專利名稱：通過(guò)冷加工和表面退火生產(chǎn)金屬產(chǎn)品例如片材的方法
政府權(quán)益聲明按照美國(guó)能源部和Lockheed Martin Energy Research Corporation，Inc.之間的第DE-AC05-840R21400號(hào)協(xié)議，美國(guó)政府享有本發(fā)明之權(quán)利。
本發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明主要涉及生產(chǎn)金屬產(chǎn)品如片、帶、桿、線或條材，特別是生產(chǎn)難于加工的金屬間合金如鐵、鎳和鈦的鋁化物。
本發(fā)明背景美國(guó)專利號(hào)5,320,802、5,158,744、5,024,109和4,961,903公開(kāi)了具有體心立方有序晶體結(jié)構(gòu)的Fe3Al金屬間鐵鋁化物。美國(guó)專利號(hào)5,238,645公開(kāi)了一種具有無(wú)序體心晶體結(jié)構(gòu)的鐵鋁化物合金，其中該合金，用重量百分比表示，含有8-9.5Al、≤7Cr、≤4Mo、≤0.05C、≤0.5Zr和≤0.1Y、優(yōu)選含有4.5-5.5Cr、1.8-2.2Mo、0.02-0.032C和0.15-0.25Zr。
美國(guó)專利號(hào)3,026,197和加拿大專利號(hào)648,140公開(kāi)了含有3-18％重量Al、0.05-0.5％重量Zr、0.01-0.1％重量B及任選量Cr、Ti和Mo的鐵基合金。美國(guó)專利號(hào)3,676,109公開(kāi)了一種含有3-10％重量Al、4-8％重量Cr、大約0.5％重量Cu、少于0.05％重量C、0.5-2％重量Ti和任選量Mn和B的鐵基合金。
美國(guó)專利號(hào)1,550,508、1,990,650和2,768,915以及加拿大專利號(hào)648,141公開(kāi)了含有用作電阻加熱元件的含鐵基鋁的合金?！?08號(hào)專利公開(kāi)的合金含有20％重量Al、10％重量Mn；12-15％重量Al、6-8％重量Mn；或12-16％重量Al、2-10％重量Cr?！?08號(hào)專利公開(kāi)的所有具體例子都含有至少6％重量Cr和至少10％重量Al?！?50號(hào)專利公開(kāi)的合金含有16-20％重量Al、5-10％重量Cr、≤0.05％重量C、≤0.25％重量Si、0.1-0.5％重量Ti、≤1.5％重量Mo和0.4-1.5％重量Mn，且其唯一具體例子含有17.5％重量Al、8.5％重量Cr、0.44％重量Mn、0.36％重量Ti、0.02％重量C和0.13％重量Si?！?15號(hào)專利公開(kāi)的合金包含10-18％重量Al、1-5％重量Mo、Ti、Ta、V、Cb、Cr、Ni、B和W，且其唯一具體例子含有16％重量Al和3％重量Mo。該加拿大專利所公開(kāi)的合金含有6-11％重量Al、3-10％重量Cr、≤4％重量Mn、≤1％重量Si、≤0.4％重量Ti、≤0.5％重量C、0.2-0.5％重量Zr和0.05-0.1％重量B，且其唯一具體例子含有至少5％重量Cr。
美國(guó)專利號(hào)5,249,586和美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?7/973,504、08/118,665、08/105,346和08/224,848公開(kāi)了多種材料的電阻加熱器。
美國(guó)專利號(hào)4,334,923公開(kāi)了一種用于催化轉(zhuǎn)化器的可冷軋的抗氧化的鐵基合金，它含有≤0.05％C、0.1-2％Si、2-8％Al、0.02-1％Y、＜0.009％P、＜0.006％S和＜0.009％O。
美國(guó)專利號(hào)4,684,505公開(kāi)了一種耐熱鐵基合金，它含有10-22％Al、2-12％Ti、2-12％Mo、0.1-1.2％Hf、≤1.5％Si、≤0.3％C、≤0.2％B、≤1.0％Ta、≤0.5％W、≤0.5％V、≤0.5％Mn、≤0.3％Co、≤0.3％Nb和≤0.2％La。
日本公開(kāi)專利申請(qǐng)?zhí)?3-119721公開(kāi)了一種加工性能良好的耐磨損、高磁導(dǎo)率的合金，它含有1.5-17％Al、0.2-15％Cr以及總量為0.01-8％而任選加入的＜4％Si、＜8％Mo、＜8％W、＜8％Ti、＜8％Ge、＜8％Cu、＜8％V、＜8％Mn、＜8％Nb、＜8％Ta、＜8％Ni、＜8％Co、＜3％Sn、＜3％Sb、＜3％Be、＜3％Hf、＜3％Zr、＜0.5％Pb和＜3％稀土金屬。
J.R.Knibloe等在Advances in Powder Metallurgy第2卷中一篇題為“P/M Fe3Al合金的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能”的1990年公告第219-231頁(yè)中，公開(kāi)了一種通過(guò)使用惰性氣體霧化器制備含2％和5％Cr的Fe3Al的粉末冶金方法。為生產(chǎn)片材，將該粉末裝入低碳鋼罐中，抽真空并在1000℃熱擠壓到面積減小系數(shù)為9∶1。將合金擠壓物從鋼罐中移出后，在1000℃熱鍛到0.340英寸厚、在800℃軋輥成大約0.10英寸厚并最終在650℃軋輥成0.030英寸的片材。
V.K.Sikka在Mat.Res.Soc.Symp.Proc.第213卷一篇題為“Fe3Al基鐵-鋁化物合金的粉末加工”的1991年公告第901-906頁(yè)中，公開(kāi)了一種將含2％和5％Cr的Fe3Al基鐵-鋁化物粉末制造成片材的方法。為生產(chǎn)片材，將該粉末裝入低碳鋼罐中，并在1000℃高溫?cái)D壓到面積減小系數(shù)為9∶1。將鋼罐移去并將該條材在1000℃鍛造50％、在850℃軋輥50％并最終在650℃軋輥50％成為0.76mm片材。
V.K.Sikka等在1990年賓夕法尼亞州匹茲堡舉行的PowderMetallurgy Conference Exhibition上提交的題為“Fe3Al的粉末生產(chǎn)、加工和性能”的論文中，公開(kāi)了一種通過(guò)在保護(hù)氣氛下將組分金屬熔化、使金屬經(jīng)過(guò)計(jì)量噴嘴并通過(guò)霧化氮?dú)馀鲎踩垠w流而粉碎熔體以制備Fe3Al粉末的方法。通過(guò)用該粉末填充一個(gè)76mm低碳鋼罐、將該罐抽真空、在1000℃加熱一個(gè)半小時(shí)并將該罐經(jīng)一個(gè)25mm模頭擠出而達(dá)到9∶1的減小系數(shù)以生產(chǎn)擠出條。將該罐移去、在1000℃鍛造50％、在850℃軋輥50％并最終在650℃軋輥50％而生產(chǎn)0.76mm厚的片材。
美國(guó)專利號(hào)4,391,634和5,032,190公開(kāi)了氧化物分散體增強(qiáng)的鐵基合金粉末?！?34號(hào)專利公開(kāi)了含有10-40％Cr、1-10％Al和≤10％氧化物彌散相的無(wú)Ti合金。’190號(hào)專利公開(kāi)了從含75％Fe、20％Cr、4.5％Al、0.5％Ti和0.5％Y2O3的MA 956合金生產(chǎn)片材的方法。
A.LeFort等在于1991年6月17-20日在日本仙臺(tái)舉辦的theProceedings of International Symposium on Intermatallic Compounds-Structure and Mechanical Porperties(JIMIS-6)上提交的題為“金屬間合金FeAl40的機(jī)械行為”的公告第579-583頁(yè)中，公開(kāi)了添加有硼、鋯、鉻和鈰的FeAl合金(25％重量Al)的多種性能。通過(guò)真空澆鑄并在1100℃下擠壓或通過(guò)在1000℃和1100℃壓縮而制得該合金。
D.Pocci等在于1994年2月27日-3月3日在加州舊金山舉辦的the Minerals，Metals and Materials Society Conference(1994 TMSConference)上提交的題為“金屬間合金CSM FeAl的生產(chǎn)和性能”的公告第19-30頁(yè)中，公開(kāi)了通過(guò)不同技術(shù)如澆鑄和擠出、粉末氣霧化和擠出、粉末機(jī)械合金化和擠出而加工的金屬間化合物Fe40Al的多種性能，并公開(kāi)了使用機(jī)械合金化以采用精細(xì)氧化物分散體增強(qiáng)該材料。該文指出FeSl合金生產(chǎn)后具有B2有序晶體結(jié)構(gòu)、23-25％重量(約40％原子)的Al成分并有Zr、Cr、Ce、C、B和Y2O3等合金化添加物。
J.H.Schneibel在1994 TMS Conference上提交的題為“鐵鋁化物的精選性能”的公告第329-341頁(yè)中公開(kāi)了鐵鋁化物的性能。該文報(bào)道了不同F(xiàn)eAl組合物的性能如熔化溫度、電阻、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹以及機(jī)械機(jī)能。
J.Baker在1994 TMS Conference上提交的題為“FeAl的流動(dòng)和破裂”的公告第101-115頁(yè)中公開(kāi)了B2化合物FeAl的流動(dòng)和破裂的綜述。該文指出前期加熱處理會(huì)強(qiáng)烈影響FeAl的機(jī)械性能，且升高退火溫度后較快的冷卻速率提供較高的室溫屈服強(qiáng)度和硬度但由于多余的空位而提供較低的延展性。
D.J.Alexander在1994 TMS Conference上提交的題為“FeAl合金FA-350的沖擊行為”的公告第193-202頁(yè)中公開(kāi)了鐵鋁化物合金FA-350的沖擊和拉伸性能。該FA-350合金，用原子百分?jǐn)?shù)表示，含有35.8％Al、0.2％Mo、0.05％Zr和0.13％C。
C.H.Kong在1994 TMS Conference上提交的題為“三元添加物對(duì)FeAl的空位硬化和缺陷結(jié)構(gòu)的影響”的公告第231-239頁(yè)中公開(kāi)了三元合金添加劑對(duì)FeAl合金的影響。該文討論了不同的三元合金添加劑如Cu、Ni、Co、Mn、Cr、V和Ti及高退火溫度以及其后的低溫空位釋放(vacancy-relieving)熱處理的影響。
D.J.Gaydosh等在1989年9月Met.Trans A第20A卷第1701-1714頁(yè)中題為“添加有C、Zr、Hf和B的Fe-40 At.Pct.Al合金的微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能”的公告中，公開(kāi)了氣霧化粉末的高溫?cái)D出，其中該粉末要么含有用作預(yù)合金化添加物的C、Zr和Hf，要么在預(yù)先制備的鐵鋁化物粉末中加入了B。
C.G.McKamey等在1991年8月J.of Mater.Res.第6卷第8期第1779-1805頁(yè)題為“Fe3Al基合金最新發(fā)展的評(píng)述”的公告中公開(kāi)了通過(guò)惰性氣體霧化獲得鐵鋁化物粉末的技術(shù)和通過(guò)將合金粉末混合以生產(chǎn)所需合金組合物并通過(guò)高溫?cái)D壓而固結(jié)以制備Fe3Al基三元合金粉末的技術(shù)，亦即通過(guò)氮?dú)饣驓鍤忪F化以制備Fe3Al基粉末并通過(guò)在1000℃擠壓到面積減小系數(shù)為9∶1以固結(jié)到真密度。
美國(guó)專利號(hào)4,917,858、5,269,830和5,455,001公開(kāi)了通過(guò)(1)將混合粉末軋輥成生箔、燒結(jié)并將該箔模壓到真密度、(2)將Fe和Al粉末進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)以形成鐵鋁化物而制備金屬間組合物的粉末冶金技術(shù)，或者通過(guò)無(wú)電鍍膜法、將粉末裝入管中、將裝好的粉末熱處理、冷軋裝入管內(nèi)的粉末并熱處理冷軋好的粉末以制備Ni-B-Al和Ni-B-Ni復(fù)合粉末而獲得金屬間化合物。美國(guó)專利號(hào)5,484,568公開(kāi)了通過(guò)微熱合成以制備加熱元件的粉末冶金技術(shù)，其中燃燒波將反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為所需產(chǎn)品。美國(guó)專利號(hào)5,489,411公開(kāi)了通過(guò)等離子噴涂可卷曲帶材、將該帶材熱處理以釋放殘余應(yīng)力、將兩塊上述帶材的粗糙面放置在一起并在壓力聯(lián)結(jié)輥之間擠壓、隨后通過(guò)溶液退火、冷軋和中間退火而制備鈦鋁化物箔的粉末冶金技術(shù)。
美國(guó)專利號(hào)3,144,330公開(kāi)了通過(guò)將元素粉末、預(yù)合金化粉末或其混合物熱軋和冷軋成帶而生產(chǎn)電阻鐵鋁合金的粉末冶金技術(shù)。美國(guó)專利號(hào)2,889,224公開(kāi)了通過(guò)冷軋并將所述粉末退火而從羰基鎳粉末或羰基鐵粉末制備片材的技術(shù)。
鈦合金是很多專利和公告的主題，它們包括美國(guó)專利號(hào)4,842,819、4,917,858、5,232,661、5,348,702、5,350,466、5,370,839、5,429,796、5,503,794、5,634,992和5,746,846、日本專利公告號(hào)63-171862、1-259139和1-42539；歐洲專利公告號(hào)365174以及V.R.Ryabov等刊登于1969年Metal Metalloved第27卷第4期第668-673頁(yè)題為“金屬間化合物鐵-鋁體系的性能”的論文；S.M.Barinov等刊登于1984年Izvestiya Akademii Nauk SSSR Metally第3期第164-168頁(yè)題為“鈦鋁化物的變形和破壞”的論文；W.Wunderlick等刊登于1990年11月Z.Metallkunde第802-808頁(yè)題為“含Cr和Si的Ti-Al基合金的形變孿晶的增強(qiáng)塑性”的論文；T.Tsujimoto刊登于1985年7月Titaniumand Zirconium第33卷第3期共19頁(yè)，題為“TiAl金屬間化合物合金的研究、發(fā)展和前景”的論文；N.Maeda刊登于1990年1月30日Material of 53rdMeeting of Superplasticity共13頁(yè)題為“金屬間化合物TiAl的高溫塑性”的論文；N.Maeda等刊登于1989年AutumnSymposium of the Japan Institute of Metals共14頁(yè)題為“經(jīng)顆粒高度精煉改進(jìn)金屬間化合物的延展性”的論文；S.Noda等刊登于1988年Autumn Symposium of the Japan Institute of Metals共3頁(yè)題為“TiAl金屬間化合物的機(jī)械性能”的論文；H.A.Lipsitt刊登于1985年Mat.Res.Soc.Symp.Proc.第39卷第351-364頁(yè)題為“鈦鋁化物-概論”的論文；P.L.Martin等刊登于1980年ASM in Titanium80，第2卷第1245-1254頁(yè)題為“合金化對(duì)Ti3Al和TiAl的微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響”的論文；S.H.Whang等刊登于1986年ASM Symposium Proceedings on EnhancedProperties in Structural Metals Via Rapid Solidification，Materials Week共7頁(yè)題為“在L10TiAl化合物合金內(nèi)快速固化的影響”的論文；以及D.Vujic等刊登于1988年10月Metallutgical Transactions A第19A卷第2445-2455頁(yè)題為“快速固化和合金化添加物對(duì)L10TiAl合金及其三元合金內(nèi)點(diǎn)陣畸變和原子排序的影響”的論文。
如以上提及的許多專利和公告公開(kāi)了將TiAl鋁化物進(jìn)行加工以獲得所需性能的種種方法。另外，美國(guó)專利號(hào)5,489,411公開(kāi)了通過(guò)等離子噴涂可卷曲帶材、將該帶材熱處理以釋放殘余應(yīng)力、將兩塊上述帶材的粗糙面放置在一起并在壓力聯(lián)結(jié)輥之間擠壓、隨后通過(guò)溶液退火、冷軋和中間退火而制備鈦鋁化物箔的粉末冶金技術(shù)。美國(guó)專利號(hào)4,917,858公開(kāi)了用元素鈦、鋁和其它合金化元素生產(chǎn)鈦鋁化物箔的粉末冶金技術(shù)。美國(guó)專利號(hào)5,634,992公開(kāi)了加工一種γ鈦鋁化物的方法，即通過(guò)將澆鑄件固結(jié)并在共析體之上將該固結(jié)澆鑄件熱處理以形成γ顆粒與α相和γ相的片狀聚集組織、在上述共析體之下加熱處理以在聚集組織結(jié)構(gòu)內(nèi)部生成γ顆粒并在α轉(zhuǎn)變溫度下熱處理以在γ顆粒內(nèi)部將任何剩余的聚集組織結(jié)構(gòu)改良成具有α2框條的結(jié)構(gòu)。
基于前面所述，本領(lǐng)域需要一種經(jīng)濟(jì)的技術(shù)以制備能承受加工硬化的金屬產(chǎn)品如鐵、鎳和鈦的鋁化物。最好是能采用經(jīng)濟(jì)的技術(shù)制備鋁化物組合物以生產(chǎn)鋁化物產(chǎn)品。
本發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種從金屬合金組合物制造冷加工產(chǎn)品的方法，包含的步驟有(a)通過(guò)將金屬合金組合物冷加工到足以在其上提供表面硬化區(qū)域的程度而制得加工硬化的產(chǎn)品；(b)通過(guò)將該加工硬化的產(chǎn)品輸送通過(guò)爐子以使其在不到一分鐘內(nèi)表面退火制得一種經(jīng)過(guò)熱處理的產(chǎn)品；及任選(c)重復(fù)步驟(a)和(b)直到獲得所需尺寸的冷加工產(chǎn)品。該金屬合金可包含鐵基合金如鋼、銅或銅基合金、鋁或鋁基合金、鈦或鈦基合金、鋯或鋯基合金、鎳或鎳基合金或金屬間合金組合物。該金屬合金優(yōu)選是鐵鋁化物合金、鎳鋁化物合金或鈦鋁化物合金。優(yōu)選通過(guò)紅外加熱實(shí)施該表面退火，且所述冷加工優(yōu)選包含將該合金冷軋成片、帶、桿、線或條材。或者，所述冷加工可包含將所述金屬合金冷沖壓或冷模壓成成型產(chǎn)品。
本發(fā)明方法可包括在步驟(a)之前澆鑄該合金并對(duì)該澆鑄件進(jìn)行熱加工。或者，可通過(guò)粉末冶金技術(shù)如帶澆鑄(tape casting)或軋輥壓制來(lái)制備該合金。例如，可通過(guò)將該合金的粉末混合物和粘結(jié)劑進(jìn)行帶澆鑄制得所述合金以形成孔隙度至少為30％的非致密金屬片、將該帶澆鑄件加熱以趕走揮發(fā)性成分并將該非致密金屬片加工成加工硬化的產(chǎn)品。就軋輥壓制而言，將該合金的粉未混合物和粘結(jié)劑軋輥成孔隙度至少30％的非致密金屬片，將該軋輥片加熱以趕走揮發(fā)性成分，并將上述非致密金屬片冷加工成加工硬化的產(chǎn)品。另外，本發(fā)明方法可包括將該合金的粉末等離子噴涂到基材上以形成孔隙度少于10％的非致密金屬片并將該非致密金屬片材冷加工成加工硬化的產(chǎn)品。
根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方案，可將上述冷加工產(chǎn)品制造成當(dāng)電壓最高可達(dá)10伏且最高可達(dá)6安培的電流從其內(nèi)部經(jīng)過(guò)時(shí)能在不到1秒鐘內(nèi)加熱到900℃的電阻加熱元件。該電阻加熱元件可用于各種加熱應(yīng)用如香煙點(diǎn)火設(shè)備的加熱裝置器的一部分。優(yōu)選該電阻加熱元件具有80到400，優(yōu)選140到200μΩ·cm的電阻。
金屬間合金可包括Fe3Al、Fe2Al5、FeAl3、FeAl、FeAlC、Fe3AlC或其混合物。上述金屬間合金可包含一種鐵鋁化物，用重量百分比表示，含≤32％Al、≤2％Mo、≤1％Zr、≤2％Si、≤30％Ni、≤10％Cr、≤0.3％C、≤0.5％Y、≤0.1％B、≤1％Nb、≤3％W和≤1％Ta。例如，該合金，用重量百分比表示，可含有20-32％Al、0.3-0.5％Mo、0.05-0.3％Zr、0.01-0.5％C、≤0.1％B、≤1％氧化物微粒，剩余部分為Fe。一種優(yōu)選的鐵鋁化物合金，用重量百分比表示，含有20-32％Al、0.3-0.5％Mo、0.05-0.3％Zr、≤0.01-0.5％C、≤1％Al2O3微粒、≤1％Y2O3微粒，剩余部分為Fe。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1表示用輥式矯直機(jī)矯直的FeAl帶的硬度曲線；圖2a表示加熱對(duì)8密耳FeAl片的硬度的影響；圖2b表示加熱時(shí)間對(duì)在400℃下加熱的8密耳FeAl片的硬度的影響；
圖2c表示加熱時(shí)間對(duì)在500℃下加熱的8密耳FeAl片的硬度的影響；圖3表示加熱時(shí)間對(duì)從紅外加熱爐經(jīng)過(guò)的8密耳FeAl片的不同位置的溫度的影響；和圖4表示對(duì)帶澆鑄的FeAl片的軋輥方法的比較。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述本發(fā)明提供了一種從可在其冷加工過(guò)程中承受加工硬化的金屬材料生產(chǎn)冷加工產(chǎn)品的新的和經(jīng)濟(jì)的方法。本發(fā)明的方法特別有益于生產(chǎn)諸如鐵基合金如鋼、銅或銅基合金、鋁或鋁基合金、鈦或鈦基合金、鋯或鋯基合金、鎳或鎳基合金等軋輥、沖壓或模壓成型的金屬合金，或金屬間合金組合物如鋁化物材料?？赏ㄟ^(guò)直接或間接提供待加工成所需形狀的形式的材料的任何技術(shù)制得所述金屬材料。例如，可通過(guò)澆鑄、粉末冶金或等離子噴涂技術(shù)制得上述材料。就澆鑄而言，可將合適的合金熔融、澆鑄成一定形狀，并加工成最終或中間形狀。就粉末冶金而言，可將元素粉末進(jìn)行反應(yīng)合成以形成所需的合金組合物或者可將合適的合金組合物霧化以形成預(yù)合金化粉末，隨后在任何情況下都可將粉末燒結(jié)并加工成最終或中間形狀。就等離子噴涂而言，可將合適的合金組合物熔化并噴涂到基材上以形成中間形狀。根據(jù)本發(fā)明，可以以允許減少加工步驟的數(shù)量如軋制道次的方式將中間形狀制成最終尺寸形狀。
通常，難于加工的金屬組合物例如鋁化物，特別是細(xì)帶形，在成形過(guò)程中有加工硬化的趨勢(shì)。在本發(fā)明的方法的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)加工硬化首先在某一表面薄層引起并在承受冷加工如厚度減小的過(guò)程中逐漸在材料的整個(gè)厚度累積。根據(jù)本發(fā)明，將最初的薄的加工硬化層熱處理而降低表面層的硬度。根據(jù)本發(fā)明，特別有益的熱處理是表面退火處理，其中將該帶材的表面快速加熱到足以消除在該表面層中所積累的應(yīng)力的溫度。可通過(guò)任何合適的技術(shù)如運(yùn)用紅外線、激光、感應(yīng)等加熱裝置來(lái)實(shí)施上述表面退火處理。就制備片材材料而言特別優(yōu)選的加熱技術(shù)是配備了紅外加熱燈的爐子，所述紅外加熱燈經(jīng)過(guò)安排以便當(dāng)帶材從爐子經(jīng)過(guò)時(shí)能對(duì)其表面進(jìn)行加熱。表面退火在降低表面硬度方面的效率可通過(guò)以下關(guān)于制備鐵鋁化物帶的示例性方法得到解釋。
圖1表示用輥式矯直機(jī)矯直的FeAl帶在帶的消除應(yīng)力退火之前和之后的硬度曲線。記號(hào)◆代表消除應(yīng)力退火之前，該帶有一表面硬化區(qū)域，該區(qū)域表面的維卡硬度明顯比其中心高。而記號(hào)■表示根據(jù)本發(fā)明通過(guò)表面退火而進(jìn)行消除應(yīng)力退火之后該帶各厚度處硬度非常均勻。
圖2a表示加熱時(shí)間和溫度對(duì)8密耳FeAl沖壓片的顯微硬度的影響。記號(hào)·代表加熱2秒鐘后，硬度在大約400℃降低到最低。類似地，記號(hào)○代表加熱5秒鐘后，硬度在大約400℃到500℃降低到最低。記號(hào)■代表加熱10秒鐘后，硬度在大約500℃降低到最低。記號(hào)□代表加熱20秒鐘后，硬度在大約500℃降低到最低。記號(hào)▲代表加熱30秒鐘后，硬度在大約500℃降低到最低。因此在大約400℃到500℃表面退火2到30秒足以降低某一冷軋F(tuán)eAl帶材的表層的硬度。
圖2b表示加熱時(shí)間對(duì)在400℃加熱的8密耳FeAl片的顯微硬度的影響。該圖表示，在加熱大約10秒后，硬度降低到加熱時(shí)間更長(zhǎng)時(shí)也基本保持恒定的水平。
圖2c表示加熱時(shí)間對(duì)在500℃加熱的8密耳FeAl片的顯微硬度的影響。該圖表示，在加熱大約10秒后，可最大程度地降低硬度，且延長(zhǎng)加熱時(shí)間也不再使該帶材的硬度降低。
圖3表示加熱時(shí)間對(duì)從紅外加熱爐經(jīng)過(guò)的8密耳FeAl片上不同部位的溫度的影響。在此圖中，記號(hào)●代表該帶材頂部中央，記號(hào)○代表該帶材頂部邊緣而記號(hào)■代表該帶材底部中央。該紅外爐包括一盞以37％功率操作的紅外燈，且該帶材以2英尺/分鐘的速率從爐子經(jīng)過(guò)。大約35秒后，該帶材溫度達(dá)到大約400℃。當(dāng)該帶材經(jīng)過(guò)爐子時(shí)，其前述三個(gè)部位在起始35秒內(nèi)開(kāi)始就加熱到基本相同的溫度。然后當(dāng)該帶材的溫度下降時(shí)，其頂部中央和底部中央的溫度保持接近且其頂部邊緣溫度比中央部位約低50℃。
圖4顯示對(duì)26密耳帶澆鑄FeAl片的軋輥方法的對(duì)比，其中記號(hào)●代表包含40道冷軋道次的對(duì)比方法，記號(hào)■代表本發(fā)明的方法。對(duì)比方法需兩次中間真空退火(在1150℃下1小時(shí)和在1260℃下1小時(shí))和一次最后退火(1100℃下1小時(shí))，而根據(jù)本發(fā)明的方法只需要一次中間真空退火(在1260℃下1小時(shí))和一次最后真空退火(1100℃下1小時(shí))。然而，雖然對(duì)比方法需要40道冷軋道次以獲得8密耳帶，根據(jù)本發(fā)明方法，其中每次軋輥步驟之后都進(jìn)行表面退火，只需要17-18軋制道次以獲得8密耳的帶。因而，由于按照本發(fā)明方法生產(chǎn)所需厚度的帶材可減少所需的冷軋步驟的數(shù)量，所以本發(fā)明方法可顯著提高生產(chǎn)效率。
將鐵鋁化物冷軋成細(xì)帶時(shí)，在真空中進(jìn)行中間退火步驟有利于最大限度減少該帶材的氧化。采用這些保護(hù)性氣氛需要使用昂貴的熔爐裝備且會(huì)減慢制造過(guò)程。根據(jù)本發(fā)明，有可能通過(guò)減少制造步驟的數(shù)量而可以提高片材的生產(chǎn)效率并且通過(guò)避免在表面退火步驟中需求保護(hù)性氣氛而降低成本。
根據(jù)本發(fā)明的方法可用于制造各種含有至少4％重量的鋁的鐵鋁化物合金，且依照不同Al含量而具有各種結(jié)構(gòu)，例如有DO3結(jié)構(gòu)的Fe3Al相或有B2結(jié)構(gòu)的FeAl相。所述合金優(yōu)選為非奧氏體微觀結(jié)構(gòu)的鐵素體，且可含有一種或更多種選自鉬、鈦、碳、稀土金屬(如釔或鈰)、硼、鉻、氧化物(如Al2O3或Y2O3)的合金元素，以及可同碳一起使用以在該固相溶液基體內(nèi)生成碳化物相的生成碳化物的元素(如鋯、鈮和/或鉭)，其目的是控制顆粒尺寸和/或沉淀增強(qiáng)。
FeAl相合金中的鋁濃度變化范圍可為14％到32％重量(標(biāo)稱重量)，且在鍛造或粉末冶金加工時(shí)可將該Fe-Al合金進(jìn)行加工以將其室溫延展性精選地控制在一合適的水平，方法是通過(guò)在合適的氣氛中并在大于約700℃(如700-1100℃)的精選溫度下將該合金退火，然后在保持收率、極限拉伸強(qiáng)度、抗氧化性能和抗水腐蝕性能的同時(shí)將該合金用爐子冷卻、空氣冷卻或用油驟冷。
在生產(chǎn)Fe-Al合金時(shí)所用的合金化成分的濃度在此用標(biāo)稱重量百分比表示。然而，在這些合金中鋁的標(biāo)稱重量基本上至少約相當(dāng)于該合金中鋁的實(shí)際重量的97％。例如，標(biāo)稱重量18.46％提供的鋁的實(shí)際重量可能是18.27％，即標(biāo)稱濃度的大約99％。
可將Fe-Al合金進(jìn)行加工或與一種或多種挑選的合金化元素合金化以提高各種性能，諸如強(qiáng)度、室溫延展性、抗氧化性、抗水腐蝕性、抗點(diǎn)腐蝕性、抗熱疲勞性、電阻、抗高溫流掛性或蠕變性以及抗重量增加性。
可將含鋁鐵基合金制造成電阻加熱元件。然而，此處公開(kāi)的合金組合物可用于其它目的如熱噴涂施工，其中該合金可用作具有抗氧化性和抗腐蝕性的涂料。另外，也可將該合金用作抗氧化和抗腐蝕的電極、爐子組件、化學(xué)反應(yīng)器、抗硫化材料、用于化學(xué)工業(yè)的抗腐蝕材料、用于輸送煤漿或煤焦油的管道、用于催化轉(zhuǎn)化器的基材、用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管、多孔過(guò)濾器等。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，可根據(jù)公式R＝ρ(L/W×T)而改變所述合金的幾何形狀以優(yōu)化加熱器的電阻，其中R＝加熱器的電阻、ρ＝加熱器材料的電阻率、L＝加熱器的長(zhǎng)度、W＝加熱器寬度和T＝加熱器的厚度?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整該合金的鋁含量、該合金的加工方法或在該合金中加入合金添加劑而改變加熱器材料的電阻率。
加熱器材料可用多種方法制造。例如，可通過(guò)澆鑄或粉末冶金法來(lái)制造加熱器材料。在粉末冶金方法中，可從預(yù)合金粉末通過(guò)機(jī)械合金化該合金成分或者通過(guò)在將鐵粉和鋁粉的混合物成形為諸如冷軋粉末的片材的制品之后將鐵粉和鋁粉進(jìn)行反應(yīng)而制得該合金?？赏ㄟ^(guò)傳統(tǒng)的粉末冶金技術(shù)如裝罐和擠壓、滑移澆鑄、離心澆鑄、熱壓和熱等靜壓制得機(jī)械合金化粉末。另一技術(shù)是使用Fe、Al和任選的合金元素的純的元素粉末。如有要求，可在該粉末混合物中加入電絕緣和/或?qū)щ娢⒘Ｒ愿脑煸摷訜崞鞑牧系奈锢硇阅芎涂垢邷厝渥冃浴?br> 加熱器材料可由粒度不同的粉末的混合物制造，但優(yōu)選粉末混合物含有尺寸小于100目的微粒。所述粉末可通過(guò)氣體霧化制造，在此情況下該粉末可具有球狀形態(tài)?；蛘?，所述粉末可通過(guò)水或聚合物霧化來(lái)制造，在此情況下該粉末可具有不規(guī)則形態(tài)。聚合物霧化的粉末比水霧化的粉末具有較高的碳含量和較低的表面氧化物。水霧化生產(chǎn)的粉末在該粉末微粒上可含有氧化鋁涂膜，而且在將該粉末進(jìn)行熱機(jī)械加工以生產(chǎn)諸如片、棒等形狀的過(guò)程中這些氧化鋁能破碎并摻入到加熱器材料中。另外，依賴于其尺寸、分布和數(shù)量的氧化鋁微粒可有效地提高鐵鋁合金的電阻率。而且，可將氧化鋁微粒在減少或不減少延展性的情況下用于提高強(qiáng)度和抗蠕變性。
為了提高所述合金的性能如導(dǎo)熱性和/或電阻率，可將導(dǎo)電的金屬元素和/或?qū)щ娢⒘：?或電絕緣金屬化合物摻入到該合金中。這些元素和/或金屬化合物包括選自元素周期表中IVb族、Vb族、VIb族元素的氧化物、氮化物、硅化物、硼化物和碳化物。所述碳化物包括Zr、Ta、Ti、Si、B等的碳化物，所述硼化物可包括Zr、Ta、Ti、Mo等的硼化物，所述硅化物可包括Mg、Ca、Ti、V、Mn、Mn、Zr、Nb、Mo、Ta、W等的硅化物，所述氮化物可包括Al、Si、Ti、Zr等的氮化物，所述氧化物可包括Y、Al、Si、Ti、Zr等的氧化物。在FeAl合金經(jīng)氧化物分散體增強(qiáng)的情況下，可將該氧化物加入所述粉末混合物中或該氧化物可通過(guò)在熔融金屬浴中加入純金屬如Y，從而在將該熔融金屬霧化成粉末的過(guò)程中和/或通過(guò)后續(xù)處理該粉末使它在該熔融金屬浴中氧化而就地生成。例如，為達(dá)到提供在最高可達(dá)1200℃下的良好的抗高溫蠕變性以及優(yōu)良的抗氧化性的目的，加熱器材料可包含導(dǎo)電材料顆粒、如過(guò)渡金屬(Zr、Ti、Hf)的氮化物、過(guò)渡金屬的碳化物、過(guò)渡金屬的硼化物以及MoSi2。為達(dá)到使加熱器材料在高溫下具有抗蠕變性并提高熱導(dǎo)率和/或減少該加熱器材料的熱膨脹系數(shù)的目的，加熱器材料還可摻有電絕緣材料的顆粒如Al2O3、Y2O3、Si3N4、ZrO2。
在通過(guò)澆鑄制造鐵鋁化物合金時(shí)，如有必要，可將澆鑄件切割成適當(dāng)?shù)某叽?，隨后通過(guò)在大約900到1100℃的溫度范圍內(nèi)鍛造或熱加工、在大約750到1100℃的溫度范圍內(nèi)熱軋、在大約600到700℃的溫度范圍內(nèi)溫軋和/或在室溫冷軋減少厚度。每次通過(guò)冷軋輥時(shí)都可將厚度減少20到30％，接著在400-500℃進(jìn)行表面退火。可在大約700到大約1050℃的溫度范圍內(nèi)(如大約800℃)將該冷軋產(chǎn)品于空氣、惰性氣體或真空中進(jìn)行熱處理達(dá)1小時(shí)。例如，可將該合金切割成每件0.5英寸厚，在1000℃鍛造以將該合金樣品厚度減少到0.25英寸(減少50％)，接著在800℃下熱軋進(jìn)一步將該合金樣品厚度減少到0.1英寸(減少60％)，接著在650℃下溫軋以提供最終厚度為0.030英寸(減少70％)的片材。然后可根據(jù)本發(fā)明將該0.030英寸的片材冷軋和表面退火。
根據(jù)本發(fā)明，可通過(guò)固結(jié)預(yù)合金化粉末、冷加工并將該冷軋片熱處理而將金屬間合金組合物制造成片材。例如，可將預(yù)合金化粉末固結(jié)成可冷加工(即加工中不采用外熱)到所需最終厚度的片材。
根據(jù)該實(shí)施方案，通過(guò)粉末冶金技術(shù)制造含有金屬間合金組合物的片材，該技術(shù)中通過(guò)將含有金屬間合金組合物的預(yù)合金粉末固結(jié)而制得非致密金屬片、通過(guò)將該非致密金屬片冷軋以壓實(shí)并降低其厚度而制得冷軋片、并將該冷軋片進(jìn)行熱處理以燒結(jié)、退火、消除壓力和/或?qū)⑵涿摎??？赏ㄟ^(guò)多種方法如軋輥壓制、帶澆鑄或等離子噴涂以實(shí)現(xiàn)該固結(jié)步驟。在固結(jié)步驟中，可將片或帶形的窄片加工成任何合適的厚度，如小于0.1英寸。然后經(jīng)至少一步熱處理步驟如燒結(jié)、退火或消除壓力熱處理而將該帶冷軋一次或多次軋制道次到最終所需的厚度。根據(jù)本發(fā)明，至少一步退火步驟包含表面退火熱處理。本方法為制造金屬間合金材料如延展性不佳且在室溫下加工硬化趨勢(shì)高的鐵鋁化物提供了一種簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的制造技術(shù)。
在軋輥壓制方法中，預(yù)合金化粉末按以下所述進(jìn)行加工。優(yōu)選將純?cè)睾臀⒘亢辖疬M(jìn)行水霧化或聚合物霧化以制得預(yù)合金化的形狀不規(guī)則的金屬間組合物，如鋁化物(如鐵鋁化物、鎳鋁化物或鈦鋁化物)，或者其它金屬間組合物。由于水霧化粉末的形狀不規(guī)則的表面比氣霧化獲得的球狀粉末提供了更好的機(jī)械聯(lián)鎖，對(duì)后續(xù)軋輥壓制而言，水或聚合物霧化粉末要優(yōu)于氣霧化粉末。由于聚合物霧化粉末在該粉末上面提供更少的表面氧化物，聚合物霧化粉末優(yōu)于水霧化粉末。
將所述預(yù)合金化粉末篩分成所需粒度范圍、與有機(jī)粘結(jié)劑摻混、與任選的溶劑混合并一起摻合以制得混雜粉末。就鐵鋁化物粉末而言，優(yōu)選篩分步驟提供了粒度范圍在-100到+325目即相當(dāng)于粒度為43到150μm的粉末。為了提高該粉末的流動(dòng)性，少于5％、優(yōu)選3-5％的該粉末的粒度要小于43μm。
生帶通過(guò)軋輥壓制制造，其中前述混雜粉末從漏斗經(jīng)過(guò)一條狹槽進(jìn)料到兩個(gè)壓制輥之間的空間。在一種優(yōu)選實(shí)施方案中，軋輥壓制生產(chǎn)出厚度大約0.026英寸的鐵鋁化物的生帶，且可將該生帶切割成具有例如36英寸乘4英寸尺寸的帶材。將該生帶經(jīng)受熱處理步驟以除去揮發(fā)性成分如粘結(jié)劑和任何有機(jī)溶劑。粘結(jié)劑的完全燃燒可在常壓或減壓爐內(nèi)以連續(xù)或分批的方式實(shí)施。例如，可將一批鐵鋁化物帶在溫度適宜如700-900°F(371-482℃)的爐子內(nèi)放置一段合適的時(shí)間(如6-8小時(shí))，再放置在更高的溫度如950°F(510℃)。在該步驟中，爐子可為1個(gè)大氣壓下并用氮?dú)饬鬟^(guò)整個(gè)爐內(nèi)以除去大部分粘結(jié)劑，例如至少去除99％的粘結(jié)劑。粘結(jié)劑去除步驟的結(jié)果是產(chǎn)生很脆的生帶，然后將它們?cè)谡婵諣t內(nèi)初次燒結(jié)。
在初次燒結(jié)步驟中，優(yōu)選將多孔而脆的去除了粘結(jié)劑的帶在適于影響部分燒結(jié)的條件下加熱，可以也可不將粉末壓實(shí)?？梢杂眠B續(xù)或分批的方式在減壓爐內(nèi)實(shí)施該燒結(jié)步驟。例如，可將一批去除了粘結(jié)劑的鐵鋁化物帶材在溫度適宜如2300°F(1260℃)的真空爐內(nèi)加熱一段合適的時(shí)間(如1小時(shí))?？蓪⒃撜婵諣t維持在任何合適的真空壓力如10-4到10-5托。為防止燒結(jié)過(guò)程中鋁從帶材內(nèi)損失，應(yīng)優(yōu)選將燒結(jié)溫度維持在足夠低以避免鋁汽化但又能充分提供冶金粘合以允許后續(xù)軋輥。另處，優(yōu)選真空燒結(jié)避免非致密帶材氧化。然而，可使用有合適露點(diǎn)如-50°F或者更低的保護(hù)性氣體如氫、氬和/或氮?dú)鈦?lái)代替真空。
在下一步驟中，優(yōu)選將預(yù)燒結(jié)帶在空氣中冷軋到最終或中間厚度。在本步驟中，生帶的孔隙度會(huì)顯著降低，例如孔隙度從大約50％降到少于10％。由于金屬間合金的硬度，最好使用4-高軋機(jī)(4-highrolling mill)，其中與金屬間合金帶接觸的輥優(yōu)選具有碳化物輥壓表面。然而，可采用任何合適的輥結(jié)構(gòu)如不銹鋼輥。另外，根據(jù)本發(fā)明通過(guò)使用表面退火，對(duì)冷軋而言沒(méi)必要使用碳化物輥。如果使用鋼輥，最好限制減少的數(shù)量以免由于金屬間合金加工硬化的結(jié)果而導(dǎo)致被軋輥材料的變形。優(yōu)選實(shí)施冷軋步驟而將帶材厚度減少至少30％，優(yōu)選至少大約50％。例如，可將0.026英寸厚的預(yù)燒結(jié)鐵鋁化物帶在一次冷軋步驟中用單條或多條軋制道次冷軋到0.013英寸厚。
每一次冷軋步驟后，要對(duì)冷軋帶進(jìn)行熱處理以將其退火。該退火可包含在真空爐內(nèi)用分批的方式或者在有類似H2、N2和/或Ar氣體的爐內(nèi)用連續(xù)的方式和在適合的溫度下進(jìn)行初次退火，以消除壓力和/或進(jìn)一步影響該粉末的致密化。就鐵鋁化物而言，可于真空爐內(nèi)在任何適合的溫度下例如1652-2372°F (900-1300℃)、優(yōu)選1742-2102°F(950-1150℃)初次退火一個(gè)或幾個(gè)小時(shí)。例如，可將冷軋鐵鋁化物帶材在2012°F(1100℃)下退火一個(gè)小時(shí)，但通過(guò)在更高溫度如2300°F(1260℃)下退火一個(gè)小時(shí)，加熱步驟相同或不同都可提高片材的表面質(zhì)量。初次退火可伴隨著前面描述的表面退火步驟或者用它替代。
該退火步驟后，可將帶材任意剪裁成所需的尺寸。例如，可將帶切割成一半并進(jìn)行進(jìn)一步的冷軋和熱處理步驟。
在下一步驟中，將初次軋輥的帶材進(jìn)行冷軋以減少其厚度。例如，可將鐵鋁化物條在4-高軋機(jī)中進(jìn)行軋輥以將其厚度從0.013英寸減少到0.010英寸。本步驟達(dá)到減少至少15％，優(yōu)選大約25％的效果。如前所述每一軋輥步驟之后優(yōu)選接著進(jìn)行如前所述的表面退火步驟。然而如有要求，可取消一步或更多步退火步驟，例如可將0.024英寸帶材直接起始冷軋到0.010英寸。然后，將二次冷軋帶材任選進(jìn)行二次燒結(jié)和退火。在該二次燒結(jié)和退火步驟中，可將條材在真空爐內(nèi)用分批的方式或者在有類似H2、N2和/或Ar氣體的爐內(nèi)用連續(xù)的方式進(jìn)行加熱以達(dá)真密度。例如，可將一批鐵鋁化物帶材在真空爐內(nèi)加熱到溫度為2300°F(1260℃)達(dá)1小時(shí)。
在第二次燒結(jié)和退火步驟后，可任選將該帶材進(jìn)行二次修剪以按需求(例如在出現(xiàn)邊緣裂縫情況下)修掉端點(diǎn)和邊緣。接著，可采用中間表面退火將該帶進(jìn)行第三次和最終冷軋步驟。該冷軋可將所述帶材的厚度減少15％或更多。優(yōu)選將所述帶冷軋到最終要求的厚度如從0.010英寸到0.008英寸。在第三次或最終冷軋步驟后，可將該帶材在比重結(jié)晶溫度高的溫度下用連續(xù)或分批的方式實(shí)施最終的退火步驟。例如，在最終退火步驟中，可將一批鐵鋁化物帶材在真空爐內(nèi)加熱到合適的溫度如2012°F(1100℃)約1小時(shí)。在最終退火過(guò)程中，優(yōu)選將冷軋片材再結(jié)晶到所需的平均粒度如大約10到30μm，優(yōu)選大約20μm。接著，可任選將該帶材進(jìn)行最終修剪步驟以將其端點(diǎn)和邊緣剪掉，并將該帶材切成所需大小的窄帶以進(jìn)一步加工成管形加熱元件。
可將修剪好的帶材進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理以除去在前面加工步驟中造成的熱空位。該消除應(yīng)力處理增加了所述帶材材料的延展性(例如室溫下延展性可從大約1％升高到大約3-4％)。在消除應(yīng)力熱處理中，可將一批帶材在常壓爐或真空爐內(nèi)加熱。例如，可將該鐵鋁化物帶材加熱到大約1292°F(700℃)2小時(shí)并通過(guò)在爐內(nèi)緩慢冷卻(例如，以≤2-5°F/min的速率)到合適的溫度，如大約662°F(350℃)，接著進(jìn)行淬火。在消除應(yīng)力退火過(guò)程中，優(yōu)選將該鐵鋁化物帶材材料維持在一定溫度范圍內(nèi)，其中所述鐵鋁化物是B2有序相。
可通過(guò)任意合適的技術(shù)將該消除應(yīng)力的帶材加工成管形加熱元件。例如，可將該帶材進(jìn)行激光切割、機(jī)械沖壓或化學(xué)光蝕以提供單個(gè)加熱葉片的所需模型。例如，該切割模型可提供一系列的從長(zhǎng)方形基礎(chǔ)部分?jǐn)U展出來(lái)的發(fā)夾形葉片，當(dāng)把它軋輥成管形并連接時(shí)可提供具有筒狀基礎(chǔ)及一系列的沿軸向延伸并在圓周上分隔開(kāi)的加熱葉片的管形加熱元件?；蛘撸蓪⑽辞懈畹膸Р闹瞥晒苄尾⑺枘Ｐ颓懈畛晒苄我蕴峁┚哂兴铇?gòu)形的加熱元件。
為避免該冷軋片材在性能上出現(xiàn)偏差，最好控制孔隙度、氧化物顆粒的分布、粒度和平直度。氧化物顆粒來(lái)自于水霧化粉末上的氧化物涂膜，它在將片材冷軋的過(guò)程中會(huì)破碎并分布于該片材內(nèi)。氧化物含量分布不均勻可能導(dǎo)致樣品內(nèi)部或樣品與樣品之間在性能出現(xiàn)偏差。可在輥壓過(guò)程中通過(guò)拉伸控制而調(diào)節(jié)平直度。通常，冷軋材料可呈現(xiàn)出室溫屈服強(qiáng)度55-70ksi、極限拉伸強(qiáng)度65-75ksi、總伸長(zhǎng)率1-6％、面積減少7-12％且電阻率大約150-160μΩ·cm，而在750℃高溫下的強(qiáng)度性能包括屈服強(qiáng)度36-43ksi、極限拉伸強(qiáng)度42-49ksi、總伸長(zhǎng)率22-48％、面積減少26-41％。
根據(jù)帶澆鑄技術(shù)，可通過(guò)帶澆鑄將預(yù)合金粉末制成片材。然而，盡管水或聚合物霧化粉末優(yōu)選用于軋輥壓制方法，由于氣霧化粉末的球狀形狀及低的氧化物含量而優(yōu)選將其用于帶澆鑄。在軋輥壓制方法中要將該氣霧化粉末篩分并將其與有機(jī)粘結(jié)劑和溶劑摻混以生產(chǎn)帶，將該帶帶澆鑄成薄片并按軋輥壓制實(shí)施方案中的規(guī)定對(duì)該帶澆鑄片材進(jìn)行冷軋和熱處理。
根據(jù)等離子噴涂技術(shù)，通過(guò)把金屬間合金粉末等離子噴涂到基材上而將預(yù)合金粉末制成非致密的金屬片。將噴涂的液滴在反面用冷卻劑進(jìn)行冷卻的平片形基材上進(jìn)行收集和固化。可在真空、惰性氣氛或空氣中實(shí)施該噴涂。噴涂好的片材可提供各種厚度，且由于該厚度接近于最終所需的片材厚度，因而熱噴涂技術(shù)比軋輥壓制技術(shù)和帶澆鑄技術(shù)表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)越之處在于可用較少的冷軋和退火步驟而生產(chǎn)出最終片材。
在根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選等離子噴涂技術(shù)中，當(dāng)基材按指定方向移動(dòng)時(shí)通過(guò)在基材上前后移動(dòng)等離子噴槍以將氣、水或聚合物霧化的預(yù)合金粉末在基材上沉積而制得例如4或8英寸寬的帶材。該帶材可按任意要求的厚度提供，例如最厚可達(dá)0.1英寸。在等離子噴涂中，將該粉末霧化以使該微粒在撞擊基材時(shí)熔化。這將導(dǎo)致形成具有光滑表面的高度致密(例如致密度超過(guò)95％)膜。為了將所述熔融顆粒的氧化減到最低，可沿等離子噴嘴周圍采用含有保護(hù)性氣氛如氬氣或氮?dú)獾奶坠?。然而，如果在空氣中?shí)施等離子噴涂方法，氧化膜可在熔融液滴表面形成并由此導(dǎo)致沉積膜內(nèi)混入氧化物。優(yōu)選基材是不銹鋼噴砂表面，被沉積時(shí)它能提供足夠的機(jī)械粘合以支撐該帶材，但又允許將該帶材移開(kāi)以作進(jìn)一步加工。根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方案，將鐵鋁化物帶材噴涂成0.020英寸厚，可采用中間表面退火在一系列軋制道次中將該厚度冷軋到0.010英寸、冷軋到0.008英寸并進(jìn)行最終退火和消除應(yīng)力熱處理。
通常，熱噴涂技術(shù)比帶澆鑄軋輥壓制技術(shù)得到的片材更致密。熱噴涂技術(shù)中，等離子噴涂技術(shù)允許使用水、氣或聚合物霧化粉末，而通過(guò)氣霧化獲得的球狀粉末沒(méi)有在軋輥壓制方法中的水霧化粉末那么致密。與帶澆鑄相比，由于在熱噴涂方法中不必使用粘結(jié)劑或溶劑，所以熱噴涂方法提供的殘留碳更少。另一方面，熱噴涂方法易于受氧化物污染。類似地，當(dāng)使用水霧化粉末時(shí)軋輥壓制方法也易于受氧化物污染，亦即，水淬火粉末的表面可能有表面氧化物而生產(chǎn)氣霧化粉末則可很少含有或不含表面氧化物。
以上描述了本發(fā)明的原理、優(yōu)選實(shí)施方案和操作模式。然而，本發(fā)明不應(yīng)局限于解釋所討論的特殊實(shí)施方案。因此，應(yīng)將上述的實(shí)施方案視為解說(shuō)性的而非限制性的，且應(yīng)理解的是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可在不偏離本發(fā)明隨后的權(quán)利要求書所限定范圍的基礎(chǔ)上對(duì)這些實(shí)施方案作出更改。
權(quán)利要求
1.一種從金屬合金組合物制造冷加工產(chǎn)品的方法，包含以下步驟(a)通過(guò)將金屬合金組合物冷加工到足以在其上提供表面硬化區(qū)域的程度而制得加工硬化的產(chǎn)品；(b)通過(guò)將所述加工硬化的產(chǎn)品輸送通過(guò)爐子以使其在不到一分鐘內(nèi)表面退火而制得經(jīng)過(guò)熱處理的產(chǎn)品；及任選(c)重復(fù)步驟(a)和(b)直到獲得所需尺寸的冷加工產(chǎn)品。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬合金是鐵鋁化物合金、鎳鋁化物合金或鈦鋁化物合金。
3.權(quán)利要求1的方法，還包括將所述合金的粉末混合物和粘結(jié)劑進(jìn)行帶澆鑄以生成孔隙度為至少30％的非致密金屬片，將所述非致密金屬片冷加工成加工硬化的產(chǎn)品。
4.權(quán)利要求1的方法，還包括將所述合金的粉末混合物和粘結(jié)劑進(jìn)行軋輥壓制以生成孔隙度為至少30％的非致密金屬片，將所述非致密金屬片冷加工成加工硬化的產(chǎn)品。
5.權(quán)利要求1的方法，還包括將所述合金的粉末等離子噴涂在一基材上以生成孔隙度低于10％的非致密金屬片，將所述非致密金屬片冷加工成加工硬化的產(chǎn)品。
6.權(quán)利要求3的方法，還包括將所述非致密金屬片在足以從所述非致密金屬片去除揮發(fā)性成分的溫度下進(jìn)行加熱的步驟。
7.權(quán)利要求4的方法，還包括將所述非致密金屬片在足以從所述非致密金屬片去除揮發(fā)性成分的溫度下進(jìn)行加熱的步驟。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬合金包含鐵鋁化物，所述鐵鋁化物含有4.0到32.0％Al以及≤1％Cr，其中百分比為重量百分比。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所述金屬間合金含有鈦鋁化物。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述表面退火通過(guò)將所述加工硬化的產(chǎn)品進(jìn)行紅外加熱實(shí)施。
11.權(quán)利要求1的方法，還包括將所述冷加工產(chǎn)品制成當(dāng)電壓最高可達(dá)10伏和最高可達(dá)6安培的電流從其內(nèi)部經(jīng)過(guò)時(shí)能在不到一秒鐘內(nèi)加熱到900℃的電阻加熱元件的步驟。
12.權(quán)利要求1的方法，其中所述冷加工包括冷軋以及所述冷加工產(chǎn)品包括片、帶、桿、線或條材，或者將所述冷加工產(chǎn)品模壓成型或者沖壓成最終或中間形狀。
13.權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬合金包括Fe3Al、Fe2Al5、FeAl3、FeAl、FeAlC、Fe3AlC或其混合物。
14.權(quán)利要求1的方法，其中所述冷加工包括冷軋以及所述加工硬化的產(chǎn)品包括冷軋片，所述冷軋將所述冷軋片的孔隙度從超過(guò)50％減少到少于10％。
15.權(quán)利要求1的方法，其中所述表面退火步驟包括在不到45秒內(nèi)將所述加工硬化的產(chǎn)品加熱到至少400℃的溫度。
16.權(quán)利要求1的方法，其中所述表面退火在空氣氣氛中實(shí)施。
17.權(quán)利要求1的方法，還包括制備所述金屬合金的澆鑄件以及通過(guò)熱加工所述澆鑄件制備熱加工產(chǎn)品，將所述熱加工產(chǎn)品冷加工成加工硬化的產(chǎn)品。
18.權(quán)利要求1的方法，還包括將所述冷加工產(chǎn)品于真空或惰性氣氛中，在1100到1300℃的溫度下進(jìn)行退火。
19.權(quán)利要求1的方法，還包括其后是重結(jié)晶退火熱處理的最終冷加工步驟。
20.權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬合金包含鐵鋁化物，所述鐵鋁化物含≤32％Al、≤2％Mo、≤1％Zr、≤2％Si、≤30％Ni、≤10％Cr、≤0.3％C、≤0.5％Y、≤0.1％B、≤1％Nb、≤3％W及≤1％Ta，其中百分比為重量百分比。
21.權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬合金包含鐵鋁化物，所述鐵鋁化物基本上由20-32％Al、0.3-0.5％Mo、0.05-0.3％Zr、0.01-0.5％C、≤0.1％B、≤1％的氧化物顆粒和余量的Fe組成，其中百分比為重量百分比。
22.權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬合金包含鐵鋁化物，所述表面退火步驟將所述表面硬化區(qū)域的硬度降低至少10％。
23.權(quán)利要求1的方法，其中所述冷加工采用具有與所述冷加工產(chǎn)品直接接觸的碳化物或非碳化物的軋輥表面的輥實(shí)施。
24.權(quán)利要求1的方法，其中所述冷加工產(chǎn)品是片材，所述片材在不將所述金屬合金進(jìn)行熱加工下生產(chǎn)。
25.權(quán)利要求1的方法，還包括將所述冷加工產(chǎn)品制造成電阻率為80到400μΩ·cm的電阻加熱元件。
26.權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬合金包括鐵基合金、銅或銅基合金、鋁或鋁基合金、鈦或鈦基合金、鋯或鋯基合金、鎳或鎳基合金。
全文摘要
通過(guò)一種或多種冷加工步驟以中間或最終表面退火將金屬合金組合物制造成模壓、沖壓或輥壓產(chǎn)品如片、帶、桿、線或條材。該方法可包括冷軋鐵、鎳或鈦鋁化物合金以及在爐子內(nèi)通過(guò)紅外加熱將該冷加工產(chǎn)品退火。優(yōu)選通過(guò)將該冷加工產(chǎn)品在不到一分鐘內(nèi)快速加熱到高溫以實(shí)施所述表面退火。該表面退火有利于降低所述冷加工產(chǎn)品的表面硬度以允許進(jìn)一步的冷加工。可通過(guò)澆鑄所述合金或通過(guò)粉末冶金技術(shù)如將金屬粉末與粘結(jié)劑的混合物進(jìn)行帶澆鑄、將該粉末和粘結(jié)劑的混合物進(jìn)行軋輥壓制或?qū)⑺龇勰┑入x子噴涂到基材上而制得待冷加工的產(chǎn)品。就帶澆鑄或軋輥壓制而言,可將初始粉末產(chǎn)品加熱到足以去除揮發(fā)性成分的溫度?？刹捎盟龇椒ㄉa(chǎn)一種冷軋片材,并將其制造成當(dāng)最高可達(dá)10伏的電壓和最高可達(dá)6安培的電流從其內(nèi)部經(jīng)過(guò)時(shí)能在不到1秒鐘內(nèi)加熱到900℃的電阻加熱元件。
文檔編號(hào)C22F1/00GK1346301SQ00806010
公開(kāi)日2002年4月24日 申請(qǐng)日期2000年2月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月9日
發(fā)明者M·R·哈雅利戈?duì)? V·K·斯卡 申請(qǐng)人:克里薩里斯技術(shù)公司