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降低熔池外沿待破碎液膜區(qū)域的表面張力,制備細(xì)粒徑高氮含量的高氮鋼粉末
來源:西安賽隆增材技術(shù)股份有限公司 瀏覽 902 次 發(fā)布時(shí)間:2024-08-29
高氮鋼因其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐磨性、耐腐蝕性能而備受關(guān)注。由于引入元素氮,它與鋼種的其他元素(Mn、Cr、V、Nb、Ti等)交互作用,而賦予該鋼種許多優(yōu)異的性能。近年來高氮鋼被應(yīng)用到增材制造技術(shù)領(lǐng)域及粉末冶金領(lǐng)域,用于制備高性能大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。提供高品質(zhì)高氮鋼球形粉末是保證增材制造、粉末冶金制備高氮鋼零件性能的重要前提。
等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉技術(shù)是工業(yè)領(lǐng)域制備高品質(zhì)金屬粉末的方法,是制備高品質(zhì)鋼粉的理想技術(shù)。旋轉(zhuǎn)電極在制備高氮鋼粉末的過程中,因顆粒度大小不同,相應(yīng)的冷卻速率也存在區(qū)別,細(xì)粒徑粉末制粉過程中比粗粒徑粉末冷速更快,制粉過程中粉末中的氮元素析出更少,存留在粉末中的氮含量更高;粗粒徑粉末的氮含量較低。因此,制備出的粉末存在粗粉氮含量低、細(xì)粉氮含量高的問題。
現(xiàn)有技術(shù)中未提及等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉過程中的粗細(xì)粉末氮元素含量不一致問題,所制得的粉末不能完全滿足各粒度段對(duì)成分的要求,這大大增加了粉末的生產(chǎn)成本。
因此,有必要改善上述相關(guān)技術(shù)方案中存在的一個(gè)或者多個(gè)問題。
圖1制備高氮鋼粉末裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
100、霧化室;101、電極棒料;102、等離子槍;200、粉末分離裝置;300、后處理裝置;301、等離子體熱源。
一種制備高氮鋼粉末的裝置,包括霧化室100、氮?dú)獯邓脱b置(圖中未示出)、粉末分離裝置200以及后處理裝置300。
具體地,所述氮?dú)獯邓脱b置設(shè)置在所述霧化室100內(nèi),且利用所述氮?dú)獯邓脱b置吹送的氮?dú)庾饔糜陔姌O棒料101的外沿區(qū)域。所述氮?dú)獯邓脱b置可以設(shè)置在等離子槍102上,也可以設(shè)置在霧化室100內(nèi)壁上,但也不限于此。其中,可選地,所述氮?dú)獯邓脱b置的氮?dú)獬隹谥睆綖?~5mm,例如2mm、3mm、4mm等,但也不限于此;吹送所述氮?dú)獾牧髁繛?~40L/min,例如15L/min、20L/min、25L/min、30L/min等,但也不限于此。可選地,在一個(gè)實(shí)施例中,所述電極棒料101的外沿區(qū)域是指距離所述電極棒料101中心1/2半徑處至電極棒料101的邊沿所形成的區(qū)域,或者是距離所述電極棒料101中心2/3半徑處至電極棒料101的邊沿所形成的區(qū)域。
所述粉末分離裝置200用于將不同粒徑范圍內(nèi)的粉末進(jìn)行分離,例如將大于等于53微米的粉末分離出來作為粗粉,例如可以是旋風(fēng)分離器、篩網(wǎng)等。
所述后處理裝置300內(nèi)設(shè)有等離子體熱源301,且所述后處理裝置300內(nèi)充有氮?dú)?,?jīng)所述粉末分離裝置200分離出來的粗粉進(jìn)入所述后處理裝置300內(nèi)。利用所述等離子體熱源301和所述氮?dú)鈱?duì)所述粗粉進(jìn)行重熔增氮處理,其中,所述粗粉可以是指粒徑大于50微米的粉末。
本實(shí)施例中,利用氮?dú)鈱?duì)電極棒料101的外沿區(qū)域進(jìn)行作用,使氮?dú)馀c電極棒料101外沿的熔池進(jìn)行反應(yīng),熔池吸氮過程降低了熔池外沿待破碎液膜區(qū)域的表面張力,使粉末粒度更??;同時(shí)電極棒料101中心區(qū)域的液膜移動(dòng)到電極棒料101外沿時(shí),由于氮?dú)庾饔糜谕庋貐^(qū)域,會(huì)繼續(xù)對(duì)該液膜進(jìn)行擾動(dòng),降低了液膜的表面張力,進(jìn)而得到粒徑更小的粉末;由于制得的粉末粒徑更小,粉末冷卻速度較快,氮元素析出更少,存留在細(xì)粉中的氮含量更高,從而得到氮含量更高的高氮鋼粉末,最終達(dá)到制備細(xì)粒徑高氮含量的高氮鋼粉末。
可選地,在一些實(shí)施例中,所述等離子體熱源301的功率為0~200kW,例如50kW、100kW、150kW等;所述粗粉進(jìn)入所述后處理裝置300的速率為0~500g/min,例如100g/min、200g/min、300g/min等。
可選地,在一些實(shí)施例中,所述后處理裝置300內(nèi)的壓力為5×10-3Pa~10MPa;其中,氮?dú)夥謮簽?~9MPa,例如可以是2MPa、4MPa、7MPa等。
可選地,在一些實(shí)施例中,所述電極棒料101為鋼棒料。例如,Cr18Mn18奧氏體不銹鋼棒料、S42025(X40CrMoVN16-2)馬氏體不銹鋼棒料等。所述電極棒料101可以是氮含量較低的棒料,氮含量為0.05%~0.25%。
一種制備高氮鋼粉末的方法,利用以上實(shí)施例中的制備高氮鋼粉末的裝置進(jìn)行高氮鋼粉末制備,請(qǐng)參考圖2,所述方法包括以下步驟:
S101,對(duì)霧化室100、粉末分離裝置200和后處理裝置300進(jìn)行抽真空,然后通入惰性氣體;
S102,開啟氮?dú)獯邓脱b置,且所述氮?dú)獯邓脱b置吹送的氮?dú)庾饔糜陔姌O棒料101的外沿區(qū)域;
S103,旋轉(zhuǎn)電極棒料101,利用等離子槍101對(duì)電極棒料101進(jìn)行熔化制粉;
S104,利用粉末分離裝置200對(duì)制得的粉末進(jìn)行分離,分離得到的粗粉進(jìn)入后處理裝置300;
S105,利用等離子體熱源301和氮?dú)鈱?duì)進(jìn)入后處理裝置300的粗粉進(jìn)行重熔增氮處理,得到目標(biāo)氮含量的高氮鋼粉末。
本實(shí)施例中,利用氮?dú)鈱?duì)電極棒料101的外沿區(qū)域進(jìn)行作用,使氮?dú)馀c電極棒料101外沿的熔池進(jìn)行反應(yīng),熔池吸氮過程降低了熔池外沿待破碎液膜區(qū)域的表面張力,使粉末粒度更??;同時(shí)電極棒料101中心區(qū)域的液膜移動(dòng)到電極棒料101外沿時(shí),由于氮?dú)庾饔糜谕庋貐^(qū)域,會(huì)繼續(xù)對(duì)該液膜進(jìn)行擾動(dòng),降低了液膜的表面張力,進(jìn)而得到粒徑更小的粉末;由于制得的粉末粒徑更小,粉末冷卻速度較快,氮元素析出更少,存留在細(xì)粉中的氮含量更高,從而得到氮含量更高的高氮鋼粉末,最終達(dá)到制備細(xì)粒徑高氮含量的高氮鋼粉末。