一種高氮不銹鋼球形粉末的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬及合金粉末制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高氮不銹鋼球形粉末的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]20世紀(jì)初，研究者為了提高鋼鐵材料的強(qiáng)度，嘗試將氮元素加入鋼中，氮作為強(qiáng)奧氏體穩(wěn)定化元素和間隙原子元素，不僅可以擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，提高鋼的強(qiáng)度、蠕變抗力和耐腐蝕性;而且氮還是穩(wěn)定、廉價(jià)、資源無(wú)限的元素，在某些牌號(hào)的鋼中可替代價(jià)格高昂的鎳而顯著降低成本。
[0003]Speidel將“高氮鋼”定義為不銹鋼的實(shí)際氮含量超過(guò)了其在常壓條件下(S卩0.1MPa)所能達(dá)到極限值的特殊鋼材，其中奧氏體不銹鋼氮含量0.40 wt.%以上，馬氏體不銹鋼氮含量大于0.08 wt.%。目前，高氮不銹鋼的制備方法主要有高壓冶煉法和粉末冶金法。高壓熔煉法包括加壓感應(yīng)爐熔煉、加壓電渣熔煉、加壓等離子電弧爐熔煉等，而高壓冶煉過(guò)程均存在能耗高、安全隱患大、設(shè)備建造及運(yùn)行成本高昂等不足，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)的熔煉方法只有加壓電渣重熔技術(shù)。
[0004]粉末冶金高氮不銹鋼具有晶粒細(xì)小、成分和組織均勻、批次一致性高等特點(diǎn)，并且粉末冶金工藝靈活、資金投入低、材料利用率高，具備近凈成形特點(diǎn)。目前，制備高氮不銹鋼粉末的主要方法有:高壓熔煉-氮體霧化法、機(jī)械合金-固態(tài)粉末滲氮法、高壓氮?dú)忪F化法等。高壓熔煉-氣體霧化法，是在高壓氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行冶煉使不銹鋼熔體增氮，然后用高壓氮?dú)鈿饬鲗⑷廴谝后w吹氣霧化制成粉末，此方法對(duì)高壓熔煉設(shè)備要求苛刻，實(shí)際生產(chǎn)中存在安全隱患，且粉末批次穩(wěn)定性差，容易生成衛(wèi)星粉和空心粉，不利于粉末成形件性能。機(jī)械合金化和固態(tài)滲氮相結(jié)合，首先將各種單一元素粉混合并充分球磨，得到細(xì)小粉末顆粒，再將固態(tài)粉末在奧氏體相區(qū)溫度內(nèi)依靠流動(dòng)氮?dú)膺M(jìn)行滲氮，最后添加純鐵配置到合金名義成分，并繼續(xù)球磨得到近球形包覆粉末，此方法工藝流程復(fù)雜，高純?cè)胤勰﹥r(jià)格高昂、球磨時(shí)間成本巨大，并不適合工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)。此外氣霧化和機(jī)械合金化粉末的球形度不高、粉末流動(dòng)性低等特點(diǎn)，難以達(dá)到粉末冶金成形工藝對(duì)原材料的要求。
[0005]因此，為解決高氮不銹鋼粉末球形度低、流動(dòng)性差、成本高昂、批次穩(wěn)定性差等難點(diǎn)，消除高壓冶煉容器的安全隱患，并避免其他制備高氮不銹鋼粉末所出現(xiàn)的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種高氮不銹鋼球形粉末的制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高氮不銹鋼球形粉末的制備方法，解決上述高氮不銹鋼球形粉末規(guī)模化生產(chǎn)的技術(shù)難點(diǎn)，可生產(chǎn)出流動(dòng)性好、含氮量高、粒徑細(xì)小、球形度優(yōu)良的高氮不銹鋼球形粉末，用于滿足真空熱壓、熱等靜壓、金屬增材制造等粉末冶金成形件的市場(chǎng)需求。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種高氮不銹鋼球形粉末的制備方法，包括以下步驟:
按照普通不銹鋼所需成分進(jìn)行配料得到熔鑄原料，通過(guò)熔煉工藝得到不銹鋼鑄錠;其次通過(guò)鍛造工藝，將不銹鋼鑄錠制成組織致密的鍛態(tài)棒料，經(jīng)過(guò)車床和精密數(shù)控車床的機(jī)械加工，得到符合等離子旋轉(zhuǎn)電極法要求的不銹鋼電極棒；
將不銹鋼電極棒置于霧化設(shè)備內(nèi)，并對(duì)整套制粉設(shè)備進(jìn)行預(yù)抽真空處理，然后充入高純氮?dú)猓?br> 開(kāi)啟霧化設(shè)備，利用等離子火炬加熱不銹鋼電極棒端面進(jìn)行熔化，在霧化室內(nèi)進(jìn)行離心霧化制粉過(guò)程；
通過(guò)粉末收集裝置得到超純凈高氮不銹鋼球形粉末，粉末粒度在15-300 μπι之間。
[0008]待粉末完全冷卻，將所收集粉末通過(guò)靜電除雜設(shè)備，去除非金屬雜質(zhì)，然后按要求篩分并真空包裝
步驟I)所述普通不銹鋼成分的重量百分比為，鉻10-30，錳0-20，鉬0-5，鎳0-20，其余為鐵;所述鍛態(tài)電極棒的致密度大于99%，無(wú)明顯疏松、縮孔等鑄造缺陷，直徑為10-90 mm，長(zhǎng)度為100-1000 mm，表面粗糙度Ra不大于3.2μηι。
[0009]步驟2)所述預(yù)抽真空度達(dá)到IX 10—3Pa-1O X 10—3Pa時(shí)，充入高純氮?dú)庾鳛闅夥毡Ｗo(hù)，整套制粉設(shè)備內(nèi)的壓力為0.1 X 105-3 X 15 Pa，氣氛氧含量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于0.01%。
[0010]步驟3)所述霧化室內(nèi)壁應(yīng)光滑，表面粗糙度應(yīng)小于1.6μπι;電極棒轉(zhuǎn)速在10000-30000轉(zhuǎn)/分，電極棒進(jìn)給量為1-10毫米/秒，等離子弧功率在100-400kW，依靠離心力作用形成穩(wěn)定、連續(xù)的熔融液滴，金屬液滴在氮?dú)鈿夥罩锌焖倮鋮s形成高氮不銹鋼球形粉末，霧化室通過(guò)循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻。
[0011]步驟4)所述粉末收集過(guò)程在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行，待所得粉末完全冷卻后密封并接入靜電去夾雜設(shè)備。
[0012]步驟5)所述的靜電去夾雜過(guò)程和篩分過(guò)程均在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下進(jìn)行，粉末包裝采用多層真空熱封。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:
I)采用等離子火炬熔化不銹鋼端面，在電弧區(qū)氮?dú)庖妆浑婋x而形成氮離子、高能氮分子和未電離的氮中性原子，通過(guò)化學(xué)吸附和電吸附作用顯著增強(qiáng)不銹鋼增氮速率，提高不銹鋼粉末氮含量。等離子槍工作時(shí)，相同氮分壓條件下，不銹鋼粉末的氮含量明顯增多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Sieverts (西華特)定律所得的理論氮含量。
[0014]2)采用超高速離心霧化技術(shù)，顯著提升高氮不銹鋼粉末的生產(chǎn)效率和細(xì)粉收得率，粉末具有球形度高、雜質(zhì)含量低、流動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，并有效減少甚至消除衛(wèi)星粉和空心粉等缺陷，提尚粉末成品率。
[0015]3)微米級(jí)金屬熔融液滴能夠顯著提高球形粉末的凝固速率，通過(guò)非平衡凝固過(guò)程有效抑制液滴中氮的析出，易于獲得含有過(guò)飽和間隙氮的不銹鋼粉末，提高不銹鋼粉末的氮含量。
[0016]4)采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛的篩分技術(shù)，能夠有效降低成品高氮不銹鋼粉末的氧含量。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制粉設(shè)備示意圖；其中:1-高純氮?dú)忪F化室；2-電極棒安裝室;3-粉末收集裝置;4-等離子火炬;5-電極棒進(jìn)給系統(tǒng)。
[0018]圖2是等離子槍工作氣體中的氮分壓與粉末中氮含量的關(guān)系曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，而非限定其范圍。
[0020]實(shí)施例1:高氮奧