鐵基合金的離心霧化的制作方法
【專(zhuān)利摘要】公開(kāi)了用于通過(guò)旋轉(zhuǎn)或離心霧化(CA)生產(chǎn)鐵基合金粉末或顆粒材料的方法。本發(fā)明適用于通過(guò)離心霧化，特別是通過(guò)旋轉(zhuǎn)元件霧化技術(shù)進(jìn)行的離心霧化來(lái)獲得鋼粉末，尤其是工具鋼粉末、高強(qiáng)度鋼和性質(zhì)相似的其他鐵基合金。細(xì)的、光滑的、低氧含量且低散落物或者甚至無(wú)散落物的粉末于優(yōu)選的非氧化性氣氛下在霧化室中通過(guò)具有不同幾何結(jié)構(gòu)(例如，盤(pán)狀、杯狀…)的經(jīng)冷卻的旋轉(zhuǎn)霧化裝置進(jìn)行霧化。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
鐵基合金的離心霧化
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及用于通過(guò)離心霧化，主要是通過(guò)旋轉(zhuǎn)霧化元件技術(shù)生產(chǎn)一些高熔點(diǎn)合 金粉末或顆粒材料的方法。本發(fā)明設(shè)計(jì)用于快速制造凝固的金屬粉末。
[0002] 概述
[0003] 霧化是用于由鋁、鐵、低合金鋼、不銹鋼、工具鋼、鈦和高溫合金(superalloy)等生 產(chǎn)金屬和預(yù)合金粉末的主要方法。雖然存在多種多樣的霧化方法、工藝和技術(shù)，但是特別地 水霧化或氣體霧化持續(xù)地主導(dǎo)高熔點(diǎn)金屬粉末的生產(chǎn)。這兩種技術(shù)相對(duì)易于實(shí)施，但是能 量效率較低，以及所生產(chǎn)的粉末的公知特征，例如，形狀不規(guī)則、表面質(zhì)量低、內(nèi)孔隙率較 高、粒徑分布較寬（高幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差〇g，約2.0至2.3)等。另一方面，其他技術(shù)例如離心霧化 (CA)在某些工藝條件下表現(xiàn)出較高的能量效率和優(yōu)異的粉末質(zhì)量。然而，這些類(lèi)型的工藝 通常在技術(shù)上比前述技術(shù)更復(fù)雜。金屬的離心熔融霧化是用于生產(chǎn)粉末的液態(tài)金屬進(jìn)料物 理方法，其中熔融金屬的液流被傾倒至旋轉(zhuǎn)盤(pán)或類(lèi)似物上并在離心力的作用下破碎并分散 成細(xì)粉末顆粒物質(zhì)，所述細(xì)粉末顆粒物質(zhì)隨后與空氣接觸而固化。離心霧化技術(shù)的潛力，尤 其是用于工業(yè)應(yīng)用的潛力由于缺乏對(duì)霧化的物理過(guò)程的深入科學(xué)理解以及缺乏可靠的設(shè) 計(jì)而尚未完全開(kāi)發(fā)。
[0004]傳統(tǒng)上，工具鋼粉末通過(guò)氣體霧化或水霧化方法產(chǎn)生。一般而言，經(jīng)水霧化的工具 鋼粉末末呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)則形狀的顆粒并且適用于模壓和燒結(jié)成較高的理論密度。雖然經(jīng)氣體 霧化的工具鋼粉末末呈現(xiàn)出具有高表觀密度的球形或近似球形顆粒，但是這樣可能需要熱 或冷等靜壓固結(jié)。與鍛造和常規(guī)生產(chǎn)的產(chǎn)品相比，工具鋼粉末冶金的關(guān)鍵因素主要基于可 以獲得的均勻的顯微組織，以及在其化學(xué)組成上較高的均一性。這種情況例如在熱處理期 間產(chǎn)生優(yōu)異的韌度值和較小的變形，有助于提高工具使用壽命。
[0005] 雖然進(jìn)行離心霧化用于以商業(yè)、近似商業(yè)、實(shí)驗(yàn)室和小型中試規(guī)模生產(chǎn)各種各樣 的金屬和金屬合金，但是該技術(shù)出乎意料地尚未被全面并廣泛地開(kāi)發(fā)用于大規(guī)模生產(chǎn)鐵基 合金。CA(離心霧化)在工業(yè)規(guī)模上應(yīng)用于很多單一應(yīng)用，特別是用于表現(xiàn)出較低熔融溫度 的合金，由此旋轉(zhuǎn)元件的腐蝕問(wèn)題并不能成為關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)。
[0006] Ti、Ni、Fe等通常通過(guò)適當(dāng)?shù)撵F化旋轉(zhuǎn)元件配置，一些具體的合金可利用幾乎任何 霧化旋轉(zhuǎn)元件配置，但需考慮其他參數(shù)。然而，與已觀察到和所提到的相反，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)， 采取某些預(yù)防措置，離心霧化旋轉(zhuǎn)元件技術(shù)適用于生產(chǎn)某些鋼粉末，尤其是工具鋼粉末、高 強(qiáng)度鋼和其他類(lèi)似特性的鐵基合金。此外，本發(fā)明人示出可使霧化技術(shù)成為最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)期望規(guī)格的鐵基粉末并節(jié)省大量能量和相關(guān)成本。
【背景技術(shù)】
[0007] 雖然關(guān)于所述主題存在非常全面的文獻(xiàn)綜述[Metal Powder Industry，ISBN_13: 978-187895415,1992；Oxford University Press,ISBN-13:978-0198562580,1994；ASM International,ISBN-13:978-0871703873,1998；Metal Powder Industry,ISBN-13:978-0976205715,2005]，但是將在以下段落中簡(jiǎn)要地回顧霧化及其相關(guān)方面的現(xiàn)有技術(shù)情況。 熔體霧化是在周?chē)鷼夥罩袑⒋髨F(tuán)液體(bu lk 1 i qu i d)轉(zhuǎn)變成液滴噴霧。所述大團(tuán)液體通過(guò) 使物質(zhì)熔融來(lái)形成，所述物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)的壓力和溫度條件下為固態(tài)，在霧化階段和隨后的冷 卻之后最終產(chǎn)物為粉末。金屬霧化是允許生產(chǎn)寬范圍的組成和粒徑的金屬粉末的最常見(jiàn)的 方法。雖然在科學(xué)文獻(xiàn)中已發(fā)現(xiàn)關(guān)于粉末冶金和霧化的優(yōu)秀綜述，但是以下特別強(qiáng)調(diào)CA對(duì) 金屬粉末的一些相關(guān)方面進(jìn)行描述。目前，鐵質(zhì)粉末或非鐵粉末主要通過(guò)水霧化和氣體霧 化來(lái)生產(chǎn)，而離心霧化技術(shù)仍為次級(jí)技術(shù)[Ed.Metal Powder Industry, ISBN_13:978_ 1878954152,第41至43頁(yè)，1992;ASM International,ISBN-13:978-0871703873,第35至52 頁(yè)，1998;Elsevier Science, ISBN-13:978-1856174794,第 161 頁(yè)，2006]。離心熔體霧化（也 被稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)盤(pán)、旋轉(zhuǎn)杯或旋轉(zhuǎn)霧化)定義為用于獲得粉末的液態(tài)金屬進(jìn)料的物理方法，其中 熔融金屬的液流被倒入旋轉(zhuǎn)盤(pán)(SDA)或類(lèi)似物并在旋轉(zhuǎn)裝置(mean)產(chǎn)生的離心力的作用下 分散成小滴、片狀或帶狀噴霧，其隨后與空氣接觸固化[ASM International，ISBN-13:978-0871703873,第35至52頁(yè)，1998]。經(jīng)離心霧化的金屬的主要市場(chǎng)在于多個(gè)完善建立的并且 高價(jià)值的應(yīng)用，例如電焊膏、用于堿性電池的鋅、鈦粒和鋼粒以及一些熱噴霧和磁性粉末 [Proc.of Int.Conf.on Spray Deposition and Melt Forming,BremenUniversitat,^l 至6 頁(yè)，2006]。
[0008] 通常，離心霧化方法比氣體霧化和水霧化的能量效率高得多，并且還通常產(chǎn)生比 前述技術(shù)窄得多的粒徑分布[ASM International，ISBN-13:978-0871703873，第35至52頁(yè)， 1998]。當(dāng)使用適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)時(shí)，在惰性氣氛或真空氣氛下獲得的經(jīng)離心霧化的粉末通常 為球形或近似球形并且具有光滑的表面以及對(duì)于一些合金而言在低運(yùn)行成本下非常好的 生產(chǎn)收益率。對(duì)于一些合金，在本發(fā)明之前不可能考慮以工業(yè)上可接受的水平使用所述技 術(shù)。
[0009] 然而，當(dāng)將離心霧化技術(shù)應(yīng)用于較高熔點(diǎn)的金屬時(shí)，由于需要增大霧化室的直徑 而難以以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。此外，旋轉(zhuǎn)元件上的液體的過(guò)早凝固（凝殼）以及不平衡力、腐蝕、 熱疲勞和材料的相容性這些問(wèn)題導(dǎo)致大量的旋轉(zhuǎn)盤(pán)組件維護(hù)成本。用于制備高溫合金粉末 的由Pratt&Whitney-聯(lián)合技術(shù)(美國(guó)專(zhuān)利No. 4078873和美國(guó)專(zhuān)利No. U. S. 4343750A)開(kāi)發(fā)的 快速凝固速率工藝(RSR)是最知名的離心霧化技術(shù)之一。為了克服高熔點(diǎn)和腐蝕合金的處 理問(wèn)題，所述工藝采用與高壓氦氣組合的高速水冷卻旋轉(zhuǎn)盤(pán)以增加凝固速率。最大的RSR設(shè) 備可以在直徑約5m的噴霧室和封閉的氦氣再循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)處理最高達(dá)900kg的批量。對(duì)于Ni 基高溫合金生產(chǎn)速率達(dá)到最高ll〇〇kg ? IT1。在這種情況下，高體積的氦氣的使用也是另一 個(gè)缺點(diǎn)。由于這些缺點(diǎn)，水霧化和氣體霧化持續(xù)主導(dǎo)高熔點(diǎn)金屬粉末的生產(chǎn)。美國(guó)專(zhuān)利 No. 4374074(A)公布了用于使用旋轉(zhuǎn)盤(pán)由金屬、熔渣或助熔劑的熔體生產(chǎn)特定固定尺寸的 球形顆?；蚶w維的工藝，使用旋轉(zhuǎn)盤(pán)是為了：在盤(pán)上形成邊界層的薄膜流；以高的速度使所 述薄膜流從盤(pán)邊緣噴射至周?chē)臻g中以使所述膜流分裂成線(xiàn)性流；以及使所述線(xiàn)性流冷卻 以產(chǎn)生纖維，或者在具有與所述線(xiàn)性流平行或相反的氣體流或沒(méi)有所述氣體流的情況下進(jìn) 一步使所述各個(gè)線(xiàn)性流分裂成液滴以產(chǎn)生球形顆粒之后使所述液滴冷卻。旋轉(zhuǎn)霧化元件由 具有平坦耐高溫表面的平坦盤(pán)塊構(gòu)成，所述平坦盤(pán)塊由支承于金屬保持器的不同的耐高溫 材料制成，所述金屬保持器由耐熱鋼制成。本發(fā)明人提出，為了產(chǎn)生球形顆粒，最佳條件是 在室溫或更低溫度下且在常壓或更高壓力下形成方向與從旋轉(zhuǎn)盤(pán)外周?chē)娚涞娜垠w自由線(xiàn) 性流的方向相反的額外氣體噴射流所獲得的。根據(jù)本發(fā)明人，旋轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速優(yōu)選調(diào)節(jié)至 3000rpm至30000rpm，并且在本發(fā)明公開(kāi)的工藝中使用的旋轉(zhuǎn)盤(pán)的有效直徑優(yōu)選為50mm至 200mm〇
[0010] 已經(jīng)提出了很多生產(chǎn)工藝以通過(guò)將熔體倒入旋轉(zhuǎn)元件的表面生產(chǎn)球形、近似球形 和其他非球形典型外觀的金屬顆粒(針狀、纖維狀、薄片狀、中空的、樹(shù)枝狀、不規(guī)則的、聚集 體、海綿狀等）。關(guān)于非球形顆粒的生產(chǎn)，美國(guó)專(zhuān)利No.US 4063942(A)涉及新金屬產(chǎn)品，即出 于粉末冶金目的適用于生產(chǎn)金屬粉末的金屬薄片產(chǎn)品，并且其還描述了用于制造所述金屬 薄片產(chǎn)品的方法。根據(jù)本發(fā)明，該新產(chǎn)品為由多個(gè)較薄的、脆性且易碎的，基本上不含枝狀 晶的，非晶態(tài)至致密晶粒結(jié)構(gòu)的金屬薄片構(gòu)成的金屬薄片制品。顆粒通過(guò)使鋼水在基本上 橫越鋼水的遞送方向快速移動(dòng)的冷卻能力大的較冷金屬表面(平坦盤(pán)、杯)上形成至少一個(gè) 離散的，較薄的片狀層來(lái)產(chǎn)生。由于大的冷卻能力，使得所述層極快地凝固（有利地至少約 1(T 6C ?，）。根據(jù)本發(fā)明人，為了便于后續(xù)使所述金屬薄片破碎成所需粒徑的粉末，可相互 調(diào)節(jié)決定所述片的尺寸的制造參數(shù)。因此，所述片的厚度至多為約〇.50mm并且優(yōu)選至多為 約0.10_。因此，所述參數(shù)也被互相調(diào)節(jié)以使得所述片的長(zhǎng)度/厚度比為至少100,所述片的 寬度/厚度比為至少約20,并且所述片的長(zhǎng)度/寬度比至多為約5。片狀粉末生產(chǎn)工藝的另一 個(gè)實(shí)例公開(kāi)在日本專(zhuān)利No.H02 34706(A)中，其涉及用于通過(guò)使玻璃、金屬(不銹鋼、Ag、A1、 Cu、Ni和Zn)等的熔融材料流動(dòng)通過(guò)霧化氣體并在凝固之前使所形成的液滴撞擊圓錐型或 喇叭型旋轉(zhuǎn)冷卻元件來(lái)以高產(chǎn)量制造片狀粉末的工藝。有意思的是，在這種情況下，使用與 旋轉(zhuǎn)杯型元件相比較不常用的圓錐形旋轉(zhuǎn)元件，然而其就與待處理的材料接觸的表面是光 滑的而沒(méi)有任何突起部或隆起部的方面而言具有相同的基本特性。本專(zhuān)利旨在獲得球形或 近似球形的金屬顆粒，這是與其他待克服的難題完全不同的生產(chǎn)技術(shù)。此外，在旋轉(zhuǎn)元件的 旋轉(zhuǎn)軸和澆鑄的熔融金屬流的軸均平行移動(dòng)的兩種情況下，使得熔融金屬流和/或經(jīng)氣體 霧化的流偏心撞擊在旋轉(zhuǎn)冷卻元件上。
[0011] 金屬粉末的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，特別是經(jīng)由霧化的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)是以連續(xù)并持久的方式發(fā) 展的領(lǐng)域。其已被廣泛承認(rèn)是生產(chǎn)具有特定性質(zhì)的粉末形式的原材料的非常優(yōu)異的方法， 以用于被稱(chēng)為粉末冶金(PM)或顆粒材料技術(shù)的廣泛發(fā)展的應(yīng)用中，例如，添加或?qū)又圃?快 速制造/成型、3D打印、激光成形等）、熱噴涂、焊接、金屬注射成型(M頂）、粉末鍛造、擠壓成 型、熱等靜壓(HIP)等。通過(guò)HIP(高壓和高溫)或等效技術(shù)對(duì)一些合金金屬粉末進(jìn)行的固結(jié) 可以產(chǎn)生具有細(xì)晶粒顯微組織沒(méi)有夾雜物和偏析的高質(zhì)量和高性能部件，獲得高的表觀密 度或者甚至全密度。
[0012] 此外，從技術(shù)角度來(lái)看，離心霧化技術(shù)由于所生產(chǎn)的粉末的高成本而沒(méi)有如所期 望的那樣快速發(fā)展，這種技術(shù)用于高熔點(diǎn)材料的部分成功可能歸因于涉及獲得的粉末的質(zhì) 量和特性的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)難題，例如形貌、表面質(zhì)量、顯微組織(在不同水平，例如納米和毫微 微米）、小生產(chǎn)量、生產(chǎn)率(產(chǎn)率）、成本等。
[0013] 熔體的霧化具有對(duì)于金屬粉末生產(chǎn)具有很多應(yīng)用和優(yōu)點(diǎn)，并且在這種技術(shù)的開(kāi)發(fā) 中的主要難題是缺乏用于處理熔融金屬的合適的材料和方法。同時(shí)，一些最有吸引力的益 處是合金時(shí)高度的靈活性、雜質(zhì)的控制和僅可以通過(guò)這種方式產(chǎn)生預(yù)合金粉末的化學(xué)組成 的均勻性。已開(kāi)發(fā)了多種霧化技術(shù)用于由鐵質(zhì)合金和非鐵合金生產(chǎn)金屬粉末和預(yù)合金粉 末。已經(jīng)廣泛地開(kāi)發(fā)的這些技術(shù)中的一些并且用于大規(guī)模生產(chǎn)（在世界范圍內(nèi)超過(guò)95%的 霧化生產(chǎn)量），包括雙流體霧化，例如氣體霧化、水霧化和油霧化、真空霧化和旋轉(zhuǎn)電極霧 化。但是已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室和中試規(guī)模對(duì)其他技術(shù)進(jìn)行了評(píng)估并且可將其視為近似商業(yè)的技 術(shù)，例如旋轉(zhuǎn)盤(pán)霧化等。
[0014] 在雙流體霧化中，從噴嘴流出的熔融金屬流通過(guò)以某個(gè)角度向下的一種或多種流 體(例如，水、氣體)噴射流的作用而破碎。由于從霧化氣體到熔融金屬的動(dòng)量傳遞，產(chǎn)生了 金屬液滴的細(xì)分散體。所述流體噴射流使所述金屬流破碎成液滴，所述液滴被立即淬火并 落至霧化容器的底部。對(duì)于水霧化，金屬粉末/水漿料被移除以進(jìn)行過(guò)濾、干燥并且在一些 情況下在還原性氣氛中進(jìn)行退火。水霧化是鐵質(zhì)金屬粉末和具有易于還原的氧化物的金屬 的主要霧化方法。水霧化的最大商業(yè)應(yīng)用涉及鐵粉生產(chǎn)，但是也用于銅、銅合金、鎳、鎳合 金、工具鋼、不銹鋼和貴金屬粉末的商業(yè)生產(chǎn)。通常，水霧化由于霧化介質(zhì)(水)的成本降低、 用于其增壓而消耗的能量低和該方法的固有生產(chǎn)率高而比其他霧化技術(shù)便宜。這種技術(shù)的 主要限制為具有寬液滴尺寸對(duì)數(shù)正態(tài)分布(幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.8至3.0)的無(wú)規(guī)則形狀的顆 粒、粉末純度和對(duì)于活性金屬的高氧含量。通常，覆蓋于液滴表面的氧化膜的形成和耐高溫 氧化物的存在阻止上述液滴的球化。水霧化的冷卻速率比氣體霧化(N或Ar)的冷卻速率大 一個(gè)或兩個(gè)數(shù)目級(jí)[ASMInternational，ISBN-13:978-0871703873，第35至52頁(yè)，1998] 〇
[0015] 惰性氣體霧化(IGA)是有效生產(chǎn)顆粒金屬和具有高氧化傾向性的合金或具有其氧 化物難以還原的組分的合金的最廣泛的方法。金屬的氣體霧化包括熔體與霧化氣體(Ar、N、 He、空氣）的相互作用，并且其用于鋁、鋁合金、銅及其合金、鎂、鋅、鈦、鈦合金、鎳基合金、鈷 基合金、錫、鉛等的粉末的商業(yè)生產(chǎn)。這種技術(shù)以1E+02°C ? s_i至1E+05°C ? s_i的冷卻速率 且以低能量效率進(jìn)行。通常，經(jīng)惰性氣體霧化的粉末呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)正態(tài)尺寸分布，其中幾何標(biāo) 準(zhǔn)偏差接近2.0。在這種情況下，平均粒徑受控于氣體-金屬流量比，而對(duì)于水霧化，平均粒 徑受控于水噴射流的壓力(速度）。經(jīng)氣體霧化的粉末的表面通常是光滑的具有蜂窩狀或枝 晶狀顯微組織，然而在實(shí)際中，主要對(duì)于鋁基合金、銅和鋅合金而言，光滑度和球度的大的 變化是常見(jiàn)的。另一個(gè)與氣體霧化相關(guān)的缺點(diǎn)為顆粒中少量霧化惰性氣體的截留，這會(huì)導(dǎo) 致多孔性，在氬氣和粗顆粒的情況下尤其如此。然而，存在一些尋求這種效果的霧化應(yīng)用。 例如，美國(guó)專(zhuān)利No.4768577(A)描述了一種方法和由此生產(chǎn)的金屬粉末，其中有益水平的截 留氣體（濃度）在霧化工藝的特定參數(shù)下被引入金屬?？梢院?jiǎn)要地確定，美國(guó)專(zhuān)利 No.4768577(A)作為該發(fā)明的一般目的公開(kāi)了一種在金屬中摻雜惰性氣體的方法。在一種 形式中，本發(fā)明的更特定的目的是提供用于在304型不銹鋼中產(chǎn)生預(yù)選水平的He的方法。該 發(fā)明的一般目的還在于用于制備含有有益水平的截留惰性氣體的金屬和霧化的金屬粉末 的方法。此外，另一個(gè)一般目的是提供用于制備含有有益水平的截留惰性氣體的金屬的方 法。在所參考的用于生產(chǎn)經(jīng)霧化的金屬粉末的系統(tǒng)中，待霧化的熔融金屬流被遞送至旋轉(zhuǎn) 的光滑的杯形旋轉(zhuǎn)元件上。氣體遞送裝置由歧管構(gòu)成以提供驟冷氣體(例如，He)流使經(jīng)霧 化的粉末快速冷卻。提供的方法對(duì)于304型不銹鋼似乎是合理的。該文獻(xiàn)幾乎沒(méi)有提供關(guān)于 所使用的工藝參數(shù)的見(jiàn)解。未指出用于霧化的旋轉(zhuǎn)元件為陶瓷性質(zhì)的。其描述了所獲得的 具有優(yōu)良細(xì)度的粉末而未提供尺寸值。未指出可獲得高球度水平。
[0016]最后，應(yīng)注意，離心霧化或旋轉(zhuǎn)霧化方法的能量效率迄今均遠(yuǎn)比水霧化或氣體霧 化的更高，并且還產(chǎn)生窄得多的粒徑分布，其中幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.2至1.4。這種技術(shù)可以在 最高達(dá)1E+05°C ? jT1的高冷卻速率下操作，用于生產(chǎn)用于電子應(yīng)用的釬料粉末、鋅、鋁、鋁合 金、鎂、鎳基高溫合金以及甚至活性和耐高溫金屬(例如鉬和鈦）。在一個(gè)簡(jiǎn)單的模具中，液 滴形成涉及旋轉(zhuǎn)引起的加速力與液體表面張力之間的力平衡。因此，充分確定經(jīng)離心霧化 的顆粒的平均直徑(d5Q)以重要性遞減的順序主要受控于角速度、旋轉(zhuǎn)元件的直徑、金屬表 面張力/密度比、熔融金屬進(jìn)料速率和黏度。
[0017]雖然存在上述優(yōu)點(diǎn)，但是離心霧化并且尤其是離心盤(pán)霧化由于一些技術(shù)限制而未 以工業(yè)規(guī)模廣泛地用于粉末生產(chǎn)。多個(gè)研究人員宣稱(chēng)用于工業(yè)應(yīng)用的離心霧化的全部潛力 的實(shí)現(xiàn)受阻于缺乏對(duì)工藝的深入科學(xué)理解和可靠的設(shè)計(jì)[M 0 d e 1 1 i n g Simul .Mater.Sci .Eng?第 12卷，第959至971 頁(yè)，2004，Powder Metall ?，第47卷，第 168至 172 頁(yè)2004;Proc?of Int.Conf.on Spray Deposition and Melt Forming,Bremen UniversitSt,第l至6頁(yè)，2006]。就此而言，很多研究人員已投入了大量努力來(lái)開(kāi)發(fā)和理解 霧化工藝中涉及的現(xiàn)象[Advances in Powder Metallurgy&Particulate Materials,第1 卷，第79至88頁(yè)，1992;Powder Metall?，第44卷，第 171 至 176頁(yè)，2001;Powder Metall?，第 46卷，第342至348頁(yè)，2003;Powder Metal 1 ?，第47卷，第 168至 172頁(yè)，2004;Mater? Design， 第27卷，第745至750頁(yè)，2006;5(^.了6(^1101^(^.]\^七.，第8卷，第264至270頁(yè)，2007 ; Proc.R. Soc .A，第467卷，第361至380頁(yè)，2011 ]。此外，當(dāng)該技術(shù)的應(yīng)用涉及高熔融溫度材料 時(shí)，這種情況甚至更為放大。
[0018]在過(guò)去數(shù)十年內(nèi)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)離心霧化用于由各種金屬材料和合金包括A1、Co、Cu、 Mg、Ni、Pb、Sn、Ti、Zn及其合金制造粉末。在以下段落中，引用了科學(xué)文獻(xiàn)中描述并且主要涉 及實(shí)驗(yàn)室或中試規(guī)模應(yīng)用的幾個(gè)實(shí)例。
[0019] -些作者研究了霧化器設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)對(duì)經(jīng)離心霧化的純錫、純鉛、鋅、鋁和鋁合 金粉末的形貌和尺寸分布的影響[Powder Metall ?，第44卷，第171至176頁(yè)，2001 ;Powder Metall?，第 46 卷，第 342 至 348 頁(yè)，2003;Powder Metall?，第 47 卷，第 168 至 172 頁(yè)，2004; Powder Metall.，第48卷，第163至170頁(yè)，2005]。另外一些作者使用離心霧化技術(shù)獲得釬料 粉末，例如，Sn_Pb和Sn_Cu[Russian J.of Non-Ferrous Metals,第51 卷，第250至254頁(yè)， 20 10]和無(wú)鉛釬料粉末[Pow-der Techno 1 .，第 214 卷，第 506 至 512頁(yè)，2011]。 3111^吐&。11&;[1:0011[1111:.]\〇€4。。1.?117.&11(1]\^1:11.，第2卷，第2期，2012年3月]研究了操作 條件對(duì)經(jīng)離心霧化的鋅粉的平均粒徑、粒徑分布、產(chǎn)量和形貌的影響。Angers等[Advances in Powder Metall.&Particulate Mater?，第 1 卷，第79至88頁(yè)，1992;Int.J.of PowderMetall ?，第30卷，第429至434頁(yè)，1994;Mater ? Lett ?，第33卷，第13至 18頁(yè)，1997]和 Labreque等[Can.Metall .Q?，第3卷，第169至175頁(yè)，1997]使用倒置的盤(pán)配置分別研究鋁和 鎂合金的離心霧化。類(lèi)似地，Sheikhaliev等[Metal Powder Report，第63卷，第28至30頁(yè)， 2008]研究了氧氣含量對(duì)鋁粉末顆粒的形狀和粒徑分布的影響。此外，在Neikov等 [ElsevierScience，ISBN-13:978-1856174220,2005]編輯的書(shū)中提供了生產(chǎn)非鐵金屬粉末 及其合金的出色的觀點(diǎn)。
[0020] RSR方法的使用允許生產(chǎn)、分析和描述鎳基高溫合金(例如，IN100)、鐵基高溫合金 (例如，JBK-75 )、鋼、鋁合金、304不銹鋼和少量活性金屬例如鈦和鉬等的快速凝固金屬粉末 的顯微組織和相關(guān)系的特征[Metall . Trans .A，第10卷，第191至197頁(yè)，1979 ; Metall .Trans.A,第13卷，第1535至 1546頁(yè)，1982;Metall.Trans .A,第19卷，第2399至2405 頁(yè)，1988]。
[0021] Katoh等[Tetsu_t0-Hagan6/J? Iron Steel Inst? Jpn?，第71 卷，第719至726頁(yè)， 1985;Ma_ter. Trans.，JIM,第31卷，第363至374頁(yè)，1990]開(kāi)發(fā)了一種液化氦氣冷卻離心霧 化技術(shù)以生產(chǎn)Ni基高溫合金粉末。此外，F(xiàn)olio和Lacour[Powder Metall ?，第43卷，第245至 252頁(yè)，2000]描述了一種與感應(yīng)等離子體技術(shù)相關(guān)的離心霧化工藝，用于生產(chǎn)金屬粉末例 如Ni基高溫合金、Ti合金和純Cu。例如，在美國(guó)專(zhuān)利No. 4731517(A)中公開(kāi)的發(fā)明涉及用于 生產(chǎn)粒徑極細(xì)、密度高和晶粒結(jié)構(gòu)最佳的陶瓷粉末和金屬粉末的霧化技術(shù)。因此，該發(fā)明的 主要目的之一是使等離子體炬熔融與撞擊霧化和快速冷卻步驟結(jié)合以獲得高度期望的非 常細(xì)的金屬顆粒粉末或陶瓷顆粒粉末，其中粒徑為0.10微米至25微米。美國(guó)專(zhuān)利 No.4731517(A)中描述的裝置包括使用的環(huán)形帶和旋轉(zhuǎn)平坦金屬或陶瓷盤(pán)(水平面或垂直 面設(shè)置），具有附件例如旋轉(zhuǎn)刷和擦拭海綿作為霧化的元件。關(guān)于使用旋轉(zhuǎn)盤(pán)生產(chǎn)金屬粉 末，可以通過(guò)如以下所述實(shí)例所示看出：所述旋轉(zhuǎn)盤(pán)用于以約4.5kg ? irHlOkg ? 1T1)的較 低的速率將316L不銹鋼和聚集的Mo粉遞送至等離子槍。離心霧化技術(shù)也被用于制造增強(qiáng)金 屬基體復(fù)合物。Eslamian等[Powder Technol ?，第184卷，第11至20頁(yè)，2008]描述了實(shí)驗(yàn)室 規(guī)模的通過(guò)在即將進(jìn)行離心霧化之前將碳化硅顆粒注入熔融鋁合金來(lái)生產(chǎn)金屬基體復(fù)合 物的技術(shù)的開(kāi)發(fā)。Halada等[Mater.Trans.，J頂，第31卷，第322至326頁(yè)，1990]甚至將鐵-稀 土、Nd、Gd或Tb合金粉末與共晶組分離心霧化。Kim等[J.of Nuclear Mater.，第245卷，第 179至184頁(yè)，1997]報(bào)導(dǎo)了用于獲得U-Si和U-Mo反應(yīng)器燃料合金的離心霧化工藝。根據(jù)同樣 的研究思路，Park等[J.of Nuclear Mater.，第265卷，第38至43頁(yè)，1999]表征了通過(guò)離心 盤(pán)霧化工藝制備的U-Nb-Zr分散體燃料合金。德國(guó)專(zhuān)利No.DE 10064056(A1)公開(kāi)了用于制 備高鉻鑄鐵的燒結(jié)體的方法，與相同鑄鐵的常規(guī)鑄體相比，所述燒結(jié)體具有大大改善的機(jī) 械特性。所述方法包括通過(guò)熔體的驟冷凝固（例如通過(guò)離心噴射霧化)來(lái)制備鑄鐵合金粉末 的步驟等。熔體的這種驟冷凝固處理優(yōu)選通過(guò)離心噴射霧化法來(lái)進(jìn)行，其中熔體被噴射至 以高速度旋轉(zhuǎn)的驟冷盤(pán)以通過(guò)離心力將其霧化成細(xì)液滴，所述細(xì)液滴通過(guò)吹入的惰性氣體 而驟冷以凝固從而得到細(xì)顆粒。盡管所述文獻(xiàn)強(qiáng)調(diào)了離心霧化工藝的一些優(yōu)點(diǎn)并且描述的 一些冷卻速率值，但是在所述文獻(xiàn)中，例如并未描述所使用的熔融金屬流量、旋轉(zhuǎn)的操作條 件、旋轉(zhuǎn)元件的尺寸等。清楚的是(第13欄，第11至15行)待處理的材料為具有高鉻含量的鑄 鐵，同時(shí)本文中經(jīng)處理的材料主要為鋼、特種鋼和工具鋼。此外，在DE 10064056 (A1)中，離 心噴射霧化使用與德國(guó)專(zhuān)利No.899893(用于存在3%至4%的碳的鐵合金）中先行公開(kāi)并確 定的平坦旋轉(zhuǎn)元件或平坦旋轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)進(jìn)行。
[0022] 雖然離心霧化在很大程度上被認(rèn)可是獲得低熔點(diǎn)金屬粉末的方法，但是容易證明 其仍為用于高熔點(diǎn)金屬和合金(例如低合金鋼、鎳和鈦合金）的粉末生產(chǎn)的次級(jí)方法。工具 鋼粉末的基本上全部毛生產(chǎn)量均通過(guò)水霧化或氣體霧化方法以高標(biāo)準(zhǔn)純凈度進(jìn)行。雖然前 者得到不規(guī)則形狀的顆粒并且適用于常規(guī)模壓和燒結(jié)至高密度或理論密度，但是經(jīng)氣體霧 化的工具鋼粉末呈現(xiàn)出球形顆粒形狀并且通常通過(guò)HIP、MM或擠壓固結(jié)至全密度。因此，可 注意到，通過(guò)不同方法獲得的粉末在顆粒形狀和化學(xué)組成方面均不同并且偶爾需要不同的 固結(jié)技術(shù)。
[0023] 從一種霧化技術(shù)到另一種霧化技術(shù)的改變不僅在獲得的粉末的形貌、表面質(zhì)量、 粒徑分布和甚至組成方面引起顯著改變，而且還在粉末顯微組織特性方面引起可見(jiàn)且顯著 的差異。充分確定的是經(jīng)霧化的粉末的顯微組織特征受控于凝固速率、熱梯度和冷卻速率 之間的關(guān)系，還受工藝操作條件和待霧化的金屬的物理特性影響。所產(chǎn)生的顯微組織(平面 的、蜂窩狀的、枝晶狀或類(lèi)似枝晶狀顯微組織）的形成強(qiáng)烈地取決于這些變量的組合。
[0024]如上所示，以商業(yè)、近似商業(yè)以及實(shí)驗(yàn)室和小型中試規(guī)模進(jìn)行離心霧化以生產(chǎn)各 種金屬和金屬合金。甚至可以看到將該技術(shù)用于高熔融溫度或更高熔點(diǎn)的合金以生產(chǎn)易于 處理和霧化的量的粉末。
[0025]雖然高熔融溫度的金屬合金(例如，鐵基合金和鎳基合金）的離心霧化已經(jīng)在近似 商業(yè)的生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)，但是可以說(shuō)這種技術(shù)應(yīng)用至較大規(guī)模(工業(yè)規(guī)模)來(lái)生產(chǎn)鐵基粉末合金 和工具鋼粉末(對(duì)于P/M應(yīng)用而言尺寸足夠)是重要且復(fù)雜的任務(wù)，是完全不同的并且具有 待克服新的挑戰(zhàn)。這需要合適的設(shè)計(jì)以處理更大的熔融金屬進(jìn)料速率(足以使所述技術(shù)轉(zhuǎn) 換成有吸引力的解決方案），解決與旋轉(zhuǎn)元件(盤(pán))和材料、由熔融金屬引起的腐蝕、冷卻等 相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題。
[0026]然而，與已經(jīng)觀察到和提到的相反，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，采取某些預(yù)防措置，離心盤(pán)霧 化技術(shù)適用于生產(chǎn)一些鐵基粉末并且還可以轉(zhuǎn)變成最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)期望規(guī)格的鋼粉末 并節(jié)省大量能量。
[0027]待解決的問(wèn)題
[0028] 本發(fā)明的主要目的是借助離心霧化以經(jīng)濟(jì)的方式生產(chǎn)球形或近似球形的金屬粉 末。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 根據(jù)本發(fā)明提出了一種方法，其中鋼粉末，尤其是工具鋼粉末和其他一些具有相 似特性的鐵基合金通過(guò)離心霧化，特別是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)/旋轉(zhuǎn)(spinning/rotating)霧化技術(shù)來(lái) 生產(chǎn)。
[0030] 在本發(fā)明的一種可能的解釋中，其可以以下方法實(shí)現(xiàn)。制造兩個(gè)不同且獨(dú)立的室 或容器：（i)熔融容器和（ii)霧化容器，其處于較低的物理位置。明顯地，存在很多其他的配 置，而這是很多可能的實(shí)例中特定的一種。
[0031] 關(guān)于熔融容器，其由真空感應(yīng)爐(VIM，真空感應(yīng)熔融爐）、特別設(shè)計(jì)并安裝在合適 的框架結(jié)構(gòu)上的設(shè)備和輔助中間包構(gòu)成，所述框架結(jié)構(gòu)允許系統(tǒng)在不同的配置下運(yùn)行。霧 化室由不銹鋼板構(gòu)成并且安裝在設(shè)置有輔助設(shè)備、觀察視口等的支承結(jié)構(gòu)上，所述輔助設(shè) 備用于監(jiān)控溫度，測(cè)量氧含量、真空水平，所述觀察視口用于使用高速攝影機(jī)監(jiān)控并拍攝霧 化過(guò)程。霧化室具有圓筒形的上部，而底部為倒置圓錐形狀。兩個(gè)腔室均允許在不同水平的 真空條件下，甚至在惰性氣氛(例如Ar、N、He、氣體混合物或類(lèi)似物）中運(yùn)行。
[0032] 以垂直旋轉(zhuǎn)軸布置組裝的霧化旋轉(zhuǎn)元件位于霧化容器中，在特別設(shè)計(jì)的中間包噴 嘴之下僅數(shù)毫米。可以安裝霧化器元件的驅(qū)動(dòng)軸以使其通過(guò)任何期望的方式旋轉(zhuǎn)，并且所 述驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)電動(dòng)機(jī)以如下轉(zhuǎn)速進(jìn)行驅(qū)動(dòng):低于40000rpm，優(yōu)選低于33000rpm，更優(yōu)選低于 22000rpm，或者甚至更優(yōu)選低于15000rpm。然而對(duì)于獲得的顆粒材料的一些特定應(yīng)用，優(yōu)選 最小轉(zhuǎn)速為25000rpm，優(yōu)選高于30000rpm，更優(yōu)選高于45000rpm，或者甚至更優(yōu)選高于 60000rpm。而提到的電動(dòng)機(jī)，可以使用任何公知的驅(qū)動(dòng)方式，例如可以使用空氣渦輪機(jī)或任 何旋轉(zhuǎn)裝置并且甚至更高的轉(zhuǎn)速(最高達(dá)l〇〇〇〇〇rpm或以上并且甚至最高于200000rpm)。同 時(shí)具有電動(dòng)機(jī)的霧化旋轉(zhuǎn)元件可使用安裝在金屬支承結(jié)構(gòu)上的伺服機(jī)動(dòng)多軸系統(tǒng)在不同 的坐標(biāo)處進(jìn)行設(shè)置和調(diào)節(jié)。以多種材料(高機(jī)械強(qiáng)度和不同的熱導(dǎo)率）、直徑和幾何形狀構(gòu) 造的霧化器元件(例如，盤(pán)、杯、…）還可以結(jié)合單層或多層頂涂覆的表面和特別設(shè)計(jì)的高冷 卻系統(tǒng)，然而在本文中未進(jìn)行過(guò)多的詳述。
[0033] 本發(fā)明的發(fā)明人注意到，對(duì)于本發(fā)明的合適開(kāi)發(fā)和運(yùn)行，關(guān)鍵方面是旋轉(zhuǎn)元件(例 如，盤(pán)、杯子、…）的設(shè)計(jì)。霧化旋轉(zhuǎn)元件定義為負(fù)責(zé)進(jìn)行液態(tài)金屬霧化的運(yùn)行或物理機(jī)制的 元件。值得提及的是：雖然在多個(gè)情況下本發(fā)明人把霧化旋轉(zhuǎn)元件稱(chēng)作旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)霧化 器，但是也可包括任何其他霧化旋轉(zhuǎn)元件幾何結(jié)構(gòu)的使用，例如平坦的盤(pán)、杯、圓錐體、倒置 的圓錐體或任何其他合適的幾何結(jié)構(gòu)并且甚至還考慮使用一定數(shù)目的翼形部或翅片。也可 將這些翼形部定義為旋轉(zhuǎn)元件表面向上的具有一定橫截面和給定擠壓路徑的突起部，所述 擠壓路徑最終形成液態(tài)金屬流動(dòng)通過(guò)的通道。鑒于難以使合金霧化，翼形部或其他隆起部 (以本文定義的方法)和其設(shè)計(jì)是本發(fā)明的關(guān)鍵方面，因?yàn)槠鋵⑻峁┆?dú)立于工作表面處的盤(pán) 材料與熔融金屬之間的潤(rùn)濕角的必需阻力等。圖2示出了最多使用和報(bào)導(dǎo)的霧化盤(pán)(例如平 坦盤(pán)、杯形盤(pán)和圓錐盤(pán)等）的多個(gè)橫截面。圖3至6示出了多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的霧化旋轉(zhuǎn)元件。 可以觀察到，這些元件可以使用可利用根據(jù)本發(fā)明的其他材料制造的蓋和中心元件來(lái)運(yùn) 用。
[0034] 具有不同的化學(xué)組成和不同的最佳工藝參數(shù)的合金的霧化使得本發(fā)明需要不同 的盤(pán)構(gòu)造。盡管所述盤(pán)接收大量的能量，但是本發(fā)明人意外發(fā)現(xiàn)能夠在比較冷的盤(pán)條件下 用本發(fā)明的一些組成(不管其高熔融溫度)操作并且由此防止劣化和腐蝕。對(duì)于此，本發(fā)明 人發(fā)現(xiàn)需要不與熔融金屬反應(yīng)且具有高機(jī)械特性(優(yōu)選高導(dǎo)熱率和高熔融溫度)的金屬盤(pán)。 重要地是應(yīng)注意，除了由于熔融金屬產(chǎn)生的熱應(yīng)力之外還由于旋轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生的離心力，所 述盤(pán)所需的機(jī)械特性極高。
[0035] 關(guān)于旋轉(zhuǎn)盤(pán)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，可使用如下任意合金或材料:期望的熔點(diǎn)高于1200°C 或以上，優(yōu)選大于1400°C，更優(yōu)選大于2200°C或以上;并且期望的高熱導(dǎo)率大于36W.HT1 ? 1(一1，優(yōu)選大于521.111-1.1(-1，更優(yōu)選大于6811- 1.1(-1，甚至優(yōu)選大于821.111-1.1(-1或以上 ； 并且期望的高機(jī)械強(qiáng)度高于460MPa，優(yōu)選大于680MPa，更優(yōu)選大于820MPa或者甚至大于 1200MPa或以上。旋轉(zhuǎn)盤(pán)必須充分冷卻，所述冷卻可以通過(guò)使用氣體或者甚至水的噴射來(lái)實(shí) 現(xiàn)。此外，所述盤(pán)具有不漏水-霧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是必要的。
[0036] 本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，對(duì)于本發(fā)明的組合物的一些應(yīng)用，建議用陶瓷材料涂層的薄層 (例如，單層、多層…）覆蓋所述盤(pán)。對(duì)于本發(fā)明的合金組合物的一些特定應(yīng)用，最好的盤(pán)配 置利用高熱導(dǎo)率的陶瓷盤(pán)(例如，A1N、BN~）得到。所述盤(pán)必須被制造成可以抵抗機(jī)械應(yīng)力 并且應(yīng)被冷卻（雖然通常不像以前的配置那樣嚴(yán)格），而且本發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)所述盤(pán)不會(huì) 被熱沖擊破壞。
[0037] 對(duì)于以前所有的配置，尤其當(dāng)不需要過(guò)度冷卻時(shí)，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，可以有利地使 用具有高機(jī)械特性和低熱導(dǎo)率的保持器-盤(pán)附件，所述保持器_盤(pán)附件起熱絕緣的作用以避 免由大量的熔融金屬產(chǎn)生的熱影響驅(qū)動(dòng)盤(pán)系統(tǒng)。該附件必須用表現(xiàn)出高機(jī)械特性和低熱導(dǎo) 率的材料構(gòu)造，例如完全穩(wěn)定的氧化鋯(FSZ)或部分穩(wěn)定的氧化鋯(PSZ)或甚至高強(qiáng)度氧化 鋁等。對(duì)于低熱導(dǎo)率高合金鋼材料，可以使用鈦合金等。對(duì)于本發(fā)明的組合物的一些應(yīng)用， 并且當(dāng)可潤(rùn)濕性(定義為液體保持與固體表面接觸的能力)不作為關(guān)鍵參數(shù)時(shí)，本發(fā)明人發(fā) 現(xiàn)，與在保持器-盤(pán)附件的情況一樣，使用高機(jī)械性質(zhì)和低熱導(dǎo)率的盤(pán)是令人關(guān)注的，然而 這種情況下所述盤(pán)未經(jīng)冷卻或幾乎未經(jīng)冷卻。
[0038] 對(duì)于所有配置，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，以與熔融材料相似或相關(guān)的材料或者甚至可以 對(duì)熔融材料在旋轉(zhuǎn)盤(pán)上的滑動(dòng)產(chǎn)生相同的積極影響的材料的材料涂層覆蓋旋轉(zhuǎn)元件是有 利的。根據(jù)待霧化的金屬，旋轉(zhuǎn)元件可以涂覆有對(duì)其穩(wěn)定的化合物。涂料化合物基于涂料化 合物的熔融溫度和旋轉(zhuǎn)元件的材料與熔融金屬在高溫下(傾倒入)的反應(yīng)性水平來(lái)選擇。在 霧化期間，液態(tài)金屬被傾倒在經(jīng)涂覆的旋轉(zhuǎn)盤(pán)上，根據(jù)霧化條件，液態(tài)金屬可以與涂層結(jié)合 并且可以形成穩(wěn)定的改善可潤(rùn)濕性的殼(通常為環(huán)形并且定義為霧化器表面上的過(guò)早凝固 層)。
[0039] 上面提及并描述的陶瓷材料可以在多種配置下使用，例如陶瓷材料僅在旋轉(zhuǎn)盤(pán)的 一個(gè)特定區(qū)域中（例如在中心中）使用，因?yàn)槠涫菬岣g的最大的區(qū)域。
[0040]特別地，本發(fā)明的發(fā)明人還注意到，對(duì)于本發(fā)明的合適開(kāi)發(fā)和運(yùn)行，另一個(gè)關(guān)鍵因 素是準(zhǔn)確設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)元件幾何結(jié)構(gòu)以改善滑動(dòng)等級(jí)。如所提及的并且根據(jù)應(yīng)用，可主要提高 旋轉(zhuǎn)元件的轉(zhuǎn)速等來(lái)改善經(jīng)霧化的粉末的特性。液體與旋轉(zhuǎn)元件之間的滑動(dòng)（即，相對(duì)速度 差)是主要與平坦的旋轉(zhuǎn)霧化器相關(guān)的問(wèn)題并且是主要的缺點(diǎn)，特別是在高轉(zhuǎn)速下?；瑒?dòng)的 一個(gè)直接結(jié)果是其可能促進(jìn)熔融金屬自盤(pán)外周?chē)姵龅乃俣缺刃D(zhuǎn)元件的外周速度低。使滑 動(dòng)水平最小化可以包括使用設(shè)置有多個(gè)翼形部或翅片（例如，直的、彎曲的…）、通道、導(dǎo)引 物和其他使液體能夠?qū)е镣庵艿牧骺刂蒲b置的旋轉(zhuǎn)元件。翼形部的幾何結(jié)構(gòu)可以存在單曲 率或雙曲率并且其幾何布局可以為徑向的或任何其他適用于霧化目的的布局。有翼形部的 霧化器通過(guò)粘性摩擦減少滑動(dòng)并且提高金屬流動(dòng)速度，從而改善霧化性能和其均勻性。觀 察到滑動(dòng)程度取決于霧化器幾何結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速、熔融金屬的質(zhì)量流量和熔融金屬與霧化器元 件之間的表面潤(rùn)濕性。關(guān)于以上提到的內(nèi)容，非常令人關(guān)注的是旋轉(zhuǎn)元件可以引起更大的 機(jī)械阻力或大量液態(tài)金屬的滑動(dòng)并且因此需要具有合適的旋轉(zhuǎn)元件設(shè)計(jì)。對(duì)于本文中公開(kāi) 的發(fā)明并且對(duì)于非徑向分布的翼形部(翅片等），本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)特別有利的是翼形部分布的 確定優(yōu)選如在科學(xué)文獻(xiàn)中報(bào)道的某些分析模型中提出的那樣進(jìn)行，所述科學(xué)文獻(xiàn)描述了離 心霧化之前液體在旋轉(zhuǎn)盤(pán)上流動(dòng)并且預(yù)測(cè)了液態(tài)金屬在旋轉(zhuǎn)盤(pán)上的速度[Zhao, Y.Y等， Adv.Powder.Metall.Part.Mater?，第 3 卷，第 9/79 至 9/89 頁(yè)，1996;Zhao，Y.Y 等， Metall .Mater .Trans .B，第29(6)卷，第1357至1369頁(yè)，1998]。開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)模型能夠根據(jù)盤(pán) 的半徑、液體運(yùn)動(dòng)黏度、體積流量、金屬靜壓頭和盤(pán)轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)厚度分布以及液態(tài)金屬的徑向 和切向速度的變化。通過(guò)使用速度的預(yù)測(cè)值，可以測(cè)量并計(jì)算霧化旋轉(zhuǎn)元件上液態(tài)金屬的 流線(xiàn)。根據(jù)這些模型，可以說(shuō)，液態(tài)金屬流動(dòng)主要受控于體積流量和小半徑的金屬靜壓頭和 較大盤(pán)半徑的離心力。特別地，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)重要的是，使翼形部或隆起部?jī)?yōu)選在至少10% 的翼形部長(zhǎng)度上（優(yōu)選至少27%，更優(yōu)選至少58%，甚至更優(yōu)選88%或以上并且明顯地 100%也是所期望的情況)相當(dāng)接近地符合熔融金屬的所預(yù)測(cè)的軌跡(根據(jù)指示計(jì)算的流 線(xiàn))。
[0041]在前面段落中，在提到翼形部"相當(dāng)接近地"遵循所預(yù)測(cè)的軌跡時(shí)，其通常是可量 化的，所述量化根據(jù)預(yù)期的最終應(yīng)用以如下兩種方法中之一進(jìn)行。一種方法可以通過(guò)量化 與所預(yù)測(cè)的軌跡正交測(cè)量的最大偏差來(lái)進(jìn)行，所述偏差不應(yīng)超過(guò)D/4，優(yōu)選不應(yīng)超過(guò)D/6，更 優(yōu)選不應(yīng)超過(guò)D/8,更優(yōu)選不應(yīng)超過(guò)D/15,并且甚至更優(yōu)選D/50,其中D為定義為
:的盤(pán)直徑，其中Ds*：和Dg小分別為旋轉(zhuǎn)元件的最大和最小直徑。另一種用于量 化偏差的優(yōu)選方法包括評(píng)估通過(guò)所預(yù)測(cè)的軌跡與翼形部靠近所預(yù)測(cè)的軌跡最近的點(diǎn)限定 的曲線(xiàn)之間的區(qū)域限定的表面限定的面積，其不應(yīng)超過(guò)A/5,優(yōu)選其不應(yīng)超過(guò)A/12,更優(yōu)選 其不應(yīng)超過(guò)A/50,并且甚至更優(yōu)選其不應(yīng)超過(guò)A/100,其中A為旋轉(zhuǎn)元件的總面積。
[0042]在本文中，應(yīng)將隆起部理解為在旋轉(zhuǎn)元件的工作表面上的任何突出部或突起部。 在本文中旋轉(zhuǎn)元件的工作表面為直接接觸熔融金屬的表面。也就是說(shuō)，在旋轉(zhuǎn)元件的工作 表面通過(guò)由母線(xiàn)(generatrix)繞軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)生成的表面而被模型化或復(fù)制，并且該軸線(xiàn)和母 線(xiàn)被選擇為使得由該生成的經(jīng)修改的表面正確復(fù)制的旋轉(zhuǎn)元件的工作表面的量最大化時(shí)， 那么本文中定義的隆起部為旋轉(zhuǎn)元件的實(shí)際工作表面的任何不存在于模型化或所生成的 表面(所述表面通過(guò)使母線(xiàn)繞軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)獲得)的部分。
[0043]在本文中，應(yīng)將插入線(xiàn)理解為當(dāng)隆起部自旋轉(zhuǎn)元件的中心至邊緣徑向前進(jìn)并且使 橫截面垂直于該前進(jìn)方向時(shí)，由隆起部的每個(gè)橫截面限定的點(diǎn)的序列。每個(gè)橫截面的插入 線(xiàn)的點(diǎn)為由隆起部和所產(chǎn)生的表面一致的所有點(diǎn)在橫截面中產(chǎn)生的表面或線(xiàn)的質(zhì)心。
[0044] 本發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到在將蓋設(shè)置在旋轉(zhuǎn)盤(pán)上時(shí)出現(xiàn)非常特殊的情況。然后液態(tài)金屬 必須在通道或翼形部中流通。雖然人們理論上期望這種限制有益于液體的阻力（所述液體 的阻力涉及液體在旋轉(zhuǎn)元件的工作表面內(nèi)的沖擊），但是與這種期望相反，已發(fā)現(xiàn)除非采取 一些特定的措施，否則粉末將傾向于不太成球形并且具有更多的散落物(satellite)。這可 能是由熔融金屬中產(chǎn)生的渦流造成的。第一觀察涉及在熔融金屬的溫度高時(shí)應(yīng)至少為3的 翼形部的數(shù)目（此處熔融金屬的高溫可以認(rèn)為是880°C或更高，優(yōu)選1040°C或更高，更優(yōu)選 1026°C或更高，或者甚至1560°C或更高）。優(yōu)選地，對(duì)于熔融金屬方案的這種高溫，翼形部的 數(shù)目應(yīng)為至少5,更優(yōu)選至少7,或者甚至至少9。在熔融金屬的較低溫度的情況下，翼形部的 數(shù)目甚至應(yīng)更大使得應(yīng)使用至少5個(gè)翼形部，優(yōu)選至少7個(gè)翼形部，更優(yōu)選至少9個(gè)翼形部， 或者甚至至少11個(gè)翼形部。就此而言，研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高熔點(diǎn)合金的情況，當(dāng)使用合適 的材料時(shí)，可以使用直的或徑向的翼形部，并且當(dāng)其數(shù)目?jī)?yōu)選為大于6,優(yōu)選大于9,更優(yōu)選 大于11，甚至優(yōu)選大于15時(shí)，獲得更好的結(jié)果。當(dāng)涉及到用于構(gòu)造翼形部的材料時(shí)，令人關(guān) 注地發(fā)現(xiàn)，對(duì)于處理高熔點(diǎn)合金的一些應(yīng)用，旋轉(zhuǎn)霧化元件可以由耐高溫材料制成，甚至用 不同的耐高溫材料或者甚至用與待霧化的材料相同的材料進(jìn)行涂覆，所述材料來(lái)自以下： 恪結(jié)的娃石墨（fused silicon graphite)、全穩(wěn)定的氧化錯(cuò)（FSZ)、部分穩(wěn)定的氧化錯(cuò) (PSZ)、碳化娃、氮化娃、錯(cuò)石、氧化錯(cuò)、氧化鎂，例如A1N、C(石墨）、1^、3丨3他、]\%21'〇3、〇3〇、3;[-八1(^、厶11103、2抑2、31(：、厶1203、]\%0等。
[0045] 另外觀察到，在限制液體(通道或翼形部）的情況下，處理的液體的熔融溫度起非 常重要的作用。從這整個(gè)文件不難看出，不僅熔點(diǎn)而且液體的性質(zhì)在解決如下挑戰(zhàn)時(shí)起主 要作用:獲得散落物很少的高度球形并且尺寸分布窄的金屬粉末。所以對(duì)于很多體系，并且 特別是鐵體系隨后是鎳和鈦體系，每一種組成引起不同的挑戰(zhàn)。此外，熔體的過(guò)熱對(duì)旋轉(zhuǎn)元 件的設(shè)計(jì)和性質(zhì)以及必需的工藝參數(shù)具有很大影響，但是在本文中，認(rèn)為過(guò)熱本身即為工 藝參數(shù)。當(dāng)涉及旋轉(zhuǎn)元件的經(jīng)設(shè)計(jì)的工作表面時(shí)，除了在前述段落中已經(jīng)指出的差異之外， 還觀察到低熔點(diǎn)合金常常會(huì)比更高熔點(diǎn)的合金需要更大的過(guò)熱。
[0046] 在這種情況下，之前對(duì)設(shè)計(jì)的考慮依然有效，其中滑動(dòng)水平為限制性因素。本發(fā)明 人發(fā)現(xiàn)，對(duì)于本發(fā)明的組合物的一些應(yīng)用，優(yōu)選具有與熔融金屬不反應(yīng)的金屬盤(pán)，所述金屬 盤(pán)具有高機(jī)械特性，優(yōu)選高熱導(dǎo)率和高熔融溫度。對(duì)于本發(fā)明的合金組成的一些特定應(yīng)用， 最好的盤(pán)配置用高熱導(dǎo)率的陶瓷盤(pán)(例如，BN、A1N~）實(shí)現(xiàn)。此外，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，根據(jù)待 霧化的金屬和本發(fā)明的組成的一些應(yīng)用，推薦用待霧化的液態(tài)金屬的穩(wěn)定化合物涂覆旋轉(zhuǎn) 元件(例如，單層、多層、…）。
[0047] 本發(fā)明的發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)元件的幾何結(jié)構(gòu)在垂直于旋轉(zhuǎn)元件基底表面的方 向使得液態(tài)金屬或液態(tài)金屬滴分布和流動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)和管理熔融金屬的較高進(jìn)料速率。這 樣的液態(tài)金屬分布是通過(guò)漸伸線(xiàn)或漸開(kāi)線(xiàn)變化的幾何結(jié)構(gòu)的一定數(shù)目的翼形部(通道、導(dǎo) 引物、翅片、隆起部…）的作用促使的。在這個(gè)情況上，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，具有以下數(shù)目的翼形 部(例如，單曲率或雙曲率……）是有利的:大于2、更優(yōu)選大于3,甚至更優(yōu)選大于5或者甚至 更多，所述翼形部設(shè)置成徑向幾何布局或者設(shè)置成任何其他適合于霧化目的的布局。根據(jù) 本發(fā)明公開(kāi)的發(fā)明人，并且當(dāng)涉及直的徑向翼形部時(shí)，在所述翼形部的數(shù)目?jī)?yōu)選為大于6并 且所述翼形部的橫向截面或橫截面沒(méi)有直的邊或部分（即，三角形、正方形、梯形等)時(shí)獲得 更好的結(jié)果。此外，在這種情況下，并且對(duì)于高熔融溫度材料的多數(shù)應(yīng)用，保持旋轉(zhuǎn)元件的 直徑大于80mm，優(yōu)選大于120mm并且甚至更優(yōu)選大于200mm或者甚至更大是合適的。不管旋 轉(zhuǎn)元件的幾何結(jié)構(gòu)為何，根據(jù)應(yīng)用，本發(fā)明人認(rèn)為，在旋轉(zhuǎn)元件的周邊上使用鋸齒狀的邊緣 以產(chǎn)生更均勻的液滴尺寸分布并且提高霧化工藝的質(zhì)量是合適且恰當(dāng)?shù)?。?duì)于所有配置， 本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，有利的是由液體與固體表面之間的接觸內(nèi)角量化的可潤(rùn)濕性的值必須小于 90°，優(yōu)選小于65°，更優(yōu)選小于40°，甚至更優(yōu)選小于25°或者甚至小于5°。
[0048] 當(dāng)將熔融金屬傾倒在旋轉(zhuǎn)盤(pán)上，并且在離心力的作用下時(shí)，顆粒從所述盤(pán)的邊緣 釋放并且以向外的方向噴射入霧化器自身中。經(jīng)霧化的顆粒按拋物線(xiàn)飛行軌跡在與霧化室 中的空氣接觸時(shí)開(kāi)始凝固。凝固之后，顆粒繼續(xù)冷卻降至室溫。霧化容器下部的漏斗形幾何 結(jié)構(gòu)使得可以從底部收集產(chǎn)生的粉末。
[0049] 如上所述，并且對(duì)于給定材料，期望的粒徑分布可以主要通過(guò)控制角速率(rpm)和 霧化元件的直徑來(lái)控制。
[0050] 燒結(jié)零件的后處理(表觀密度和燒結(jié)密度、流動(dòng)性、燒結(jié)性、壓縮性等)受到粉末的 某些特性的很大影響，例如：（i)顆粒形狀、尺寸和分布，（ii)顯微組織，（iii)表面條件和 (iv)純度。一個(gè)非常重要的參數(shù)是顆粒材料的表觀密度(AD)，因?yàn)槠鋰?yán)重地影響在壓制操 作時(shí)獲得的壓制零件的強(qiáng)度。AD是顆粒形狀和其孔隙率水平的函數(shù)。同樣地，粉末的純度和 表面條件至關(guān)重要。在后續(xù)燒結(jié)期間不能減少的穩(wěn)定氧化膜或所包含的氧化物顆粒(例如， Si02和Al2〇3)的存在可不利地影響最終零件的機(jī)械特性。
[0051] 獲得作為本發(fā)明的目的的鐵基合金粉末，其平均粒徑（d5Q)小于800WH，優(yōu)選小于 500M1，更優(yōu)選小于20〇111]1，甚至更優(yōu)選小于10〇111]1或者甚至小于45111]1。然而，對(duì)于一些特定應(yīng) 用(例如，丸粒生產(chǎn) ），優(yōu)選最小平均粒徑小于280M1，優(yōu)選大于400WI1，更優(yōu)選大于700M1 并且甚至更優(yōu)選大于1000 mi或者甚至大于3000mi。
[0052] 本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，利用本發(fā)明的組合物和最佳霧化參數(shù)，可獲得幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差分布 為1.7或更小，優(yōu)選1.5或更小，更優(yōu)選1.4或更小并且甚至1.3或更小的金屬粉末或顆粒物 質(zhì)。
[0053] 粉末的球度是無(wú)量綱參數(shù)，定義為體積與顆粒的體積相同的球的表面積與所述顆 粒的表面積之比，并且對(duì)于一些應(yīng)用，其可優(yōu)選為大于0.53，更優(yōu)選大于0.76，甚至更優(yōu)選 大于0.86，并且甚至更優(yōu)選大于0.92。當(dāng)特別充分地應(yīng)用本發(fā)明并且根據(jù)本文中的解釋考 慮大多數(shù)粉末的加工參數(shù)時(shí)，可以獲得高球度的金屬粉末，所述球度優(yōu)選大于0.92,更優(yōu)選 大于0.94，甚至更優(yōu)選大于0.98并且甚至為1。當(dāng)講到球度時(shí)，作者是指所產(chǎn)生的粉末的體 積的60%或更大，優(yōu)選78%或更大，更優(yōu)選83%或更大并且甚至更優(yōu)選96%或更大的平均 球度。
[OOM] 本發(fā)明的生產(chǎn)工藝允許以低于1200ppm，優(yōu)選低于800ppm，更優(yōu)選低于500ppm并且 甚至更優(yōu)選低于lOOppm的氧氣(02)濃度(額外的氧氣濃度)批量生產(chǎn)具有光滑表面的球形 金屬顆粒材料。要重點(diǎn)提出的是氧氣的引入會(huì)改變某些合金顆粒的形狀。因此，對(duì)于一些其 他應(yīng)用，粉末氧氣濃度可存在最小值650ppm，優(yōu)選高于lOOOppm，更優(yōu)選高于1450ppm并且甚 至更優(yōu)選高于1600ppm。
[0055] 根據(jù)合金，并且對(duì)于給定粒徑和形貌，作為本發(fā)明的目的的鐵基粉末的表觀密度 可以高于3g ? cnf3,優(yōu)選高于3.5g ? cnf3,更優(yōu)選高于4g ? cnf3并且甚至更優(yōu)選高于4.7g ? cnf3。對(duì)于本發(fā)明的大多數(shù)組合物，在一些情況下，有利的是使用表觀密度低于3.8g ? cnf3， 優(yōu)選低于3.3g ? cnf3，更優(yōu)選低于2.8g ? cnf3并且甚至低于2.5g ? cnf3的粉末。
[0056] 通常，產(chǎn)品應(yīng)在一些下限容許直徑和上限容許直徑之間，并且可使用累積分布獲 得產(chǎn)率或產(chǎn)量效率，所述產(chǎn)率或產(chǎn)量效率定義為在尺寸極限之間的可用產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)品 的總質(zhì)量之比?？偸怯形Φ氖亲畲蠡霎a(chǎn)率以最大化生產(chǎn)并且最小化相關(guān)成本。在 粉末通過(guò)所述技術(shù)并且以本發(fā)明公開(kāi)的化學(xué)組成來(lái)獲得的情況下，期望產(chǎn)量效率大于〇. 5， 優(yōu)選高于〇. 65，更優(yōu)選高于0.75，并且甚至更優(yōu)選高于0.9。
[0057] 使用惰性氣體填充并產(chǎn)生霧化室氣氛可以促使顆粒內(nèi)截留少量的氣體，這會(huì)產(chǎn)生 內(nèi)部孔隙，在Ar和粗顆粒的情況下尤其如此。作為本發(fā)明應(yīng)用的結(jié)果，產(chǎn)生的細(xì)的、球形的 或近似球形的、光滑的、低氧含量的且無(wú)散落物的金屬粉末可以呈現(xiàn)出低百分比的內(nèi)部孔 隙率，通常低于10%，優(yōu)選低于7%，更優(yōu)選低于3%且甚至低于0.5%。對(duì)于不需要過(guò)度控制 粉末內(nèi)部孔隙率的應(yīng)用，可接受大于5%，優(yōu)選大于9%，更優(yōu)選大于12%或者甚至大于20% 的內(nèi)部孔隙率。通常，多孔性是不希望的，并且存在兩種所報(bào)道的產(chǎn)生多孔性的重要機(jī)制： 在飛行期間截留和溶解的氣體。截留幾乎總是與大顆粒有關(guān)并且可以通過(guò)篩選掉分布中的 粗粒端來(lái)使其顯著最小化，同時(shí)溶解的氣體(例如H)的存在可以通過(guò)原材料的認(rèn)真實(shí)踐和 選擇來(lái)控制。
[0058]根據(jù)說(shuō)明書(shū)，用于獲得粉末的操作條件包括使用Ar和/或He和/或N和/或它們中一 些或全部以不同比例的組合的非氧化氣氛。霧化室和熔融室包含一種或更多種預(yù)定氣體的 氣氛。室內(nèi)的壓力通過(guò)調(diào)節(jié)入口氣體流量來(lái)控制并且也通過(guò)真空栗系統(tǒng)產(chǎn)生的真空水平來(lái) 控制。通常，霧化室內(nèi)的壓力設(shè)置成稍低于熔融室內(nèi)的壓力。這種配置由于壓力梯度使熔融 金屬和合金以預(yù)定量從噴嘴中流出。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，可以根據(jù)期望的粉末的特性以真空、受 限的壓力、氣體組合的若干分壓或者甚至超壓的幾乎任意組合來(lái)使用本發(fā)明。本發(fā)明人發(fā) 現(xiàn)，對(duì)于對(duì)表面氧化非常敏感的應(yīng)用，可以用1 ? 1(T3毫巴或更低，優(yōu)選1 ? 1(T4毫巴或更低， 更優(yōu)選1 ? 10-5毫巴或更低，甚至更優(yōu)選1 ? 10-6毫巴或更低并且甚至1 ? 10-7毫巴或更低的 真空水平進(jìn)行操作。明顯地，以特定氣體填充霧化室和后凈化可以對(duì)一些應(yīng)用可能更有利。 本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于需要高過(guò)冷速率和特定形貌特征的應(yīng)用，一種可能優(yōu)選的方法是保 持霧化室內(nèi)氣體超壓為2.5巴或更大，優(yōu)選1.5巴或更大，更優(yōu)選0.9巴或更大并且更優(yōu)選 0.6巴或更大。
[0059] 本發(fā)明適用于生產(chǎn)鋼粉末，尤其是工具鋼粉末和一些其他的類(lèi)似特性的鐵基合 金。本發(fā)明的實(shí)踐使用不同種類(lèi)的合金、再加熱溫度、多種盤(pán)材料和幾何結(jié)構(gòu)（平坦盤(pán)、杯 等）、旋轉(zhuǎn)部件的角速度、幾種惰性氣氛(Ar、N、He或混合物)和以及包含不同水平的真空和 熔融進(jìn)料速率或生產(chǎn)率來(lái)進(jìn)行。
[0060] 根據(jù)科學(xué)文獻(xiàn)，在離心霧化中，存在三種已接受的基本的液滴形成模式，即：（i)直 接液滴形成（direct drop formation，DDE)模式，（ii)液線(xiàn)形成（ligament formation，LF) 模式和（iii)成形解體(formation disintegration，F(xiàn)D)或膜解體模式。雖然這些模式是為 了旋轉(zhuǎn)電極工藝而構(gòu)思的，但是通常其分析完美地適用于離心霧化。DDF模式在相對(duì)小的轉(zhuǎn) 速和小的液體供應(yīng)流量下發(fā)生。該模式的特征在于由于離心力與液態(tài)金屬表面張力之間的 平衡形成大量的凸出部分。當(dāng)離心力大于表面張力值時(shí)，液滴從凸出部分分離并射出。凸出 部分的主要部分形成主液滴并且其尾部變成散落物。因此，在這種模式中典型的粉末尺寸 分布具有大液滴和小液滴數(shù)目相同的兩個(gè)峰。LF模式在霧化元件外周處恪融金屬的供應(yīng)速 率增大時(shí)發(fā)生。此時(shí)，與DDF模式相比，凸出部分演變出更大的幅度，然后Rayleigh不穩(wěn)定性 使細(xì)長(zhǎng)的液線(xiàn)破碎。隨著液體供應(yīng)速率增大，液滴尺寸增大，并且雖然仍是雙峰，但是小液 滴和大液滴的的重量分?jǐn)?shù)變得相似。當(dāng)液體流速非常高時(shí)，液線(xiàn)變得不穩(wěn)定并且解體模式 逐漸地變成成形解體或液膜解體(FD) [O.D.Neikov等，Elsevier Science(2009)，第1版， ISBN-13:978-1856174220]。Champagne和Angers[Champagne，B.，Angers，R.，Int.J.Powder Metal 1 ? Powder Tech?，第 16(4)卷，第359至364頁(yè)，1980;Champagne，B?，An_gers，R?， Powder Metall. Int.第16(3)卷，第125至128頁(yè)，1984.]發(fā)現(xiàn)兩個(gè)特定參數(shù)之比決定DDF至 LF和LF至模式轉(zhuǎn)變：
，其中a、b、c、d和e為數(shù)值常數(shù)，Q為液體供應(yīng)速 率(m3 ? 一），《為陽(yáng)極的角速度(rad ? dD為陽(yáng)極的直徑(m)，〇為表面張力(N-nf1)，％為 動(dòng)力學(xué)液態(tài)金屬粘度(Pa ? s)，并且R為液體的密度(kg ? m3)。如可以觀察到，分子僅包括工 藝變量，而分母僅包括材料變量。增大熔融速率和角速度并且減小霧化旋轉(zhuǎn)直徑，將促使 DDF至LF模式且最終至FD模式的轉(zhuǎn)變。將這種方法用于工藝和材料變量，當(dāng)X等于0.07時(shí)，發(fā) 生DDF至LF模式的轉(zhuǎn)變。
[0061] 上述公式的主要缺點(diǎn)在于，尤其對(duì)于高密度、高粘度和相對(duì)低表明張力的材料，待 操作的液態(tài)金屬的流速在DDF模式內(nèi)傾向于較小。用純金屬例如Fe和Ni進(jìn)行，為了獲得約 120mi的平均粒徑，并且使用直徑為120mm的平坦盤(pán)，液態(tài)金屬的理論流量必須分別為約 42kg ? h-1 和50kg ? h-、
[0062] 根據(jù)文獻(xiàn)，通常在離心霧化中，僅小進(jìn)料速率是可行的，尤其是當(dāng)期望細(xì)粉末時(shí)和 對(duì)于熔點(diǎn)大于930°C的合金時(shí)。這使得與進(jìn)行霧化所需的少量的比能量可給出的成本效益 相比，所述工藝成本效益過(guò)低。CA可以實(shí)現(xiàn)較高的生產(chǎn)量，但是粒徑分布的質(zhì)量會(huì)受影響。 本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，這種限制可以利用適當(dāng)?shù)剡x擇待熔融的合金的組成并且適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)霧化旋 轉(zhuǎn)元件并且適當(dāng)?shù)剡x擇工藝參數(shù)(氣室氣氛、氣壓、霧化旋轉(zhuǎn)元件的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸、轉(zhuǎn)速、 金屬靜壓頭、過(guò)熱溫度、金屬液體流速、…）來(lái)克服，關(guān)于本發(fā)明的組合物，熔融金屬可以以 55kg ? h-1或更大，優(yōu)選至少120kg ? h-1，更優(yōu)選230kg ? h-1或更大并且甚至560kg ? h-1或更 大的進(jìn)料速率從噴嘴中流出。但是關(guān)于對(duì)粉末形貌具有特定要求的應(yīng)用，并且關(guān)于本發(fā)明 的組成，有利的是熔融金屬可以以180kg ? 1T1的最大進(jìn)料速率從噴嘴中流出，所述進(jìn)料速率 優(yōu)選低于90kg ? IT1，更優(yōu)選低于40kg ? IT1并且甚至低于22kg ? h-1。
[0063] 對(duì)于一些情況以及對(duì)于本發(fā)明的一些組合物，不方便對(duì)熔融金屬以大進(jìn)料速率進(jìn) 行。在那些情況下，更合適的是利用預(yù)合金錠進(jìn)行，并且使用可以通過(guò)不同能量源(例如，電 弧等離子體、電子束、火焰噴燈、…）進(jìn)行的部分熔融或精煉系統(tǒng)，或者甚至更好為例如電弧 精煉或再熔融的精煉系統(tǒng)等。在精煉工藝階段期間，還可增加額外的過(guò)熱階段，所述過(guò)熱階 段可以包括不同的能量源，例如感應(yīng)加熱、電阻加熱等。
[0064] 對(duì)于給定的進(jìn)料速率、金屬組成、盤(pán)幾何結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速等，平均粒徑還可以受?chē)娮炫c 旋轉(zhuǎn)盤(pán)之間的距離(也被稱(chēng)為金屬靜壓頭)影響。對(duì)于本發(fā)明的大多數(shù)組合物，有利的是使 用從噴嘴至盤(pán)的小于〇.27m，優(yōu)選小于0.18m，并且更優(yōu)選等于或小于0.08m，或者甚至小于 0.04m的距離。但是對(duì)于一些組合物和特定應(yīng)用，優(yōu)選的是最小距離為0.12m或以上，優(yōu)選 0.24m或以上，更優(yōu)選0.28m或以上，并且甚至0.34m或以上。
[0065]在離心霧化中，成功獲得具有某些特質(zhì)（使其適用于某些應(yīng)用的形貌以及物理和/ 或機(jī)械特性?xún)烧叩龋┑慕饘俜勰┲饕Q于金屬或合金的化學(xué)組成并且取決于霧化工藝參 數(shù)，本文中描述了其中的一些組成和參數(shù)。對(duì)于給定的化學(xué)組成，選擇的霧化工藝參數(shù)決定 或促使形貌、物理和/或機(jī)械特性不同。明顯地，這是當(dāng)使用不同的霧化技術(shù)并且其中如上 所述的粉末特性不同時(shí)的情況。對(duì)于給定的霧化技術(shù)，這些性質(zhì)取決于所使用的霧化參數(shù) 并且取決于材料的化學(xué)組成。
[0066] 因此，相似或類(lèi)似的組合物經(jīng)歷相同的霧化參數(shù)產(chǎn)生不同的粉末特性（例如，形 貌、物理和/或機(jī)械特性等)并不奇怪。
[0067] 本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，出人意料地是，當(dāng)使用不同的霧化技術(shù)時(shí)，對(duì)于給定的化學(xué)組成、 使得固結(jié)陳武的上述特性的一些最大化的最佳粒徑是不同的并且其取決于所使用的霧化 技術(shù)。
[0068] 通常，大量經(jīng)離心霧化的粉末或顆粒呈現(xiàn)出FCC和BCC相的混合物。FCC相的體積分 數(shù)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的粒徑相關(guān)性，粒徑越大，F(xiàn)CC的體積分?jǐn)?shù)越大。同樣地，bcc(保持在室溫下） 的體積分?jǐn)?shù)隨著粒徑的減小而增大。最后，作為粒徑的函數(shù)，任何相的存在均與可獲得的非 均勻成核位點(diǎn)有關(guān)。通常，由于離心霧化技術(shù)的凝固速率，顯微組織結(jié)果為枝晶狀顯微組織 和/或蜂窩狀顯微組織。對(duì)于一些應(yīng)用，需要粉末中包含的亞穩(wěn)態(tài)奧氏體的量保持大于90體 積％，優(yōu)選大于92體積％，更優(yōu)選大于95體積％并且甚至更優(yōu)選大于99體積％。然而對(duì)于另 一些應(yīng)用，需要亞穩(wěn)態(tài)奧氏體的量保持低于90體積％，優(yōu)選低于85體積％，更優(yōu)選低于80% 并且甚至更優(yōu)選低于60體積％。
[0069] 所獲得的金屬粉末或顆粒材料還適用于冷噴涂應(yīng)用，其中最常要求的粒徑(顆粒 的直徑)通常低于150WI1，優(yōu)選低于75wii，更優(yōu)選低于63mi并且甚至低于15wii。顆粒速度、單 個(gè)顆粒與基體的相互作用、顆粒的臨界速度和噴射溫度等這些主要變量控制冷噴涂工藝效 率。對(duì)于一些應(yīng)用，需要具有可以保持大于25mi，優(yōu)選大于45wii，更優(yōu)選大于90mi，甚至優(yōu)選 大于200M1或者甚至高于400M1的較大粒徑。
[0070] 在鈦合金并且特別是當(dāng)用鋁合金化時(shí)的情況下，觀察到，選擇對(duì)的旋轉(zhuǎn)元件幾何 結(jié)構(gòu)以提供獨(dú)立于旋轉(zhuǎn)元件的材料用熔融合金的可潤(rùn)濕性的金屬的良好加速是重要的。
[0071] 此外，對(duì)于大多數(shù)鎳基合金，即使在存在一些具有良好可潤(rùn)濕性的陶瓷并且其中 熔融金屬未過(guò)度腐蝕的情況下，也應(yīng)使用相同的幾何結(jié)構(gòu)。
[0072] 本發(fā)明人觀察到，在一些鐵基材料的情況下，即使當(dāng)在霧化室中存在熔融金屬與 氣體之間的熱力學(xué)上預(yù)測(cè)的反應(yīng)時(shí)，也可以獲得呈相當(dāng)球形的顆粒，但是發(fā)生的表面改性 對(duì)于很多應(yīng)用可能是不利且不可接受的。觀察到的一種這種情況是一種關(guān)于鐵基合金的情 況，其中Cr、Al和Si估算量不足，并且腔室中的氣體具有足夠高的0 2的分壓或在霧化過(guò)程期 間可以反應(yīng)以釋放〇2的氣體的分壓。雖然顆粒主要傾向于具有期望的幾何結(jié)構(gòu)，但是一些 顆粒存在相當(dāng)厚的氧化皮并且甚至一些顆?？赡艽嬖趦?nèi)部空隙等。甚至對(duì)于旨在以HIP或 其他壓制方法進(jìn)行處理的粉末，在大多數(shù)情況下，粉末是不可回收的，僅在一些情況下，僅 當(dāng)通過(guò)成本降低的工藝進(jìn)行處理時(shí)，粉末可能是可接受的。這種影響看起來(lái)越明顯，制造的 粉末越細(xì)。在當(dāng)粉末具有高％Cr(通常大于9.8%，優(yōu)選大于10.6%，更優(yōu)選大于12.8%)的 情況下，可以在具有相當(dāng)高的氧氣分壓的氣氛中對(duì)其進(jìn)行霧化，但是為了獲得細(xì)的球狀或 類(lèi)似球狀的粉末，在這種情況下，必須特別注意設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)元件以提供給粉末足夠的加速或 者甚至更好的是必須觀察一些組成規(guī)則，例如％(：、％51、％41、％11或％附的存在(認(rèn)為其 影響表面能量，在反應(yīng)性氣氛中尤其如此）（期望這些元素的總和為至少0.5%，優(yōu)選大于 1.2%，更優(yōu)選大于2.1%并且甚至大于3.2%)?；蛘撸?或者氮或硼)必須和一些碳化物的 形成元素(這些元素對(duì)于％(：比鉻具有更高的親和力）一起存在，優(yōu)選 (期望這些元素的總和為至少0.5%，優(yōu)選大于1.6%，更優(yōu)選大于2.8%并且甚至大于 4.2%)(并且當(dāng)涉及％Ceq時(shí)，期望其為至少0.14%，優(yōu)選大于0.18%，更優(yōu)選大于0.32%并 且甚至大于1.2%)。甚至對(duì)于低氧氣分壓的氣氛，當(dāng)在特別低的鉻含量(小于3.4%，優(yōu)選小 于2%，更優(yōu)選小于0.8%甚至小于0.3%)下對(duì)粉末進(jìn)行處理時(shí)，然后再次觀察到，如果要獲 得球形或類(lèi)球形的細(xì)粉末而不特別優(yōu)化旋轉(zhuǎn)元件的幾何結(jié)構(gòu)，應(yīng)該存在與鉻相比具有親和 力的碳化物形成元素。低〇 2分壓為任何低于0.05巴，優(yōu)選低于0.001巴，更優(yōu)選低于0.0001 巴并且甚至低于0.000001巴的壓力。
[0073] 還觀察到，在鐵基合金中，除非特別注意旋轉(zhuǎn)元件的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)，否則一些合 金化元素嚴(yán)重地影響流動(dòng)性，嚴(yán)重地?fù)p害通過(guò)離心霧化獲得完全球形或類(lèi)球形的粉末的可 能性。這樣的元素為％31、％1111、％附并且甚至％0、％11〇、％￥和％0(當(dāng)大量存在時(shí)），然而 非常特別的為％Cec^P%C 〇。在鈷的情況下，某些元素(認(rèn)為其影響表面張力）的同時(shí)存在可 以是非常有益的，例如％附、％41、％11和％31。（期望這些元素的總和為至少0.3%，優(yōu)選大 于0.5%，更優(yōu)選大于1.2%并且甚至大于3.2%)
[0074] 本發(fā)明人觀察到，在Ti基合金的情況下，要考慮并且強(qiáng)烈依賴(lài)于霧化的特定組合 物的一點(diǎn)涉及粉末中截留的氣體，尤其是當(dāng)在霧化過(guò)程中存在輕氣體時(shí)。
[0075] 在本發(fā)明中，關(guān)鍵的是，對(duì)于選擇的組合物，在氣體混合物和壓力方面適當(dāng)?shù)仄胶?霧化室中氣氛的性質(zhì)。必須注意一些嚴(yán)格規(guī)則以確保表面能得到補(bǔ)償從而能夠獲得形貌上 完好的粉末。此外，必須調(diào)整液態(tài)金屬的過(guò)熱以及旋轉(zhuǎn)元件的工作表面設(shè)計(jì)和性質(zhì)(尤其是 就隆起部而言）以適應(yīng)被霧化的合金組合物和所選擇的腔室氣氛。要考慮主要規(guī)則是腔室 氣氛和液態(tài)金屬的表面能的最大化，對(duì)于該目的，可以使用增廣的Young-Lapplace微分方 程并且也可以以取決于經(jīng)處理的金屬組成的適當(dāng)?shù)囊后w摩爾體積使用Kelvin方程。對(duì)于給 定的待被霧化成細(xì)的球形或類(lèi)球形的粉末的組合物，這是用于優(yōu)化一些工藝參數(shù)(例如過(guò) 熱、霧化室的壓力并且甚至旋轉(zhuǎn)元件的幾何結(jié)構(gòu)）的方法。
[0076] 作者觀察到，需要遵循以下組成規(guī)則從而能夠用旋轉(zhuǎn)元件以幾乎任意的旋轉(zhuǎn)元件 幾何結(jié)構(gòu)通過(guò)離心霧化來(lái)霧化球形或類(lèi)球形的粉末，所有百分比均按重量百分比（重量％) 計(jì)： %Cec|-O,0OI~ 2<8 %C - 0.001 ~ 2<S 0,0-2,0 0,0-2 %D'^ 0,0-20,0 %Ni ^0.0 - 25.0 %Si^0.0-3.0 %Mn ^ 0.0 ~ 7,0 ILO %W^0,0 - .16.0 WT\ = 0.0 - 3.0 %1a ~ 0.0 - 2.0 %Zr ? 0,0 ~ 1 a〇 %ef ~ 0.0 ~ 4.0 %V15.0
[0077] %Nb ^ 0,0 - 4.0 %Cn ^ 0.0 - 5.0 %C〇^0.0- 15.0 %Ce ^ 0.0 - 2 %Ca ? 〇>0 ~ l %P ^ 0,0 ? 2- %S ? 0,0 ~ 2 % Am ? 0.0 - 2 %B! =〇、(）、、、1 %Pb ^ 〇.〇 2 %Sb 〇.〇 - 1 %U 二(),0 -、. 1 兔Te = CM)''- 2 %Zii ~ 0.0 ~ I %Cd - 0.0 - 1. %S.r - 0.0 ? 1 %K ~ 0.0 -1 %Ha^0,0 - i
[0078]剩余部分由鐵和微量元素組成。
[0079] 特征在于：
[0080] %Ceq=%C+0.86%N+1.2%B
[0081] 其中：
[0082] 當(dāng) ％C〇>0 ? 9時(shí)，則 ％ V>1 ? 2和/或 ％Ni+%Al+%Ti+% Si>0 ? 3和/或Cr〈0 ? 8;
[0083] 當(dāng)％〇>9.8時(shí)，則％〇69>0.14;
[0084] 當(dāng)％〇>9.8時(shí)，則 ％Mo+%W+%V+%Ti>0.5和/^%Si+%Al+%Ti+%Ni>0.5;
[0085] 當(dāng)％〇〈2時(shí)，則 ％Mo+%W+%V+%Ti>0.5。
[0086] 其中，％Ceq定義為碳(在考慮到結(jié)構(gòu)不僅為碳本身時(shí))或標(biāo)稱(chēng)碳(還為對(duì)鋼的立方 結(jié)構(gòu)具有相似影響的所有元素，通常為B和N)。
[0087] 當(dāng)然，效能仍然受所選擇的旋轉(zhuǎn)元件的幾何結(jié)構(gòu)的很大影響。
[0088] 在本專(zhuān)利的意義中，除非指明，否則微量元素指量小于2%的任何元素。對(duì)于一些 應(yīng)用，微量元素優(yōu)選為小于1.4%，更優(yōu)選小于0.9%并且有時(shí)甚至更優(yōu)選小于0.78%?？杀?認(rèn)為是微量元素的元素有單獨(dú)和/或以組合形式的H、He、Li、Be、0、F、Ne、Na、Mg、P、S、Cl、Ar、 K、Ca、Sc、Fe、Zn、Ga、Ge、As、Se、Br、Kr、Rb、Sr、Y、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Xe、 Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、 Bi、Po、At、Rn、Fr、Ra、Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No、Lr、Rf、Db、Sg、Bh、Hs、 Mt。對(duì)于一些應(yīng)用，一些微量元素或者甚至微量元素全體可對(duì)特定相關(guān)性質(zhì)相當(dāng)不利(如有 時(shí)對(duì)熱導(dǎo)率和韌性可以是所述情況）。對(duì)于這樣的應(yīng)用，期望保持微量元素小于0.4%，優(yōu)選 小于0.2%，更優(yōu)選小于0.14%或者甚至小于0.06%。
[0089] 應(yīng)注意，在這種情況下，各個(gè)上述單獨(dú)的微量元素可表現(xiàn)出不同的含量值。下文 中，參照化學(xué)組成，很明顯當(dāng)提到組成的某個(gè)值小于或等于某個(gè)數(shù)值時(shí)還意指其可以取〇 值。
[0090] 對(duì)于本發(fā)明中開(kāi)發(fā)的方法，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，必須將離心霧化應(yīng)用于如下描述的組 成。在冶金學(xué)術(shù)語(yǔ)中，通常就％(：^而言給出鋼的組成。當(dāng)％Ceq大于0.62%，優(yōu)選大于 0.86%，更優(yōu)選大于1.51%并且甚至更優(yōu)選大于1.96%時(shí)，本發(fā)明特別良好地適用。
[0091 ] 對(duì)于需要高耐磨性的應(yīng)用，期望％Ceq大于2.31 %，優(yōu)選大于3.21 %，更優(yōu)選大于 3.55 %并且甚至對(duì)于特殊情況大于4.23 %。
[0092] 對(duì)于本發(fā)明的一些應(yīng)用，重要的是％Ceq小于1.6%，優(yōu)選小于1.40%，更優(yōu)選小于 1.24 %并且甚至更優(yōu)選小于0.99 %。對(duì)于另一些情況，在這種意義上所述要求必須甚至更 嚴(yán)格并且因此期望％Ceq小于0.88%，優(yōu)選小于0.76%，更優(yōu)選小于0.64%并且甚至更優(yōu)選 小于0.55%。本發(fā)明還適用于中碳鐵合金或工具鋼，其中期望％Ceq小于0.48%，優(yōu)選小于 0.37%，更優(yōu)選小于0.34%并且甚至小于0.29%。此外本發(fā)明還適用于低碳鐵合金或工具 鋼，其中期望％Ceq小于0.25%，優(yōu)選小于0.19%，更優(yōu)選小于0.11 %并且甚至小于0.06%。 [0093]然而，當(dāng)限定用于應(yīng)用或用于霧化的材料的機(jī)械特性時(shí)，對(duì)形成碳化物的％Ceq含 量與％(：含量進(jìn)行區(qū)別是有用的。當(dāng)大于1.47%，優(yōu)選大于1.69%，更優(yōu)選大于2.21%并 且甚至更優(yōu)選大于2.75%時(shí)，本發(fā)明特別良好地適用。有時(shí)期望大于3.29%，優(yōu)選大于 3.96%，更優(yōu)選大于4.03%并且甚至對(duì)于特殊情況大于4.88%。本發(fā)明還良好地適用于如 下％C:小于1.57%，優(yōu)選小于1.05%，更優(yōu)選小于0.89%并且甚至更優(yōu)選小于0.79%。對(duì)于 另一些情況，本發(fā)明還良好地適用于如下％C:小于0.68%，優(yōu)選小于0.57 %，更優(yōu)選小于 0.47 %并且甚至更優(yōu)選小于0.41 %。本發(fā)明還適用于如下:小于0.39 %，優(yōu)選小于 0.35%，更優(yōu)選小于0.32%并且甚至小于0.28%。本發(fā)明還可以適用于存在如下％(：的鋼： 小于0.20 %，優(yōu)選小于0.11%，更優(yōu)選小于0.08 %并且甚至小于0.04 %，但是不小于 0.009%〇
[0094] 對(duì)于本發(fā)明，還需要考慮碳化物形成元素。當(dāng)涉及％&時(shí)，期望其大于0.5%，優(yōu)選 大于0.66%，更優(yōu)選大于0.73%并且甚至更優(yōu)選大于0.87%。本發(fā)明還非常良好地適用于 存在如下％&的鋼:大于1.9%Cr，優(yōu)選大于3.11%，更優(yōu)選大于6.31 %并且甚至更優(yōu)選大 于9.69 %。還以如下％ Cr含量對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明：大于11 %，優(yōu)選大于12.8 %，更優(yōu)選大于 14.49 %，更優(yōu)選大于17.8%并且甚至更優(yōu)選大于22.7 %。在一些情況下％ Cr甚至為 32.5%。對(duì)于另一些要求低Cr含量的應(yīng)用，首先在％0小于0.51%，優(yōu)選小于0.45%，更優(yōu) 選小于0.33%并且甚至更優(yōu)選小于0.27%時(shí)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明。還以如下含量對(duì)非 常良好地對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明：小于0.19%，優(yōu)選小于0.15%，更優(yōu)選小于0.10%并且甚至更 優(yōu)選小于0.06%。
[0095] 當(dāng)涉及％Mo時(shí)，本發(fā)明適用于存在如下％Mo的鋼:至少2.10%，優(yōu)選大于3.01%， 更優(yōu)選大于3.62%并且甚至更優(yōu)選大于4.78%。本發(fā)明還適用于存在如下％Mo的鋼:大于 5.61%，優(yōu)選大于7.55%，更優(yōu)選大于8.41%，甚至更優(yōu)選大于9.34%并且甚至大于 10.99%。本發(fā)明還可用于存在如下％Mo的鋼：小于2.2%，優(yōu)選小于1.66%，更優(yōu)選小于 0.77%并且甚至更優(yōu)選小于0.54%。還可使用小于0.43%，優(yōu)選小于0.19%并且甚至小于 0.04%的％]?〇。
[0096]當(dāng)涉及％糊寸，在本發(fā)明內(nèi)可使用如下％W:大于2.33%，優(yōu)選大于3.64%，更優(yōu)選 大于4.31%并且甚至更優(yōu)選大于5.79%。還可使用如下值:大于7.46%，優(yōu)選大于9.27%并 且甚至更優(yōu)選大于10.58%。還可使用如下值:大于12.3%并且甚至大于16%。本發(fā)明還適 用于如下％W:小于2.41 %，優(yōu)選小于1.87%，更優(yōu)選小于0.21 %，甚至更優(yōu)選小于0.08并且 甚至其不存在。
[0097] 當(dāng)涉及％ 乂時(shí)，當(dāng)％ V大于0.4 %，優(yōu)選大于0.59 %，更優(yōu)選大于0.89 %時(shí)并且甚至 更優(yōu)選當(dāng)其大于1.05 %時(shí)，本發(fā)明是可適用的。當(dāng)％ V大于2.64%，優(yōu)選當(dāng)其大于4.35 %時(shí)， 更優(yōu)選當(dāng)其大于5.33%并且甚至更優(yōu)選當(dāng)其大于6.02%時(shí)，本發(fā)明是可適用的。其還可適 用于如下值:大于9.15%，大于10.22%，優(yōu)選大于13.54%并且甚至更優(yōu)選大于15%。還可 以如下值使用本發(fā)明：小于0.41%，優(yōu)選小于0.27%，更優(yōu)選小于0.11%并且甚至更優(yōu)選小 于 0.04%。
[0098] 當(dāng)涉及其他碳化物形成元素例如％批、％了&、％23卩/或％恥時(shí)，在總和％20%批 + %Nb+%Ta大于0.09%，優(yōu)選大于0.43%，更優(yōu)選大于1.87%并且甚至更優(yōu)選大于3.89% 時(shí)，可以使用本發(fā)明。其對(duì)于如下值也是可能的：大于5.55%并且甚至大于10%。明顯地，在 下文中并且當(dāng)涉及這些類(lèi)型的條件時(shí)，所述總和可由各個(gè)元素獨(dú)立構(gòu)成或由其組合構(gòu)成。
[0099] 當(dāng) ％ Cr+ % V+ %Mo+ %W+ % Zr+ % Hf + % Nb+ % Ta大于4 ? 5 %，優(yōu)選大于7 ? 8 %，更優(yōu)選 當(dāng)其大于11.5%并且甚至更優(yōu)選當(dāng)其大于20%時(shí)，本發(fā)明也是適用的。
[0100] 本發(fā)明可用于存在如的鋼：大于0.4%，優(yōu)選大于0.89%，更優(yōu)選大于 1.73 %并且甚至更優(yōu)選大于2.8 %。當(dāng)％ Si小于0.42 %，優(yōu)選小于0.38 %時(shí)，更優(yōu)選當(dāng)其小 于0.1 %時(shí)并且甚至更優(yōu)選當(dāng)其小于0.04%時(shí)，也可使用本發(fā)明。
[0101] 本發(fā)明可用于存在如的鋼：大于1.75%，優(yōu)選大于3.47%，更優(yōu)選大于 5.06%并且甚至更優(yōu)選大于6.98 %。當(dāng)％Mn小于1.87 %，優(yōu)選小于0.76%時(shí)，更優(yōu)選當(dāng)其小 于0.42 %時(shí)并且甚至更優(yōu)選當(dāng)小于0.1 %時(shí)，也可使用本發(fā)明。
[0102] 本發(fā)明可用于存在如下％附的鋼:大于0.9%，優(yōu)選大于1.98%，更優(yōu)選大于3.5% 并且甚至更優(yōu)選大于4.01%。當(dāng)％附大于7.28%，優(yōu)選大于11.34%時(shí)，更優(yōu)選當(dāng)其大于 15.76%并且甚至更優(yōu)選大于28.31 %時(shí)，也可使用本發(fā)明。當(dāng)％Ni小于0.8%，優(yōu)選小于 0.52%時(shí)，更優(yōu)選當(dāng)其小于0.31%并且甚至更優(yōu)選當(dāng)其小于0.08%時(shí)，也可使用本發(fā)明。
[0103] 本發(fā)明可用于存在如下％(：〇的鋼：大于1.5 %，優(yōu)選大于3.81 %，更優(yōu)選大于 7.42%，甚至更優(yōu)選大于13.8%并且甚至大于16%。本發(fā)明當(dāng)％0)小于1.61%，優(yōu)選小于 0.44%時(shí)，更優(yōu)選當(dāng)其小于0.11%時(shí)并且甚至更優(yōu)選當(dāng)其小于0.08%時(shí)，也可使用本發(fā)明。
[0104] 以下給出更多的指導(dǎo)，用于確定依賴(lài)于所尋求的一些應(yīng)用或特性的組合物。
[0105] 對(duì)于當(dāng)涉及％Ceq時(shí)，對(duì)于需要超高強(qiáng)度的應(yīng)用，期望％Ceq小于0.1%，更優(yōu)選小 于0.09 %并且甚至更優(yōu)選小于0.05 %。如果要改善韌性，則較好的是保持％ Ceq低于 0.03%，優(yōu)選低于0.01%并且甚至優(yōu)選低于0.001%。對(duì)于需要優(yōu)異的機(jī)械特性(強(qiáng)度、硬 度、可焊性、耐磨損性、可淬硬性和韌性)和優(yōu)異的加工性的特性應(yīng)用，并且對(duì)于包含大于或 等于8%的％附并且包含大于或等于4%的Co合金，Si的質(zhì)量含量應(yīng)優(yōu)選為小于或等于 〇.4%，更優(yōu)選小于或等于0.3%，甚至更優(yōu)選小于或等于0.2%或者甚至小于或等于0.1 %。 高硬度和強(qiáng)度通過(guò)優(yōu)選大于10%，優(yōu)選大于18%，更優(yōu)選18.5%并且甚至更優(yōu)選大于25% 的Ni含量來(lái)實(shí)現(xiàn);Co通常優(yōu)選為大于8%，優(yōu)選大于9.5 %并且取決于應(yīng)用其甚至大于12 % ; Mo優(yōu)選為大于2.5%，優(yōu)選大于4%并且甚至更優(yōu)選大于5%。如果尋求某種耐腐蝕性，則添 加的量通常優(yōu)選為至少4%，優(yōu)選大于5%并且甚至更優(yōu)選大于10%。一些其他的元素如Ti、 Mn、Al等取決于最終特性?xún)?yōu)選以5%至9%的量存在。由于Co降低Mo在基體中的溶解度，有時(shí) 期望Co優(yōu)選為小于2%，小于1.5%甚至更優(yōu)選小于0.5%并且甚至其不存在。而且％Ti + % Mo在較高的Ni水平下應(yīng)大于3.5%，優(yōu)選4.5%并且甚至6%。對(duì)于另一些應(yīng)用，％Ceq的最小 值優(yōu)選為〇. 2%，，優(yōu)選0.29并且更優(yōu)選大于0.31 %。在這種情況下，高度建議鋼中存在的％ Moeq( %Mo+l/2 ? %W通常大于2%，優(yōu)選大于3.1 %并且甚至更優(yōu)選大于3.7%。如果要使熱 導(dǎo)率特性最大化，則％Ceq含量的最小值優(yōu)選0.22%或者甚至0.33%但是低于1.5 %，更優(yōu) 選低于1.1 %并且更優(yōu)選低于0.9%。此外，％Moeq( %Mo+l/2 ? %W)水平應(yīng)高于最大熱導(dǎo) 率，通常大于3 %，通常大于3.5 %，優(yōu)選大于4 %或者甚至4.5 %。％Cr優(yōu)選為小于2.8 %，優(yōu) 選小于1.8%并且甚至小于0.3%。如果不考慮成本，則對(duì)于非常高的熱導(dǎo)率，應(yīng)甚至更 優(yōu)選小于〇. 06 %。在這種情況下，％ Si也應(yīng)盡可能低，優(yōu)選小于0.2 %，更優(yōu)選小于0.11 %， 并且甚至更優(yōu)選小于0.09%。對(duì)于熱導(dǎo)率必須結(jié)合一些耐磨性和韌性的應(yīng)用，％￥通常可以 以如下含量使用:大于〇. 1 %，優(yōu)選〇.3%并且最優(yōu)選甚至大于0.55%。對(duì)于非常高的耐磨性 應(yīng)用，其可以以如下含量使用：高于1.2%或者甚至2.2%。對(duì)于增大可淬硬性，使用Ni和/或 Mn。因此對(duì)于大型型鋼(heavy sections)，通常期望最?。ジ胶客ǔ４笥?.85%，優(yōu)選大 于1.5%并且對(duì)于特定情況甚至大于3.1%。如果使用％1111，則需要約雙倍含量，優(yōu)選為大于 1.74%，更優(yōu)選大于3.1 %并且在一些情況下甚至大于6.2%。附的存在有利于減小熱膨脹 系數(shù)，其對(duì)零件具有正面影響，因此期望含量大于0.5%，優(yōu)選大于1.6%并且甚至2%。在另 一方面，其對(duì)熱導(dǎo)率具有負(fù)面影響，在如下情況下，將期望其小于0.4%，優(yōu)選小于0.2%并 且甚至更優(yōu)選小于〇. 09%。對(duì)于要在使用期間使鋼達(dá)到超過(guò)400°C的溫度的應(yīng)用，可能非常 令人關(guān)注的是存在傾向于提高耐回火性等并且對(duì)影響高溫下的熱擴(kuò)散性存在奇效應(yīng)的％ Co。雖然對(duì)于一些組合物，0.8%的量應(yīng)該足夠，通常期望其最小值為1 %，優(yōu)選1.5%并且對(duì) 于一些應(yīng)用甚至大于3.1 %。如果對(duì)于應(yīng)用無(wú)特別需要，％Co通常為低于0.6%，更優(yōu)選低于 0.35%并且甚至更優(yōu)選低于0.1 %。在Co含量大于0.9 %的情況下，則優(yōu)選的是V含量可以?xún)?yōu) 選為大于1.2%。對(duì)于韌性非常重要的應(yīng)用優(yōu)選較低的％(：叫含量，并因此最大水平應(yīng)保持 低于0.8%，優(yōu)選0.6%并且對(duì)于非常高的韌性低于0.48%。顯著的環(huán)境阻力可以用4%Cr實(shí) 現(xiàn)，但是通常建議更高水平的％Cr，通常大于8%或者甚至大于10%。對(duì)于一些特定腐蝕如 氯化物的腐蝕，高度建議在鋼中存在％1〇,通常大于2%并且甚至大于3.4%，其在這種情況 下提供顯著的影響。耐腐蝕性可以用ll%Cr獲得，但是優(yōu)選大于12%或者甚至大于17%。對(duì) 于一些特定應(yīng)用，可令人關(guān)注的是具有小于0.5 %，優(yōu)選小于0.42 %并且更優(yōu)選小于0.29 % 的％C，但是最小含量為0.02 %，優(yōu)選大于0.04 %并且在一些情況下大于0.06 %。對(duì)于一些 應(yīng)用，期望為大于0.3%并且優(yōu)選大于0.4%，但是低于0.1 %并且優(yōu)選低于0.09%。在耐 磨性重要的另一些情況下，優(yōu)選％ Ceq的最小值為0.49 %，優(yōu)選大于0.64 %，更優(yōu)選大于 0.82%，并且甚至更優(yōu)選大于1.22%。對(duì)于最大程度的耐磨性，期望％Ceq大于1.22%，更優(yōu) 選大于1.46%并且甚至大于1.64%。由于使馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始的溫度低，所以非常高水平 的％〇69也是令人關(guān)注的，這種應(yīng)用優(yōu)選％〇69最大水平為0.8%，優(yōu)選1.4%并且甚至 1.8%。同樣的％Ceq適用于期望細(xì)的貝氏體的應(yīng)用。在這種情況下，期望Ceq的最小值為 0.4%，通常大于0.5%并且甚至大于0.8%。如果存在降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的其他元素，（例 如％附），則可以以較低的％&(1實(shí)現(xiàn)相同的作用(如前所述相同的水平）。對(duì)于高耐磨性，有 利的是使用比鐵更強(qiáng)的碳化物形成元素，通常S%Cr+%W+%M 〇+%V+%Nb+%Zr并且他們 的含量應(yīng)大于4%，優(yōu)選6.2%，更優(yōu)選8.3%并且甚至10.3%。另一些令人關(guān)注的比鐵更強(qiáng) 的碳化物形成元素為Zr、Hf、Nb、Ta，其中％ Zr+ % Hf + % Nb+ % Ta應(yīng)大于0.1 %，優(yōu)選0.3 %并 且甚至1.2%。此外，為傾向于形成相當(dāng)細(xì)的碳化物的碳化物形成元素。對(duì)于耐磨性非常 高的應(yīng)用，其可以以如下含量使用:高于3.2%，優(yōu)選高于4.2%或者對(duì)于極端程度的耐磨性 水平甚至高于9.2%。對(duì)于非常高的耐磨性應(yīng)用，其可以以如下含量使用:高于6.2%或者甚 至10.2%。如果尋求高的可潤(rùn)濕性，則期望的為小于0.2%或者甚至小于0.09%并且作 為替代將使用Mo和/或W碳化物。那時(shí)，W將優(yōu)選為大于0.5 %，更優(yōu)選大于0.9%并且甚至更 優(yōu)選大于1.6 %，但是低于4%，優(yōu)選低于3.2 %并且更優(yōu)選低于2.9 %。將優(yōu)選為大于 1.2 %，更優(yōu)選大于3 %并且甚至更優(yōu)選大于3.7 %，但是低于5 %，更優(yōu)選低于4.6 %并且甚 至低于4.2%。對(duì)于要求非常高的應(yīng)用，其中要求高速度和高溫下的阻力以及高水平的硬 度，％Ceq的最小值優(yōu)選為0.89%，優(yōu)選大于1.64%，更優(yōu)選大于1.89%并且甚至更優(yōu)選大 于2.7%。對(duì)于一些情況，也期望其他合金化元素盡可能高，例如W優(yōu)選為大于3%，優(yōu)選大于 5%并且在一些情況下甚至大于7%，當(dāng)涉及Co時(shí)，期望其為約6%，更優(yōu)選大于9%并且甚至 大于10%。％Cr具有兩個(gè)特別令人關(guān)注的范圍：0.6%至1.8%，和2.2%至3.4%。特定實(shí)施 方案還優(yōu)選為2%。有時(shí)，對(duì)于包含等于或大于2%的或者包含等于或小于10%的Cr 量的合金，則％Cr+%Ti+%W+%Mo+%V+%Nb+%Zr+%Hf+%Co應(yīng)優(yōu)選為等于或大于0.5%， 優(yōu)選大于〇. 55 %并且更優(yōu)選大于0.7 %。
[0106] 對(duì)于本發(fā)明的另一些應(yīng)用，固溶體中主要保留的元素，最有代表性的為％Mn、％Si 和％附非常重要。期望所有元素的總和超過(guò)0.8%，優(yōu)選超過(guò)1.2%，更優(yōu)選1.8%并且甚至 2.6%。如可以看出，需要存在Si二者。％Mn通常以如下量存在：超過(guò)0.4%，優(yōu)選 0.6 %并且甚至1.2 %。對(duì)于特定應(yīng)用，Mn有利地為甚至1.5 %。％ Si的情況甚至更關(guān)鍵，這是 因?yàn)楫?dāng)其以顯著量存在時(shí)，其強(qiáng)烈地有助于阻止?jié)B碳體變粗。因此％Si通常以如下量存在： 超過(guò)0.4%，優(yōu)選0.6%并且甚至0.8 %。當(dāng)尋求對(duì)滲碳體的作用時(shí)，所述含量甚至更大，通常 超過(guò)1.2%，優(yōu)選1.5%并且甚至1.65%。如可以看出，對(duì)于如下應(yīng)用，需要存在用于獲得期 望的機(jī)械特性的關(guān)鍵元素，因此其必須使％31+%1111+%附+ %(>大于2%，優(yōu)選大于2.2%， 更優(yōu)選大于2.6%并且甚至大于3.2%。對(duì)于一些應(yīng)用，令人關(guān)注的是替代％CrS%Mo,然后 使用相同的范圍。除％Si+%Mn+%Ni+%Mo>2%之外，當(dāng)％Mo以超過(guò)1.2%，優(yōu)選超過(guò)1.6%， 并且甚至超過(guò)2.2%的量存在時(shí)，可以單獨(dú)對(duì)其存在進(jìn)行處理。對(duì)于成本重要的應(yīng)用，特別 有利的是使％Si + %Mn替代式％Si + %Mn+%Ni+%Cr，然后可以使用相同的優(yōu)選范圍，但是 在其他合金化元素的存在下，可以使用較低的范圍，如％Si+%Mn>l. 1 %，優(yōu)選1.4%或者甚 至1.8%。對(duì)于一些應(yīng)用，期望％Ni為至少1 %。對(duì)于尋求主要貝氏體顯微組織的應(yīng)用，選擇 形成合金的傾向性比鐵更高的的合金化元素。在這種情況下，最有效的 S%Moeq、％V、％Nb、％Zr、％Ta、％Hf，至較小程度的％Cr和所其他的碳化物形成元素。通 常存在總和大于4%的對(duì)碳的親和力比鐵更高的元素，優(yōu)選大于6.2%，更優(yōu)選大于7.2%并 且甚至大于8.4%。如果初生碳化物對(duì)應(yīng)用無(wú)害并且成本允許，則以超過(guò)0.1 %，優(yōu)選0.3% 并且甚至0.6%的量使用非常強(qiáng)的碳化物形成元素（％Zr+%Hf+%Nb+%Ta)。其他元素可存 在，尤其是對(duì)于所尋求的最終特性幾乎沒(méi)影響的那些。通常期望其他元素(未特別提出的元 素)小于2%，優(yōu)選1 %，更優(yōu)選0.45%并且甚至0.2%。
[0107] 偶爾，并且甚至更準(zhǔn)確地，需要知道以原子百分比（原子％)而不是質(zhì)量百分比表 示的給定合金的化學(xué)組成。在這些情況下，并且對(duì)于某些應(yīng)用，鐵和錳含量的總和必須大于 65% (Fe+Mn>65% )，優(yōu)選大于75%，更優(yōu)選大于90%并且甚至大于95%。對(duì)于一些其他情 況，碳、硼和硅含量的總和保持低于10% (C+Si+B〈10%)，優(yōu)選地必須保持低于9%，更優(yōu)選 低于7%并且甚至低于5%。甚至對(duì)于另一些應(yīng)用，優(yōu)選該量保持低于3%，更優(yōu)選低于2%并 且甚至低于1%。對(duì)于要求非常高的應(yīng)用，期望％Nb〈l%，優(yōu)選大于0.2%，更優(yōu)選大于0.5% 并且甚至大于0.8%。此外，有時(shí)鉻、鉬和鎢的總和必須保持低于3% (Cr+Mo+W〈3% )，優(yōu)選大 于1 %，更優(yōu)選大于2%，并且甚至大于2.5%。所有上述值和增量均按原子百分比計(jì)（原 子％)。
[0108]雖然大多數(shù)應(yīng)用可以以含量％Ceq進(jìn)行區(qū)分，但是在很多其他條件下，令人關(guān)注的 是通過(guò)形成％Ceq的元素（即，C、N和B)的含量來(lái)區(qū)分這些應(yīng)用。
[01 09] 就此而言，對(duì)于某些應(yīng)用，期望％Ceq的氮含量為10 %，優(yōu)選5 %，更優(yōu)選3 %并且甚 至2%。然而，在另一些條件下，令人關(guān)注的是知道數(shù)值而不是百分比。在這種情況下，期望 氮含量為0.45%，優(yōu)選大于1 %，更優(yōu)選大于1.6%或者甚至大于2.2%。
[0110] 類(lèi)似地，對(duì)于B的情況，期望％Ceq的硼含量為10%，優(yōu)選5%，更優(yōu)選3%甚至2%。 在此也期望硼含量為0.25%，優(yōu)選0.7%，更優(yōu)選1.2%或者甚至2%。對(duì)于另一些應(yīng)用，也期 望最大硼含量低于0.25%，優(yōu)選低于0.5%，更優(yōu)選低于0.7%或者甚至低于2%。 為了減少工具的構(gòu)造成本，還可添加可加工性強(qiáng)化劑。最普遍使用的元素為硫 (S)，其濃度優(yōu)選低于1 %，更優(yōu)選低于0.7%并且甚至更優(yōu)選低于0.5%。同時(shí)，通常將Mn的 水平提高于確保硫作為硫化錳(MnS)而不是作為嚴(yán)重影響韌性的硫化鐵(FeS)存在。此外， 為了此目的，可以使用濃度低于1 %的As、Sb、Bi、Se、Te和甚至Ca?？纱嬖谄渌?，尤其是 對(duì)所尋求的最終特性幾乎無(wú)影響的那些。通常，期望具有低于2%的其他元素(未特別指出 的元素），優(yōu)選1 %，更優(yōu)選0.45 %并且甚至0.2 %。一種特殊情況是Nb，雖然其對(duì)韌性的影響 相當(dāng)不利并且因此其將作為不可避免的雜質(zhì)存在，但是對(duì)于期望控制顆粒成長(zhǎng)的特定應(yīng) 用，其可以以高于2%的含量使用。
[0112] 本發(fā)明的鐵基合金粉末通過(guò)粉末冶金工藝來(lái)獲得，準(zhǔn)確地通過(guò)離心盤(pán)霧化技術(shù)來(lái) 獲得。在某些條件下并且作為之前描述的技術(shù)的應(yīng)用結(jié)果，所獲得的粉末適用于粉末壓制 和燒結(jié)(熱、溫和冷壓制）的應(yīng)用，例如幾乎完全或完全致密的工藝，即，舉幾個(gè)例子而言，熱 等靜壓(HIP)、粉末鍛造、擠壓成形、金屬注射成形、熱噴涂、噴射成形、冷噴涂。對(duì)于不需要 球形或近似球形的顆粒形貌的應(yīng)用，生產(chǎn)的粉末還適用于通過(guò)例如冷等靜壓(CIP，室溫)或 類(lèi)似技術(shù)的技術(shù)進(jìn)行冷壓制的用途。
[0113] 本發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到，為了具有特定可接受或良好的粉末特性，當(dāng)涉及粉末壓制和 燒結(jié)時(shí)，有利的是以以下最小粒徑使用本發(fā)明的粉末:通常低于250wn，優(yōu)選低于150wn，更 優(yōu)選低于100M并且甚至低于60M1。對(duì)于一些應(yīng)用，即，大的形狀和坯料生產(chǎn)，需要使最小粉 末尺寸為120wii或以上，優(yōu)選280M1或以上，更優(yōu)選420wii或以上或者高于600wii。
[0114] 本發(fā)明的合金還適用于涉及層或添加制造、固體自由成形制造(solid-free form fabri cat ion)、數(shù)字制造或電子化制造(例如快速制造/成形(RM/P)、3-D打印、激光成形、恪 融沉積成型、疊層物體制造、選擇性激光燒結(jié)(SLS )、選擇性激光熔融(SLM)和3-D激光熔覆） 等類(lèi)似技術(shù)的應(yīng)用。此外，可以使用由本發(fā)明的合金制成的粉末或線(xiàn)進(jìn)行激光、等離子體或 電子束焊接。此外，本發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到，為了具有特定可接受或良好的粉末特性(例如表觀 密度和燒結(jié)密度、可流動(dòng)性、可燒結(jié)性、可壓縮性等），當(dāng)涉及添加制造技術(shù)的粉末應(yīng)用時(shí)， 有利的是以以下最小粒徑使用本發(fā)明的粉末:通常低于75wn，優(yōu)選低于50m、更優(yōu)選低于20 Ml并且甚至低于15WI1。在這種情況下，最終零件的表面粗糙度主要受粉末粒徑影響，因此， 較小的粒徑產(chǎn)生更高的表面質(zhì)量。對(duì)于一些應(yīng)用，例如表面質(zhì)量不為關(guān)鍵參數(shù)的應(yīng)用，可接 受的是最小粒徑為40WI1或以上，優(yōu)選55WI1或以上，更優(yōu)選80WI1或以上或者甚至高于100M1。
[0115] 鐵基合金可以以上述期望的形狀直接獲得或者可以通過(guò)其他冶金工藝來(lái)改善。通 過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法所生產(chǎn)的鐵基合金的用途包括熱或高溫處理，例如回火并且甚至淬 火。通常使用鍛造和乳制甚至塊體三維鍛造來(lái)提高韌性。
[0116] 根據(jù)本發(fā)明的工具鋼合金，其可以以任何形狀例如棒、線(xiàn)或粉末形式(除用作釬料 或焊接合金之外)來(lái)獲得。本發(fā)明的鐵基合金還可以通過(guò)熱噴涂技術(shù)用于另一種材料表面 的局部。明顯地，本發(fā)明的合金可以用作復(fù)合材料的一部分，例如在作為獨(dú)立相嵌入，或者 作為多相材料中的相之一獲得時(shí)。此外，不管用什么方法進(jìn)行混合(例如，機(jī)械混合、研磨、 用兩種或更多種不同材料的料斗投放…），當(dāng)用作基體時(shí)，其中其他相或顆粒被嵌入。此外， 本發(fā)明的鐵基合金適用于其中對(duì)工作環(huán)境耐性集中于耐腐蝕或氧化而不是耐磨損的應(yīng)用， 即使兩者通常共存也是如此。在這樣的情況下，在工作溫度下耐氧化或者耐侵蝕性試劑的 腐蝕是期望的。對(duì)于這種應(yīng)用，通常取決于應(yīng)用以不同的硬度水平且以不同的耐磨損性使 用耐腐蝕工具鋼。本發(fā)明的合金還可以是功能梯度材料的一部分，在這種情況下，可以使用 任何保護(hù)性層或局部化處理。最典型的是以下層或表面處理：
[0117] ?為了改善摩擦學(xué)性能:表面硬化(激光、感應(yīng)…）、表面處理(滲氮、滲碳、滲硼、硫 化、前述的任意混合…）、涂覆(CVD(化學(xué)氣相沉積）、PVD(物理氣相沉積）、流化床、熱投射、 冷噴涂、熔覆…）。
[0118] ?為了提高耐腐蝕性:硬鉻、鈀、化學(xué)鎳處理、耐腐蝕樹(shù)脂的溶膠凝膠、實(shí)際提供腐 蝕或氧化保護(hù)的任意電解處理或非電解處理。
[0119] ?任何其他功能層，包括當(dāng)功能為外觀時(shí)。
[0120] 特別地，本發(fā)明的工具鋼合金還可以用于制造需要高工作硬度(例如由高機(jī)械載 荷或磨損造成）的零件，所述零件需要某種類(lèi)型的來(lái)自于初始鋼形式的形狀轉(zhuǎn)變。作為實(shí) 例:擠壓、乳制、鍛造用模具(開(kāi)放式模具或封閉式模具）。本發(fā)明特別適用于制造用于片材 的熱沖壓或熱壓制的模具，同樣地，用于熱塑性材料和熱固性材料的塑性成形的所有形式 的模具以及用于成形或切削的磨具。
[0121] 上述合金還可以用于工具應(yīng)用中，在該應(yīng)用優(yōu)異機(jī)械特性，結(jié)合較高的可加工性 (在時(shí)效硬化期間變形最小并且不存在脫碳問(wèn)題)是重要的，例如，具有優(yōu)異的機(jī)械耐力和 韌性的高精度注塑工具的制造。一些本發(fā)明的鐵基合金的特定應(yīng)用還包括制造經(jīng)受沖擊疲 勞的具有足夠的耐磨損性、耐腐蝕性的零件以及需要滲氮、陶瓷涂層表面處理和精細(xì)拋光 的表面的應(yīng)用。
[0122] 本發(fā)明的附加實(shí)施方案在從屬權(quán)利要求中予以描述。
[0123] 本文中描述的所有實(shí)施方案的技術(shù)特征可以以任意組合相互結(jié)合。
[0124] 實(shí)施例
[0125] 在下文中，一些實(shí)施例示出了如下方法:其中數(shù)種本發(fā)明的鐵基合金組成可以通 過(guò)離心霧化來(lái)制造以獲得具有期望的特性的金屬粉末。除非另外指出，否則所有實(shí)驗(yàn)均在 用于使用如本文中提出的旋轉(zhuǎn)離心霧化方式并且在保護(hù)性氣氛中制備金屬粉末的設(shè)備中 進(jìn)行。熔融金屬的離心霧化使熔體流破碎成小液滴，隨后通過(guò)霧化氣氛中的對(duì)流使所述小 液滴快速冷卻。其后，根據(jù)金相表征的標(biāo)準(zhǔn)步驟收集并篩選金屬粉末。下面列出了所獲得的 三個(gè)實(shí)驗(yàn)組的結(jié)果以及經(jīng)霧化的合金的化學(xué)組成和所采用的霧化參數(shù)。
[0126] 實(shí)施例1:
[0127] 選擇具有根據(jù)表1，ID 1的化學(xué)組成的鐵基合金并且使用以下霧化參數(shù)制備金屬 粉末樣品：霧化溫度1660°C，熔融金屬的進(jìn)料速率120kg ? 1T1，直徑為50mm的平坦盤(pán)(鎢），在 20000rpm(約SOgSracf1)的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。從噴嘴至所述盤(pán)的距離設(shè)置為0.06m并且霧化過(guò)程 在空氣氣氛中進(jìn)行。圖1示出了在描述的霧化參數(shù)下獲得的經(jīng)離心霧化的粉末的SEM顯微圖 像。
[0128] 獲得的具有對(duì)數(shù)-正態(tài)尺寸分布的平均粒徑為125M1。
[0129] 實(shí)施例2:
[0130]選擇具有根據(jù)表1，ID 48的化學(xué)組成的鐵基合金并且使用以下霧化參數(shù)制備金屬 粉末樣品：霧化溫度1690°C，熔融金屬的進(jìn)料速率95kg ? 1T1，直徑為40mm的杯狀盤(pán)(鎢），在 17500rpm至19000rpm(約lSSOracf 1至1990抑(^)的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。在這種情況下，從噴嘴至所 述盤(pán)的距離設(shè)置為0.08m。
[0131] 在這種情況下，所獲得的具有對(duì)數(shù)正態(tài)尺寸分布的平均粒徑為180mi。
[0132] 實(shí)施例3:
[0133] 已對(duì)下表1、對(duì)于在Ar氣氛中在根據(jù)圖4的旋轉(zhuǎn)元件中細(xì)的（〈1 OOwii)球形或類(lèi)球形 的粉末的恰當(dāng)霧化的進(jìn)行檢查。


[0137]對(duì)于組合物 15 至 20、26、33，元素15至20、26、33，元素11、恥、86、0、？、恥、]^、(：1、八^、 K、Ca、Sc、Zn、Ga、Ge、As、Se、Br、Kr、Rb、Sr、Y、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Xe、Cs、 Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、 Po、At、Rn、Fr、Ra、Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No、Lr、Rf、Db、Sg、Bh、Hs、Mt 為〈0.01% (除非表中另有說(shuō)明）。
[0138] 對(duì)于組成44至47,1至
[0139] 實(shí)施例4:
[0140] 已對(duì)下表2、對(duì)于在Ar氣氛中在根據(jù)圖3的旋轉(zhuǎn)元件中細(xì)的（〈100_)球形或類(lèi)球形 的粉末的恰當(dāng)霧化進(jìn)行檢查。觀察到以下規(guī)則：
[0141] 當(dāng)％〇〈2時(shí)，則 ％Mo+%W+%V+%Ti>0.5。






[0149]對(duì)于組合物 80、105至110、200、210、219至222，測(cè)得元素48、36、313、16和？13均為 0.3%并且測(cè)得元素 P和S均為0.7%。
[0150] 實(shí)施例5:
[0151] 已對(duì)下表3、對(duì)于在Ar氣氛中在根據(jù)圖5的旋轉(zhuǎn)元件中細(xì)的（〈1 OOwn)球形或類(lèi)球形 的粉末(球度>92%)的恰當(dāng)霧化進(jìn)行檢查。觀察到以下規(guī)則：
[0152] 當(dāng)％〇>9.8時(shí)，則％〇69>0.14，
[0153] 當(dāng)％〇>9.8時(shí)，則％]?〇+%軒％￥+%11>0.5和/或％51+%厶1+%11+%附>0.5。
[0155] 實(shí)施例6:
[0156] 已對(duì)下表4、對(duì)于在犯氣氛中在根據(jù)圖4的旋轉(zhuǎn)元件中細(xì)的（〈IOOmi)球形或類(lèi)球形 的粉末的恰當(dāng)霧化進(jìn)行檢查。觀察到以下規(guī)則：
[0157] 當(dāng)％(：〇>0.9 時(shí)，則 ％V>1.2 和/^%Ni+%Al+%Ti+%Si>0.3 和/或 Cr〈0.8。

[0160]對(duì)于組合物 257、261和 270,元素 H、He、Be、0、F、Ne、Mg、Cl、Ar、K、Ca、Sc、Zn、Ga、Ge、 As、Se、Br、Kr、Rb、Sr、Y、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Xe、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、 Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、Rn、Fr、Ra、Ac、 111、？&、1]、師、？11^111、〇11、81^、〇€48、卩111、]?(1、如、1^、1^、013、58、811、他、]^為〈0.01%(除非表中 另有指明）。
[0161] 實(shí)施例7:
[0162] 已對(duì)下表5、對(duì)于在不存在02的混合氣氛中在根據(jù)圖6的旋轉(zhuǎn)元件中細(xì)的（〈lOOwn) 球形或類(lèi)球形的粉末(球度>85%)的恰當(dāng)霧化進(jìn)行檢查。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于生產(chǎn)鐵基合金粉末或顆粒材料的方法，其包括以下步驟： a) 提供熔點(diǎn)大于1040 °C的合金組合物， b) 使所述組合物熔融，以及 c) 借助離心霧化或旋轉(zhuǎn)霧化使熔融的組合物霧化。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在步驟c)中，所述霧化使用具有霧化旋轉(zhuǎn)元件的旋 轉(zhuǎn)霧化裝置來(lái)進(jìn)行。3. 根據(jù)權(quán)利要求1至2所述的方法，其中所產(chǎn)生的粉末為球形或類(lèi)球形的。4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的方法，其中所產(chǎn)生的粉末的球度為90%或更大。5. 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述旋轉(zhuǎn)元件存在隆起部。6. 根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述旋轉(zhuǎn)元件存在具有徑向分量的隆 起部。7. 根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述旋轉(zhuǎn)元件存在具有在插入線(xiàn)處在 與所述旋轉(zhuǎn)元件的工作表面垂直的方向上的剖面變化的隆起部。8. 根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述旋轉(zhuǎn)元件存在具有在插入線(xiàn)處在 與所述旋轉(zhuǎn)元件的工作表面垂直的方向上的可變曲率的隆起部。9. 根據(jù)權(quán)利要求2至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述旋轉(zhuǎn)元件存在具有在插入線(xiàn)處在 與所述旋轉(zhuǎn)元件的工作表面平行的方向上的可變曲率的隆起部。10. 根據(jù)權(quán)利要求2至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述旋轉(zhuǎn)元件存在至少四個(gè)隆起部。11. 根據(jù)權(quán)利要求2至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述旋轉(zhuǎn)元件存在翼形部。12. 根據(jù)權(quán)利要求2至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述霧化旋轉(zhuǎn)元件的表面上的也被 稱(chēng)為突起部或隆起部的所述翼形部通過(guò)橫截面和給定的單個(gè)或多個(gè)擠壓路徑來(lái)產(chǎn)生。13. 根據(jù)權(quán)利要求2至12中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述翼形部的剖面包括在單一平面 中。14. 根據(jù)權(quán)利要求2至13中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述翼形部的剖面不能包括在單一 平面中。15. 根據(jù)權(quán)利要求2至14中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述翼形部的剖面使用解析數(shù)學(xué)模 型來(lái)確定，所述解析數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)作為所述旋轉(zhuǎn)元件的半徑、液體運(yùn)動(dòng)黏度、體積流量、金 屬靜壓頭和轉(zhuǎn)速的函數(shù)的液態(tài)金屬的徑向和切向速度。16. 根據(jù)權(quán)利要求2至15中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述霧化旋轉(zhuǎn)元件的接觸熔融金屬 的所述工作表面由來(lái)自以下的材料制成和/或涂覆有來(lái)自以下的材料:恪結(jié)娃石墨、全穩(wěn)定 的氧化鋯(FSZ )、部分穩(wěn)定的氧化鋯(PSZ )、碳化硅、氮化硅、鋯石、氧化鋁、氧化鎂，例如AlN、 C(石墨）、81513^、]\%2抑3、〇&0、51厶1(^、厶111〇3、2抑2、31(：^12〇3、]\%0等。（]\%2抑3涂層工&0、 Zr〇2、Al2〇3對(duì)于高恪融溫度合金如Ni合金表現(xiàn)良好。）17. 根據(jù)權(quán)利要求2至16中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述霧化旋轉(zhuǎn)元件的材料的 熔點(diǎn)溫度高于1200°C。18. 根據(jù)權(quán)利要求2至17中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述霧化旋轉(zhuǎn)元件的材料的 熱導(dǎo)率高于36W · m-1 · K-1。19. 根據(jù)權(quán)利要求2至18中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述霧化旋轉(zhuǎn)元件的材料的 熱導(dǎo)率高于82W · πΓ1 · K'20. 根據(jù)權(quán)利要求2至19中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述霧化旋轉(zhuǎn)元件的材料表現(xiàn)出高 于460MPa的屈服強(qiáng)度。21. 根據(jù)權(quán)利要求2至20中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述霧化旋轉(zhuǎn)元件的材料表現(xiàn)出高 于1200MPa的屈服強(qiáng)度。22. 根據(jù)權(quán)利要求2至21中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述霧化旋轉(zhuǎn)元件的驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速 低于40000rpm。23. 根據(jù)權(quán)利要求2至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述霧化旋轉(zhuǎn)元件的驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速 低于 15000rpm。24. 根據(jù)權(quán)利要求2至23中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述霧化旋轉(zhuǎn)元件的驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速 高于 lOOOOOrpm。25. 根據(jù)權(quán)利要求2至24中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述霧化旋轉(zhuǎn)元件的直徑大于 0.21m〇26. 根據(jù)權(quán)利要求2至25中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述霧化旋轉(zhuǎn)元件的材料表現(xiàn)出高 于1400°C的熔融溫度，高于680MPa的機(jī)械強(qiáng)度并且涂覆有與旨在被霧化的合金產(chǎn)生低于 90°的潤(rùn)濕性的材料。27. 根據(jù)權(quán)利要求2至26中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述霧化旋轉(zhuǎn)元件的幾何結(jié)構(gòu)允許 所述液態(tài)金屬在與所述旋轉(zhuǎn)元件的基底的表面垂直方向上分布和流動(dòng)。28. 根據(jù)權(quán)利要求1至27中任一項(xiàng)所述的方法，其中步驟a)中提供的所述合金組合物選 自以下化學(xué)組成范圍（重量％ )內(nèi)的合金組合物： %Ceq-0.001~ 2.8 %€-0.00! -2.8 %N-0.0-2.0 %B : 0、() - 2 %Cr = a〇~2CU3 =0.0 -25.0 %SU0>0~3.0 ^0.0-7.0 %A! - 0,0 -· 6.0 ?〇-0.0 ^ lLD %W - 0.0 - 16.0 WTi - 0.0 ·· 3,0 穩(wěn)Ta 二 CM) ~ 2.0 %2.r 二(ΙΟ - 1CM) -4.0 %￥ ^ 0,0 - 15.0 %Nb - 0.0 - 4.0 %Cu-0.0-5.0 %€〇-0.0- 15,0 %Ce - 0.0 2 I 0.0 ^ 2 %S ^ 0.0 - 2 兔As = CM) - '2 麵:=CU) I %Fb ^ 0,0 -- 2 %Sb ^0,0 - I WU ^ 0,0 - I %Te^0,0--2 %Zn~0,0--1 %Cd~0.0- I 微=【 %K^0,0 - I %Na ^ 0,0 - I 剩余部分由鐵和微量元素組成。 其特征在于： %Ceq=%C+0.86%N+1.2%B 其中： 當(dāng)％(：〇>0.9時(shí)，則％￥>1.2和/或％附+%厶1+%11+%51>0.3和/或0〈0.8， 當(dāng) ％ Cr>9 · 8時(shí)，則 ％ Ceq>0 · 14， 當(dāng)％0>9.8時(shí)，則 ％Mo+%W+%V+%Ti>0.5 和/S%Si+%Al+%Ti+%Ni>0.5， 當(dāng)％0〈2時(shí)，則％Mo+%W+%V+%Ti>0.5。29. -種經(jīng)離心霧化的球形或類(lèi)球形的鋼粉末，其具有以下組成，所有范圍以重量％ 計(jì)： %Ceq=().〇{).l- 2.8 %C ~ 0.001 - 2M %N ^ OJ- 2.0 #B = CkO - 2 %Cr~0.0 - 20.0 % Ni ^0.0 · 25.0 ? 0,0 -3,0 %Μη ?0.δ-?.0 %A1 - 0.0 - 6.0 %Mo - 0.0 - I! ,0 %W ^ 0.0 - 16.0 WTi - 0.0 - 3.0 %Ta - 0,0?2.0 %Zr?0.0- !0<0 %!?-0.0- 4.0 %￥-0.0-15.0 b =r 0.0-4.0 %Cu = 0.0 * 5.0 ^Co =r 0.0-15.0 %Ce = 0.0 - 2 %Ca ^ 0.0 ·· I = 0、0 …2 %S = (λ0 ·· 2 鉻As = (U) · 2 %Bi - 0,0 -1 = 0,0 …2 = 0,0 …I %Li - 0.0 - I %Te = a〇 '、、2 兔Zn = CM)、· I %Cd - 0,0 -· I 0,0- I 資K = CM)-i %Na^0i)-? I 剩余部分由鐵和微量元素組成， 其特征在于： %Ceq=%C+0.86 · %Ν+1.2 · %B, 其中： 當(dāng)％(：〇>0.9時(shí)，則％V>1.2和/S%Ni+%Al+%Ti+%Si>0.3和/或Cr〈0.8， 當(dāng) ％ Cr>9 · 8時(shí)，則 ％ Ceq>0 · 14， i%Cr>9.8jJ%Mo+%W+%V+%Ti>0.5^P/S%Si+%Al+%Ti+%Ni>0.5， 當(dāng)％0〈2時(shí)，則％Mo+%W+%V+%Ti>0.5。30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的鋼粉末，其中％Fe至少為89 %。31. 根據(jù)權(quán)利要求29至30中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％Ceq高于0.62 %。32. 根據(jù)權(quán)利要求29至31中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％C高于1.47 %。33. 根據(jù)權(quán)利要求29至32中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％ Cr高于0.5 %。34. 根據(jù)權(quán)利要求29至33中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％Mo高于2.10 %。35. 根據(jù)權(quán)利要求29至34中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中高于2.33 %。36. 根據(jù)權(quán)利要求29至35中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％ V高于0.4 %。37. 根據(jù)權(quán)利要求29至36中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％ Si高于0.4 %。38. 根據(jù)權(quán)利要求29至37中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％Mn高于1.75 %。39. 根據(jù)權(quán)利要求29至38中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％Ni高于0.9 %。40. 根據(jù)權(quán)利要求29至39中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％ Co高于1.5 %。41. 根據(jù)權(quán)利要求29至40中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％Zr+%Hf+%Nb+%Ta總和高于 0.09%〇42. 根據(jù)權(quán)利要求29至41中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％ Cr+ % V+ % Mo+ % W+ % Zr+ % Hf + %他+%了&總和高于4.5%。43. 根據(jù)權(quán)利要求29至42中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％Cr+%W+%Mo+%V+%Nb+%Zr 總和高于4 %。44. 根據(jù)權(quán)利要求29至43中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％ Zr+ % Hf + % Nb+ % Ta總和高于 0.1%〇45. 根據(jù)權(quán)利要求29至44中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中等于或高于2%，或者％Cr等 于或低于 10%，％Cr+%Ti+%W+%Mo+%V+%Nb+%Zr+%Hf+%Co總和高于0.5%。46. 根據(jù)權(quán)利要求29至45中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中等于或高于2%，或者％Cr等 于或低于 10%，％Cr+%Ti+%W+%Mo+%V+%Nb+%Zr+%Hf+%Co總和高于0.55%。47. 根據(jù)權(quán)利要求29至46中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中等于或高于2%，或者％Cr等 于或低于 10%，％Cr+%Ti+%W+%Mo+%V+%Nb+%Zr+%Hf+%Co總和高于0.7%。48. 根據(jù)權(quán)利要求29中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％Mn+%Si+%Ni總和高于0.8%。49. 根據(jù)權(quán)利要求29至47中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％Co〈0.8。50. 根據(jù)權(quán)利要求29至49中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％Co>0.9且％ V> 1.2。51. 根據(jù)權(quán)利要求29至50中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中當(dāng)％ O 2或者％ Cr< 10時(shí)，則％ Cr+%Ti+%ff+%Mo+%V+%Nb+%Zr+%Hf+%Zr+%Co^0.5〇52. 根據(jù)權(quán)利要求29至51中任一項(xiàng)所述的鋼粉末，其中％C〈0.1，前提是當(dāng)％Ni彡0.9 且％0)彡0.9時(shí)，則％Si〈0.4。
【文檔編號(hào)】B22F9/10GK106029267SQ201580006066
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2015年1月27日
【發(fā)明人】瓦爾斯·安格萊斯·伊薩克
【申請(qǐng)人】羅瓦爾瑪股份公司