一种高氮不锈钢球形粉末的制备方法技术

一种高氮不锈钢球形粉末的制备方法，包括以下步骤：按照不锈钢成分配料和母合金锭的熔炼工艺；通过锻造、机械加工将母合金锭制成普通不锈钢电极棒；对雾化设备进行预抽真空处理，并通入高纯氮气；通过进给系统将电极棒送入雾化室，利用等离子火炬加热电极棒端面，并将电弧区的氮气电离成氮离子、高能氮分子和未电离的氮中性原子，从而提高不锈钢氮含量；依靠旋转电极的离心作用制备金属液滴，瞬时凝固为球形金属粉末，待高氮不锈钢球形粉末冷却后通过静电除杂装置去除非金属夹杂，最后采用多层真空热封进行粉末包装；具有生产效率高、批次稳定性强、细粉收得率高等特点，易于制备含氮量高、纯净度好、流动性强、表面光洁的不锈钢球形粉末。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属及合金粉末制备
，特别涉及一种高氮不锈钢球形粉末的制备方法。
技术介绍
20世纪初，研究者为了提高钢铁材料的强度，尝试将氮元素加入钢中，氮作为强奥氏体稳定化元素和间隙原子元素，不仅可以扩大奥氏体相区，提高钢的强度、蠕变抗力和耐腐蚀性；而且氮还是稳定、廉价、资源无限的元素，在某些牌号的钢中可替代价格高昂的镍而显著降低成本。Speidel将“高氮钢”定义为不锈钢的实际氮含量超过了其在常压条件下（即0.1MPa）所能达到极限值的特殊钢材，其中奥氏体不锈钢氮含量0.40wt.%以上，马氏体不锈钢氮含量大于0.08wt.%。目前，高氮不锈钢的制备方法主要有高压冶炼法和粉末冶金法。高压熔炼法包括加压感应炉熔炼、加压电渣熔炼、加压等离子电弧炉熔炼等，而高压冶炼过程均存在能耗高、安全隐患大、设备建造及运行成本高昂等不足，能够实现工业规模化生产的熔炼方法只有加压电渣重熔技术。粉末冶金高氮不锈钢具有晶粒细小、成分和组织均匀、批次一致性高等特点，并且粉末冶金工艺灵活、资金投入低、材料利用率高，具备近净成形特点。目前，制备高氮不锈钢粉末的主要方法有：高压熔炼-氮体雾化法、机械合金-固态粉末渗氮法、高压氮气雾化法等。高压熔炼-气体雾化法，是在高压氮气气氛中进行冶炼使不锈钢熔体增氮，然后用高压氮气气流将熔融液体吹气雾化制成粉末，此方法对高压熔炼设备要求苛刻，实际生产中存在安全隐患，且粉末批次稳定性差，容易生成卫星粉和空心粉，不利于粉末成形件性能。机械合金化和固态渗氮相结合，首先将各种单一元素粉混合并充分球磨，得到细小粉末颗粒，再将固态粉末在奥氏体相区温度内依靠流动氮气进行渗氮，最后添加纯铁配置到合金名义成分，并继续球磨得到近球形包覆粉末，此方法工艺流程复杂，高纯元素粉末价格高昂、球磨时间成本巨大，并不适合工业规模化生产。此外气雾化和机械合金化粉末的球形度不高、粉末流动性低等特点，难以达到粉末冶金成形工艺对原材料的要求。因此，为解决高氮不锈钢粉末球形度低、流动性差、成本高昂、批次稳定性差等难点，消除高压冶炼容器的安全隐患，并避免其他制备高氮不锈钢粉末所出现的问题，本专利技术提出了一种高氮不锈钢球形粉末的制备方法。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种高氮不锈钢球形粉末的制备方法，解决上述高氮不锈钢球形粉末规模化生产的技术难点，可生产出流动性好、含氮量高、粒径细小、球形度优良的高氮不锈钢球形粉末，用于满足真空热压、热等静压、金属增材制造等粉末冶金成形件的市场需求。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种高氮不锈钢球形粉末的制备方法，包括以下步骤：按照普通不锈钢所需成分进行配料得到熔铸原料，通过熔炼工艺得到不锈钢铸锭；其次通过锻造工艺，将不锈钢铸锭制成组织致密的锻态棒料，经过车床和精密数控车床的机械加工，得到符合等离子旋转电极法要求的不锈钢电极棒；将不锈钢电极棒置于雾化设备内，并对整套制粉设备进行预抽真空处理，然后充入高纯氮气；开启雾化设备，利用等离子火炬加热不锈钢电极棒端面进行熔化，在雾化室内进行离心雾化制粉过程；通过粉末收集装置得到超纯净高氮不锈钢球形粉末，粉末粒度在15-300μm之间。待粉末完全冷却，将所收集粉末通过静电除杂设备，去除非金属杂质，然后按要求筛分并真空包装步骤1)所述普通不锈钢成分的重量百分比为，铬10-30，锰0-20，钼0-5，镍0-20，其余为铁；所述锻态电极棒的致密度大于99%，无明显疏松、缩孔等铸造缺陷，直径为10-90mm，长度为100-1000mm，表面粗糙度Ra不大于3.2μm。步骤2)所述预抽真空度达到1×10-3Pa-10×10-3Pa时，充入高纯氮气作为气氛保护，整套制粉设备内的压力为0.1×105-3×105Pa，气氛氧含量的质量百分数小于0.01%。步骤3)所述雾化室内壁应光滑，表面粗糙度应小于1.6μm；电极棒转速在10000-30000转/分，电极棒进给量为1-10毫米/秒，等离子弧功率在100-400kW，依靠离心力作用形成稳定、连续的熔融液滴，金属液滴在氮气气氛中快速冷却形成高氮不锈钢球形粉末，雾化室通过循环冷却水进行冷却。步骤4)所述粉末收集过程在氮气气氛下进行，待所得粉末完全冷却后密封并接入静电去夹杂设备。步骤5）所述的静电去夹杂过程和筛分过程均在氮气气氛保护下进行，粉末包装采用多层真空热封。本专利技术的有益效果在于：1)采用等离子火炬熔化不锈钢端面，在电弧区氮气易被电离而形成氮离子、高能氮分子和未电离的氮中性原子，通过化学吸附和电吸附作用显著增强不锈钢增氮速率，提高不锈钢粉末氮含量。等离子枪工作时，相同氮分压条件下，不锈钢粉末的氮含量明显增多，远远高于Sieverts（西华特）定律所得的理论氮含量。2)采用超高速离心雾化技术，显著提升高氮不锈钢粉末的生产效率和细粉收得率，粉末具有球形度高、杂质含量低、流动性好等优点，并有效减少甚至消除卫星粉和空心粉等缺陷，提高粉末成品率。3)微米级金属熔融液滴能够显著提高球形粉末的凝固速率，通过非平衡凝固过程有效抑制液滴中氮的析出，易于获得含有过饱和间隙氮的不锈钢粉末，提高不锈钢粉末的氮含量。4)采用氮气作为保护气氛的筛分技术，能够有效降低成品高氮不锈钢粉末的氧含量。附图说明图1是本专利技术等离子旋转电极雾化法制粉设备示意图；其中：1-高纯氮气雾化室；2-电极棒安装室；3-粉末收集装置；4-等离子火炬；5-电极棒进给系统。图2是等离子枪工作气体中的氮分压与粉末中氮含量的关系曲线图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细说明，而非限定其范围。实施例1：高氮奥氏体不锈钢球形粉末的制备采用重量百分比为：Cr17.5%，Mo2.6%，Ni13.5%，其余为Fe元素，总重量为100kg的奥氏体不锈钢熔铸原料进行熔炼并得到铸锭；其次通过锻造工艺，将不锈钢铸锭制成组织致密度为99.6%的锻态棒料，经过车床和精密数控车床的机械加工，得到直径为40mm，长度为800mm的奥氏体不锈钢电极棒，表面粗糙度为1.6μm；将所得电极棒置于电极棒安装室2内，并对氮气雾化室1内抽真空，待设备真空度达到1×10-3Pa时充入高纯氮气，设备内氮气分压为1.5×105Pa；开启雾化设备制备球形粉末，电极棒转速为18000转/分，不锈钢电极棒5的进给量为2mm/s，等离子火炬4的功率为120kW，依靠离心力作用形成稳定、连续的熔融液滴，金属液滴在氮气气氛中快速冷却形成高氮不锈钢球形粉末，雾化室通过循环冷却水进行冷却；利用氮气保护的粉末收集罐3进行高氮钢粉末的收集工作，待所收集的金属粉末完全冷却后，直接密封并接入氮气气氛保护的静电去夹杂设备进行非金属夹杂的去除工作，最后采用多层真空热封进行粉末的包装。经测试分析可知，高氮奥氏体不锈钢球形粉末平均粒径为90μm，粉末视觉球形度优异，表面光洁度高，基本消除卫星粉和空心粉现象。不锈钢中氮含量的质量百分数为0.61%。...

【技术保护点】
一种高氮不锈钢球形粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）按照普通不锈钢所需成分进行配料得到熔铸原料，通过熔炼工艺得到不锈钢铸锭；其次通过锻造工艺，将不锈钢铸锭制成组织致密的锻态棒料，经车床和精密数控车床的机械加工，得到符合等离子旋转电极法要求的不锈钢电极棒；2）将不锈钢电极棒置于雾化设备内，对雾化设备预抽真空处理，然后充入高纯氮气；3）开启雾化设备，利用等离子火炬加热不锈钢电极棒端面进行熔化，在雾化室内进行离心雾化制粉；4）通过粉末收集装置得到超纯净高氮不锈钢球形粉末，粉末粒度在15‑300μm之间；5）待粉末完全冷却，将所收集粉末通过静电除杂设备，去除非金属杂质，然后按要求筛分并真空包装。

【技术特征摘要】
1.一种高氮不锈钢球形粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）按照普通不锈钢所需成分进行配料得到熔铸原料，通过熔炼工艺得到不锈钢铸锭；其次通过锻造工艺，将不锈钢铸锭制成组织致密的锻态棒料，经车床和精密数控车床的机械加工，得到符合等离子旋转电极法要求的不锈钢电极棒；
2）将不锈钢电极棒置于雾化设备内，对雾化设备预抽真空处理，然后充入高纯氮气；
3）开启雾化设备，利用等离子火炬加热不锈钢电极棒端面进行熔化，在雾化室内进行离心雾化制粉；
4）通过粉末收集装置得到超纯净高氮不锈钢球形粉末，粉末粒度在15-300μm之间；
5）待粉末完全冷却，将所收集粉末通过静电除杂设备，去除非金属杂质，然后按要求筛分并真空包装。
2.根据权利要求1所述的一种高氮不锈钢球形粉末的制备方法，其特征在于，步骤1)所述普通不锈钢成分的重量百分比为，铬10-30%，锰0-20%，钼0-5%，镍0-20%，其余为铁；所述锻态电极棒的致密度大于99%，无明显疏松、缩孔等铸造缺陷，直径为10-90mm，长度为100-1000mm，表面粗糙度Ra不大于3.2μm。...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵霄昊，左振博，王庆相，陈小林，韩志宇，徐伟，张鹏，梁书锦，张平祥，
申请(专利权)人：西安欧中材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61