一种高氮不锈钢球形粉末的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属及合金粉末制备技术领域，特别涉及一种高氮不锈钢球形粉末的制备方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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(S卩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0.40 wt.%以上，马氏体不锈钢氮含量大于0.08 wt.%。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。
[0004]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。
[0005]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，本发明提出了一种高氮不锈钢球形粉末的制备方法。
【发明内容】
[0006]为克服上述现有技术的不足，本发明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。
[0007]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是: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15-300 μπι之间。
[0008]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I)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10-90 mm，长度为100-1000 mm，表面粗糙度Ra不大于3.2μηι。
[0009]步骤2)所述预抽真空度达到IX 10—3Pa-1O X 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 X 105-3 X 15 Pa，气氛氧含量的质量百分数小于0.01%。
[0010]步骤3)所述雾化室内壁应光滑，表面粗糙度应小于1.6μπι;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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]本发明的有益效果在于:
I)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。
[0014]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，提尚粉末成品率。
[0015]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。
[0016]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】
[0017]图1是本发明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。
[0018]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】
[0019]下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，而非限定其范围。
[0020]实施例1:高氮奥