用于制造可酸洗的金屬部件的方法與流程

本公開涉及一種根據權利要求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權利要求要求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：

熱等靜壓(HIP)是用于制造近凈成形部件和高性能材料的優選方法。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合而形成具有鍛件類似強度的致密部件。

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)中足夠時間段，使得包套材料全部被去除。這適合于具有復雜形狀的部件，復雜形狀使得難以通過加工將包套去除。當制造具有內腔的部件時，有時用實心型芯來限定內腔的形狀。在HIP后，型芯通過加工和酸洗組合被去除。

但是，當使用低合金材料時，諸如碳鋼、工具鋼和復合材料，酸洗不適于包套或型芯的去除，這是因為低合金材料不能承受酸。在這種情況下，當包套或型芯已經被溶解時，部件的材料可能被酸腐蝕。

因此，加工經常用來去除包套材料。盡管加工是一種相當費時而且麻煩的方法，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顆粒，一些材料(例如金屬基質的復合材料(MMC))不能被加工。在這些情況下，因為必須避免MMC和加工工具之間的接觸，所以包套必須被留在部件上。復雜幾何形狀的型芯更難通過加工而從HIP部件中去除，這限制了具有內部通道的部件的設計。

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。任何泄露都會導致有廢棄的部件。因此，在與包套的焊接接頭接觸的區域內的包套的內部的任何覆層都不影響焊縫質量是非常重要的。

本公開的一個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/或克服現有技術的至少一個問題。

特別地，本公開的一個方面是實現一種能酸洗金屬部件而對該金屬部件沒有不利影響的方法。

定義

術語“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，因此當金屬部件成型后，該物品或工具應當被移除。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。復合材料的非限制性示例是包括硬質顆粒的金屬基質的復合材料，硬質顆粒例如但不限于WC、TiC、TaC、TiN，或金屬基質中的硬質相，金屬基質例如但不限于Ni、Co、Fe、Cr。

技術實現要素：

根據本公開，至少一個上述方面通過用于制造金屬部件90的本發明的方法而得到滿足，所述方法包括下述步驟：提供預成形部件10，所述預成形部件10包括構成金屬部件90的金屬材料20，和限定金屬部件90形狀的成型裝置30、40；在預定壓力和預定溫度下對預成形部件10進行熱等靜壓持續預定時間；用酸洗劑60接觸所述預成形部件10，從而去除成型裝置30、40；其特征在于，提供預成形部件10的步驟100包括向預成形部件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)時保護金屬部件。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險。這反過來允許HIP部件的有效制造。進一步的優點在于，可以免除通過加工去除型芯和包套的相當復雜的步驟。本方法還可以制造現有技術中不能加工的具有復雜幾何形狀的部件。

使用電鍍將耐酸金屬層施加到預成形部件是一種簡單有效的方法，其用于對復雜幾何形狀涂覆以預定厚度，例如，整個預成形部件可被涂覆。進一步的優點是在施加之后，鍍層不需要加工。進一步的優點是所獲得的鍍層不像化學鍍通常的那樣包含任何磷，因此所獲得的鍍層不會影響焊縫，并且焊縫因此是氣密的。

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

根據如上下文限定的本公開的一個實施例，耐酸金屬層50為鎳金屬。除對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，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，這是因為在HIP工藝的過程中的流行高溫和高壓下，鎳保持其結構穩定性并且保持完好。鎳還對碳有低親和性。這在HIP工藝的過程中是重要的特征，這是因為鎳由此會限制碳從金屬材料和耐酸金屬層50擴散的可能性。應該避免碳擴散，這是因為它會引起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，如P、S、O、Fe、Cu、C和Si構成。特別地，磷含量低于5wt％以保持鎳金屬的高熔點是重要的。因此，耐酸金屬層應該含有至少95wt％的鎳金屬，殘余為自然存在雜質，其磷含量＜5wt％，諸如＜3wt％，諸如＜2wt％。耐酸金屬層50對酸洗劑的耐酸性和在高溫下的結構穩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。

根據替代例，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，即1857℃，使得其適于用作HIP工藝中的耐酸金屬層50，因為其在HIP工藝的過程中保持完好。

根據替代例，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。耐酸金屬層應當至少厚50μm，以保證層是連續的，而沒有孔隙，該孔隙會形成酸洗劑的進入點。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。

根據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溶解，或在使用型芯的情況下，從內向外溶解，因而當成型裝置被完全溶解時，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相鄰的預成形部件的金屬材料所處的位置的簡單并且有效的手段。

根據如上下文限定的方法的一個替代例，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。在這個替代例中，耐酸金屬層50可以直接施加到包套的內表面上，即面向金屬材料的包套的那一側。

根據本方法的一個替代例，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，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，因為其將在短時間內溶解于硫酸。

根據如上下文限定的方法的一個實施例，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。當型芯設有縱向孔或通孔時，因為型芯在其整個長度上從中心向外溶解，所以通過酸洗去除型芯的速率會增加，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內或通過開口45循環酸洗劑60。因為用過的酸洗劑被連續地從孔中除去，并且新酸洗劑被供應，所以酸洗劑的循環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和內壁93以及被內壁93包圍的空腔92，其中內壁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。

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

附圖說明

圖1至圖4：示意地示出本發明的方法的步驟。

圖5：示意地示出本發明的方法制造的部件。

圖6：示意地示出根據本發明的方法的替代例的預成形部件。

圖7：示出本發明的方法的主要步驟的順序的流程圖。

具體實施方式

本公開將在下面參照包括內腔的金屬部件的制作來詳細描述。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是示意性橫截面側視圖。

在所描述的實施例中，獲得的金屬部件是用在石油工業中的霧化器噴嘴。霧化器噴嘴具有貫穿噴嘴孔。但是，應當理解，上下文中描述的本發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。盡管所描述的實施例示出了具有貫穿噴嘴孔的部件，但是這不應被理解為限制本公開。本發明的方法還非常適合于制造具有實心橫截面的部件，如桿、塊和板，或例如輥的實心圓柱部件。

本發明的方法的第一步驟100中，提供了預成形部件。

因而型芯40被制造出來，圖1示出了型芯4的橫截面側視圖。型芯40將限定最終部件的內腔形狀，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。這些鋼以及鐵相對便宜，可被例如硫酸或鹽酸的市售酸洗劑迅速溶解。可以通過常規方法制造型芯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。

根據如本公開上下文所限定的方法，型芯40設有耐酸金屬層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。型芯的整個周向表面被鎳涂覆，即，在隨后的步驟中將會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，根據討論的部件，還能夠僅在型芯的選擇出來的表面上設置鎳層。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劃定內部空間35，該內部空間35限定最終部件90的形式。根據如上下文限定的本方法，還能夠將耐酸金屬層50施加在包套的內表面上，即，面向內部空間35的包套的那一側(未示出)。在隨后的酸洗步驟去除包套時，耐酸金屬層50將會保護下面的金屬材料不與酸洗劑接觸。

內部空間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的氮化物的硬質顆粒的混合物。使用呈實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，以壓實粉末，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的布置形成預成形部件10。

第二步驟200中，預成形部件10在預定壓力和預定溫度下進行熱等靜壓持續預定時間，使得預成形部件變致密。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合，因而獲得致密、擴散結合、一致的HIP預成形部件。

預成形部件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室加熱至低于熔點最低的材料的熔點或可以形成的相的熔點之下的溫度。溫度越接近熔點，形成熔融材料和不希望的相的風險越高。因此，在HIP工藝中，爐中溫度應該盡可能得低。然而，低溫時，擴散過程變慢，材料將會包含殘余孔隙，顆粒間的冶金連接將會變弱。因此，溫度優選為低于熔點最低的材料的熔點100-300℃，例如在900-1150℃的范圍中，或在1000-1500℃的范圍中。在HIP工藝中發生在包套中的材料之間的擴散過程依賴于時間，因此優選的是長HIP時間。然而，由于例如相的晶粒生長或過度溶解，過長的時間可能導致HIP材料的不良性能。優選地，根據討論的部件的橫截面尺寸，預成形部件應該進行HIP工藝達0.5-4小時的時間段。

第三步驟300中，通過使HIP預成形部件接觸酸洗劑而對HIP預成形部件進行酸洗。

預成形部件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成形部件10的所有部件浸在酸洗劑60中。預成形部件留在酸洗劑中足夠時間，以允許完全溶解型芯和包套。精確的酸洗時間取決于部件尺寸、型芯和包套的尺寸，而且必須在各個情況中確定。

還能夠用酸洗劑僅接觸預成形部件的選定部分，而不將整個預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入型芯的中心。并且同時去除型芯整個長度上的型芯材料。酸洗用酸還可以圍繞預成形部件的包套循環，也可通過型芯中的孔45循環。循環可以通過泵實現。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散結合的金屬材料20制成的本體95。本體95具有外壁91和內壁93以及通孔92，通孔92由現在已經完全去除的型芯40限定。耐酸金屬層50留在內壁93的表面上。

盡管已經詳細討論過具體的實施例，但這僅用于說明性目的并且無意限制。特別地，預期是可在所附的權利要求范圍內作出各種替換、替代和修改。

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