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冶金百科 | 铍冶金工艺与装备 - 铍的粉末冶金

2024-02-20 10:33:51 来源:中冶有色技术网
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简介:镁热还原法生产的金属铍珠,仅镁杂质含量就高达6000~10000ppm,需要真空感应熔炼进一步提纯。氧化铍坩埚因具有高的稳定性,是熔炼金属铍最好的坩埚材料。
A 铍铸锭的制备

镁热还原法生产的金属铍珠,仅镁杂质含量就高达6000~10000ppm,需要真空感应熔炼进一步提纯。氧化铍坩埚因具有高的稳定性,是熔炼金属铍最好的坩埚材料。

熔炼过程中真空度越高越有利于杂质挥发,但在铍珠冶炼过程中,过高的真空度所得铸锭的镁含量并无明显减少,一般熔炼过程中要求真空度小于0.086MPa即可,但熔炼过程中漏气率要低。金属全部熔化后保温5~10min以利杂质挥发。金属铍的浇注温度一般为1340~1370℃。浇注温度过低容易形成冷隔和气孔,过高则铍与石墨铸模容易发生碳化反应。提高浇注温度可以进行快速冷却,获得细晶粒,但同时增加了缩孔深度,也可能导致铸锭内部的应力裂纹;相反浇注速度太慢,虽然有利于补缩,但又有可能产生严重的重叠、结疤等。按一炉装10kg 铍珠标准计,浇注过程一般控制在30s 之内。

B 铍粉末的制备

铍属于脆性金属,适于采用机械粉碎法制粉,

常用的制粉方法有球磨、圆盘磨、气流冲击和雾化制粉四种。根据对粉末要求的不同,几种制粉方法可以单独使用,也可联合使用。圆盘磨制粉和气流冲击制粉是目前国内外铍粉末生产普遍使用的方法。由于铍有毒,制粉系统必须密闭、通风,防止粉尘外逸。铍的雾化制粉可以制备球形粉末,用来制备大尺寸低氧含量的铍材,美国布拉什·威尔曼公司和哈萨克斯坦的乌尔巴冶金厂均有该方法应用。

a 气流冲击法

气流冲击制粉是20世纪70年代发展起来的制粉新技术,西北稀有金属材料研究院于20世纪90年代也自主研究成功了这项技术,并将此先进技术成功应用于铍的制粉生产。现在,气流冲击制粉已成为铍材制备的主要制粉方法。该技术的应用是铍制粉的重大技术突破,也是铍材生产的重大技术进步。采用气流冲击制粉工艺辅之以粉末的酸洗等措施,使粉末质量大为提高,给各类高性能镀材的研制提供了优质粉末保证。

气流冲击制粉具有以下一系列优点:(1)粉末粒形多为等轴形,三维尺寸差异较小,有利于改善最终产品的各向异性,这对于各向同性要求高的铍材是非常重要的;(2)气流冲击辅之以风力分级易于制取不同粒度分布级别的粉末,。是较细级别的粉末;(3)易于去掉粗颗粒,使粉末粒度分布更集中,平均粒径可小于10μm,利于制取高性能铍材;(4)气流冲击制粉的温度低,粒度表面不易氧化,铍粉末洁净度高,氧含量低于0.5%,有利于提高铍材的断后伸长求指标;(5)气流冲击制粉工艺稳定,粉末产出率高,并能实现制粉的连续生产。

b 雾化法

惰性气体雾化制粉是将固态铍(包括铍废料)真空熔融后,通过一个小孔流出熔融的铍熔液,然后使用高速氮气/氩气气流吹向铍熔液(铍具有高热容,使用氦气才最有可能获得细晶粒铍颗粒和非稳态快速冷凝结构),将铍熔液雾化破碎成很小的小液滴,冷却后获得球形铍粉颗粒。当雾化气体压力增加时,液体金属直径会减小,制取的粉末颗粒尺寸分布会趋向减小。这种方式生产出的铍粉粒度范围大约为44~110μm,且粉末中的Be0含量很低,粉末的微观结构是多晶的。

雾化制粉取消了传统由熔炼—铸锭—扒皮—切削到研磨成粉末中间极其繁杂的工序,并且必须解决铍活性强,控制液态金属流在喷嘴处凝结,以及铍金属粉末和铍蒸汽毒性防护等问题。目前仅Materion公司掌握该方法的工艺生产技术。与气流冲击粉末相比,雾化粉具有三个显著优点:(1)气流冲击制粉获得的是多角形铍粉,雾化制粉制得的是球形颗粒粉末,显著减小或消除因粉末各向异性导致的铍坯各向异性;(2)雾化球形铍粉流动性好和填充密度高,容易实现快速近净形工艺技术(RASF),易于制取复杂形状的铍异型件,尤其适合做大尺寸光学级元器件;(3)雾化粉末纯度高,表面干净,含有较低的BeO,可以改善光泽度,尤其适合做大尺寸光学级元器件。

C 铍粉末的固结成型

铍的固结成型主要有冷等静压——烧结(CIP-S)、真空热压(VHP)、冷等静压一热等静压(CIP-HIP)、直接热等静压(HIP)、粉末锻压、电火花烧结等方法。这些方法都可以达到铍的近理论密度,但产品性能有所差异。真空热压和热等静压法最为常用。

a 冷等静压——烧结

冷等静压——烧结是最早应用的铍粉成型固结工艺。其原理是将粉末冷等静压预成型后进行真空高温烧结,同样温度下,真空烧结密度高于在氩气气氛中烧结的密度Cu64,165)。影响烧结制品性能的主要影响因素有烧结气氛、烧结温度及铍粉中Fe、Al、Si等杂质的含量。铍粉的烧结温度一般为1200~1245℃,烧结温度过低,会导致烧结不致密,但是最高不能超过1250℃,否则容易导致晶粒长大、局部熔化等现象。

冷压烧结镀材相对密度可达97%~99%,抗拉强度on在150~230MPa之间,接近标准级热压铍材,延伸率1%左右。

冷压烧结用于制取形状复杂、各向同性好的皱产品。采用冷压烧结的方法也可生产高孔隙率的多孔镀材。冷压烧结镀材主要用于对机械性能要求不高的马合,如微型反应堆用镀组件侧皱环。烧结成型后的镀坯还可以用来轧制镀板材、薄板和箔材以及挤压成管材等。

b 真空热压

真空热压是将皱粉末或经冷等静压制成的粉坯装人模具内,然后在真空热压炉内加压烧结的方法。热压工艺周期短、成本低,较冷压烧结有晶粒细、性能价良等优点,因而成为铍粉末固结最常用的固结方法之一。

常用的模具是石墨,因为石墨具有小的热膨胀系数,故在冷却过程中镀材只进行单向收缩。真空热压中石墨模具最大直径达到560mm,更大直径的模具则需要用镍合金制作,IN-100合金可以制作1830mm的模具。

热压成型工艺、压力等参数根据粉末化学成分及粒度来选择。粉末越纯、粒度越细,则需要的温度更高、压力越大。典型的压制温度在1000~1200℃范围内,压力范围在0.5~14MPa(主要考虑石墨模具因素)。

真空热压铍材多用于对各向同性要求不高的场合,如微型反应堆上下铍块气象卫星用铍镜、加工制作其他核能工业元器件。真空热压铍锭还用来轧制铍板。

c 热等静压

将铍粉充填至软钢包套内,经抽空、脱气处理和封焊之后进行热等静压,也可以先经冷等静压,然后再将冷压坯整形放入钢包套中脱气封焊,进行热等静压。铍热等静压工艺参数可选范围较宽,一般在760~1100℃范围都可HIP成型得到理论密度达99%的材料165。

HIP 温度一般根据粉末及产品性能选择,较低的等静压温度能得到较高的强度,但是延伸率有一些损失;相反,较高的温度具有较低的强度,但延展性较好。热等静压成型的最大优点是被压制材料在高温作用下有较好的流动性,且各个方向均匀受压,能在较低温度和压力下得到晶粒度细、氧化物分布均匀和各向同性良好的产品。

采用等静压成型工艺可以制备管、壳、棒等形状复杂、中空、薄壁、大长径比的铍制品,以及接近产品最终形状尺寸的异形件,即所谓的近净形(NNS)产品。近净形(NNS)产品最大程度地减少了切削加工量,节约了昂贵的铍原料

d 粉末锻造

粉末锻造是将铍粉或冷压粉坯装人包套,经脱气封焊,然后加热到900-1100℃进行锻造。锻造制品性能处于压制一烧结品和固体锻件之间。粉末锻造法制作零件比由热压锭直接加工零件用料省、热循环时间短,但制作形状复杂的产品很困难。
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