一种基于化学反应的材料热胀成型加工方法技术

本发明专利技术公开了一种基于化学反应的材料热胀成型加工方法，其特征在于，所述成型加工方法以化学反应产物在高温产生的膨胀力作为压力，对金属或金属/陶瓷复合型材实施成型加工，所述化学反应产物是Ti和B、N元素反应生成的TiBN。该方法能通过热胀加工，制备各种高密度、高强度和高硬度零件或型材，特别适合那些在室温难进行成型加工的材料。

A Chemical Reaction-Based Thermal Expansion Processing Method for Materials

The invention discloses a material thermal bulging processing method based on chemical reaction, which is characterized in that the forming processing method takes the expansion force produced by chemical reaction products at high temperature as pressure, and performs forming processing on metal or metal/ceramic composite profiles. The chemical reaction products are formed by the reaction of Ti, B and N elements. TiBN. This method can produce various high density, high strength and high hardness parts or profiles by thermal expansion processing, especially suitable for those materials which are difficult to be processed at room temperature.

【技术实现步骤摘要】
一种基于化学反应的材料热胀成型加工方法
本专利技术涉及材料加工
，特别涉及一种基于化学反应的材料热胀成型加工方法。
技术介绍
和本专利技术相关的现有技术方法一般包括：1、真空罐热胀成型法；2、铸造-热胀成型法；3、热等静压成型法。真空罐热胀成型法是以热胀材料为芯模，刚体材料为阴模，被加工材料在芯模和阴模之间，当模具受热后芯模膨胀力挤压被加工材料，实现加工。该技术方法适合复合材料产品的共固化加工，采用的热膨胀材料是硅橡胶。硅橡胶的使用温度是180-200℃，所以，这种加工方法只能局限在200℃温度下进行。所以，被加工材料主要是各种环氧树脂及其稀释剂和固化剂。铸造-热胀成型法主要是用于金属材料加工。是把金属液注入到中空管中，随即对液态金属施加压力，使金属在压力下成型，中空管获得膨胀，形成金属和中空管一体的产品。热等静压成型加工法是以对烧结前的粉末实施预成型加工为目的。事先把高温合金或陶瓷粉末包覆在不锈钢薄膜内，把该包覆体放置在高压油缸内对其施压，使包覆体体积变小，粉末连接成致密的预烧结体，为获得高密度烧结材料做准备。
技术实现思路
和现有技术相比，本专利技术的区别和优势在于：1、本专利技术是利用化学反应产生的膨胀力对材料实施成型加工，而真空罐热胀成型法是用硅橡胶的膨胀加工材料，产生膨胀力的材料不同；铸造-热胀成型法是用机械外力获得膨胀加工；热等静压是用液压力加工包覆体；2、待加工材料可以是金属或金属/陶瓷复合型材。相对真空罐热胀成型法只能加工环氧树脂，铸造-热胀成型法只能利用金属来说，本专利技术的方法有更宽广的实用性；3、本专利技术方法可以在高温、恒温下进行成型加工，真空罐热胀成型法是在200℃加工，铸造-热胀成型法的加工是在金属液体降温过程中进行成型加工，而等静压是室温下进行加工。在高温下金属有良好的延展性，而恒温缓慢加工可以确保材料是在延展状态下进行，容易获得成型。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于化学反应的材料热胀成型加工方法，所述成型加工方法以化学反应产物在高温产生的膨胀力作为压力，对金属或金属/陶瓷复合材料型材实施成型加工，所述化学反应产物是含有Ti和B、N元素的化合物反应生成的TiBN。进一步地，所述化学反应的过程为：4BF3+3SiC+3O2＝2BF2+B2O3+2SiF4↑+SiO2+3CO↑(1)B4C+2KF+SiC+4O2＝[B]+BF2↑+B2O3+K2SiO3+2CO↑(2)B4C+2BF3+2.5O2＝[B]+3BF2↑+B2O3+CO2↑(3)3BF2＝[B]+2BF3↑(4)2B2O3+2BF3＝3B2O2+3F2(5)3B2O2＝2B2O3+2[B](6)4B2O3+6SiC+6BF3＝11[B]+3BF2+3SiO2+3SiF4+6CO↑(7)N2＝2[N](8)Ti+[B]+[N]＝TiBN(9)。进一步地，所述化学反应是固体渗硼剂在580-1250℃温度范围加热时产生的。进一步地，所述方法通过一个热胀成型装置来实现加工，所述热胀成型装置具有以下特点：(1)热胀成型装置埋伏在固体渗硼剂中；(2)固体渗硼剂在580-1250℃温度范围加热；(3)反应产物TiBN产生膨胀力。进一步地，所述方法的具体步骤为：第一步，准备固体渗硼剂，所述固体渗硼剂的作用是在铁基合金表面生成Fe-B化合物渗层；固体渗硼剂成分包括：B4C、SiC和KBF4；第二步，设计及准备热胀成型装置，所述热胀成型装置包括硬质合金模具、挡板和Ti粉末，所述Ti粉末被挡板和待加工材料所包围，挡板上带有孔隙，待加工材料的外侧包覆所述硬质合金模具，所述待加工材料和硬质合金模具之间预留有待加工材料变形成型的空间；第三步，把热胀成型装置用固体渗硼剂埋伏在固体渗罐内，所述固体渗罐采用耐高温材料制成，固体渗罐内填充有固体渗硼剂，所述固体渗硼剂内埋设有所述热胀成型装置；第四步，固体渗罐的加热处理：将固体渗罐放在电阻炉中进行加热，加热温度范围为580-1250℃，保温时间为2-4小时；第五步，加热完成后取出固体渗罐，待固体渗罐冷却至室温后，打开固体渗罐，去除固体渗硼剂，取出装置，打开模具取出所述待加工材料，即为最终成型材料。进一步地，所述待加工材料是金属，或者是由金属和陶瓷制成的复合材料型材。进一步地，所述热胀成型装置距离所述固体渗罐顶部、底部和内侧壁的距离至少为3cm。本专利技术还公开了实现上述方法的一种固体渗罐，所述固体渗罐为上、下两端开口的圆桶形，所固体渗罐内填充有固体渗硼剂，所述固体渗硼剂内埋覆有热胀成型装置，所述热胀成型装置包括硬质合金模具、挡板和Ti粉末，所述Ti粉末被挡板和待加工材料所包围，挡板上带有孔隙，待加工材料的外侧包覆所述硬质合金模具，所述待加工材料和硬质合金模具之间预留有待加工材料变形成型的空间，所述固体渗罐上端盖设有罐盖。从以上技术方案可以看出，本专利技术利用固体发生化学反应产生的膨胀力对材料进行的压力成型加工。所用的压力方式和现有技术明显不同。待加工材料被加工时的状态可以是液态、液态+固态和固态，取决于加热温度及材料熔点。压力加工温度范围宽，从580-1250℃。该方法适合脆性材料的加工，高温合金和金属/陶瓷复合材料等，也适合加工用粉末制成的预成型毛坯材料。可以制备出多种成分不同的材料。经此方法加工成型的材料具有高密度和高强度特点。例如，纯Al合金强度不高，为提高其强度通常是往Al合金中添加Al2O3陶瓷粉末，由于Al合金远比Al2O3陶瓷粉末比重大，铸造加工时Al2O3陶瓷粉末极易上浮，很难获得陶瓷颗粒均匀分布的Al合金+Al2O3陶瓷复合材料。把铝粉末和拟添加Al2O3陶瓷粉末混合后压制成毛坯，然后借助专利技术的压力成形装置对此毛坯进行加工，可以成功制备出高密度、高强度Al合金+Al2O3复合材料，解决了这一铸造行业的技术难题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为热胀成型前热胀成型加工装置的装配结构示意图；图2为热胀成型时固体反应罐的内部结构示意图；图3为热胀成型后热胀成型加工装置的结构示意图。具体实施方式下面结合附图，并结合实施例对本专利技术做进一步的说明。实施例1一种基于化学反应的材料热胀成型加工方法，具体步骤为：1.称量从市场购买的固体渗硼剂1000克，固体渗硼剂的作用是在铁基合金表面生成Fe-B化合物渗层；固体渗硼剂属于本领域的常规药品，本专利要求其成分应至少包括：B4C、SiC和KBF4；2.按图1所示装配热胀成型加工装置，硬质合金模具5采用上、下两部分可拆卸扣合并固定(可采用现有技术中任何一种可拆卸固定方式，例如卡箍抱紧固定等)而成，硬质合金模具5的内径为30mm，带有预留给待加工材料变形成型的圆弧9，硬质合金模具5壁厚为2mm，长度为200mm。待加工材料4是铜管，其外径为30mm，壁厚2mm，把铜管安放在硬质合金模具5内；挡板2直径为30mm，厚度为5mm。称重量为200克的Ti粉末1(颗粒度为200目)，把Ti粉末1放置在二挡板之间的空间，Ti粉末1被挡板2和待加工材料4所包围。挡板2上面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于化学反应的材料热胀成型加工方法，其特征在于，所述成型加工方法以化学反应产物在高温产生的膨胀力作为压力，对金属或金属/陶瓷复合型材实施成型加工，所述化学反应产物是Ti和B、N元素反应生成的TiBN。

【技术特征摘要】
1.一种基于化学反应的材料热胀成型加工方法，其特征在于，所述成型加工方法以化学反应产物在高温产生的膨胀力作为压力，对金属或金属/陶瓷复合型材实施成型加工，所述化学反应产物是Ti和B、N元素反应生成的TiBN。2.根据权利要求1所述的一种基于化学反应的材料热胀成型加工方法，其特征在于，所述化学反应的过程为：4BF3+3SiC+3O2＝2BF2+B2O3+2SiF4↑+SiO2+3CO↑(1)B4C+2KF+SiC+4O2＝[B]+BF2↑+B2O3+K2SiO3+2CO↑(2)B4C+2BF3+2.5O2＝[B]+3BF2↑+B2O3+CO2↑(3)3BF2＝[B]+2BF3↑(4)2B2O3+2BF3＝3B2O2+3F2(5)3B2O2＝2B2O3+2[B](6)4B2O3+6SiC+6BF3＝11[B]+3BF2+3SiO2+3SiF4+6CO↑(7)N2＝2[N](8)Ti+[B]+[N]＝TiBN(9)。3.根据权利要求2所述的一种基于化学反应的材料热胀成型加工方法，其特征在于，所述化学反应是在580-1250℃温度范围加热时产生的。4.根据权利要求1～3任一项所述的一种基于化学反应的材料热胀成型加工方法，其特征在于，所述方法通过一个热胀成型装置来实现加工，所述热胀成型装置具有以下特点：(1)热胀成型装置埋伏在固体渗硼剂中；(2)固体渗硼剂在580-1250℃温度范围加热；(3)反应产物TiBN产生膨胀力。5.根据权利要求1～3任一项所述的一种基于化学反应的材料热胀成型加工方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：第一步，准备固体渗硼剂，所述固体渗硼剂的作用...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡建东，程春明，
申请(专利权)人：江西嘉陶无机材料有限公司，
类型：发明
国别省市：江西,36