CN106029267A - 铁基合金的离心雾化 - Google Patents

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Abstract

公开了用于通过旋转或离心雾化(CA)生产铁基合金粉末或颗粒材料的方法。本发明适用于通过离心雾化，特别是通过旋转元件雾化技术进行的离心雾化来获得钢粉末，尤其是工具钢粉末、高强度钢和性质相似的其他铁基合金。细的、光滑的、低氧含量且低散落物或者甚至无散落物的粉末于优选的非氧化性气氛下在雾化室中通过具有不同几何结构(例如，盘状、杯状…)的经冷却的旋转雾化装置进行雾化。

Description

铁基合金的离心雾化
技术领域
本发明涉及用于通过离心雾化，主要是通过旋转雾化元件技术生产一些高熔点合金粉末或颗粒材料的方法。本发明设计用于快速制造凝固的金属粉末。
概述
雾化是用于由铝、铁、低合金钢、不锈钢、工具钢、钛和高温合金(superalloy)等生产金属和预合金粉末的主要方法。虽然存在多种多样的雾化方法、工艺和技术，但是特别地水雾化或气体雾化持续地主导高熔点金属粉末的生产。这两种技术相对易于实施，但是能量效率较低，以及所生产的粉末的公知特征，例如，形状不规则、表面质量低、内孔隙率较高、粒径分布较宽(高几何标准偏差σg，约2.0至2.3)等。另一方面，其他技术例如离心雾化(CA)在某些工艺条件下表现出较高的能量效率和优异的粉末质量。然而，这些类型的工艺通常在技术上比前述技术更复杂。金属的离心熔融雾化是用于生产粉末的液态金属进料物理方法，其中熔融金属的液流被倾倒至旋转盘或类似物上并在离心力的作用下破碎并分散成细粉末颗粒物质，所述细粉末颗粒物质随后与空气接触而固化。离心雾化技术的潜力，尤其是用于工业应用的潜力由于缺乏对雾化的物理过程的深入科学理解以及缺乏可靠的设计而尚未完全开发。
传统上，工具钢粉末通过气体雾化或水雾化方法产生。一般而言，经水雾化的工具钢粉末末呈现出无规则形状的颗粒并且适用于模压和烧结成较高的理论密度。虽然经气体雾化的工具钢粉末末呈现出具有高表观密度的球形或近似球形颗粒，但是这样可能需要热或冷等静压固结。与锻造和常规生产的产品相比，工具钢粉末冶金的关键因素主要基于可以获得的均匀的显微组织，以及在其化学组成上较高的均一性。这种情况例如在热处理期间产生优异的韧度值和较小的变形，有助于提高工具使用寿命。
虽然进行离心雾化用于以商业、近似商业、实验室和小型中试规模生产各种各样的金属和金属合金，但是该技术出乎意料地尚未被全面并广泛地开发用于大规模生产铁基合金。CA(离心雾化)在工业规模上应用于很多单一应用，特别是用于表现出较低熔融温度的合金，由此旋转元件的腐蚀问题并不能成为关键的技术挑战。
Ti、Ni、Fe等通常通过适当的雾化旋转元件配置，一些具体的合金可利用几乎任何雾化旋转元件配置，但需考虑其他参数。然而，与已观察到和所提到的相反，本发明人发现，采取某些预防措置，离心雾化旋转元件技术适用于生产某些钢粉末，尤其是工具钢粉末、高强度钢和其他类似特性的铁基合金。此外，本发明人示出可使雾化技术成为最经济的技术，实现期望规格的铁基粉末并节省大量能量和相关成本。
背景技术
虽然关于所述主题存在非常全面的文献综述[Metal Powder Industry,ISBN-13:978-187895415,1992；Oxford University Press,ISBN-13:978-0198562580,1994；ASMInternational,ISBN-13:978-0871703873,1998；Metal Powder Industry,ISBN-13:978-0976205715,2005]，但是将在以下段落中简要地回顾雾化及其相关方面的现有技术情况。熔体雾化是在周围气氛中将大团液体(bulk liquid)转变成液滴喷雾。所述大团液体通过使物质熔融来形成，所述物质在标准的压力和温度条件下为固态，在雾化阶段和随后的冷却之后最终产物为粉末。金属雾化是允许生产宽范围的组成和粒径的金属粉末的最常见的方法。虽然在科学文献中已发现关于粉末冶金和雾化的优秀综述，但是以下特别强调CA对金属粉末的一些相关方面进行描述。目前，铁质粉末或非铁粉末主要通过水雾化和气体雾化来生产，而离心雾化技术仍为次级技术[Ed.Metal Powder Industry,ISBN-13:978-1878954152,第41至43页,1992；ASM International,ISBN-13:978-0871703873,第35至52页,1998；Elsevier Science,ISBN-13:978-1856174794,第161页,2006]。离心熔体雾化(也被称为旋转盘、旋转杯或旋转雾化)定义为用于获得粉末的液态金属进料的物理方法，其中熔融金属的液流被倒入旋转盘(SDA)或类似物并在旋转装置(mean)产生的离心力的作用下分散成小滴、片状或带状喷雾，其随后与空气接触固化[ASM International,ISBN-13:978-0871703873,第35至52页,1998]。经离心雾化的金属的主要市场在于多个完善建立的并且高价值的应用，例如电焊膏、用于碱性电池的锌、钛粒和钢粒以及一些热喷雾和磁性粉末[Proc.of Int.Conf.on Spray Deposition and Melt Forming,Bremen第1至6页,2006]。
通常，离心雾化方法比气体雾化和水雾化的能量效率高得多，并且还通常产生比前述技术窄得多的粒径分布[ASM International,ISBN-13:978-0871703873,第35至52页,1998]。当使用适当的工艺参数时，在惰性气氛或真空气氛下获得的经离心雾化的粉末通常为球形或近似球形并且具有光滑的表面以及对于一些合金而言在低运行成本下非常好的生产收益率。对于一些合金，在本发明之前不可能考虑以工业上可接受的水平使用所述技术。
然而，当将离心雾化技术应用于较高熔点的金属时，由于需要增大雾化室的直径而难以以最高转速运行。此外，旋转元件上的液体的过早凝固(凝壳)以及不平衡力、腐蚀、热疲劳和材料的相容性这些问题导致大量的旋转盘组件维护成本。用于制备高温合金粉末的由Pratt&Whitney-联合技术(美国专利No.4078873和美国专利No.U.S.4343750A)开发的快速凝固速率工艺(RSR)是最知名的离心雾化技术之一。为了克服高熔点和腐蚀合金的处理问题，所述工艺采用与高压氦气组合的高速水冷却旋转盘以增加凝固速率。最大的RSR设备可以在直径约5m的喷雾室和封闭的氦气再循环系统内处理最高达900kg的批量。对于Ni基高温合金生产速率达到最高1100kg·h-1。在这种情况下，高体积的氦气的使用也是另一个缺点。由于这些缺点，水雾化和气体雾化持续主导高熔点金属粉末的生产。美国专利No.4374074(A)公布了用于使用旋转盘由金属、熔渣或助熔剂的熔体生产特定固定尺寸的球形颗粒或纤维的工艺，使用旋转盘是为了：在盘上形成边界层的薄膜流；以高的速度使所述薄膜流从盘边缘喷射至周围空间中以使所述膜流分裂成线性流；以及使所述线性流冷却以产生纤维，或者在具有与所述线性流平行或相反的气体流或没有所述气体流的情况下进一步使所述各个线性流分裂成液滴以产生球形颗粒之后使所述液滴冷却。旋转雾化元件由具有平坦耐高温表面的平坦盘块构成，所述平坦盘块由支承于金属保持器的不同的耐高温材料制成，所述金属保持器由耐热钢制成。本发明人提出，为了产生球形颗粒，最佳条件是在室温或更低温度下且在常压或更高压力下形成方向与从旋转盘外周喷射的熔体自由线性流的方向相反的额外气体喷射流所获得的。根据本发明人，旋转盘的转速优选调节至3000rpm至30000rpm，并且在本发明公开的工艺中使用的旋转盘的有效直径优选为50mm至200mm。
已经提出了很多生产工艺以通过将熔体倒入旋转元件的表面生产球形、近似球形和其他非球形典型外观的金属颗粒(针状、纤维状、薄片状、中空的、树枝状、不规则的、聚集体、海绵状等)。关于非球形颗粒的生产，美国专利No.US 4063942(A)涉及新金属产品，即出于粉末冶金目的适用于生产金属粉末的金属薄片产品，并且其还描述了用于制造所述金属薄片产品的方法。根据本发明，该新产品为由多个较薄的、脆性且易碎的，基本上不含枝状晶的，非晶态至致密晶粒结构的金属薄片构成的金属薄片制品。颗粒通过使钢水在基本上横越钢水的递送方向快速移动的冷却能力大的较冷金属表面(平坦盘、杯)上形成至少一个离散的，较薄的片状层来产生。由于大的冷却能力，使得所述层极快地凝固(有利地至少约10-6C·s-1)。根据本发明人，为了便于后续使所述金属薄片破碎成所需粒径的粉末，可相互调节决定所述片的尺寸的制造参数。因此，所述片的厚度至多为约0.50mm并且优选至多为约0.10mm。因此，所述参数也被互相调节以使得所述片的长度/厚度比为至少100，所述片的宽度/厚度比为至少约20，并且所述片的长度/宽度比至多为约5。片状粉末生产工艺的另一个实例公开在日本专利No.H02 34706(A)中，其涉及用于通过使玻璃、金属(不锈钢、Ag、Al、Cu、Ni和Zn)等的熔融材料流动通过雾化气体并在凝固之前使所形成的液滴撞击圆锥型或喇叭型旋转冷却元件来以高产量制造片状粉末的工艺。有意思的是，在这种情况下，使用与旋转杯型元件相比较不常用的圆锥形旋转元件，然而其就与待处理的材料接触的表面是光滑的而没有任何突起部或隆起部的方面而言具有相同的基本特性。本专利旨在获得球形或近似球形的金属颗粒，这是与其他待克服的难题完全不同的生产技术。此外，在旋转元件的旋转轴和浇铸的熔融金属流的轴均平行移动的两种情况下，使得熔融金属流和/或经气体雾化的流偏心撞击在旋转冷却元件上。
金属粉末的开发和生产，特别是经由雾化的开发和生产是以连续并持久的方式发展的领域。其已被广泛承认是生产具有特定性质的粉末形式的原材料的非常优异的方法，以用于被称为粉末冶金(PM)或颗粒材料技术的广泛发展的应用中，例如，添加或层制造(快速制造/成型、3D打印、激光成形等)、热喷涂、焊接、金属注射成型(MIM)、粉末锻造、挤压成型、热等静压(HIP)等。通过HIP(高压和高温)或等效技术对一些合金金属粉末进行的固结可以产生具有细晶粒显微组织没有夹杂物和偏析的高质量和高性能部件，获得高的表观密度或者甚至全密度。
此外，从技术角度来看，离心雾化技术由于所生产的粉末的高成本而没有如所期望的那样快速发展，这种技术用于高熔点材料的部分成功可能归因于涉及获得的粉末的质量和特性的技术和经济难题，例如形貌、表面质量、显微组织(在不同水平，例如纳米和毫微微米)、小生产量、生产率(产率)、成本等。
熔体的雾化具有对于金属粉末生产具有很多应用和优点，并且在这种技术的开发中的主要难题是缺乏用于处理熔融金属的合适的材料和方法。同时，一些最有吸引力的益处是合金时高度的灵活性、杂质的控制和仅可以通过这种方式产生预合金粉末的化学组成的均匀性。已开发了多种雾化技术用于由铁质合金和非铁合金生产金属粉末和预合金粉末。已经广泛地开发的这些技术中的一些并且用于大规模生产(在世界范围内超过95％的雾化生产量)，包括双流体雾化，例如气体雾化、水雾化和油雾化、真空雾化和旋转电极雾化。但是已经在实验室和中试规模对其他技术进行了评估并且可将其视为近似商业的技术，例如旋转盘雾化等。
在双流体雾化中，从喷嘴流出的熔融金属流通过以某个角度向下的一种或多种流体(例如，水、气体)喷射流的作用而破碎。由于从雾化气体到熔融金属的动量传递，产生了金属液滴的细分散体。所述流体喷射流使所述金属流破碎成液滴，所述液滴被立即淬火并落至雾化容器的底部。对于水雾化，金属粉末/水浆料被移除以进行过滤、干燥并且在一些情况下在还原性气氛中进行退火。水雾化是铁质金属粉末和具有易于还原的氧化物的金属的主要雾化方法。水雾化的最大商业应用涉及铁粉生产，但是也用于铜、铜合金、镍、镍合金、工具钢、不锈钢和贵金属粉末的商业生产。通常，水雾化由于雾化介质(水)的成本降低、用于其增压而消耗的能量低和该方法的固有生产率高而比其他雾化技术便宜。这种技术的主要限制为具有宽液滴尺寸对数正态分布(几何标准偏差为1.8至3.0)的无规则形状的颗粒、粉末纯度和对于活性金属的高氧含量。通常，覆盖于液滴表面的氧化膜的形成和耐高温氧化物的存在阻止上述液滴的球化。水雾化的冷却速率比气体雾化(N或Ar)的冷却速率大一个或两个数目级[ASMInternational,ISBN-13:978-0871703873,第35至52页,1998]。
惰性气体雾化(IGA)是有效生产颗粒金属和具有高氧化倾向性的合金或具有其氧化物难以还原的组分的合金的最广泛的方法。金属的气体雾化包括熔体与雾化气体(Ar、N、He、空气)的相互作用，并且其用于铝、铝合金、铜及其合金、镁、锌、钛、钛合金、镍基合金、钴基合金、锡、铅等的粉末的商业生产。这种技术以1E+02℃·s-1至1E+05℃·s-1的冷却速率且以低能量效率进行。通常，经惰性气体雾化的粉末呈现出对数正态尺寸分布，其中几何标准偏差接近2.0。在这种情况下，平均粒径受控于气体-金属流量比，而对于水雾化，平均粒径受控于水喷射流的压力(速度)。经气体雾化的粉末的表面通常是光滑的具有蜂窝状或枝晶状显微组织，然而在实际中，主要对于铝基合金、铜和锌合金而言，光滑度和球度的大的变化是常见的。另一个与气体雾化相关的缺点为颗粒中少量雾化惰性气体的截留，这会导致多孔性，在氩气和粗颗粒的情况下尤其如此。然而，存在一些寻求这种效果的雾化应用。例如，美国专利No.4768577(A)描述了一种方法和由此生产的金属粉末，其中有益水平的截留气体(浓度)在雾化工艺的特定参数下被引入金属。可以简要地确定，美国专利No.4768577(A)作为该发明的一般目的公开了一种在金属中掺杂惰性气体的方法。在一种形式中，本发明的更特定的目的是提供用于在304型不锈钢中产生预选水平的He的方法。该发明的一般目的还在于用于制备含有有益水平的截留惰性气体的金属和雾化的金属粉末的方法。此外，另一个一般目的是提供用于制备含有有益水平的截留惰性气体的金属的方法。在所参考的用于生产经雾化的金属粉末的系统中，待雾化的熔融金属流被递送至旋转的光滑的杯形旋转元件上。气体递送装置由歧管构成以提供骤冷气体(例如，He)流使经雾化的粉末快速冷却。提供的方法对于304型不锈钢似乎是合理的。该文献几乎没有提供关于所使用的工艺参数的见解。未指出用于雾化的旋转元件为陶瓷性质的。其描述了所获得的具有优良细度的粉末而未提供尺寸值。未指出可获得高球度水平。
最后，应注意，离心雾化或旋转雾化方法的能量效率迄今均远比水雾化或气体雾化的更高，并且还产生窄得多的粒径分布，其中几何标准偏差为1.2至1.4。这种技术可以在最高达1E+05℃·s-1的高冷却速率下操作，用于生产用于电子应用的钎料粉末、锌、铝、铝合金、镁、镍基高温合金以及甚至活性和耐高温金属(例如钼和钛)。在一个简单的模具中，液滴形成涉及旋转引起的加速力与液体表面张力之间的力平衡。因此，充分确定经离心雾化的颗粒的平均直径(d50)以重要性递减的顺序主要受控于角速度、旋转元件的直径、金属表面张力/密度比、熔融金属进料速率和黏度。
虽然存在上述优点，但是离心雾化并且尤其是离心盘雾化由于一些技术限制而未以工业规模广泛地用于粉末生产。多个研究人员宣称用于工业应用的离心雾化的全部潜力的实现受阻于缺乏对工艺的深入科学理解和可靠的设计[ModellingSimul.Mater.Sci.Eng.第12卷,第959至971页,2004,Powder Metall.,第47卷,第168至172页2004；Proc.of Int.Conf.on Spray Deposition and Melt Forming,Bremen第1至6页,2006]。就此而言，很多研究人员已投入了大量努力来开发和理解雾化工艺中涉及的现象[Advances in Powder Metallurgy&Particulate Materials,第1卷,第79至88页,1992；Powder Metall.,第44卷,第171至176页,2001；Powder Metall.,第46卷,第342至348页,2003；Powder Metall.,第47卷,第168至172页,2004；Mater.Design,第27卷,第745至750页,2006；Sci.Technol.Adv.Mat.,第8卷,第264至270页,2007；Proc.R.Soc.A,第467卷,第361至380页,2011]。此外，当该技术的应用涉及高熔融温度材料时，这种情况甚至更为放大。
在过去数十年内，已经开发离心雾化用于由各种金属材料和合金包括Al、Co、Cu、Mg、Ni、Pb、Sn、Ti、Zn及其合金制造粉末。在以下段落中，引用了科学文献中描述并且主要涉及实验室或中试规模应用的几个实例。
一些作者研究了雾化器设计和工艺参数对经离心雾化的纯锡、纯铅、锌、铝和铝合金粉末的形貌和尺寸分布的影响[Powder Metall.,第44卷,第171至176页,2001；PowderMetall.,第46卷,第342至348页,2003；Powder Metall.,第47卷,第168至172页,2004；Powder Metall.,第48卷,第163至170页,2005]。另外一些作者使用离心雾化技术获得钎料粉末，例如，Sn-Pb和Sn-Cu[Russian J.of Non-Ferrous Metals,第51卷,第250至254页,2010]和无铅钎料粉末[Pow-der Technol.,第214卷,第506至512页,2011]。Sungkhaphaitoon[Int.J.of Appl.Phy.and Math.,第2卷,第2期,2012年3月]研究了操作条件对经离心雾化的锌粉的平均粒径、粒径分布、产量和形貌的影响。Angers等[Advancesin Powder Metall.&Particulate Mater.,第1卷,第79至88页,1992；Int.J.ofPowderMetall.,第30卷,第429至434页,1994；Mater.Lett.,第33卷,第13至18页,1997]和Labreque等[Can.Metall.Q.,第3卷,第169至175页,1997]使用倒置的盘配置分别研究铝和镁合金的离心雾化。类似地，Sheikhaliev等[Metal Powder Report,第63卷,第28至30页,2008]研究了氧气含量对铝粉末颗粒的形状和粒径分布的影响。此外，在Neikov等[ElsevierScience,ISBN-13:978-1856174220,2005]编辑的书中提供了生产非铁金属粉末及其合金的出色的观点。
RSR方法的使用允许生产、分析和描述镍基高温合金(例如，IN100)、铁基高温合金(例如，JBK-75)、钢、铝合金、304不锈钢和少量活性金属例如钛和钼等的快速凝固金属粉末的显微组织和相关系的特征[Metall.Trans.A,第10卷,第191至197页,1979；Metall.Trans.A,第13卷,第1535至1546页,1982；Metall.Trans.A,第19卷,第2399至2405页,1988]。
Katoh等[Tetsu-to-Hagané/J.Iron Steel Inst.Jpn.,第71卷,第719至726页,1985；Ma-ter.Trans.,JIM,第31卷,第363至374页,1990]开发了一种液化氦气冷却离心雾化技术以生产Ni基高温合金粉末。此外，Folio和Lacour[Powder Metall.,第43卷,第245至252页,2000]描述了一种与感应等离子体技术相关的离心雾化工艺，用于生产金属粉末例如Ni基高温合金、Ti合金和纯Cu。例如，在美国专利No.4731517(A)中公开的发明涉及用于生产粒径极细、密度高和晶粒结构最佳的陶瓷粉末和金属粉末的雾化技术。因此，该发明的主要目的之一是使等离子体炬熔融与撞击雾化和快速冷却步骤结合以获得高度期望的非常细的金属颗粒粉末或陶瓷颗粒粉末，其中粒径为0.10微米至25微米。美国专利No.4731517(A)中描述的装置包括使用的环形带和旋转平坦金属或陶瓷盘(水平面或垂直面设置)，具有附件例如旋转刷和擦拭海绵作为雾化的元件。关于使用旋转盘生产金属粉末，可以通过如以下所述实例所示看出：所述旋转盘用于以约4.5kg·h-1(10kg·h-1)的较低的速率将316L不锈钢和聚集的Mo粉递送至等离子枪。离心雾化技术也被用于制造增强金属基体复合物。Eslamian等[Powder Technol.,第184卷,第11至20页,2008]描述了实验室规模的通过在即将进行离心雾化之前将碳化硅颗粒注入熔融铝合金来生产金属基体复合物的技术的开发。Halada等[Mater.Trans.,JIM,第31卷,第322至326页,1990]甚至将铁-稀土、Nd、Gd或Tb合金粉末与共晶组分离心雾化。Kim等[J.of Nuclear Mater.,第245卷,第179至184页,1997]报导了用于获得U-Si和U-Mo反应器燃料合金的离心雾化工艺。根据同样的研究思路，Park等[J.of Nuclear Mater.,第265卷,第38至43页,1999]表征了通过离心盘雾化工艺制备的U-Nb-Zr分散体燃料合金。德国专利No.DE 10064056(A1)公开了用于制备高铬铸铁的烧结体的方法，与相同铸铁的常规铸体相比，所述烧结体具有大大改善的机械特性。所述方法包括通过熔体的骤冷凝固(例如通过离心喷射雾化)来制备铸铁合金粉末的步骤等。熔体的这种骤冷凝固处理优选通过离心喷射雾化法来进行，其中熔体被喷射至以高速度旋转的骤冷盘以通过离心力将其雾化成细液滴，所述细液滴通过吹入的惰性气体而骤冷以凝固从而得到细颗粒。尽管所述文献强调了离心雾化工艺的一些优点并且描述的一些冷却速率值，但是在所述文献中，例如并未描述所使用的熔融金属流量、旋转的操作条件、旋转元件的尺寸等。清楚的是(第13栏，第11至15行)待处理的材料为具有高铬含量的铸铁，同时本文中经处理的材料主要为钢、特种钢和工具钢。此外，在DE 10064056(A1)中，离心喷射雾化使用与德国专利No.899893(用于存在3％至4％的碳的铁合金)中先行公开并确定的平坦旋转元件或平坦旋转盘来进行。
虽然离心雾化在很大程度上被认可是获得低熔点金属粉末的方法，但是容易证明其仍为用于高熔点金属和合金(例如低合金钢、镍和钛合金)的粉末生产的次级方法。工具钢粉末的基本上全部毛生产量均通过水雾化或气体雾化方法以高标准纯净度进行。虽然前者得到不规则形状的颗粒并且适用于常规模压和烧结至高密度或理论密度，但是经气体雾化的工具钢粉末呈现出球形颗粒形状并且通常通过HIP、MIM或挤压固结至全密度。因此，可注意到，通过不同方法获得的粉末在颗粒形状和化学组成方面均不同并且偶尔需要不同的固结技术。
从一种雾化技术到另一种雾化技术的改变不仅在获得的粉末的形貌、表面质量、粒径分布和甚至组成方面引起显著改变，而且还在粉末显微组织特性方面引起可见且显著的差异。充分确定的是经雾化的粉末的显微组织特征受控于凝固速率、热梯度和冷却速率之间的关系，还受工艺操作条件和待雾化的金属的物理特性影响。所产生的显微组织(平面的、蜂窝状的、枝晶状或类似枝晶状显微组织)的形成强烈地取决于这些变量的组合。
如上所示，以商业、近似商业以及实验室和小型中试规模进行离心雾化以生产各种金属和金属合金。甚至可以看到将该技术用于高熔融温度或更高熔点的合金以生产易于处理和雾化的量的粉末。
虽然高熔融温度的金属合金(例如，铁基合金和镍基合金)的离心雾化已经在近似商业的生产中实现，但是可以说这种技术应用至较大规模(工业规模)来生产铁基粉末合金和工具钢粉末(对于P/M应用而言尺寸足够)是重要且复杂的任务，是完全不同的并且具有待克服新的挑战。这需要合适的设计以处理更大的熔融金属进料速率(足以使所述技术转换成有吸引力的解决方案)，解决与旋转元件(盘)和材料、由熔融金属引起的腐蚀、冷却等相关的技术问题。
然而，与已经观察到和提到的相反，本发明人发现，采取某些预防措置，离心盘雾化技术适用于生产一些铁基粉末并且还可以转变成最经济的技术，实现期望规格的钢粉末并节省大量能量。
待解决的问题
本发明的主要目的是借助离心雾化以经济的方式生产球形或近似球形的金属粉末。
具体实施方式
根据本发明提出了一种方法，其中钢粉末，尤其是工具钢粉末和其他一些具有相似特性的铁基合金通过离心雾化，特别是通过转动/旋转(spinning/rotating)雾化技术来生产。
在本发明的一种可能的解释中，其可以以下方法实现。制造两个不同且独立的室或容器：(i)熔融容器和(ii)雾化容器，其处于较低的物理位置。明显地，存在很多其他的配置，而这是很多可能的实例中特定的一种。
关于熔融容器，其由真空感应炉(VIM，真空感应熔融炉)、特别设计并安装在合适的框架结构上的设备和辅助中间包构成，所述框架结构允许系统在不同的配置下运行。雾化室由不锈钢板构成并且安装在设置有辅助设备、观察视口等的支承结构上，所述辅助设备用于监控温度，测量氧含量、真空水平，所述观察视口用于使用高速摄影机监控并拍摄雾化过程。雾化室具有圆筒形的上部，而底部为倒置圆锥形状。两个腔室均允许在不同水平的真空条件下，甚至在惰性气氛(例如Ar、N、He、气体混合物或类似物)中运行。
以垂直旋转轴布置组装的雾化旋转元件位于雾化容器中，在特别设计的中间包喷嘴之下仅数毫米。可以安装雾化器元件的驱动轴以使其通过任何期望的方式旋转，并且所述驱动轴通过电动机以如下转速进行驱动：低于40000rpm，优选低于33000rpm，更优选低于22000rpm，或者甚至更优选低于15000rpm。然而对于获得的颗粒材料的一些特定应用，优选最小转速为25000rpm，优选高于30000rpm，更优选高于45000rpm，或者甚至更优选高于60000rpm。而提到的电动机，可以使用任何公知的驱动方式，例如可以使用空气涡轮机或任何旋转装置并且甚至更高的转速(最高达100000rpm或以上并且甚至最高于200000rpm)。同时具有电动机的雾化旋转元件可使用安装在金属支承结构上的伺服机动多轴系统在不同的坐标处进行设置和调节。以多种材料(高机械强度和不同的热导率)、直径和几何形状构造的雾化器元件(例如，盘、杯、…)还可以结合单层或多层顶涂覆的表面和特别设计的高冷却系统，然而在本文中未进行过多的详述。
本发明的发明人注意到，对于本发明的合适开发和运行，关键方面是旋转元件(例如，盘、杯子、…)的设计。雾化旋转元件定义为负责进行液态金属雾化的运行或物理机制的元件。值得提及的是：虽然在多个情况下本发明人把雾化旋转元件称作旋转或转动盘雾化器，但是也可包括任何其他雾化旋转元件几何结构的使用，例如平坦的盘、杯、圆锥体、倒置的圆锥体或任何其他合适的几何结构并且甚至还考虑使用一定数目的翼形部或翅片。也可将这些翼形部定义为旋转元件表面向上的具有一定横截面和给定挤压路径的突起部，所述挤压路径最终形成液态金属流动通过的通道。鉴于难以使合金雾化，翼形部或其他隆起部(以本文定义的方法)和其设计是本发明的关键方面，因为其将提供独立于工作表面处的盘材料与熔融金属之间的润湿角的必需阻力等。图2示出了最多使用和报导的雾化盘(例如平坦盘、杯形盘和圆锥盘等)的多个横截面。图3至6示出了多个根据本发明的雾化旋转元件。可以观察到，这些元件可以使用可利用根据本发明的其他材料制造的盖和中心元件来运用。
具有不同的化学组成和不同的最佳工艺参数的合金的雾化使得本发明需要不同的盘构造。尽管所述盘接收大量的能量，但是本发明人意外发现能够在比较冷的盘条件下用本发明的一些组成(不管其高熔融温度)操作并且由此防止劣化和腐蚀。对于此，本发明人发现需要不与熔融金属反应且具有高机械特性(优选高导热率和高熔融温度)的金属盘。重要地是应注意，除了由于熔融金属产生的热应力之外还由于旋转期间产生的离心力，所述盘所需的机械特性极高。
关于旋转盘的设计和结构，可使用如下任意合金或材料：期望的熔点高于1200℃或以上，优选大于1400℃，更优选大于2200℃或以上；并且期望的高热导率大于36W·m-1·K-1，优选大于52W·m-1·K-1，更优选大于68W·m-1·K-1，甚至优选大于82W·m-1·K-1或以上；并且期望的高机械强度高于460MPa，优选大于680MPa，更优选大于820MPa或者甚至大于1200MPa或以上。旋转盘必须充分冷却，所述冷却可以通过使用气体或者甚至水的喷射来实现。此外，所述盘具有不漏水-雾的结构设计是必要的。
本发明人已发现，对于本发明的组合物的一些应用，建议用陶瓷材料涂层的薄层(例如，单层、多层…)覆盖所述盘。对于本发明的合金组合物的一些特定应用，最好的盘配置利用高热导率的陶瓷盘(例如，AlN、BN…)得到。所述盘必须被制造成可以抵抗机械应力并且应被冷却(虽然通常不像以前的配置那样严格)，而且本发明人意外地发现所述盘不会被热冲击破坏。
对于以前所有的配置，尤其当不需要过度冷却时，本发明人已发现，可以有利地使用具有高机械特性和低热导率的保持器-盘附件，所述保持器-盘附件起热绝缘的作用以避免由大量的熔融金属产生的热影响驱动盘系统。该附件必须用表现出高机械特性和低热导率的材料构造，例如完全稳定的氧化锆(FSZ)或部分稳定的氧化锆(PSZ)或甚至高强度氧化铝等。对于低热导率高合金钢材料，可以使用钛合金等。对于本发明的组合物的一些应用，并且当可润湿性(定义为液体保持与固体表面接触的能力)不作为关键参数时，本发明人发现，与在保持器-盘附件的情况一样，使用高机械性质和低热导率的盘是令人关注的，然而这种情况下所述盘未经冷却或几乎未经冷却。
对于所有配置，本发明人已发现，以与熔融材料相似或相关的材料或者甚至可以对熔融材料在旋转盘上的滑动产生相同的积极影响的材料的材料涂层覆盖旋转元件是有利的。根据待雾化的金属，旋转元件可以涂覆有对其稳定的化合物。涂料化合物基于涂料化合物的熔融温度和旋转元件的材料与熔融金属在高温下(倾倒入)的反应性水平来选择。在雾化期间，液态金属被倾倒在经涂覆的旋转盘上，根据雾化条件，液态金属可以与涂层结合并且可以形成稳定的改善可润湿性的壳(通常为环形并且定义为雾化器表面上的过早凝固层)。
上面提及并描述的陶瓷材料可以在多种配置下使用，例如陶瓷材料仅在旋转盘的一个特定区域中(例如在中心中)使用，因为其是热腐蚀的最大的区域。
特别地，本发明的发明人还注意到，对于本发明的合适开发和运行，另一个关键因素是准确设计旋转元件几何结构以改善滑动等级。如所提及的并且根据应用，可主要提高旋转元件的转速等来改善经雾化的粉末的特性。液体与旋转元件之间的滑动(即，相对速度差)是主要与平坦的旋转雾化器相关的问题并且是主要的缺点，特别是在高转速下。滑动的一个直接结果是其可能促进熔融金属自盘外周喷出的速度比旋转元件的外周速度低。使滑动水平最小化可以包括使用设置有多个翼形部或翅片(例如，直的、弯曲的…)、通道、导引物和其他使液体能够导至外周的流控制装置的旋转元件。翼形部的几何结构可以存在单曲率或双曲率并且其几何布局可以为径向的或任何其他适用于雾化目的的布局。有翼形部的雾化器通过粘性摩擦减少滑动并且提高金属流动速度，从而改善雾化性能和其均匀性。观察到滑动程度取决于雾化器几何结构、转速、熔融金属的质量流量和熔融金属与雾化器元件之间的表面润湿性。关于以上提到的内容，非常令人关注的是旋转元件可以引起更大的机械阻力或大量液态金属的滑动并且因此需要具有合适的旋转元件设计。对于本文中公开的发明并且对于非径向分布的翼形部(翅片等)，本发明人发现特别有利的是翼形部分布的确定优选如在科学文献中报道的某些分析模型中提出的那样进行，所述科学文献描述了离心雾化之前液体在旋转盘上流动并且预测了液态金属在旋转盘上的速度[Zhao,Y.Y等,Adv.Powder.Metall.Part.Mater.,第3卷,第9/79至9/89页,1996；Zhao,Y.Y等,Metall.Mater.Trans.B,第29(6)卷,第1357至1369页,1998]。开发的数学模型能够根据盘的半径、液体运动黏度、体积流量、金属静压头和盘转速预测厚度分布以及液态金属的径向和切向速度的变化。通过使用速度的预测值，可以测量并计算雾化旋转元件上液态金属的流线。根据这些模型，可以说，液态金属流动主要受控于体积流量和小半径的金属静压头和较大盘半径的离心力。特别地，本发明人发现重要的是，使翼形部或隆起部优选在至少10％的翼形部长度上(优选至少27％，更优选至少58％，甚至更优选88％或以上并且明显地100％也是所期望的情况)相当接近地符合熔融金属的所预测的轨迹(根据指示计算的流线)。
在前面段落中，在提到翼形部“相当接近地”遵循所预测的轨迹时，其通常是可量化的，所述量化根据预期的最终应用以如下两种方法中之一进行。一种方法可以通过量化与所预测的轨迹正交测量的最大偏差来进行，所述偏差不应超过D/4，优选不应超过D/6，更优选不应超过D/8，更优选不应超过D/15，并且甚至更优选D/50，其中D为定义为的盘直径，其中D最大和D最小分别为旋转元件的最大和最小直径。另一种用于量化偏差的优选方法包括评估通过所预测的轨迹与翼形部靠近所预测的轨迹最近的点限定的曲线之间的区域限定的表面限定的面积，其不应超过A/5，优选其不应超过A/12，更优选其不应超过A/50，并且甚至更优选其不应超过A/100，其中A为旋转元件的总面积。
在本文中，应将隆起部理解为在旋转元件的工作表面上的任何突出部或突起部。在本文中旋转元件的工作表面为直接接触熔融金属的表面。也就是说，在旋转元件的工作表面通过由母线(generatrix)绕轴线旋转生成的表面而被模型化或复制，并且该轴线和母线被选择为使得由该生成的经修改的表面正确复制的旋转元件的工作表面的量最大化时，那么本文中定义的隆起部为旋转元件的实际工作表面的任何不存在于模型化或所生成的表面(所述表面通过使母线绕轴线旋转获得)的部分。
在本文中，应将插入线理解为当隆起部自旋转元件的中心至边缘径向前进并且使横截面垂直于该前进方向时，由隆起部的每个横截面限定的点的序列。每个横截面的插入线的点为由隆起部和所产生的表面一致的所有点在横截面中产生的表面或线的质心。
本发明人已认识到在将盖设置在旋转盘上时出现非常特殊的情况。然后液态金属必须在通道或翼形部中流通。虽然人们理论上期望这种限制有益于液体的阻力(所述液体的阻力涉及液体在旋转元件的工作表面内的冲击)，但是与这种期望相反，已发现除非采取一些特定的措施，否则粉末将倾向于不太成球形并且具有更多的散落物(satellite)。这可能是由熔融金属中产生的涡流造成的。第一观察涉及在熔融金属的温度高时应至少为3的翼形部的数目(此处熔融金属的高温可以认为是880℃或更高，优选1040℃或更高，更优选1026℃或更高，或者甚至1560℃或更高)。优选地，对于熔融金属方案的这种高温，翼形部的数目应为至少5，更优选至少7，或者甚至至少9。在熔融金属的较低温度的情况下，翼形部的数目甚至应更大使得应使用至少5个翼形部，优选至少7个翼形部，更优选至少9个翼形部，或者甚至至少11个翼形部。就此而言，研究人员发现，对于高熔点合金的情况，当使用合适的材料时，可以使用直的或径向的翼形部，并且当其数目优选为大于6，优选大于9，更优选大于11，甚至优选大于15时，获得更好的结果。当涉及到用于构造翼形部的材料时，令人关注地发现，对于处理高熔点合金的一些应用，旋转雾化元件可以由耐高温材料制成，甚至用不同的耐高温材料或者甚至用与待雾化的材料相同的材料进行涂覆，所述材料来自以下：熔结的硅石墨(fused silicon graphite)、全稳定的氧化锆(FSZ)、部分稳定的氧化锆(PSZ)、碳化硅、氮化硅、锆石、氧化铝、氧化镁，例如AlN、C(石墨)、BN、Si3N4、MgZrO3、CaO、Si-AlON、AlTiO3、ZrO2、SiC、Al2O3、MgO等。
另外观察到，在限制液体(通道或翼形部)的情况下，处理的液体的熔融温度起非常重要的作用。从这整个文件不难看出，不仅熔点而且液体的性质在解决如下挑战时起主要作用：获得散落物很少的高度球形并且尺寸分布窄的金属粉末。所以对于很多体系，并且特别是铁体系随后是镍和钛体系，每一种组成引起不同的挑战。此外，熔体的过热对旋转元件的设计和性质以及必需的工艺参数具有很大影响，但是在本文中，认为过热本身即为工艺参数。当涉及旋转元件的经设计的工作表面时，除了在前述段落中已经指出的差异之外，还观察到低熔点合金常常会比更高熔点的合金需要更大的过热。
在这种情况下，之前对设计的考虑依然有效，其中滑动水平为限制性因素。本发明人发现，对于本发明的组合物的一些应用，优选具有与熔融金属不反应的金属盘，所述金属盘具有高机械特性，优选高热导率和高熔融温度。对于本发明的合金组成的一些特定应用，最好的盘配置用高热导率的陶瓷盘(例如，BN、AlN…)实现。此外，本发明人已发现，根据待雾化的金属和本发明的组成的一些应用，推荐用待雾化的液态金属的稳定化合物涂覆旋转元件(例如，单层、多层、…)。
本发明的发明人还发现，当旋转元件的几何结构在垂直于旋转元件基底表面的方向使得液态金属或液态金属滴分布和流动时，可实现和管理熔融金属的较高进料速率。这样的液态金属分布是通过渐伸线或渐开线变化的几何结构的一定数目的翼形部(通道、导引物、翅片、隆起部…)的作用促使的。在这个情况上，本发明人发现，具有以下数目的翼形部(例如，单曲率或双曲率……)是有利的：大于2、更优选大于3，甚至更优选大于5或者甚至更多，所述翼形部设置成径向几何布局或者设置成任何其他适合于雾化目的的布局。根据本发明公开的发明人，并且当涉及直的径向翼形部时，在所述翼形部的数目优选为大于6并且所述翼形部的横向截面或横截面没有直的边或部分(即，三角形、正方形、梯形等)时获得更好的结果。此外，在这种情况下，并且对于高熔融温度材料的多数应用，保持旋转元件的直径大于80mm，优选大于120mm并且甚至更优选大于200mm或者甚至更大是合适的。不管旋转元件的几何结构为何，根据应用，本发明人认为，在旋转元件的周边上使用锯齿状的边缘以产生更均匀的液滴尺寸分布并且提高雾化工艺的质量是合适且恰当的。对于所有配置，本发明人发现，有利的是由液体与固体表面之间的接触内角量化的可润湿性的值必须小于90°，优选小于65°，更优选小于40°，甚至更优选小于25°或者甚至小于5°。
当将熔融金属倾倒在旋转盘上，并且在离心力的作用下时，颗粒从所述盘的边缘释放并且以向外的方向喷射入雾化器自身中。经雾化的颗粒按抛物线飞行轨迹在与雾化室中的空气接触时开始凝固。凝固之后，颗粒继续冷却降至室温。雾化容器下部的漏斗形几何结构使得可以从底部收集产生的粉末。
如上所述，并且对于给定材料，期望的粒径分布可以主要通过控制角速率(rpm)和雾化元件的直径来控制。
烧结零件的后处理(表观密度和烧结密度、流动性、烧结性、压缩性等)受到粉末的某些特性的很大影响，例如：(i)颗粒形状、尺寸和分布，(ii)显微组织，(iii)表面条件和(iv)纯度。一个非常重要的参数是颗粒材料的表观密度(AD)，因为其严重地影响在压制操作时获得的压制零件的强度。AD是颗粒形状和其孔隙率水平的函数。同样地，粉末的纯度和表面条件至关重要。在后续烧结期间不能减少的稳定氧化膜或所包含的氧化物颗粒(例如，SiO2和Al2O3)的存在可不利地影响最终零件的机械特性。
获得作为本发明的目的的铁基合金粉末，其平均粒径(d50)小于800μm，优选小于500μm，更优选小于200μm，甚至更优选小于100μm或者甚至小于45μm。然而，对于一些特定应用(例如，丸粒生产……)，优选最小平均粒径小于280μm，优选大于400μm，更优选大于700μm并且甚至更优选大于1000μm或者甚至大于3000μm。
本发明人发现，利用本发明的组合物和最佳雾化参数，可获得几何标准偏差分布为1.7或更小，优选1.5或更小，更优选1.4或更小并且甚至1.3或更小的金属粉末或颗粒物质。
粉末的球度是无量纲参数，定义为体积与颗粒的体积相同的球的表面积与所述颗粒的表面积之比，并且对于一些应用，其可优选为大于0.53，更优选大于0.76，甚至更优选大于0.86，并且甚至更优选大于0.92。当特别充分地应用本发明并且根据本文中的解释考虑大多数粉末的加工参数时，可以获得高球度的金属粉末，所述球度优选大于0.92，更优选大于0.94，甚至更优选大于0.98并且甚至为1。当讲到球度时，作者是指所产生的粉末的体积的60％或更大，优选78％或更大，更优选83％或更大并且甚至更优选96％或更大的平均球度。
本发明的生产工艺允许以低于1200ppm，优选低于800ppm，更优选低于500ppm并且甚至更优选低于100ppm的氧气(O2)浓度(额外的氧气浓度)批量生产具有光滑表面的球形金属颗粒材料。要重点提出的是氧气的引入会改变某些合金颗粒的形状。因此，对于一些其他应用，粉末氧气浓度可存在最小值650ppm，优选高于1000ppm，更优选高于1450ppm并且甚至更优选高于1600ppm。
根据合金，并且对于给定粒径和形貌，作为本发明的目的的铁基粉末的表观密度可以高于3g·cm-3，优选高于3.5g·cm-3，更优选高于4g·cm-3并且甚至更优选高于4.7g·cm-3。对于本发明的大多数组合物，在一些情况下，有利的是使用表观密度低于3.8g·cm-3，优选低于3.3g·cm-3，更优选低于2.8g·cm-3并且甚至低于2.5g·cm-3的粉末。
通常，产品应在一些下限容许直径和上限容许直径之间，并且可使用累积分布获得产率或产量效率，所述产率或产量效率定义为在尺寸极限之间的可用产品的质量与产品的总质量之比。总是有吸引力的是最大化所述产率以最大化生产并且最小化相关成本。在粉末通过所述技术并且以本发明公开的化学组成来获得的情况下，期望产量效率大于0.5，优选高于0.65，更优选高于0.75，并且甚至更优选高于0.9。
使用惰性气体填充并产生雾化室气氛可以促使颗粒内截留少量的气体，这会产生内部孔隙，在Ar和粗颗粒的情况下尤其如此。作为本发明应用的结果，产生的细的、球形的或近似球形的、光滑的、低氧含量的且无散落物的金属粉末可以呈现出低百分比的内部孔隙率，通常低于10％，优选低于7％，更优选低于3％且甚至低于0.5％。对于不需要过度控制粉末内部孔隙率的应用，可接受大于5％，优选大于9％，更优选大于12％或者甚至大于20％的内部孔隙率。通常，多孔性是不希望的，并且存在两种所报道的产生多孔性的重要机制：在飞行期间截留和溶解的气体。截留几乎总是与大颗粒有关并且可以通过筛选掉分布中的粗粒端来使其显著最小化，同时溶解的气体(例如H)的存在可以通过原材料的认真实践和选择来控制。
根据说明书，用于获得粉末的操作条件包括使用Ar和/或He和/或N和/或它们中一些或全部以不同比例的组合的非氧化气氛。雾化室和熔融室包含一种或更多种预定气体的气氛。室内的压力通过调节入口气体流量来控制并且也通过真空泵系统产生的真空水平来控制。通常，雾化室内的压力设置成稍低于熔融室内的压力。这种配置由于压力梯度使熔融金属和合金以预定量从喷嘴中流出。本发明人发现，可以根据期望的粉末的特性以真空、受限的压力、气体组合的若干分压或者甚至超压的几乎任意组合来使用本发明。本发明人发现，对于对表面氧化非常敏感的应用，可以用1·10-3毫巴或更低，优选1·10-4毫巴或更低，更优选1·10-5毫巴或更低，甚至更优选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进行操作。明显地，以特定气体填充雾化室和后净化可以对一些应用可能更有利。本发明人还发现，对于需要高过冷速率和特定形貌特征的应用，一种可能优选的方法是保持雾化室内气体超压为2.5巴或更大，优选1.5巴或更大，更优选0.9巴或更大并且更优选0.6巴或更大。
本发明适用于生产钢粉末，尤其是工具钢粉末和一些其他的类似特性的铁基合金。本发明的实践使用不同种类的合金、再加热温度、多种盘材料和几何结构(平坦盘、杯等)、旋转部件的角速度、几种惰性气氛(Ar、N、He或混合物)和以及包含不同水平的真空和熔融进料速率或生产率来进行。
根据科学文献，在离心雾化中，存在三种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)液线形成(ligament formation，LF)模式和(iii)成形解体(formation disintegration，FD)或膜解体模式。虽然这些模式是为了旋转电极工艺而构思的，但是通常其分析完美地适用于离心雾化。DDF模式在相对小的转速和小的液体供应流量下发生。该模式的特征在于由于离心力与液态金属表面张力之间的平衡形成大量的凸出部分。当离心力大于表面张力值时，液滴从凸出部分分离并射出。凸出部分的主要部分形成主液滴并且其尾部变成散落物。因此，在这种模式中典型的粉末尺寸分布具有大液滴和小液滴数目相同的两个峰。LF模式在雾化元件外周处熔融金属的供应速率增大时发生。此时，与DDF模式相比，凸出部分演变出更大的幅度，然后Rayleigh不稳定性使细长的液线破碎。随着液体供应速率增大，液滴尺寸增大，并且虽然仍是双峰，但是小液滴和大液滴的的重量分数变得相似。当液体流速非常高时，液线变得不稳定并且解体模式逐渐地变成成形解体或液膜解体(FD)[O.D.Neikov等,Elsevier Science(2009),第1版,ISBN-13:978-1856174220]。Champagne和Angers[Champagne,B.,Angers,R.,Int.J.PowderMetall.Powder Tech.,第16(4)卷,第359至364页,1980；Champagne,B.,An-gers,R.,Powder Metall.Int.第16(3)卷,第125至128页,1984.]发现两个特定参数之比决定DDF至LF和LF至FD模式转变：其中a、b、c、d和e为数值常数，Q为液体供应速率(m3·s-1)，ω为阳极的角速度(rad·s-1)，D为阳极的直径(m)，σ为表面张力(N·m-1)，ηL为动力学液态金属粘度(Pa·s)，并且ρL为液体的密度(kg·m3)。如可以观察到，分子仅包括工艺变量，而分母仅包括材料变量。增大熔融速率和角速度并且减小雾化旋转直径，将促使DDF至LF模式且最终至FD模式的转变。将这种方法用于工艺和材料变量，当X等于0.07时，发生DDF至LF模式的转变。
上述公式的主要缺点在于，尤其对于高密度、高粘度和相对低表明张力的材料，待操作的液态金属的流速在DDF模式内倾向于较小。用纯金属例如Fe和Ni进行，为了获得约120μm的平均粒径，并且使用直径为120mm的平坦盘，液态金属的理论流量必须分别为约42kg·h-1和50kg·h-1。
根据文献，通常在离心雾化中，仅小进料速率是可行的，尤其是当期望细粉末时和对于熔点大于930℃的合金时。这使得与进行雾化所需的少量的比能量可给出的成本效益相比，所述工艺成本效益过低。CA可以实现较高的生产量，但是粒径分布的质量会受影响。本发明人发现，这种限制可以利用适当地选择待熔融的合金的组成并且适当地设计雾化旋转元件并且适当地选择工艺参数(气室气氛、气压、雾化旋转元件的几何结构和尺寸、转速、金属静压头、过热温度、金属液体流速、…)来克服，关于本发明的组合物，熔融金属可以以55kg·h-1或更大，优选至少120kg·h-1，更优选230kg·h-1或更大并且甚至560kg·h-1或更大的进料速率从喷嘴中流出。但是关于对粉末形貌具有特定要求的应用，并且关于本发明的组成，有利的是熔融金属可以以180kg·h-1的最大进料速率从喷嘴中流出，所述进料速率优选低于90kg·h-1，更优选低于40kg·h-1并且甚至低于22kg·h-1。
对于一些情况以及对于本发明的一些组合物，不方便对熔融金属以大进料速率进行。在那些情况下，更合适的是利用预合金锭进行，并且使用可以通过不同能量源(例如，电弧等离子体、电子束、火焰喷灯、…)进行的部分熔融或精炼系统，或者甚至更好为例如电弧精炼或再熔融的精炼系统等。在精炼工艺阶段期间，还可增加额外的过热阶段，所述过热阶段可以包括不同的能量源，例如感应加热、电阻加热等。
对于给定的进料速率、金属组成、盘几何结构和转速等，平均粒径还可以受喷嘴与旋转盘之间的距离(也被称为金属静压头)影响。对于本发明的大多数组合物，有利的是使用从喷嘴至盘的小于0.27m，优选小于0.18m，并且更优选等于或小于0.08m，或者甚至小于0.04m的距离。但是对于一些组合物和特定应用，优选的是最小距离为0.12m或以上，优选0.24m或以上，更优选0.28m或以上，并且甚至0.34m或以上。
在离心雾化中，成功获得具有某些特质(使其适用于某些应用的形貌以及物理和/或机械特性两者等)的金属粉末主要取决于金属或合金的化学组成并且取决于雾化工艺参数，本文中描述了其中的一些组成和参数。对于给定的化学组成，选择的雾化工艺参数决定或促使形貌、物理和/或机械特性不同。明显地，这是当使用不同的雾化技术并且其中如上所述的粉末特性不同时的情况。对于给定的雾化技术，这些性质取决于所使用的雾化参数并且取决于材料的化学组成。
因此，相似或类似的组合物经历相同的雾化参数产生不同的粉末特性(例如，形貌、物理和/或机械特性等)并不奇怪。
本发明人发现，出人意料地是，当使用不同的雾化技术时，对于给定的化学组成、使得固结陈武的上述特性的一些最大化的最佳粒径是不同的并且其取决于所使用的雾化技术。
通常，大量经离心雾化的粉末或颗粒呈现出FCC和BCC相的混合物。FCC相的体积分数表现出强烈的粒径相关性，粒径越大，FCC的体积分数越大。同样地，bcc(保持在室温下)的体积分数随着粒径的减小而增大。最后，作为粒径的函数，任何相的存在均与可获得的非均匀成核位点有关。通常，由于离心雾化技术的凝固速率，显微组织结果为枝晶状显微组织和/或蜂窝状显微组织。对于一些应用，需要粉末中包含的亚稳态奥氏体的量保持大于90体积％，优选大于92体积％，更优选大于95体积％并且甚至更优选大于99体积％。然而对于另一些应用，需要亚稳态奥氏体的量保持低于90体积％，优选低于85体积％，更优选低于80％并且甚至更优选低于60体积％。
所获得的金属粉末或颗粒材料还适用于冷喷涂应用，其中最常要求的粒径(颗粒的直径)通常低于150μm，优选低于75μm，更优选低于63μm并且甚至低于15μm。颗粒速度、单个颗粒与基体的相互作用、颗粒的临界速度和喷射温度等这些主要变量控制冷喷涂工艺效率。对于一些应用，需要具有可以保持大于25μm，优选大于45μm，更优选大于90μm，甚至优选大于200μm或者甚至高于400μm的较大粒径。
在钛合金并且特别是当用铝合金化时的情况下，观察到，选择对的旋转元件几何结构以提供独立于旋转元件的材料用熔融合金的可润湿性的金属的良好加速是重要的。
此外，对于大多数镍基合金，即使在存在一些具有良好可润湿性的陶瓷并且其中熔融金属未过度腐蚀的情况下，也应使用相同的几何结构。
本发明人观察到，在一些铁基材料的情况下，即使当在雾化室中存在熔融金属与气体之间的热力学上预测的反应时，也可以获得呈相当球形的颗粒，但是发生的表面改性对于很多应用可能是不利且不可接受的。观察到的一种这种情况是一种关于铁基合金的情况，其中Cr、Al和Si估算量不足，并且腔室中的气体具有足够高的O2的分压或在雾化过程期间可以反应以释放O2的气体的分压。虽然颗粒主要倾向于具有期望的几何结构，但是一些颗粒存在相当厚的氧化皮并且甚至一些颗粒可能存在内部空隙等。甚至对于旨在以HIP或其他压制方法进行处理的粉末，在大多数情况下，粉末是不可回收的，仅在一些情况下，仅当通过成本降低的工艺进行处理时，粉末可能是可接受的。这种影响看起来越明显，制造的粉末越细。在当粉末具有高％Cr(通常大于9.8％，优选大于10.6％，更优选大于12.8％)的情况下，可以在具有相当高的氧气分压的气氛中对其进行雾化，但是为了获得细的球状或类似球状的粉末，在这种情况下，必须特别注意设计旋转元件以提供给粉末足够的加速或者甚至更好的是必须观察一些组成规则，例如％C、％Si、％Al、％Ti或％Ni的存在(认为其影响表面能量，在反应性气氛中尤其如此)(期望这些元素的总和为至少0.5％，优选大于1.2％，更优选大于2.1％并且甚至大于3.2％)。或者，碳(或者氮或硼)必须和一些碳化物的形成元素(这些元素对于％C比铬具有更高的亲和力)一起存在，优选％Mo、％W、％V和％Ti(期望这些元素的总和为至少0.5％，优选大于1.6％，更优选大于2.8％并且甚至大于4.2％)(并且当涉及％Ceq时，期望其为至少0.14％，优选大于0.18％，更优选大于0.32％并且甚至大于1.2％)。甚至对于低氧气分压的气氛，当在特别低的铬含量(小于3.4％，优选小于2％，更优选小于0.8％甚至小于0.3％)下对粉末进行处理时，然后再次观察到，如果要获得球形或类球形的细粉末而不特别优化旋转元件的几何结构，应该存在与铬相比具有亲和力的碳化物形成元素。低O2分压为任何低于0.05巴，优选低于0.001巴，更优选低于0.0001巴并且甚至低于0.000001巴的压力。
还观察到，在铁基合金中，除非特别注意旋转元件的设计和工艺参数，否则一些合金化元素严重地影响流动性，严重地损害通过离心雾化获得完全球形或类球形的粉末的可能性。这样的元素为％Si、％Mn、％Ni并且甚至％Cr、％Mo、％V和％Cr(当大量存在时)，然而非常特别的为％Ceq和％Co。在钴的情况下，某些元素(认为其影响表面张力)的同时存在可以是非常有益的，例如％Ni、％Al、％Ti和％Si。(期望这些元素的总和为至少0.3％，优选大于0.5％，更优选大于1.2％并且甚至大于3.2％)
本发明人观察到，在Ti基合金的情况下，要考虑并且强烈依赖于雾化的特定组合物的一点涉及粉末中截留的气体，尤其是当在雾化过程中存在轻气体时。
在本发明中，关键的是，对于选择的组合物，在气体混合物和压力方面适当地平衡雾化室中气氛的性质。必须注意一些严格规则以确保表面能得到补偿从而能够获得形貌上完好的粉末。此外，必须调整液态金属的过热以及旋转元件的工作表面设计和性质(尤其是就隆起部而言)以适应被雾化的合金组合物和所选择的腔室气氛。要考虑主要规则是腔室气氛和液态金属的表面能的最大化，对于该目的，可以使用增广的Young-Lapplace微分方程并且也可以以取决于经处理的金属组成的适当的液体摩尔体积使用Kelvin方程。对于给定的待被雾化成细的球形或类球形的粉末的组合物，这是用于优化一些工艺参数(例如过热、雾化室的压力并且甚至旋转元件的几何结构)的方法。
作者观察到，需要遵循以下组成规则从而能够用旋转元件以几乎任意的旋转元件几何结构通过离心雾化来雾化球形或类球形的粉末，所有百分比均按重量百分比(重量％)计：
剩余部分由铁和微量元素组成。
特征在于：
％Ceq＝％C+0.86％N+1.2％B
其中：
当％Co>0.9时，则％V>1.2和/或％Ni+％Al+％Ti+％Si>0.3和/或Cr<0.8；
当％Cr>9.8时，则％Ceq>0.14；
当％Cr>9.8时，则％Mo+％W+％V+％Ti>0.5和/或％Si+％Al+％Ti+％Ni>0.5；
当％Cr<2时，则％Mo+％W+％V+％Ti>0.5。
其中，％Ceq定义为碳(在考虑到结构不仅为碳本身时)或标称碳(还为对钢的立方结构具有相似影响的所有元素，通常为B和N)。
当然，效能仍然受所选择的旋转元件的几何结构的很大影响。
在本专利的意义中，除非指明，否则微量元素指量小于2％的任何元素。对于一些应用，微量元素优选为小于1.4％，更优选小于0.9％并且有时甚至更优选小于0.78％。可被认为是微量元素的元素有单独和/或以组合形式的H、He、Li、Be、O、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。对于一些应用，一些微量元素或者甚至微量元素全体可对特定相关性质相当不利(如有时对热导率和韧性可以是所述情况)。对于这样的应用，期望保持微量元素小于0.4％，优选小于0.2％，更优选小于0.14％或者甚至小于0.06％。
应注意，在这种情况下，各个上述单独的微量元素可表现出不同的含量值。下文中，参照化学组成，很明显当提到组成的某个值小于或等于某个数值时还意指其可以取0值。
对于本发明中开发的方法，本发明人发现，必须将离心雾化应用于如下描述的组成。在冶金学术语中，通常就％Ceq而言给出钢的组成。当％Ceq大于0.62％，优选大于0.86％，更优选大于1.51％并且甚至更优选大于1.96％时，本发明特别良好地适用。
对于需要高耐磨性的应用，期望％Ceq大于2.31％，优选大于3.21％,更优选大于3.55％并且甚至对于特殊情况大于4.23％。
对于本发明的一些应用，重要的是％Ceq小于1.6％，优选小于1.40％，更优选小于1.24％并且甚至更优选小于0.99％。对于另一些情况，在这种意义上所述要求必须甚至更严格并且因此期望％Ceq小于0.88％，优选小于0.76％，更优选小于0.64％并且甚至更优选小于0.55％。本发明还适用于中碳铁合金或工具钢，其中期望％Ceq小于0.48％，优选小于0.37％，更优选小于0.34％并且甚至小于0.29％。此外本发明还适用于低碳铁合金或工具钢，其中期望％Ceq小于0.25％，优选小于0.19％，更优选小于0.11％并且甚至小于0.06％。
然而，当限定用于应用或用于雾化的材料的机械特性时，对形成碳化物的％Ceq含量与％C含量进行区别是有用的。当％C大于1.47％，优选大于1.69％，更优选大于2.21％并且甚至更优选大于2.75％时，本发明特别良好地适用。有时期望％C大于3.29％，优选大于3.96％，更优选大于4.03％并且甚至对于特殊情况大于4.88％。本发明还良好地适用于如下％C：小于1.57％，优选小于1.05％，更优选小于0.89％并且甚至更优选小于0.79％。对于另一些情况，本发明还良好地适用于如下％C：小于0.68％，优选小于0.57％，更优选小于0.47％并且甚至更优选小于0.41％。本发明还适用于如下％C：小于0.39％，优选小于0.35％，更优选小于0.32％并且甚至小于0.28％。本发明还可以适用于存在如下％C的钢：小于0.20％，优选小于0.11％，更优选小于0.08％并且甚至小于0.04％，但是不小于0.009％。
对于本发明，还需要考虑碳化物形成元素。当涉及％Cr时，期望其大于0.5％，优选大于0.66％，更优选大于0.73％并且甚至更优选大于0.87％。本发明还非常良好地适用于存在如下％Cr的钢：大于1.9％Cr，优选大于3.11％，更优选大于6.31％并且甚至更优选大于9.69％。还以如下％Cr含量对本发明进行说明：大于11％，优选大于12.8％，更优选大于14.49％，更优选大于17.8％并且甚至更优选大于22.7％。在一些情况下％Cr甚至为32.5％。对于另一些要求低Cr含量的应用，首先在％Cr小于0.51％，优选小于0.45％，更优选小于0.33％并且甚至更优选小于0.27％时对本发明进行了说明。还以如下％Cr含量对非常良好地对本发明进行说明：小于0.19％，优选小于0.15％，更优选小于0.10％并且甚至更优选小于0.06％。
当涉及％Mo时，本发明适用于存在如下％Mo的钢：至少2.10％，优选大于3.01％，更优选大于3.62％并且甚至更优选大于4.78％。本发明还适用于存在如下％Mo的钢：大于5.61％，优选大于7.55％，更优选大于8.41％，甚至更优选大于9.34％并且甚至大于10.99％。本发明还可用于存在如下％Mo的钢：小于2.2％，优选小于1.66％，更优选小于0.77％并且甚至更优选小于0.54％。还可使用小于0.43％，优选小于0.19％并且甚至小于0.04％的％Mo。
当涉及％W时，在本发明内可使用如下％W：大于2.33％，优选大于3.64％，更优选大于4.31％并且甚至更优选大于5.79％。还可使用如下值：大于7.46％，优选大于9.27％并且甚至更优选大于10.58％。还可使用如下值：大于12.3％并且甚至大于16％。本发明还适用于如下％W：小于2.41％，优选小于1.87％，更优选小于0.21％，甚至更优选小于0.08并且甚至其不存在。
当涉及％V时，当％V大于0.4％，优选大于0.59％，更优选大于0.89％时并且甚至更优选当其大于1.05％时，本发明是可适用的。当％V大于2.64％，优选当其大于4.35％时，更优选当其大于5.33％并且甚至更优选当其大于6.02％时，本发明是可适用的。其还可适用于如下值：大于9.15％，大于10.22％，优选大于13.54％并且甚至更优选大于15％。还可以如下值使用本发明：小于0.41％，优选小于0.27％，更优选小于0.11％并且甚至更优选小于0.04％。
当涉及其他碳化物形成元素例如％Hf、％Ta、％Zr和/或％Nb时，在总和％Zr+％Hf+％Nb+％Ta大于0.09％，优选大于0.43％，更优选大于1.87％并且甚至更优选大于3.89％时，可以使用本发明。其对于如下值也是可能的：大于5.55％并且甚至大于10％。明显地，在下文中并且当涉及这些类型的条件时，所述总和可由各个元素独立构成或由其组合构成。
当％Cr+％V+％Mo+％W+％Zr+％Hf+％Nb+％Ta大于4.5％，优选大于7.8％，更优选当其大于11.5％并且甚至更优选当其大于20％时，本发明也是适用的。
本发明可用于存在如下％Si的钢：大于0.4％，优选大于0.89％，更优选大于1.73％并且甚至更优选大于2.8％。当％Si小于0.42％，优选小于0.38％时，更优选当其小于0.1％时并且甚至更优选当其小于0.04％时，也可使用本发明。
本发明可用于存在如下％Mn的钢：大于1.75％，优选大于3.47％，更优选大于5.06％并且甚至更优选大于6.98％。当％Mn小于1.87％，优选小于0.76％时，更优选当其小于0.42％时并且甚至更优选当小于0.1％时，也可使用本发明。
本发明可用于存在如下％Ni的钢：大于0.9％，优选大于1.98％，更优选大于3.5％并且甚至更优选大于4.01％。当％Ni大于7.28％，优选大于11.34％时，更优选当其大于15.76％并且甚至更优选大于28.31％时，也可使用本发明。当％Ni小于0.8％，优选小于0.52％时，更优选当其小于0.31％并且甚至更优选当其小于0.08％时，也可使用本发明。
本发明可用于存在如下％Co的钢：大于1.5％，优选大于3.81％，更优选大于7.42％，甚至更优选大于13.8％并且甚至大于16％。本发明当％Co小于1.61％，优选小于0.44％时，更优选当其小于0.11％时并且甚至更优选当其小于0.08％时，也可使用本发明。
以下给出更多的指导，用于确定依赖于所寻求的一些应用或特性的组合物。
对于当涉及％Ceq时，对于需要超高强度的应用，期望％Ceq小于0.1％，更优选小于0.09％并且甚至更优选小于0.05％。如果要改善韧性，则较好的是保持％Ceq低于0.03％，优选低于0.01％并且甚至优选低于0.001％。对于需要优异的机械特性(强度、硬度、可焊性、耐磨损性、可淬硬性和韧性)和优异的加工性的特性应用，并且对于包含大于或等于8％的％Ni并且包含大于或等于4％的Co合金，Si的质量含量应优选为小于或等于0.4％，更优选小于或等于0.3％，甚至更优选小于或等于0.2％或者甚至小于或等于0.1％。高硬度和强度通过优选大于10％，优选大于18％，更优选18.5％并且甚至更优选大于25％的Ni含量来实现；Co通常优选为大于8％，优选大于9.5％并且取决于应用其甚至大于12％；Mo优选为大于2.5％，优选大于4％并且甚至更优选大于5％。如果寻求某种耐腐蚀性，则添加的量通常优选为至少4％，优选大于5％并且甚至更优选大于10％。一些其他的元素如Ti、Mn、Al等取决于最终特性优选以5％至9％的量存在。由于Co降低Mo在基体中的溶解度，有时期望Co优选为小于2％，小于1.5％甚至更优选小于0.5％并且甚至其不存在。而且％Ti+％Mo在较高的Ni水平下应大于3.5％，优选4.5％并且甚至6％。对于另一些应用，％Ceq的最小值优选为0.2％,，优选0.29并且更优选大于0.31％。在这种情况下，高度建议钢中存在的％Moeq(％Mo+1/2·％W通常大于2％，优选大于3.1％并且甚至更优选大于3.7％。如果要使热导率特性最大化，则％Ceq含量的最小值优选0.22％或者甚至0.33％但是低于1.5％，更优选低于1.1％并且更优选低于0.9％。此外，％Moeq(％Mo+1/2·％W)水平应高于最大热导率，通常大于3％，通常大于3.5％，优选大于4％或者甚至4.5％。％Cr优选为小于2.8％，优选小于1.8％并且甚至小于0.3％。如果不考虑成本，则对于非常高的热导率，％Cr应甚至更优选小于0.06％。在这种情况下，％Si也应尽可能低，优选小于0.2％，更优选小于0.11％，并且甚至更优选小于0.09％。对于热导率必须结合一些耐磨性和韧性的应用，％V通常可以以如下含量使用：大于0.1％，优选0.3％并且最优选甚至大于0.55％。对于非常高的耐磨性应用，其可以以如下含量使用：高于1.2％或者甚至2.2％。对于增大可淬硬性，使用Ni和/或Mn。因此对于大型型钢(heavy sections)，通常期望最小％Ni含量通常大于0.85％，优选大于1.5％并且对于特定情况甚至大于3.1％。如果使用％Mn，则需要约双倍含量，优选为大于1.74％，更优选大于3.1％并且在一些情况下甚至大于6.2％。Ni的存在有利于减小热膨胀系数，其对零件具有正面影响，因此期望含量大于0.5％，优选大于1.6％并且甚至2％。在另一方面，其对热导率具有负面影响，在如下情况下，将期望其小于0.4％，优选小于0.2％并且甚至更优选小于0.09％。对于要在使用期间使钢达到超过400℃的温度的应用，可能非常令人关注的是存在倾向于提高耐回火性等并且对影响高温下的热扩散性存在奇效应的％Co。虽然对于一些组合物，0.8％的量应该足够，通常期望其最小值为1％，优选1.5％并且对于一些应用甚至大于3.1％。如果对于应用无特别需要，％Co通常为低于0.6％，更优选低于0.35％并且甚至更优选低于0.1％。在Co含量大于0.9％的情况下，则优选的是V含量可以优选为大于1.2％。对于韧性非常重要的应用优选较低的％Ceq含量，并因此最大水平应保持低于0.8％，优选0.6％并且对于非常高的韧性低于0.48％。显著的环境阻力可以用4％Cr实现，但是通常建议更高水平的％Cr，通常大于8％或者甚至大于10％。对于一些特定腐蚀如氯化物的腐蚀，高度建议在钢中存在％Mo，通常大于2％并且甚至大于3.4％，其在这种情况下提供显著的影响。耐腐蚀性可以用11％Cr获得，但是优选大于12％或者甚至大于17％。对于一些特定应用，可令人关注的是具有小于0.5％，优选小于0.42％并且更优选小于0.29％的％C，但是最小含量为0.02％，优选大于0.04％并且在一些情况下大于0.06％。对于一些应用，期望％C为大于0.3％并且优选大于0.4％，但是低于0.1％并且优选低于0.09％。在耐磨性重要的另一些情况下，优选％Ceq的最小值为0.49％，优选大于0.64％，更优选大于0.82％，并且甚至更优选大于1.22％。对于最大程度的耐磨性，期望％Ceq大于1.22％，更优选大于1.46％并且甚至大于1.64％。由于使马氏体转变开始的温度低，所以非常高水平的％Ceq也是令人关注的，这种应用优选％Ceq最大水平为0.8％，优选1.4％并且甚至1.8％。同样的％Ceq适用于期望细的贝氏体的应用。在这种情况下，期望Ceq的最小值为0.4％，通常大于0.5％并且甚至大于0.8％。如果存在降低马氏体转变温度的其他元素，(例如％Ni)，则可以以较低的％Ceq实现相同的作用(如前所述相同的水平)。对于高耐磨性，有利的是使用比铁更强的碳化物形成元素，通常为％Cr+％W+％Mo+％V+％Nb+％Zr并且他们的含量应大于4％，优选6.2％，更优选8.3％并且甚至10.3％。另一些令人关注的比铁更强的碳化物形成元素为Zr、Hf、Nb、Ta，其中％Zr+％Hf+％Nb+％Ta应大于0.1％，优选0.3％并且甚至1.2％。此外，％V为倾向于形成相当细的碳化物的碳化物形成元素。对于耐磨性非常高的应用，其可以以如下含量使用：高于3.2％，优选高于4.2％或者对于极端程度的耐磨性水平甚至高于9.2％。对于非常高的耐磨性应用，其可以以如下含量使用：高于6.2％或者甚至10.2％。如果寻求高的可润湿性，则期望的％V为小于0.2％或者甚至小于0.09％并且作为替代将使用Mo和/或W碳化物。那时，W将优选为大于0.5％，更优选大于0.9％并且甚至更优选大于1.6％，但是低于4％，优选低于3.2％并且更优选低于2.9％。％Mo将优选为大于1.2％，更优选大于3％并且甚至更优选大于3.7％，但是低于5％，更优选低于4.6％并且甚至低于4.2％。对于要求非常高的应用，其中要求高速度和高温下的阻力以及高水平的硬度，％Ceq的最小值优选为0.89％，优选大于1.64％，更优选大于1.89％并且甚至更优选大于2.7％。对于一些情况，也期望其他合金化元素尽可能高，例如W优选为大于3％，优选大于5％并且在一些情况下甚至大于7％，当涉及Co时，期望其为约6％，更优选大于9％并且甚至大于10％。％Cr具有两个特别令人关注的范围：0.6％至1.8％，和2.2％至3.4％。特定实施方案还优选％Cr为2％。有时，对于包含等于或大于2％的％C或者包含等于或小于10％的Cr量的合金，则％Cr+％Ti+％W+％Mo+％V+％Nb+％Zr+％Hf+％Co应优选为等于或大于0.5％，优选大于0.55％并且更优选大于0.7％。
对于本发明的另一些应用，固溶体中主要保留的元素，最有代表性的为％Mn、％Si和％Ni非常重要。期望所有元素的总和超过0.8％，优选超过1.2％，更优选1.8％并且甚至2.6％。如可以看出，需要存在％Mn和％Si二者。％Mn通常以如下量存在：超过0.4％，优选0.6％并且甚至1.2％。对于特定应用，Mn有利地为甚至1.5％。％Si的情况甚至更关键，这是因为当其以显著量存在时，其强烈地有助于阻止渗碳体变粗。因此％Si通常以如下量存在：超过0.4％，优选0.6％并且甚至0.8％。当寻求对渗碳体的作用时，所述含量甚至更大，通常超过1.2％，优选1.5％并且甚至1.65％。如可以看出，对于如下应用，需要存在用于获得期望的机械特性的关键元素，因此其必须使％Si+％Mn+％Ni+％Cr大于2％，优选大于2.2％，更优选大于2.6％并且甚至大于3.2％。对于一些应用，令人关注的是替代％Cr或％Mo，然后使用相同的范围。除％Si+％Mn+％Ni+％Mo>2％之外，当％Mo以超过1.2％，优选超过1.6％，并且甚至超过2.2％的量存在时，可以单独对其存在进行处理。对于成本重要的应用，特别有利的是使％Si+％Mn替代式％Si+％Mn+％Ni+％Cr，然后可以使用相同的优选范围，但是在其他合金化元素的存在下，可以使用较低的范围，如％Si+％Mn>1.1％，优选1.4％或者甚至1.8％。对于一些应用，期望％Ni为至少1％。对于寻求主要贝氏体显微组织的应用，选择与％C、％N和％B形成合金的倾向性比铁更高的的合金化元素。在这种情况下，最有效的为％Moeq、％V、％Nb、％Zr、％Ta、％Hf，至较小程度的％Cr和所其他的碳化物形成元素。通常存在总和大于4％的对碳的亲和力比铁更高的元素，优选大于6.2％，更优选大于7.2％并且甚至大于8.4％。如果初生碳化物对应用无害并且成本允许，则以超过0.1％，优选0.3％并且甚至0.6％的量使用非常强的碳化物形成元素(％Zr+％Hf+％Nb+％Ta)。其他元素可存在，尤其是对于所寻求的最终特性几乎没影响的那些。通常期望其他元素(未特别提出的元素)小于2％，优选1％，更优选0.45％并且甚至0.2％。
偶尔，并且甚至更准确地，需要知道以原子百分比(原子％)而不是质量百分比表示的给定合金的化学组成。在这些情况下，并且对于某些应用，铁和锰含量的总和必须大于65％(Fe+Mn>65％)，优选大于75％，更优选大于90％并且甚至大于95％。对于一些其他情况，碳、硼和硅含量的总和保持低于10％(C+Si+B<10％)，优选地必须保持低于9％，更优选低于7％并且甚至低于5％。甚至对于另一些应用，优选该量保持低于3％，更优选低于2％并且甚至低于1％。对于要求非常高的应用，期望％Nb<1％，优选大于0.2％，更优选大于0.5％并且甚至大于0.8％。此外，有时铬、钼和钨的总和必须保持低于3％(Cr+Mo+W<3％)，优选大于1％，更优选大于2％，并且甚至大于2.5％。所有上述值和增量均按原子百分比计(原子％)。
虽然大多数应用可以以含量％Ceq进行区分，但是在很多其他条件下，令人关注的是通过形成％Ceq的元素(即，C、N和B)的含量来区分这些应用。
就此而言，对于某些应用，期望％Ceq的氮含量为10％，优选5％，更优选3％并且甚至2％。然而，在另一些条件下，令人关注的是知道数值而不是百分比。在这种情况下，期望氮含量为0.45％，优选大于1％，更优选大于1.6％或者甚至大于2.2％。
类似地，对于B的情况，期望％Ceq的硼含量为10％，优选5％，更优选3％甚至2％。在此也期望硼含量为0.25％，优选0.7％，更优选1.2％或者甚至2％。对于另一些应用，也期望最大硼含量低于0.25％，优选低于0.5％，更优选低于0.7％或者甚至低于2％。
为了减少工具的构造成本，还可添加可加工性强化剂。最普遍使用的元素为硫(S)，其浓度优选低于1％，更优选低于0.7％并且甚至更优选低于0.5％。同时，通常将Mn的水平提高于确保硫作为硫化锰(MnS)而不是作为严重影响韧性的硫化铁(FeS)存在。此外，为了此目的，可以使用浓度低于1％的As、Sb、Bi、Se、Te和甚至Ca。可存在其他元素，尤其是对所寻求的最终特性几乎无影响的那些。通常，期望具有低于2％的其他元素(未特别指出的元素)，优选1％，更优选0.45％并且甚至0.2％。一种特殊情况是Nb，虽然其对韧性的影响相当不利并且因此其将作为不可避免的杂质存在，但是对于期望控制颗粒成长的特定应用，其可以以高于2％的含量使用。
本发明的铁基合金粉末通过粉末冶金工艺来获得，准确地通过离心盘雾化技术来获得。在某些条件下并且作为之前描述的技术的应用结果，所获得的粉末适用于粉末压制和烧结(热、温和冷压制)的应用，例如几乎完全或完全致密的工艺，即，举几个例子而言，热等静压(HIP)、粉末锻造、挤压成形、金属注射成形、热喷涂、喷射成形、冷喷涂。对于不需要球形或近似球形的颗粒形貌的应用，生产的粉末还适用于通过例如冷等静压(CIP，室温)或类似技术的技术进行冷压制的用途。
本发明人已认识到，为了具有特定可接受或良好的粉末特性，当涉及粉末压制和烧结时，有利的是以以下最小粒径使用本发明的粉末：通常低于250μm，优选低于150μm，更优选低于100μm并且甚至低于60μm。对于一些应用，即，大的形状和坯料生产，需要使最小粉末尺寸为120μm或以上，优选280μm或以上，更优选420μm或以上或者高于600μm。
本发明的合金还适用于涉及层或添加制造、固体自由成形制造(solid-free formfabrication)、数字制造或电子化制造(例如快速制造/成形(RM/P)、3-D打印、激光成形、熔融沉积成型、叠层物体制造、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔融(SLM)和3-D激光熔覆)等类似技术的应用。此外，可以使用由本发明的合金制成的粉末或线进行激光、等离子体或电子束焊接。此外，本发明人已认识到，为了具有特定可接受或良好的粉末特性(例如表观密度和烧结密度、可流动性、可烧结性、可压缩性等)，当涉及添加制造技术的粉末应用时，有利的是以以下最小粒径使用本发明的粉末：通常低于75μm，优选低于50μm、更优选低于20μm并且甚至低于15μm。在这种情况下，最终零件的表面粗糙度主要受粉末粒径影响，因此，较小的粒径产生更高的表面质量。对于一些应用，例如表面质量不为关键参数的应用，可接受的是最小粒径为40μm或以上，优选55μm或以上，更优选80μm或以上或者甚至高于100μm。
铁基合金可以以上述期望的形状直接获得或者可以通过其他冶金工艺来改善。通过根据本发明的方法所生产的铁基合金的用途包括热或高温处理，例如回火并且甚至淬火。通常使用锻造和轧制甚至块体三维锻造来提高韧性。
根据本发明的工具钢合金，其可以以任何形状例如棒、线或粉末形式(除用作钎料或焊接合金之外)来获得。本发明的铁基合金还可以通过热喷涂技术用于另一种材料表面的局部。明显地，本发明的合金可以用作复合材料的一部分，例如在作为独立相嵌入，或者作为多相材料中的相之一获得时。此外，不管用什么方法进行混合(例如，机械混合、研磨、用两种或更多种不同材料的料斗投放…)，当用作基体时，其中其他相或颗粒被嵌入。此外，本发明的铁基合金适用于其中对工作环境耐性集中于耐腐蚀或氧化而不是耐磨损的应用，即使两者通常共存也是如此。在这样的情况下，在工作温度下耐氧化或者耐侵蚀性试剂的腐蚀是期望的。对于这种应用，通常取决于应用以不同的硬度水平且以不同的耐磨损性使用耐腐蚀工具钢。本发明的合金还可以是功能梯度材料的一部分，在这种情况下，可以使用任何保护性层或局部化处理。最典型的是以下层或表面处理：
·为了改善摩擦学性能：表面硬化(激光、感应…)、表面处理(渗氮、渗碳、渗硼、硫化、前述的任意混合…)、涂覆(CVD(化学气相沉积)、PVD(物理气相沉积)、流化床、热投射、冷喷涂、熔覆…)。
·为了提高耐腐蚀性：硬铬、钯、化学镍处理、耐腐蚀树脂的溶胶凝胶、实际提供腐蚀或氧化保护的任意电解处理或非电解处理。
·任何其他功能层，包括当功能为外观时。
特别地，本发明的工具钢合金还可以用于制造需要高工作硬度(例如由高机械载荷或磨损造成)的零件，所述零件需要某种类型的来自于初始钢形式的形状转变。作为实例：挤压、轧制、锻造用模具(开放式模具或封闭式模具)。本发明特别适用于制造用于片材的热冲压或热压制的模具，同样地，用于热塑性材料和热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。
上述合金还可以用于工具应用中，在该应用优异机械特性，结合较高的可加工性(在时效硬化期间变形最小并且不存在脱碳问题)是重要的，例如，具有优异的机械耐力和韧性的高精度注塑工具的制造。一些本发明的铁基合金的特定应用还包括制造经受冲击疲劳的具有足够的耐磨损性、耐腐蚀性的零件以及需要渗氮、陶瓷涂层表面处理和精细抛光的表面的应用。
本发明的附加实施方案在从属权利要求中予以描述。
本文中描述的所有实施方案的技术特征可以以任意组合相互结合。
实施例
在下文中，一些实施例示出了如下方法：其中数种本发明的铁基合金组成可以通过离心雾化来制造以获得具有期望的特性的金属粉末。除非另外指出，否则所有实验均在用于使用如本文中提出的旋转离心雾化方式并且在保护性气氛中制备金属粉末的设备中进行。熔融金属的离心雾化使熔体流破碎成小液滴，随后通过雾化气氛中的对流使所述小液滴快速冷却。其后，根据金相表征的标准步骤收集并筛选金属粉末。下面列出了所获得的三个实验组的结果以及经雾化的合金的化学组成和所采用的雾化参数。
实施例1：
选择具有根据表1，ID 1的化学组成的铁基合金并且使用以下雾化参数制备金属粉末样品：雾化温度1660℃，熔融金属的进料速率120kg·h-1，直径为50mm的平坦盘(钨)，在20000rpm(约2095rad-1)的转速下进行。从喷嘴至所述盘的距离设置为0.06m并且雾化过程在空气气氛中进行。图1示出了在描述的雾化参数下获得的经离心雾化的粉末的SEM显微图像。
获得的具有对数-正态尺寸分布的平均粒径为125μm。
实施例2：
选择具有根据表1，ID 48的化学组成的铁基合金并且使用以下雾化参数制备金属粉末样品：雾化温度1690℃，熔融金属的进料速率95kg·h-1，直径为40mm的杯状盘(钨)，在17500rpm至19000rpm(约1830rad-1至1990rad-1)的转速下进行。在这种情况下，从喷嘴至所述盘的距离设置为0.08m。
在这种情况下，所获得的具有对数正态尺寸分布的平均粒径为180μm。
实施例3：
已对下表1、对于在Ar气氛中在根据图4的旋转元件中细的(<100μm)球形或类球形的粉末的恰当雾化的进行检查。
对于组合物15至20、26、33，元素15至20、26、33，元素H、He、Be、O、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、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No、Lr、Rf、Db、Sg、Bh、Hs、Mt为<0.01％(除非表中另有说明)。
对于组成44至47，1至
实施例4:
已对下表2、对于在Ar气氛中在根据图3的旋转元件中细的(<100μm)球形或类球形的粉末的恰当雾化进行检查。观察到以下规则：
当％Cr<2时，则％Mo+％W+％V+％Ti>0.5。
对于组合物80、105至110、200、210、219至222，测得元素As、Se、Sb、Te和Pb均为0.3％并且测得元素P和S均为0.7％。
实施例5:
已对下表3、对于在Ar气氛中在根据图5的旋转元件中细的(<100μm)球形或类球形的粉末(球度>92％)的恰当雾化进行检查。观察到以下规则：
当％Cr>9.8时，则％Ceq>0.14，
当％Cr>9.8时，则％Mo+％W+％V+％Ti>0.5和/或％Si+％Al+％Ti+％Ni>0.5。
实施例6:
已对下表4、对于在N2气氛中在根据图4的旋转元件中细的(<100μm)球形或类球形的粉末的恰当雾化进行检查。观察到以下规则：
当％Co>0.9时，则％V>1.2和/或％Ni+％Al+％Ti+％Si>0.3和/或Cr<0.8。
对于组合物257、261和270，元素H、He、Be、O、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、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No、Lr、Rf、Db、Sg、Bh、Hs、Mt为<0.01％(除非表中另有指明)。
实施例7:
已对下表5、对于在不存在O2的混合气氛中在根据图6的旋转元件中细的(<100μm)球形或类球形的粉末(球度>85％)的恰当雾化进行检查。

Claims (52)

1.一种用于生产铁基合金粉末或颗粒材料的方法，其包括以下步骤：
a)提供熔点大于1040℃的合金组合物，
b)使所述组合物熔融，以及
c)借助离心雾化或旋转雾化使熔融的组合物雾化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤c)中，所述雾化使用具有雾化旋转元件的旋转雾化装置来进行。
3.根据权利要求1至2所述的方法，其中所产生的粉末为球形或类球形的。
4.根据权利要求1至3所述的方法，其中所产生的粉末的球度为90％或更大。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中所述旋转元件存在隆起部。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中所述旋转元件存在具有径向分量的隆起部。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中所述旋转元件存在具有在插入线处在与所述旋转元件的工作表面垂直的方向上的剖面变化的隆起部。
8.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中所述旋转元件存在具有在插入线处在与所述旋转元件的工作表面垂直的方向上的可变曲率的隆起部。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的方法，其中所述旋转元件存在具有在插入线处在与所述旋转元件的工作表面平行的方向上的可变曲率的隆起部。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的方法，其中所述旋转元件存在至少四个隆起部。
11.根据权利要求2至10中任一项所述的方法，其中所述旋转元件存在翼形部。
12.根据权利要求2至11中任一项所述的方法，其中所述雾化旋转元件的表面上的也被称为突起部或隆起部的所述翼形部通过横截面和给定的单个或多个挤压路径来产生。
13.根据权利要求2至12中任一项所述的方法，其中所述翼形部的剖面包括在单一平面中。
14.根据权利要求2至13中任一项所述的方法，其中所述翼形部的剖面不能包括在单一平面中。
15.根据权利要求2至14中任一项所述的方法，其中所述翼形部的剖面使用解析数学模型来确定，所述解析数学模型预测作为所述旋转元件的半径、液体运动黏度、体积流量、金属静压头和转速的函数的液态金属的径向和切向速度。
16.根据权利要求2至15中任一项所述的方法，其中所述雾化旋转元件的接触熔融金属的所述工作表面由来自以下的材料制成和/或涂覆有来自以下的材料：熔结硅石墨、全稳定的氧化锆(FSZ)、部分稳定的氧化锆(PSZ)、碳化硅、氮化硅、锆石、氧化铝、氧化镁，例如AlN、C(石墨)、BN、Si3N4、MgZrO3、CaO、SiAlON、AlTiO3、ZrO2、SiC、Al2O3、MgO等。(MgZrO3涂层、CaO、ZrO2、Al2O3对于高熔融温度合金如Ni合金表现良好。)
17.根据权利要求2至16中任一项所述的方法，其特征在于所述雾化旋转元件的材料的熔点温度高于1200℃。
18.根据权利要求2至17中任一项所述的方法，其特征在于所述雾化旋转元件的材料的热导率高于36W·m-1·K-1。
19.根据权利要求2至18中任一项所述的方法，其特征在于所述雾化旋转元件的材料的热导率高于82W·m-1·K-1。
20.根据权利要求2至19中任一项所述的方法，其中所述雾化旋转元件的材料表现出高于460MPa的屈服强度。
21.根据权利要求2至20中任一项所述的方法，其中所述雾化旋转元件的材料表现出高于1200MPa的屈服强度。
22.根据权利要求2至21中任一项所述的方法，其中所述雾化旋转元件的驱动轴的转速低于40000rpm。
23.根据权利要求2至22中任一项所述的方法，其中所述雾化旋转元件的驱动轴的转速低于15000rpm。
24.根据权利要求2至23中任一项所述的方法，其中所述雾化旋转元件的驱动轴的转速高于100000rpm。
25.根据权利要求2至24中任一项所述的方法，其中所述雾化旋转元件的直径大于0.21m。
26.根据权利要求2至25中任一项所述的方法，其中所述雾化旋转元件的材料表现出高于1400℃的熔融温度，高于680MPa的机械强度并且涂覆有与旨在被雾化的合金产生低于90°的润湿性的材料。
27.根据权利要求2至26中任一项所述的方法，其中所述雾化旋转元件的几何结构允许所述液态金属在与所述旋转元件的基底的表面垂直方向上分布和流动。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的方法，其中步骤a)中提供的所述合金组合物选自以下化学组成范围(重量％)内的合金组合物：
剩余部分由铁和微量元素组成。
其特征在于：
％Ceq＝％C+0.86％N+1.2％B
其中：
当％Co>0.9时，则％V>1.2和/或％Ni+％Al+％Ti+％Si>0.3和/或Cr<0.8，
当％Cr>9.8时，则％Ceq>0.14，
当％Cr>9.8时，则％Mo+％W+％V+％Ti>0.5和/或％Si+％Al+％Ti+％Ni>0.5，
当％Cr<2时，则％Mo+％W+％V+％Ti>0.5。
29.一种经离心雾化的球形或类球形的钢粉末，其具有以下组成，所有范围以重量％计：
剩余部分由铁和微量元素组成，
其特征在于：
％Ceq＝％C+0.86·％N+1.2·％B，
其中：
当％Co>0.9时，则％V>1.2和/或％Ni+％Al+％Ti+％Si>0.3和/或Cr<0.8，
当％Cr>9.8时，则％Ceq>0.14，
当％Cr>9.8，则％Mo+％W+％V+％Ti>0.5和/或％Si+％Al+％Ti+％Ni>0.5，
当％Cr<2时，则％Mo+％W+％V+％Ti>0.5。
30.根据权利要求29所述的钢粉末，其中％Fe至少为89％。
31.根据权利要求29至30中任一项所述的钢粉末，其中％Ceq高于0.62％。
32.根据权利要求29至31中任一项所述的钢粉末，其中％C高于1.47％。
33.根据权利要求29至32中任一项所述的钢粉末，其中％Cr高于0.5％。
34.根据权利要求29至33中任一项所述的钢粉末，其中％Mo高于2.10％。
35.根据权利要求29至34中任一项所述的钢粉末，其中％W高于2.33％。
36.根据权利要求29至35中任一项所述的钢粉末，其中％V高于0.4％。
37.根据权利要求29至36中任一项所述的钢粉末，其中％Si高于0.4％。
38.根据权利要求29至37中任一项所述的钢粉末，其中％Mn高于1.75％。
39.根据权利要求29至38中任一项所述的钢粉末，其中％Ni高于0.9％。
40.根据权利要求29至39中任一项所述的钢粉末，其中％Co高于1.5％。
41.根据权利要求29至40中任一项所述的钢粉末，其中％Zr+％Hf+％Nb+％Ta总和高于0.09％。
42.根据权利要求29至41中任一项所述的钢粉末，其中％Cr+％V+％Mo+％W+％Zr+％Hf+％Nb+％Ta总和高于4.5％。
43.根据权利要求29至42中任一项所述的钢粉末，其中％Cr+％W+％Mo+％V+％Nb+％Zr总和高于4％。
44.根据权利要求29至43中任一项所述的钢粉末，其中％Zr+％Hf+％Nb+％Ta总和高于0.1％。
45.根据权利要求29至44中任一项所述的钢粉末，其中％C等于或高于2％，或者％Cr等于或低于10％，％Cr+％Ti+％W+％Mo+％V+％Nb+％Zr+％Hf+％Co总和高于0.5％。
46.根据权利要求29至45中任一项所述的钢粉末，其中％C等于或高于2％，或者％Cr等于或低于10％，％Cr+％Ti+％W+％Mo+％V+％Nb+％Zr+％Hf+％Co总和高于0.55％。
47.根据权利要求29至46中任一项所述的钢粉末，其中％C等于或高于2％，或者％Cr等于或低于10％，％Cr+％Ti+％W+％Mo+％V+％Nb+％Zr+％Hf+％Co总和高于0.7％。
48.根据权利要求29中任一项所述的钢粉末，其中％Mn+％Si+％Ni总和高于0.8％。
49.根据权利要求29至47中任一项所述的钢粉末，其中％Co<0.8。
50.根据权利要求29至49中任一项所述的钢粉末，其中％Co>0.9且％V>1.2。
51.根据权利要求29至50中任一项所述的钢粉末，其中当％C≥2或者％Cr≤10时，则％Cr+％Ti+％W+％Mo+％V+％Nb+％Zr+％Hf+％Zr+％Co≥0.5。
52.根据权利要求29至51中任一项所述的钢粉末，其中％C<0.1，前提是当％Ni≥0.9且％Co≥0.9时，则％Si<0.4。
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