炼不同的时间，以达到熔炼的效果。

进一步地，步骤(2)中利用电火花等离子体熔蚀法制备合金粉末。

通过采用上述技术方案，以超纯水为电介质，以Pt-Rh-Y-Zr合金作为电极，通过在电极两端施加脉冲电压，产生的电火花放电的部分能量转移到电极，使电极的温度升高，电极的温度超过合金熔点时，合金被熔化，熔化后的合金液滴被排出，在电极间形成高温等离子体溶蚀作为电极的Pt-Rh-Y-Zr合金，将合金液滴在液体介质中冷却、凝结制得具有一定形状和粒径粉末。

进一步地，步骤(3)中的氧气环境的温度为700℃-800℃。

进一步地，步骤(4)中烧结温度为1250℃-1400℃，烧结时间为1.5h-2.5h。

进一步地，步骤(4)中高温锻造的温度为1450℃-1500℃。

进一步地，步骤(5)中低温退火的温度为1100℃-1180℃，保温时间为 15min-25min。

通过采用上述技术方案，Pt、Rh、Y、Zr四种金属中熔点最低的为Y的熔点为1522℃，上述氧气环境的温度、烧结温度、高温锻造温度和退火温度均小于Y的熔点；合金粉末经过烧结，达到气孔最小，收缩最大、产品最致密和性能最优；高温锻造件合金粉末锻造出成型的拉丝漏板，后经过，低温退火，消除拉丝漏板的内应力并降低硬度，防止引起开裂、变形。

为实现上述第三目的，本发明提供了以下技术方案：一种年产量20000t 玄武岩纤维用铂铑合金拉丝漏板，所述拉丝漏板是采用权利要求1-9任一所述的方案制成。

通过采用上述技术方案，制得的拉丝漏板所用的铂铑合金材料的高温强度得到了提高，在高温下不易变形，因此所制造的拉丝漏板耐受的温度高，在高温下不易变形，因此拉丝漏板的报废率降低，降低了拉丝漏板的生产成本；另一方面，由于拉丝漏板耐受的温度高，在高温下不易变形，故在拉丝漏板的底板上可以增加漏嘴的数量，也不会使拉丝漏板变形，进而影响拉丝漏板的生产效率；由于拉丝漏板底板上的漏嘴数的增加，可以大大提高拉丝漏板对玄武岩纤维的生产效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明针对现有的拉丝漏板的铂铑合金材料进行改进，在原有材料的基础上，加入Y和Zr，改进后的铂铑合金材料高温下不易变形，高温强度得到提高，降低了拉丝漏板的报废率，节约了生产成本。

2.本发明提供的拉丝漏板的制造方法利用改进后的铂铑合金材料，并针对不同金属的耐受条件和要求对制造条件进行了限制，制备得到拉丝漏板高温强度大且不易变形。

3.利用改进后的铂铑合金材料以及利用改进后的铂铑合金材料制造拉丝漏板的制造方法制得的拉丝漏板，高温强度大且不易变形，节约了生产成本的同时，还提高了拉丝漏板的生产效率。

具体实施方式

以下结合实施例和对比例对本发明作进一步详细描述。

本发明中所用到的冷却合金液滴的液体介质采用合肥精密铸造总厂生产的LS-86型冷却液，并添加三乙醇胺防锈添加剂，防止生锈。

实施例1

本发明中的拉丝漏板的金属材料为Pt-Rh-Y-Zr合金，具体成分及制造方法如下所示：

步骤一：配料。原材料按表1中的元素添加量进行称量。

步骤二：熔炼。将步骤一配制好的原材料置于真空感应炉中进行熔炼，真空度小于20Pa，熔炼温度为2000℃，熔炼时间为90min。

步骤三：粉末冶金。利用采用电火花等离子体熔蚀法制备制备合金粉末，以电阻率15～18MΩ·cm的超纯水为电介质，将Pt-Rh-Y-Zr合金作为电极，通过在电极两端施加一个脉冲电压，能够使他们之间产生电火花放电，由此产生的部分能量将转移到电极上，合金电极在此作用下温度会逐渐升高，当其温度超过合金熔点时，在电极间会有被熔化的合金液滴被排出，在电极间形成高温等离子体熔蚀电极合金，最后在液体介质中将合金液滴冷却、凝结制得具有一定形状和粒径粉末。

步骤四：内氧化。将合金粉末置于753℃的氧化气氛环境中，使得活性元素Zr等发生氧化得到强化相颗粒。

步骤五：烧结。在密闭的氧化铝坩埚中，在1325℃烧结2h。

步骤六：锻造。利用高温热模锻造法制备合金锻坯，锻造温度为1483℃。

步骤七：锻造。退火工艺为1150℃下，保温20min。

表1实施例1-4中步骤一的元素添加量

实施例2-4

实施例2-4与实施例1的不同之处在于步骤一中原材料的元素添加量不同，实施例2-4的原材料的元素添加量如表1所示。

对比例

对比例中给出了一种现有的铂铑合金拉丝漏板，其合金材料的具体成分如表1所示，为80％的Pt和20％的Rh，根据实施例2给出的拉丝漏板的制备方法制备得到的拉丝漏板。

性能检测试验

针对实施例1-4以及对比例给出的铂铑合金拉丝漏板，对其拉伸强度(MPa) 和延长率(％)进行了检测，拉伸强度测试仪器为CSS-44300型试验机，拉伸速度为2mm/min，拉伸试样形状为片状，测试前需将试样磨至光滑，但不用抛光，每组试验拉伸3个试样取其平均值。伸长率的计算方式如下：伸长率＝(拉伸后试样拼接总长度-拉伸前试样总长度)÷拉伸前试样总长度×100％，检测结果如表2所示。

表2实施例1-4和对比例的铂铑合金拉丝漏板检测结果

由上述结果可知，在铂铑合金材料中添加元素Y、Zr，改善了高温状态下铂铑合金漏板的拉伸强度和延长率，提高了拉丝漏板的拉伸强度，降低了拉丝漏板的伸长率，有效阻止了合金漏板高温下蠕变情况发生，提高了拉丝漏板使用寿命，降低生产成本，同时拉伸强度的提高和拉伸率的降低使拉丝漏板不易变形，因而大大提高了玄武岩纤维的生产效率。

通过利用本发明实施例提供的铂铑合金材料及拉丝漏板的制造方法制得的拉丝漏板，经过拉丝漏板进行玄武岩纤维拉丝的熔制，熔液温度分布均匀，得到强度一致且性能稳定的拉丝，不仅增强了拉丝的强度，而且避免了拉丝之间的粘连，提高了成丝率。因此，采用本发明实施例提供的铂铑合金材料及拉丝漏板的制造方法制得的拉丝漏板，得到的高强纯玄武岩连续纤维的强度达到了 0.6-0.7N/tex，比国家标准规定的强度0.4N/tex，提高了50％-70％，与目前国内工艺相比，成丝率提高了近10％。

本领域人员应该理解的是，上述实施例提供的方法步骤的时序可根据实际情况进行适应性调整，也可根据实际情况并发进行。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于制作年产量20000t玄武岩纤维用拉丝漏板的铂铑合金金属材料，其特征在于：所述金属材料为四元合金，所述四元合金为Pt-Rh-Y-Zr合金。

2.根据权利要求1所述的一种用于制作年产量20000t玄武岩纤维用拉丝漏板的铂铑合金金属材料，其特征在于，所述金属材料中各金属成分的添加量如下：Rh 20%，Y 0.010-0.015%，Zr 0.4-0.5%，其余为Pt。

3.一种年产量20000t玄武岩纤维用铂铑合金拉丝漏板的制造方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

（1）高温熔炼：按照各金属元素添加量配料并进行高温熔炼；

（2）粉末冶金：将步骤（1）得到的 Pt-Rh-Y-Zr 合金制备成合金粉末；

（3）内氧化：将步骤（2）得到的合金粉末置于氧化环境中，使得活性元素发生氧化得到强化相颗粒；

（4）高温烧结锻造：将步骤（3）得到的样品高温烧结，并利用高温热模制备合金锻坯；

（5）低温退火：将步骤（4）得到的合金锻坯退火。

4.根据权利要求3所述的一种年产量20000t玄武岩纤维用铂铑合金拉丝漏板的制造方法，其特征在于：步骤（1）中高温熔炼的熔炼温度为1970℃-2000℃，熔炼时间为80 min-100min。

5.根据权利要求3所述的一种年产量20000t玄武岩纤维用铂铑合金拉丝漏板的制造方法，其特征在于：步骤（2）中利用电火花等离子体熔蚀法制备合金粉末。

6.根据权利要求3所述的一种年产量20000t玄武岩纤维用铂铑合金拉丝漏板的制造方法，其特征在于：步骤（3）中的氧气环境的温度为700℃-800℃。

7.根据权利要求3所述的一种年产量20000t玄武岩纤维用铂铑合金拉丝漏板的制造方法，其特征在于：步骤（4）中烧结温度为1250℃-1400℃，烧结时间为1.5 h-2.5 h。

8.根据权利要求3所述的一种年产量20000t玄武岩纤维用铂铑合金拉丝漏板的制造方法，其特征在于：步骤（4）中高温锻造的温度为1450℃-1500℃。

9.根据权利要求3所述的一种年产量20000t玄武岩纤维用铂铑合金拉丝漏板的制造方法，其特征在于：步骤（5）中低温退火的温度小于1100℃-1180℃，保温时间为15min-25min。

10.一种年产量20000t玄武岩纤维用铂铑合金拉丝漏板，其特征在于：所述拉丝漏板是采用权利要求 1-9任一所述的方案制成。