CZ309485B6 - Compacting powders by volumetric moulding - Google Patents

Compacting powders by volumetric moulding Download PDF

Info

Publication number
CZ309485B6
CZ309485B6 CZ2022-282A CZ2022282A CZ309485B6 CZ 309485 B6 CZ309485 B6 CZ 309485B6 CZ 2022282 A CZ2022282 A CZ 2022282A CZ 309485 B6 CZ309485 B6 CZ 309485B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
powder
oxide
volume
molding
compacting powders
Prior art date
Application number
CZ2022-282A
Other languages
Czech (cs)
Other versions
CZ2022282A3 (en
Inventor
Jiří Svoboda
CSc. DSc Svoboda Jiří RNDr.
Lenka Kunčická
Kunčická Lenka Ing., Ph.D
Radim Kocich
Kocich Radim doc. Ing., Ph.D
Original Assignee
Ústav fyziky materiálů AV ČR, v. v. i
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ústav fyziky materiálů AV ČR, v. v. i filed Critical Ústav fyziky materiálů AV ČR, v. v. i
Publication of CZ2022282A3 publication Critical patent/CZ2022282A3/en
Publication of CZ309485B6 publication Critical patent/CZ309485B6/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C33/00Making ferrous alloys
    • C22C33/02Making ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C33/0207Using a mixture of prealloyed powders or a master alloy
    • C22C33/0228Using a mixture of prealloyed powders or a master alloy comprising other non-metallic compounds or more than 5% of graphite
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/02Compacting only
    • B22F3/03Press-moulding apparatus therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10Sintering only
    • B22F3/1017Multiple heating or additional steps
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12Both compacting and sintering
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12Both compacting and sintering
    • B22F3/1208Containers or coating used therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/17Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by forging
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/18Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by using pressure rollers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/10Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of articles with cavities or holes, not otherwise provided for in the preceding subgroups
    • B22F5/106Tube or ring forms
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0408Light metal alloys
    • C22C1/0416Aluminium-based alloys
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/04Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
    • B22F2009/041Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling by mechanical alloying, e.g. blending, milling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Forging (AREA)

Abstract

Compacting metal powders by volumetric moulding is that the powder intended for compaction consists of a metal matrix containing at least one type of hardening metal oxide with a volume fraction of 1 to 10%. The powder is stored in a deformable and airtight work container, from which the air is pumped out, and subsequently, at 700 to 1,300 °C, the volume forming of the work container is carried out mainly by rotary forging or rolling. After compaction, the compacted powder is annealed at 1000 to 1400 °C for 0.5 to 24 hours to ensure secondary re -crystallization.

Description

Způsob zhutňování prášků objemovým tvářenímThe method of compacting powders by volumetric molding

Oblast technikyField of technology

Vynález se zabývá způsobem zhutňování oxidickou dispersí zpevněných prášků objemovým tvářením, zejména rotačním kováním, přednesené podmínky a způsob přípravy pak přináší vysoce mechanicky odolné ocelové slitiny za velmi vysokých teplot.The invention deals with the method of densification of solidified powders with an oxide dispersion by volume forming, in particular by rotary forging, the conditions and method of preparation presented then produce highly mechanically resistant steel alloys at very high temperatures.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

Prášková metalurgie je oblast zabývající se metodami zhutňování práškových směsí na bázi kovů, nekovů, oxidů a karbidů, případně jejich směsí. Výhodou těchto způsobů je jejich poměrně vysoká výrobní přesnost a možnost vytváření směsí, které by nevznikly klasickým sléváním. Oproti ostatním metodám zpracování a výroby kovů výsledné výrobky většinou dosahují nižší mechanické pevnosti.Powder metallurgy is a field dealing with methods of compacting powder mixtures based on metals, non-metals, oxides and carbides, or their mixtures. The advantage of these methods is their relatively high production accuracy and the possibility of creating mixtures that would not be created by classical casting. Compared to other methods of metal processing and production, the resulting products usually have lower mechanical strength.

Jednou z rozšířených metod práškové metalurgie je tzv. zápustkové kování (swaging), využívané např. pro zmenšování průměru kovových válců, kdy je kován mechanickými buchary po celém svém obvodu zároveň. V práškové metalurgii tento způsob aplikuje např. dokument GB 981065 A. Dokument popisuje způsob výroby kovových trubek či prutů na bázi zirkonu, niobu, či jejich slitin. Slitinový prášek je vložen do kovové nádoby, zahřát na teplotu přibližně 1000 °C a následně podstoupí zápustkové kování. Poté je kovová nádoba odstraněna a je možné využít finální produkt. Přednesená metoda však není aplikovatelná univerzálně na všechny typy kovových prášků, jelikož je vždy nutné zvolit vhodnou soustavu parametrů, která se může lišit i přidáním zlomku aditiva do práškové směsi.One of the widespread methods of powder metallurgy is the so-called die forging (swaging), used, for example, to reduce the diameter of metal cylinders, when it is forged with mechanical hammers around its entire circumference at the same time. In powder metallurgy, this method is applied, for example, by document GB 981065 A. The document describes the method of manufacturing metal pipes or rods based on zirconium, niobium, or their alloys. The alloy powder is placed in a metal container, heated to a temperature of approximately 1000 °C and subsequently subjected to die forging. The metal container is then removed and the final product can be used. However, the presented method is not universally applicable to all types of metal powders, as it is always necessary to choose a suitable set of parameters, which can also vary by adding a fraction of an additive to the powder mixture.

Obdobnou metodou je dále rotační kování (rotary forging), popsané např. v dokumentu EP 0238186 B1. Práškové materiály na bázi hliníku, hliníkových sloučenin, mědi, železa, oceli nebo bronzu se zrny o velikosti do 50 pm jsou vloženy do pracovní nádoby a udusány za účelem získání směsi s co nejvyšší hustotou. Následně je materiál podroben rotačnímu kování, kdy je na něj působeno bucharem rotujícím jednak kolem jeho vlastní osy a dále provádějícím precesní pohyb okolo osy nádoby, ve které je uložen zhutňovaný prášek. Metoda představená v tomto dokumentu však neumožňuje vytváření dlouhých válcových produktů na bázi kovových prášků.A similar method is rotary forging, described for example in document EP 0238186 B1. Powdered materials based on aluminum, aluminum compounds, copper, iron, steel or bronze with grains up to 50 µm in size are placed in the work vessel and tamped down to obtain a mixture with the highest possible density. Subsequently, the material is subjected to rotary forging, when it is acted upon by a hammer rotating on the one hand around its own axis and further performing a precessional movement around the axis of the container in which the compacted powder is stored. However, the method presented in this document does not allow the creation of long cylindrical products based on metal powders.

Další využívaná metoda pro formování prášků na bázi karbidů je popsána v dokumentu EP 1231014 B1. Způsob popisuje vytvoření práškové směsi karbidu a kovových aditiv, pojiva a dalších aditiv ovlivňujících vlastnosti výsledného materiálu. Prášek je vložen do kovového kontejneru, na který je následně působeno izostatickým tlakem tak, aby výsledný produkt získal podstatně vyšší hustotu než výchozí prášek.Another used method for forming powders based on carbides is described in document EP 1231014 B1. The method describes the creation of a powder mixture of carbide and metal additives, a binder and other additives affecting the properties of the resulting material. The powder is placed in a metal container, which is then subjected to isostatic pressure so that the resulting product acquires a significantly higher density than the starting powder.

Současný výzkum v oboru práškové metalurgie směřuje k vývoji pokročilých materiálů, které vykazují vysokou odolnost vůči oxidaci a creepovým deformacím zejména při velmi vysokých teplotách. Sloučeniny na bázi niklu jsou využitelné do teplot řádově 1100 °C, ODS (Oxide dispersion strengthened) slitiny do teplot řádově 1300 °C a slitiny wolframu až do 1500 °C. Nicméně příprava těchto materiálů je poměrně náročná, jelikož je třeba zvolit vhodné procesní parametry, např. vhodný podíl hliníku v práškové směsi výrazně ovlivňuje odolnost výsledného materiálu vůči oxidaci, naopak jeho příliš vysoký podíl má za důsledek změnu vnitřní struktury materiálu, tedy rozdílné mechanické vlastnosti a leckdy kratší životnost. U ODS slitin umožňuje krystalická mřížka na bázi železa dostatečné obohacení hliníkem, což zaručuje vynikající odolnost materiálu vůči oxidaci.Current research in the field of powder metallurgy is aimed at the development of advanced materials that show high resistance to oxidation and creep deformations, especially at very high temperatures. Nickel-based compounds can be used up to temperatures of the order of 1100 °C, ODS (Oxide dispersion strengthened) alloys up to temperatures of the order of 1300 °C and tungsten alloys up to 1500 °C. However, the preparation of these materials is quite demanding, as it is necessary to choose appropriate process parameters, e.g. a suitable proportion of aluminum in the powder mixture significantly affects the resistance of the resulting material to oxidation, on the contrary, its too high a proportion results in a change in the internal structure of the material, i.e. different mechanical properties and sometimes shorter lifespan. In ODS alloys, the iron-based crystal lattice enables sufficient aluminum enrichment, which guarantees excellent oxidation resistance of the material.

- 1 CZ 309485 B6- 1 CZ 309485 B6

Slitiny na bázi ODS jsou zpravidla poměrně náročné na maloobjemovou i velkoobjemovou výrobu kvůli poměrně složitému technologickému procesu získání výsledného materiálu, což vede k vysoké ceně finálních produktů.Alloys based on ODS are usually quite demanding for small-volume and large-volume production due to the relatively complex technological process of obtaining the resulting material, which leads to a high price of the final products.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Výše uvedené nedostatky z podstatné části odstraňuje způsob zhutňování prášků objemovým tvářením. Směs kovového prášku je tvořena kovovou matricí na bázi železa a hliníku a alespoň jedním druhem vytvrzovacího oxidu kovů. Prášek je uložen v deformovatelné a vzduchotěsné pracovní nádobě, ze které je následně odčerpán vzduch a vytvořen podtlak. Objemové tváření probíhá za teplot 700 až 1300 °C. Výhodou uvedeného způsobu je vysoký podíl vytvrzovacího oxidu ve výsledném materiálu, který je 1 až 10 %. Vytvrzovacím oxidem je pak oxid yttritý Y2O3.The above-mentioned shortcomings are largely eliminated by the method of compacting powders by volumetric molding. The metal powder mixture consists of a metal matrix based on iron and aluminum and at least one type of hardening metal oxide. The powder is stored in a deformable and airtight work container, from which the air is subsequently pumped out and a vacuum is created. Volumetric forming takes place at a temperature of 700 to 1300 °C. The advantage of the mentioned method is the high proportion of curing oxide in the resulting material, which is 1 to 10%. The curing oxide is then yttrium oxide Y2O3.

Objemovým tvářením je myšleno rotační kování nebo válcování, zejména pak dvouosé válcování. Objemové tváření pak výhodně probíhá za teplot 700 až 1000 °C.Volumetric forming refers to rotary forging or rolling, especially biaxial rolling. Bulk forming then takes place preferably at a temperature of 700 to 1000 °C.

Zhutňovaný prášek zahrnuje atomy železa a hliníku či dalších kovů, a dále vytvrzovací oxid, kterým je výhodně oxid yttritý. Výhodně dále zahrnuje kovový prášek alespoň jednu leguru, např. chrom nebo mangan, či jiný dodatečný materiál ovlivňující výsledné vlastnosti získaného zhutněného tělesa. Přítomnost vytvrzovacího oxidu zajišťuje vysokou tvrdost získaného materiálu, který je po objemovém tváření zpravidla vyžíhán po dobu 0,5 až 24 hodin při teplotě 1000 až 1400 °C. Vyžíháním je zajištěna sekundární rekrystalizace získaného materiálu vytvářející podlouhlá zrna podél osy rotačního kování, čímž se dále zlepšují mechanické vlastnosti materiálu za velmi vysokých teplot a odstraňují se lokální defekty v krystalické struktuře. Pro zajištění optimálního zpracování je objemové tváření prováděno třífázově.The compacted powder includes atoms of iron and aluminum or other metals, as well as a hardening oxide, which is preferably yttrium oxide. Advantageously, the metal powder also includes at least one alloy, e.g. chromium or manganese, or another additional material influencing the resulting properties of the obtained compacted body. The presence of hardening oxide ensures the high hardness of the obtained material, which is usually annealed for 0.5 to 24 hours at a temperature of 1000 to 1400 °C after volume forming. Annealing ensures secondary recrystallization of the obtained material, creating elongated grains along the axis of the rotary forging, which further improves the mechanical properties of the material at very high temperatures and removes local defects in the crystalline structure. To ensure optimal processing, volume forming is carried out in three phases.

Před samotným zpracováním je prášek připraven mechanickým legováním.Before processing itself, the powder is prepared by mechanical alloying.

Zhutněný materiál získaný výše uvedeným způsobem vykazuje o 30 % vyšší creepovou pevnost než obdobnými metodami získané materiály na bázi ODS, a to zejména při aplikačních teplotách 1100 až 1300 °C. Výše uvedený zhutněný materiál zahrnuje kovovou matrici na bázi železa a hliníku a vytvrzovací oxid, kterým je příkladně oxid yttritý. Výhodně dále zahrnuje zhutněný materiál alespoň jednu leguru, např. mangan nebo chrom. Získaný materiál má creepovou pevnost 70 až 120 MPa a tažnost 1 až 10 % při teplotě 1100 °C. Výhodně je podíl vytvrzovacího oxidu v získaném materiálu 4 až 6 %, tedy cca 10x vyšší, než v obdobně získaných materiálech. Přítomnost velkého podílu hliníku v materiálu pak poskytuje vysokou odolnost vůči oxidaci díky přítomnosti tenké povrchové vrstvy hliníku na materiálu při reakci se vzduchem.The compacted material obtained in the above-mentioned manner shows a 30% higher creep strength than ODS-based materials obtained by similar methods, especially at application temperatures of 1100 to 1300 °C. The above-mentioned compacted material includes a metal matrix based on iron and aluminum and a curing oxide, which is, for example, yttrium oxide. Advantageously, the compacted material also includes at least one alloy, e.g. manganese or chromium. The obtained material has a creep strength of 70 to 120 MPa and an elongation of 1 to 10% at a temperature of 1100 °C. Advantageously, the proportion of curing oxide in the obtained material is 4 to 6%, i.e. approx. 10 times higher than in similarly obtained materials. The presence of a large proportion of aluminum in the material then provides high resistance to oxidation due to the presence of a thin surface layer of aluminum on the material during reaction with air.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Podstata vynálezu je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, kde na:The essence of the invention is further clarified by examples of its implementation, which are described using the attached drawings, where on:

obr. 1 je schematicky znázorněn přednesený způsob zhutňování prášků objemovým tvářením;Fig. 1 schematically shows the presented method of compacting powders by bulk forming;

obr. 2 je schematicky znázorněno zařízení pro rotační kování;Fig. 2 is a schematic representation of a device for rotary forging;

obr. 3 je schematicky znázorněno zařízení pro válcování;Fig. 3 is a schematic illustration of a rolling device;

obr. 4 je snímek mikrostruktury vzorku získaného přednesenou metodou při válcování, snímek byl pořízen rastrovacím elektronovým mikroskopem;Fig. 4 is a picture of the microstructure of the sample obtained by the presented method during rolling, the picture was taken with a scanning electron microscope;

- 2 CZ 309485 B6 obr. 5 je snímek mikrostruktury vzorku získaného přednesenou metodou při rotačním kování, snímek byl pořízen rastrovacím elektronovým mikroskopem; a obr. 6 je znázorněno grafické srovnání pevnosti vzorků získaných přednesenou metodou při válcování, rotačním kování a komerčně vyráběnou ODS slitinou MA 956.- 2 CZ 309485 B6 Fig. 5 is a picture of the microstructure of a sample obtained by the presented method during rotary forging, the picture was taken with a scanning electron microscope; and Fig. 6 shows a graphical comparison of the strength of samples obtained by the presented method in rolling, rotary forging and commercially produced ODS alloy MA 956.

Příklady uskutečnění vynálezuExamples of implementation of the invention

Vynález bude dále objasněn na příkladech uskutečnění s odkazem na příslušné výkresy, které však nemají z hlediska rozsahu ochrany žádný omezující vliv.The invention will be further explained on examples of implementation with reference to the relevant drawings, which, however, have no limiting effect in terms of the scope of protection.

Přednesený způsob zhutňování prášků, znázorněný schematicky na obr. 1, využívá prášky s kovovou matricí na bázi železa, hliníku a titanu a dále zahrnující vytvrzovací oxid. Příkladně může být tímto práškem Fe- 10Al-3Y2O3- 1Ti (ve váhových %). Prášek určený ke zhutnění je uložen do deformovatelné a vzduchotěsné pracovní nádoby a udusán. Následně je v pracovní nádobě snížen tlak na hodnotu 1 až 10 Pa a nádoba je uzavřena a utěsněna. Uzavření a utěsnění může probíhat například svařováním. V další fázi je uzavřený a v pracovní nádobě utěsněný prášek podroben objemovému tváření, které probíhá v rozmezí teplot 800 až 1300 °C, výhodnější teplotní interval je omezený na 800 až 1000 °C, přičemž příkladně probíhá objemové tváření při teplotě 900 °C. Objemovým tvářením je myšleno zejména rotační kování nebo válcování, zejména dvouosé válcování. Při rotačním kování dochází k silovému působení písty 2 na zpracovávané těleso 1 podél celého jeho obvodu zároveň, jak je znázorněno na obr. 2, zároveň je při rotačním kování otáčeno buďto zařízením provádějícím rotační kování nebo zpracovávaným tělesem 1, obrobkem, respektive pracovní nádobou, která je v tomto příkladném provedení válcového tvaru, přičemž rotační kování je prováděno ve směru kolmém na středovou osu válce. Po rotačním kování se objem zpracovávaného materiálu zmenší o objem prostoru mezi zrny zhutňovaného prášku. Vlivem rotačního kování klesá průměr zpracovávaného válečku, respektive pracovní nádoby. Průměr pracovní nádoby po rotačním kování je 1,5x až 5x menší než před rotačním kováním. Při válcování je pracovní nádoba s práškem ke zhutnění podrobena tlaku válců působícímu ze dvou protilehlých stran, viz. obr. 3. Válcování odpovídá tváření zpracovávaného tělesa 1, které prochází prostorem mezi dvěma otáčejícími se válci 3, kde mezera mezi válci 3 je menší než výška vstupního zpracovávaného tělesa 1. Příkladně může být zhutňovaný materiál zpracován dvouosým válcováním, kdy osa působení tvarovacího tlaku zůstává stejná, avšak mění se orientace zpracovávaného materiálu, zpravidla o 90°. Válcováním tak klesá průměr pracovní nádoby v případě válcové nádoby, respektive výška rovnoběžnostěnu v případě jiného tvaru pracovní nádoby, a to 1,5x až 10x. Výhodně je objemové tváření zhutňovaného prášku v pracovní nádobě prováděno alespoň třikrát. Po objemovém tváření je získaný materiál vyžíhán po dobu 0,5 až 24 hodin za teploty 1000 až 1400 °C. V příkladném provedení probíhá vyžíhání po dobu 4 hodin za teploty 1200 °C. Tímto je zajištěna sekundární rekrystalizace zrn tvořících získaný materiál.The presented method of powder compaction, shown schematically in Fig. 1, uses powders with a metal matrix based on iron, aluminum and titanium and further including a curing oxide. For example, this powder can be Fe-10Al-3Y2O3-1Ti (in weight %). The powder intended for compaction is stored in a deformable and airtight work container and smothered. Subsequently, the pressure in the working vessel is reduced to a value of 1 to 10 Pa and the vessel is closed and sealed. Closure and sealing can take place, for example, by welding. In the next phase, the powder, which is closed and sealed in the work container, is subjected to volume forming, which takes place in the temperature range of 800 to 1300 °C, a more favorable temperature interval is limited to 800 to 1000 °C, while, for example, volume forming takes place at a temperature of 900 °C. Volumetric forming means mainly rotary forging or rolling, especially biaxial rolling. During rotary forging, the piston 2 exerts a force on the processed body 1 along its entire circumference at the same time, as shown in Fig. 2, at the same time, during rotary forging, either the device performing the rotary forging or the processed body 1, the workpiece, or the work container, which is in this exemplary embodiment of a cylindrical shape, while the rotary forging is carried out in a direction perpendicular to the central axis of the cylinder. After rotary forging, the volume of the processed material is reduced by the volume of the space between the compacted powder grains. As a result of rotary forging, the diameter of the processed roller, or the work container, decreases. The diameter of the work vessel after rotary forging is 1.5x to 5x smaller than before rotary forging. During rolling, the working container with the compacting powder is subjected to the pressure of the rollers acting from two opposite sides, viz. Fig. 3. Rolling corresponds to the forming of the processed body 1, which passes through the space between two rotating cylinders 3, where the gap between the cylinders 3 is smaller than the height of the input processed body 1. For example, the compacted material can be processed by biaxial rolling, when the axis of the forming pressure remains the same, but the orientation of the processed material changes, usually by 90°. By rolling, the diameter of the working container in the case of a cylindrical container, or the height of the parallelogram in the case of a different shape of the working container, decreases by 1.5x to 10x. Advantageously, the volumetric shaping of the compacted powder is carried out at least three times in the work vessel. After volume forming, the obtained material is annealed for 0.5 to 24 hours at a temperature of 1000 to 1400 °C. In an exemplary embodiment, annealing takes place for 4 hours at a temperature of 1200°C. This ensures secondary recrystallization of the grains forming the obtained material.

V příkladném provedení je předmětná metoda způsobu zhutňování prášků objemovým tvářením předcházena krokem přípravy prášku ke zhutnění. Vysoce homogenní prášek zahrnující kovovou matrici a nanočástice oxidu yttritého Y2O3 je vytvořen mechanickým legováním. Kovová matrice může rovněž zahrnovat i oxidy jiných kovů, případně další legury, jako chrom a mangan. Dalším krokem přípravy prášků může být příkladně termomechanické zpracování za účelem snížení porozity materiálů a zvýšení jejich odolnosti. Termomechanickým zpracováním je myšleno např. za tepla prováděné dvouosé válcování za zvýšené teploty (Hot cross rolling). Po prvotním zpracování prášek vykazuje vysokou míru homogenity, kdy je kyslík pocházející z oxidu yttritého a oxidovaných kovových matric kompletně rozpuštěn v práškové směsi a zachycen v defektech, poruchách, krystalické báze prášku, zejména v dislokacích a vakancích. Takto připravený prášek je následně uzavřen do kovové pracovní nádoby a podroben konsolidaci za zvýšené teploty. Tímto je zajištěno odstranění porozity a zahájena dynamická rekrystalizace. Dynamická rekrystalizace pak vede k vytvoření jemnozrnných mikrostruktur (ultra-fine grained microstructures). Vysoce jemnozrnné mikrostruktury jsou stabilizovány přítomností nanooxidů o velikostech řádově 5 nmIn an exemplary embodiment, the subject method of powder compaction by volume molding is preceded by a step of preparing the powder for compaction. A highly homogeneous powder comprising a metal matrix and yttrium oxide Y2O3 nanoparticles is created by mechanical alloying. The metal matrix can also include oxides of other metals, or other alloys, such as chromium and manganese. The next step in the preparation of powders can be, for example, thermomechanical processing in order to reduce the porosity of the materials and increase their resistance. Thermomechanical processing means, for example, biaxial rolling at elevated temperatures (Hot cross rolling). After initial processing, the powder shows a high degree of homogeneity, when oxygen originating from yttrium oxide and oxidized metal matrices is completely dissolved in the powder mixture and trapped in defects, disorders, the crystalline base of the powder, especially in dislocations and vacancies. The powder prepared in this way is then enclosed in a metal work container and subjected to consolidation at an elevated temperature. This ensures the removal of porosity and the initiation of dynamic recrystallization. Dynamic recrystallization then leads to the creation of ultra-fine grained microstructures. Highly fine-grained microstructures are stabilized by the presence of nanooxides with sizes of the order of 5 nm

- 3 CZ 309485 B6 až do teplot v rozmezí 1000 až 1100 °C. Překročením kritické teploty 1200 °C po dobu několika hodin, příkladně v intervalu 0,5 až 24 hodin, dojde k sekundární rekrystalizaci. Ve výsledku pak finální mikrostruktura zahrnuje hrubá zrna o velikosti řádově 100 pm zpevněné homogenní disperzí oxidu yttritého o velikosti přibližně 20 nm.- 3 CZ 309485 B6 up to temperatures in the range of 1000 to 1100 °C. By exceeding the critical temperature of 1200 °C for several hours, for example in the interval of 0.5 to 24 hours, secondary recrystallization occurs. As a result, the final microstructure includes coarse grains of the order of 100 pm reinforced by a homogeneous dispersion of yttrium oxide of approximately 20 nm in size.

V příkladném provedení vynálezu je k přednesené metodě využit prášek Fe-10Al-3Y2O3-1Ti vyrobený z prášků železa, hliníku, oxidu yttritého a titanu, kde čistota prášků je nejméně 99,9 %. Jednotlivé prášky tvořící výsledný kovový prášek jsou uzavřeny ve vzduchotěsném kulovém mlýnu, který obsahuje příkladně ložiskové kuličky o velikosti 40 mm vyrobené z nízkolegované oceli. V kulovém mlýnu je následně provedeno mechanické legování prášků jeho rotací okolo horizontální osy. Příkladně je tento proces prováděn ve vakuu při tlaku 1 až 10 Pa po dobu 2 až 3 týdnů. Po mechanickém legování jsou vlastnosti prášku saturované, přičemž částice prášku zahrnují značné množství defektů, např. vakancí a dislokací.In an exemplary embodiment of the invention, the presented method uses Fe-10Al-3Y2O3-1Ti powder made from iron, aluminum, yttrium oxide and titanium powders, where the purity of the powders is at least 99.9%. The individual powders forming the resulting metal powder are sealed in an airtight ball mill, which contains, for example, 40 mm bearing balls made of low-alloy steel. In the ball mill, mechanical alloying of the powders is subsequently carried out by rotating it around a horizontal axis. For example, this process is carried out in a vacuum at a pressure of 1 to 10 Pa for a period of 2 to 3 weeks. After mechanical alloying, the properties of the powder are saturated, with the powder particles containing a significant amount of defects, such as vacancies and dislocations.

Materiál získaný výše uvedeným způsobem pomocí válcování a sekundární rekrystalizaci vykazuje při teplotě 1100 °C a deformační rychlosti 10-6 s-1 pevnost 75 MPa s odchylkou řádově 5 % a tažnost v intervalu hodnot 1 až 10 %, typicky 1 až 2 %. Mikroskopická struktura válcovaného materiálu vykazuje velké množství ultrajemných zrn s přibližně homogenním rozmístěním, na obr. 4 je znázorněn snímek výsledného materiálu získaný analýzou zpětně odražených elektronů v rastrujícím elektronovém mikroskopu.At a temperature of 1100 °C and a deformation rate of 10 -6 s -1 , the material obtained in the above-mentioned manner using rolling and secondary recrystallization shows a strength of 75 MPa with a deviation of the order of 5% and an elasticity in the range of 1 to 10%, typically 1 to 2%. The microscopic structure of the rolled material shows a large number of ultrafine grains with an approximately homogeneous distribution, Fig. 4 shows an image of the resulting material obtained by backscattered electron analysis in a scanning electron microscope.

Materiál získaný výše uvedeným způsobem pomocí rotačního kování a sekundární rekrystalizaci vykazuje při teplotě 1100 °C a deformační rychlosti 10-6 s-1 pevnost 115 MPa s odchylkou řádově 5 % a tažnost v intervalu hodnot 1 až 10 %, typicky 1 až 3 %. Mikroskopická struktura takto získaného materiálu po rotačním kování vykazuje oproti válcování větší velikost zrn. Na obr. 5 je znázorněn snímek výsledného materiálu získaný analýzou zpětně odražených elektronů v rastrujícím elektronovém mikroskopu.At a temperature of 1100 °C and a deformation rate of 10 -6 s -1 , the material obtained by the above-mentioned method using rotary forging and secondary recrystallization shows a strength of 115 MPa with a deviation of the order of 5% and an elasticity in the range of 1 to 10%, typically 1 to 3%. The microscopic structure of the material obtained in this way after rotary forging shows a larger grain size compared to rolling. Fig. 5 shows an image of the resulting material obtained by analyzing backscattered electrons in a scanning electron microscope.

Na obr. 6 je graficky srovnána creepová pevnost vzorků získaných výše uvedenou metodou při teplotě 1100 °C. Specimen 1 označuje vzorek získaný výše uvedenou metodou při využití válcování, Specimen 2 označuje vzorek získaný výše uvedenou metodou při využití rotačního kování. MA 956 je pak komerčně dostupná ODS slitina. Na horizontální ose jsou hodnoty působícího napětí a na vertikální ose je čas do lomu vzorku. Vzorek získaný rotačním kováním pak vykazuje mnohem vyšší pevnost než komerční ODS slitina nebo válcovaný materiál. Creepová pevnost je vlastnost vzorku prověřovaná v teplotním oboru využití daného materiálu. U vzorků získaných výše uvedenou metodou je dosaženo při aplikované teplotě 1100 °C a požadované době do lomu 1000 creepové pevnosti 70 až 100 MPa.Fig. 6 graphically compares the creep strength of the samples obtained by the above-mentioned method at a temperature of 1100 °C. Specimen 1 refers to the sample obtained by the above method using rolling, Specimen 2 refers to the sample obtained by the above method using rotary forging. MA 956 is a commercially available ODS alloy. On the horizontal axis are the values of the applied stress and on the vertical axis is the time until the specimen breaks. The sample obtained by spin forging then shows a much higher strength than the commercial ODS alloy or the rolled material. Creep strength is a property of the sample tested in the temperature range of use of the given material. For samples obtained by the above-mentioned method, a creep strength of 70 to 100 MPa is achieved at an applied temperature of 1100 °C and a required time to fracture of 1000.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Přednesený způsob zhutňování prášků objemovým tvářením produkuje o cca 30 % pevnější materiály než konvenční metody zhutňování prášků na bázi ODS. Tyto materiály se stávají dostupné pro uplatnění při teplotách 1100 až 1300 °C.The presented method of compacting powders by volumetric molding produces about 30% stronger materials than conventional methods of compacting powders based on ODS. These materials are becoming available for application at temperatures of 1100 to 1300 °C.

Claims (13)

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS 1. Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením, kde prášek je tvořen kovovou matricí obsahující alespoň jeden typ vytvrzovacího oxidu kovů a je uložen v deformovatelné a vzduchotěsné pracovní nádobě, kde objemové tváření probíhá v rozmezí teplot 700 až 1300 °C v pracovní nádobě při tlaku plynu nižším, než je atmosférický tlak, vyznačující se tím, že kovová matrice je na bázi železa a hliníku, a že podíl vytvrzovacího oxidu v práškové směsi je 1 až 10 %, přičemž vytvrzovacím oxidem je oxid yttritý Y2O3.1. A method of compacting powders by volumetric molding, where the powder is formed by a metal matrix containing at least one type of hardening metal oxide and is stored in a deformable and airtight work container, where volume molding takes place in the temperature range of 700 to 1300 °C in the work container at a gas pressure lower , than atmospheric pressure, characterized in that the metal matrix is based on iron and aluminum, and that the proportion of curing oxide in the powder mixture is 1 to 10%, the curing oxide being yttrium oxide Y2O3. 2. Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením podle nároku 1, vyznačující se tím, že objemovým tvářením je lisování, kování, rotační kování nebo válcování.2. A method of compacting powders by volume forming according to claim 1, characterized in that the volume forming is pressing, forging, rotary forging or rolling. 3. Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že objemové tváření probíhá za teploty 700 až 1000 °C.3. A method of compacting powders by volume molding according to any of the preceding claims, characterized in that the volume molding takes place at a temperature of 700 to 1000 °C. 4. Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že zhutňovaný prášek dále zahrnuje alespoň chrom nebo mangan.4. A method of compacting powders by volume molding according to any one of the preceding claims, characterized in that the compacted powder further includes at least chromium or manganese. 5. Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že po objemovém tváření je zhutněný prášek vyžíhán při teplotě 1000 až 1400 °C po dobu 0,5 až 24 hodin.5. A method of compacting powders by volume molding according to any one of the preceding claims, characterized in that after volume molding the compacted powder is annealed at a temperature of 1000 to 1400 °C for a period of 0.5 to 24 hours. 6. Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že objemové tváření je vícestupňové.6. A method of compacting powders by bulk molding according to any of the preceding claims, characterized in that the bulk molding is multi-stage. 7. Způsob zhutňování prášků objemovým tvářením podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že prášek je připraven mechanickým legováním.7. A method of compacting powders by bulk forming according to any one of the preceding claims, characterized in that the powder is prepared by mechanical alloying. 8. Zhutněný materiál sestávající z kovové matrice na bázi slitiny železa, hliníku a vytvrzovacího oxidu, vyznačující se tím, že podíl vytvrzovacího oxidu ve zhutněném materiálu je 1 až 10 %.8. Compacted material consisting of a metal matrix based on an alloy of iron, aluminum and curing oxide, characterized in that the proportion of curing oxide in the compacted material is 1 to 10%. 9. Zhutněný materiál podle nároku 8, vyznačující se tím, že má na vzduchu při teplotě creepovou pevnost 70 až 100 MPa při 1000 hodinách do lomu.9. Compacted material according to claim 8, characterized in that it has a creep strength of 70 to 100 MPa at 1000 hours to fracture in air at temperature. 10. Zhutněný materiál podle kteréhokoliv z nároků 8 až 9, vyznačující se tím, že má tažnost 1 až 10 %.10. Compacted material according to any one of claims 8 to 9, characterized in that it has an elasticity of 1 to 10%. 11. Zhutněný materiál podle kteréhokoliv z nároků 8 až 10, vyznačující se tím, že vytvrzovacím oxidem je oxid yttritý.11. Compacted material according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the curing oxide is yttrium oxide. 12. Zhutněný materiál podle kteréhokoliv z nároků 8 až 11, vyznačující se tím, že podíl vytvrzovacího oxidu je 4 až 6 %.12. Compacted material according to any one of claims 8 to 11, characterized in that the proportion of curing oxide is 4 to 6%. 13. Zhutněný materiál podle kteréhokoliv z nároků 8 až 12, vyznačující se tím, že dále zahrnuje alespoň chrom nebo mangan.13. Compacted material according to any one of claims 8 to 12, characterized in that it further includes at least chromium or manganese.
CZ2022-282A 2020-10-19 2020-10-19 Compacting powders by volumetric moulding CZ309485B6 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CZ2020/050083 WO2022083806A1 (en) 2020-10-19 2020-10-19 Method of consolidating powders by volumetric forming

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2022282A3 CZ2022282A3 (en) 2022-08-03
CZ309485B6 true CZ309485B6 (en) 2023-02-15

Family

ID=81291667

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2022-282A CZ309485B6 (en) 2020-10-19 2020-10-19 Compacting powders by volumetric moulding

Country Status (2)

Country Link
CZ (1) CZ309485B6 (en)
WO (1) WO2022083806A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005095661A2 (en) * 2004-04-02 2005-10-13 Atomising Systems Limited Making sintered, iron-based alloy parts by using boron-containing master alloys
US20110250074A1 (en) * 2010-04-09 2011-10-13 General Electric Company Multi-alloy article, and method of manufacturing thereof
US20160207110A1 (en) * 2015-01-20 2016-07-21 General Electric Company Corrosion resistant article and methods of making
KR20180029154A (en) * 2016-09-09 2018-03-20 주식회사 쎄타텍 Method of high strength aluminum alloy component and connecting rod using the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005095661A2 (en) * 2004-04-02 2005-10-13 Atomising Systems Limited Making sintered, iron-based alloy parts by using boron-containing master alloys
US20110250074A1 (en) * 2010-04-09 2011-10-13 General Electric Company Multi-alloy article, and method of manufacturing thereof
US20160207110A1 (en) * 2015-01-20 2016-07-21 General Electric Company Corrosion resistant article and methods of making
KR20180029154A (en) * 2016-09-09 2018-03-20 주식회사 쎄타텍 Method of high strength aluminum alloy component and connecting rod using the same

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022083806A1 (en) 2022-04-28
CZ2022282A3 (en) 2022-08-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yim et al. Fabrication and mechanical properties of TiC reinforced CoCrFeMnNi high-entropy alloy composite by water atomization and spark plasma sintering
Moravcik et al. Microstructure and mechanical properties of Ni1, 5Co1, 5CrFeTi0, 5 high entropy alloy fabricated by mechanical alloying and spark plasma sintering
Orlov et al. Obtaining copper with harmonic structure for the optimal balance of structure-performance relationship
Khan et al. Effect of grain refinement on mechanical properties of ball-milled bulk aluminum
Rieken et al. Reactive gas atomization processing for Fe-based ODS alloys
Liu et al. Effect of sintering temperature on microstructures and mechanical properties of spark plasma sintered nanocrystalline aluminum
JP5971821B2 (en) Method for manufacturing titanium alloy welding wire
Cao et al. Precipitation behavior during hot deformation of powder metallurgy Ti-Nb-Ta-Zr-Al high entropy alloys
Lapovok et al. Low-temperature compaction of Ti–6Al–4V powder using equal channel angular extrusion with back pressure
Joshi et al. Development of Ti-6Al-4V and Ti-1Al-8V-5Fe alloys using low-cost TiH 2 powder feedstock
Khan et al. Compressive properties of Cu with different grain sizes: sub-micron to nanometer realm
Yao et al. Microstructures and tensile mechanical properties of an ultrafine grained AA6063–5 vol% SiC metal matrix nanocomposite synthesized by powder metallurgy
Vogt et al. Cryomilled aluminum alloy and boron carbide nano-composite plate
Elsayed et al. Microstructure and mechanical properties of hot extruded Mg–Al–Mn–Ca alloy produced by rapid solidification powder metallurgy
Guo et al. Microstructure and mechanical properties of powder metallurgy high temperature titanium alloy with high Si content
Průša et al. Mechanical properties and thermal stability of Al–Fe–Ni alloys prepared by centrifugal atomisation and hot extrusion
EP2385884A2 (en) A method for forming high strength aluminum alloys containing l12 intermetallic dispersoids
Shanmugasundaram et al. On grain refinement of a γ-TiAl alloy using cryo-milling followed by spark plasma sintering
Zheng et al. Achieving enhanced strength in ultrafine lamellar structured Al2024 alloy via mechanical milling and spark plasma sintering
Sivasankaran et al. Effect of strengthening mechanisms on cold workability and instantaneous strain hardening behavior during grain refinement of AA 6061-10 wt.% TiO2 composite prepared by mechanical alloying
Gerling et al. Prospects for metal injection moulding using a gamma titanium aluminide based alloy powder
Witkin et al. Room-temperature mechanical behavior of cryomilled Al alloys
JP3071118B2 (en) Method for producing NiAl intermetallic compound to which fine additive element is added
Cobbinah et al. The high-temperature performance of Ti-46.5 Al-% xTa (x= 0.8, 4 and 8 at.%) alloys produced using SPS
CZ309485B6 (en) Compacting powders by volumetric moulding