本公開涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的用于制造金屬部件的方法。本公開還涉及一種根據(jù)權(quán)利要求要求13的前序部分所述的包括致密金屬材料制成的本體的金屬部件。

背景技術(shù)：

熱等靜壓(HIP)是用于制造近凈成形部件和高性能材料的優(yōu)選方法。在HIP中，限定出部件的形狀的包套通常用鋼板制造。包套用金屬或復(fù)合粉末填充，并承受高溫高等靜壓，因此使得金屬粉末冶金結(jié)合而形成具有鍛件類似強(qiáng)度的致密部件。

酸洗是從HIP部件去除包套材料的最常見方法。因而，HIP部件浸在溫硫酸(H₂SO₄)中足夠時(shí)間段，使得包套材料全部被去除。這適合于具有復(fù)雜形狀的部件，復(fù)雜形狀使得難以通過加工將包套去除。當(dāng)制造具有內(nèi)腔的部件時(shí)，有時(shí)用實(shí)心型芯來限定內(nèi)腔的形狀。在HIP后，型芯通過加工和酸洗組合被去除。

但是，當(dāng)使用低合金材料時(shí)，諸如碳鋼、工具鋼和復(fù)合材料，酸洗不適于包套或型芯的去除，這是因?yàn)榈秃辖鸩牧喜荒艹惺芩?。在這種情況下，當(dāng)包套或型芯已經(jīng)被溶解時(shí)，部件的材料可能被酸腐蝕。

因此，加工經(jīng)常用來去除包套材料。盡管加工是一種相當(dāng)費(fèi)時(shí)而且麻煩的方法，但其可用在簡單幾何形狀的外表面上。然而，具有復(fù)雜表面的部件不能通過加工而全部去除包套，并且在這些情況下，至少部分包套材料必然留在部件上。此外，由于下列材料它們的高硬度和材料中非常高含量的硬質(zhì)顆粒，一些材料(例如金屬基質(zhì)的復(fù)合材料(MMC))不能被加工。在這些情況下，因?yàn)楸仨毐苊釳MC和加工工具之間的接觸，所以包套必須被留在部件上。復(fù)雜幾何形狀的型芯更難通過加工而從HIP部件中去除，這限制了具有內(nèi)部通道的部件的設(shè)計(jì)。

而且，在HIP工藝中，包套的焊縫是氣密的并且在固化過程中也保持氣密是非常重要的。任何泄露都會(huì)導(dǎo)致有廢棄的部件。因此，在與包套的焊接接頭接觸的區(qū)域內(nèi)的包套的內(nèi)部的任何覆層都不影響焊縫質(zhì)量是非常重要的。

本公開的一個(gè)方面是獲得一種用于制造金屬部件的方法，該方法能改正和/或克服現(xiàn)有技術(shù)的至少一個(gè)問題。

特別地，本公開的一個(gè)方面是實(shí)現(xiàn)一種能酸洗金屬部件而對(duì)該金屬部件沒有不利影響的方法。

定義

術(shù)語“成型裝置”表示下述物品或工具，該物品或工具在用于制造金屬部件的創(chuàng)造性方法中使用，但該物品或工具不形成最終部件的組成部分，因此當(dāng)金屬部件成型后，該物品或工具應(yīng)當(dāng)被移除。這種“成型裝置”的示例為型芯或模具或包套或模板。

術(shù)語“金屬材料”表示如下材料，該材料是金屬，或是金屬和非金屬相或顆粒的復(fù)合物。金屬的示例是(但不限于)純金屬，或金屬和其它元素的合金，例如鋼。復(fù)合材料的非限制性示例是包括硬質(zhì)顆粒的金屬基質(zhì)的復(fù)合材料，硬質(zhì)顆粒例如但不限于WC、TiC、TaC、TiN，或金屬基質(zhì)中的硬質(zhì)相，金屬基質(zhì)例如但不限于Ni、Co、Fe、Cr。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開，至少一個(gè)上述方面通過用于制造金屬部件90的本發(fā)明的方法而得到滿足，所述方法包括下述步驟：提供預(yù)成形部件10，所述預(yù)成形部件10包括構(gòu)成金屬部件90的金屬材料20，和限定金屬部件90形狀的成型裝置30、40；在預(yù)定壓力和預(yù)定溫度下對(duì)預(yù)成形部件10進(jìn)行熱等靜壓持續(xù)預(yù)定時(shí)間；用酸洗劑60接觸所述預(yù)成形部件10，從而去除成型裝置30、40；其特征在于，提供預(yù)成形部件10的步驟100包括向預(yù)成形部件10提供耐酸金屬層50，其中耐酸金屬層50利用電鍍施加，其中耐酸金屬層50被布置使得其保護(hù)金屬材料20免于接觸酸洗劑60。

耐酸金屬層提供酸洗劑的屏障，并且在去除HIP工藝中所使用的輔助成型裝置(諸如型芯或包套)時(shí)保護(hù)金屬部件。耐酸金屬層的存在可以完全去除成型裝置，而沒有酸洗劑侵蝕部件的金屬材料的風(fēng)險(xiǎn)。這反過來允許HIP部件的有效制造。進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)在于，可以免除通過加工去除型芯和包套的相當(dāng)復(fù)雜的步驟。本方法還可以制造現(xiàn)有技術(shù)中不能加工的具有復(fù)雜幾何形狀的部件。

使用電鍍將耐酸金屬層施加到預(yù)成形部件是一種簡單有效的方法，其用于對(duì)復(fù)雜幾何形狀涂覆以預(yù)定厚度，例如，整個(gè)預(yù)成形部件可被涂覆。進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是在施加之后，鍍層不需要加工。進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是所獲得的鍍層不像化學(xué)鍍通常的那樣包含任何磷，因此所獲得的鍍層不會(huì)影響焊縫，并且焊縫因此是氣密的。

包括鎳和/或鉻的金屬對(duì)酸洗劑(例如硫酸、鹽酸)具有非常良好的耐酸性，因此提供對(duì)酸洗劑的有效屏障，并且在去除輔助成型裝置的過程中有效保護(hù)金屬部件。

根據(jù)如上下文限定的本公開的一個(gè)實(shí)施例，耐酸金屬層50為鎳金屬。除對(duì)某些用在酸洗中使用的特定酸(如硫酸(H₂SO₄)和鹽酸(HCl))具有良好的耐酸性之外，鎳還具有高熔點(diǎn)，即，1455℃。這使得鎳非常適合作為通過HIP工藝制造的金屬部件中的耐酸金屬層50，這是因?yàn)樵贖IP工藝的過程中的流行高溫和高壓下，鎳保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并且保持完好。鎳還對(duì)碳有低親和性。這在HIP工藝的過程中是重要的特征，這是因?yàn)殒囉纱藭?huì)限制碳從金屬材料和耐酸金屬層50擴(kuò)散的可能性。應(yīng)該避免碳擴(kuò)散，這是因?yàn)樗鼤?huì)引起HIP部件中脆性相的形成。

鎳金屬可以具有至少95wt％的鎳含量。殘余由自然存在的雜質(zhì)，如P、S、O、Fe、Cu、C和Si構(gòu)成。特別地，磷含量低于5wt％以保持鎳金屬的高熔點(diǎn)是重要的。因此，耐酸金屬層應(yīng)該含有至少95wt％的鎳金屬，殘余為自然存在雜質(zhì)，其磷含量＜5wt％，諸如＜3wt％，諸如＜2wt％。耐酸金屬層50對(duì)酸洗劑的耐酸性和在高溫下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨著鎳含量的增加而增加，因此鎳含量可以至少為97wt％，諸如至少為98wt％，例如鎳含量為95-98wt％或97-98wt％，并且其余為不可避免的雜質(zhì)。

根據(jù)替代例，耐酸金屬層50是鉻。鉻也是一種具有非常良好耐酸性的金屬。鉻的高熔點(diǎn)，即1857℃，使得其適于用作HIP工藝中的耐酸金屬層50，因?yàn)槠湓贖IP工藝的過程中保持完好。

根據(jù)替代例，耐酸金屬層50包括5-20wt％的Ni和20-40wt％的Cr，其余為Fe。合金還包括額外元素，諸如Mn和/或Mo，這些元素也有助于耐蝕性，諸如鎳基金屬，如合金625、718和825。

耐酸金屬層50可以具有50-200μm的厚度，諸如75-175μm，諸如75-125μm，諸如100μm。耐酸金屬層應(yīng)當(dāng)至少厚50μm，以保證層是連續(xù)的，而沒有孔隙，該孔隙會(huì)形成酸洗劑的進(jìn)入點(diǎn)。完全沒有孔隙的層的可能性隨著層厚增加而增加。厚度的上限由涂覆工藝的限制而確定。在大厚度下，即，200μm之上，可能具有層脫落的趨勢(shì)。

根據(jù)如上下文限定的方法，耐酸金屬層50可以被布置在成型裝置30、40和金屬材料20之間。這保證成型裝置在使用外部布置的HIP包套情況下可以從外向內(nèi)溶解，或在使用型芯的情況下，從內(nèi)向外溶解，因而當(dāng)成型裝置被完全溶解時(shí)，阻止酸洗劑接觸部件。

耐酸金屬層50可直接施加到成型裝置30、40的外表面。這是將耐酸金屬層施加到保護(hù)相鄰的預(yù)成形部件的金屬材料所處的位置的簡單并且有效的手段。

根據(jù)如上下文限定的方法的一個(gè)替代例，成型裝置30、40可以是限定金屬部件90的至少一部分形狀的包套30。在這個(gè)替代例中，耐酸金屬層50可以直接施加到包套的內(nèi)表面上，即面向金屬材料的包套的那一側(cè)。

根據(jù)本方法的一個(gè)替代例，金屬部件90可以包括空腔92，由此成型裝置30、40是限定空腔92的形狀的型芯40。在該替代例中，耐酸金屬層被直接施加到型芯的表面。

包套和型芯可由非常低合金化的鋼(諸如鐵)制造，其具有至少95wt％的鐵含量并且其余為自然存在雜質(zhì)，諸如Mn、C、Si、Mo和V。低合金鋼和鐵是用于成型裝置的非常合適的材料，因?yàn)槠鋵⒃诙虝r(shí)間內(nèi)溶解于硫酸。

根據(jù)如上下文限定的方法的一個(gè)實(shí)施例，去除型芯40涉及在型芯40中形成開口45。開口可以是凹槽、孔或通孔，其增加酸洗劑的侵蝕表面積。當(dāng)型芯設(shè)有縱向孔或通孔時(shí)，因?yàn)樾托驹谄湔麄€(gè)長度上從中心向外溶解，所以通過酸洗去除型芯的速率會(huì)增加，從而獲得非常有效的去除型芯的方法。

去除型芯40的步驟可包括在型芯40的開口45內(nèi)或通過開口45循環(huán)酸洗劑60。因?yàn)橛眠^的酸洗劑被連續(xù)地從孔中除去，并且新酸洗劑被供應(yīng)，所以酸洗劑的循環(huán)增加了型芯的溶解速率。

本公開還涉及一種金屬部件90，所述金屬部件90包括HIP金屬材料制成的本體95，其中本體95的外表面91、93的至少一部分包括耐酸金屬層50。外表面意指暴露在環(huán)境中的最終金屬部件的表面。

金屬部件90還包括如下本體95，所述本體95具有外壁91和內(nèi)壁93以及被內(nèi)壁93包圍的空腔92，其中內(nèi)壁93涂覆有耐酸金屬層50。

金屬部件的耐酸金屬層(50)通過電鍍施加。

根據(jù)本公開，如上下文限定的金屬部件90是用于石油工業(yè)的霧化器噴嘴，或者是葉輪或閥軸。

附圖說明

圖1至圖4：示意地示出本發(fā)明的方法的步驟。

圖5：示意地示出本發(fā)明的方法制造的部件。

圖6：示意地示出根據(jù)本發(fā)明的方法的替代例的預(yù)成形部件。

圖7：示出本發(fā)明的方法的主要步驟的順序的流程圖。

具體實(shí)施方式

本公開將在下面參照包括內(nèi)腔的金屬部件的制作來詳細(xì)描述。圖7的流程圖中示出本公開的主要步驟的一般順序。圖1至圖6是示意性橫截面?zhèn)纫晥D。

在所描述的實(shí)施例中，獲得的金屬部件是用在石油工業(yè)中的霧化器噴嘴。霧化器噴嘴具有貫穿噴嘴孔。但是，應(yīng)當(dāng)理解，上下文中描述的本發(fā)明的方法適合于制造需要酸洗步驟的所有類型的部件，例如葉輪和閥部件。盡管所描述的實(shí)施例示出了具有貫穿噴嘴孔的部件，但是這不應(yīng)被理解為限制本公開。本發(fā)明的方法還非常適合于制造具有實(shí)心橫截面的部件，如桿、塊和板，或例如輥的實(shí)心圓柱部件。

本發(fā)明的方法的第一步驟100中，提供了預(yù)成形部件。

因而型芯40被制造出來，圖1示出了型芯4的橫截面?zhèn)纫晥D。型芯40將限定最終部件的內(nèi)腔形狀，即，霧化器噴嘴中的噴嘴孔。型芯由高純度鐵或低合金碳鋼制造，諸如市售的SS2172。合適的鋼的其它示例包括S355、S235、SS2142、SS2172、SS1650。這些鋼以及鐵相對(duì)便宜，可被例如硫酸或鹽酸的市售酸洗劑迅速溶解?？梢酝ㄟ^常規(guī)方法制造型芯40，諸如鑄造、鍛造和加工。顯然，型芯可具有適于討論的部件的任何形狀。

根據(jù)如本公開上下文所限定的方法，型芯40設(shè)有耐酸金屬層50。耐酸金屬層50具有高于95％的鎳金屬含量。鎳層通過電鍍被施加在型芯的表面。然而，鎳層也可以鎳箔的形式施加。型芯的整個(gè)周向表面被鎳涂覆，即，在隨后的步驟中將會(huì)嵌入或接觸部件的金屬材料的型芯的所有表面都涂覆有鎳。然而，根據(jù)討論的部件，還能夠僅在型芯的選擇出來的表面上設(shè)置鎳層。鎳層為例如100μm厚。

型芯40被置于包套30中，見圖2，包套30限定了最終部件的外部形狀。當(dāng)然，也能夠圍繞型芯建立包套30，在這種情況下，包套的部分能夠直接附著到型芯上，例如包套能夠附著到型芯的端部。包套通常由已經(jīng)焊接到一起的鋼板制造。包套的材料包括非常低合金化的鋼或純鐵，即至少95％的鐵含量。市售鋼類型的示例為DC04或DC05、DC06、S235、S355。包套40和型芯30劃定內(nèi)部空間35，該內(nèi)部空間35限定最終部件90的形式。根據(jù)如上下文限定的本方法，還能夠?qū)⒛退峤饘賹?0施加在包套的內(nèi)表面上，即，面向內(nèi)部空間35的包套的那一側(cè)(未示出)。在隨后的酸洗步驟去除包套時(shí)，耐酸金屬層50將會(huì)保護(hù)下面的金屬材料不與酸洗劑接觸。

內(nèi)部空間35填充有金屬材料20的粉末，該金屬材料20的粉末將構(gòu)成最終金屬部件的本體。金屬材料粉末可以是適于討論的金屬部件的任何類型的材料，例如Ni合金、Co合金或Fe合金粉末或高速鋼，如AISI M3∶2。金屬材料20還可以是復(fù)合粉末，即，金屬粉末和諸如碳化鎢或碳化鈦或諸如TiN的氮化物的硬質(zhì)顆粒的混合物。使用呈實(shí)心件的金屬材料也是可以的。在包套中填充粉末過程中，包套被振動(dòng)，以壓實(shí)粉末，之后包套被抽真空，并且通過焊接任何開口使之閉合而將包套密封，即，通過焊接使包套氣密密封。型芯30、耐酸金屬層50、包套40和金屬粉末20的布置形成預(yù)成形部件10。

第二步驟200中，預(yù)成形部件10在預(yù)定壓力和預(yù)定溫度下進(jìn)行熱等靜壓持續(xù)預(yù)定時(shí)間，使得預(yù)成形部件變致密。在HIP過程中，粉末混合物的顆粒、包套、耐酸金屬層和型芯相互冶金結(jié)合，因而獲得致密、擴(kuò)散結(jié)合、一致的HIP預(yù)成形部件。

預(yù)成形部件10由此放置在HIP室80中，見圖3。HIP室被例如氬氣的氣體增壓到500bar之上的等靜壓力。通常地，等靜壓力為900-1200bar。HIP室加熱至低于熔點(diǎn)最低的材料的熔點(diǎn)或可以形成的相的熔點(diǎn)之下的溫度。溫度越接近熔點(diǎn)，形成熔融材料和不希望的相的風(fēng)險(xiǎn)越高。因此，在HIP工藝中，爐中溫度應(yīng)該盡可能得低。然而，低溫時(shí)，擴(kuò)散過程變慢，材料將會(huì)包含殘余孔隙，顆粒間的冶金連接將會(huì)變?nèi)?。因此，溫度?yōu)選為低于熔點(diǎn)最低的材料的熔點(diǎn)100-300℃，例如在900-1150℃的范圍中，或在1000-1500℃的范圍中。在HIP工藝中發(fā)生在包套中的材料之間的擴(kuò)散過程依賴于時(shí)間，因此優(yōu)選的是長HIP時(shí)間。然而，由于例如相的晶粒生長或過度溶解，過長的時(shí)間可能導(dǎo)致HIP材料的不良性能。優(yōu)選地，根據(jù)討論的部件的橫截面尺寸，預(yù)成形部件應(yīng)該進(jìn)行HIP工藝達(dá)0.5-4小時(shí)的時(shí)間段。

第三步驟300中，通過使HIP預(yù)成形部件接觸酸洗劑而對(duì)HIP預(yù)成形部件進(jìn)行酸洗。

預(yù)成形部件10由此被置于包含酸洗劑60的容器65中，見圖4。酸洗劑通常為能夠溶解型芯和包套的材料的液體。優(yōu)選地，酸洗劑是包括硫酸的液體。然而，酸洗用酸也可以是鹽酸。優(yōu)選的，酸洗劑是用水稀釋的硫酸，例如10-15vol％的硫酸并且其余為水。容器65的尺寸和酸洗劑60的量被選擇成使得待去除的預(yù)成形部件10的所有部件浸在酸洗劑60中。預(yù)成形部件留在酸洗劑中足夠時(shí)間，以允許完全溶解型芯和包套。精確的酸洗時(shí)間取決于部件尺寸、型芯和包套的尺寸，而且必須在各個(gè)情況中確定。

還能夠用酸洗劑僅接觸預(yù)成形部件的選定部分，而不將整個(gè)預(yù)成形部件浸入酸洗劑中。例如，只有一部分部件可以浸在酸洗劑中，或酸洗劑被噴在或倒在預(yù)成形部件上。

為增加酸洗過程中的材料的去除率，并且因此降低酸洗時(shí)間，可以采用各種措施。如可以在型芯上加工開口。這可例如通過在型芯40上鉆出鉆孔45獲得，使得酸洗用酸能夠進(jìn)入型芯的中心。并且同時(shí)去除型芯整個(gè)長度上的型芯材料。酸洗用酸還可以圍繞預(yù)成形部件的包套循環(huán)，也可通過型芯中的孔45循環(huán)。循環(huán)可以通過泵實(shí)現(xiàn)。加熱酸洗劑提高材料的去除率是可能的。酸洗劑因此可被加熱到80-90℃。

在酸洗后，將最終部件從酸洗容器65去除。圖5示意地示出部件90的最終形狀。該部件包括致密的且擴(kuò)散結(jié)合的金屬材料20制成的本體95。本體95具有外壁91和內(nèi)壁93以及通孔92，通孔92由現(xiàn)在已經(jīng)完全去除的型芯40限定。耐酸金屬層50留在內(nèi)壁93的表面上。

盡管已經(jīng)詳細(xì)討論過具體的實(shí)施例，但這僅用于說明性目的并且無意限制。特別地，預(yù)期是可在所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)作出各種替換、替代和修改。

例如，圖6示出本發(fā)明的方法的可替代實(shí)施例。在這種情況下，預(yù)成形部件10包括環(huán)形實(shí)心鋼元件25，該環(huán)形實(shí)心鋼元件25形成最終部件的一部分，如作為增強(qiáng)部。包套被焊接在環(huán)形鋼元件25上，使得金屬粉末20部分地被包套10包圍，并且部分地被環(huán)形鋼元件25包圍。在建立預(yù)成形部件時(shí)，這種布置節(jié)省包套材料和制備時(shí)間。然而，在圖4中所示的布置中，環(huán)形鋼元件25暴露在環(huán)境中。根據(jù)本公開，環(huán)形鋼元件25因此設(shè)置有耐酸金屬層50，從而防止其在酸洗步驟過程中接觸酸洗劑。