CN112191857B - 一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的方法，采用钨电极发射转移等离子弧，经过压缩喷嘴机械压缩和聚焦线圈电磁压缩成高能量密度等离子电弧，高能量密度等离子电弧加热铁基合金棒端面使其熔化，铁基合金棒高速旋转产生离心力将端面熔融的金属液滴甩出，在表面张力作用下形成光滑球型铁基粉，所述铁基粉由以下重量百分含量的金属原料组成：C:0.04~0.09wt.%；Cr:16.5~19.5wt.%；Ni:2~6wt.%；B:0.5~3wt.%；Ti:0.3~0.6wt.%；Mo≤2wt.%；Si≤2wt.%；Nb≤3wt.%；V≤2wt.%；O≤0.02wt.%；余量为Fe和不可避免的杂质元素。

Description

一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的方法
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的方法。
背景技术
铁基金属材料由于其价格低廉广泛用于工业应用领域，根据使用性能不同，可分为不锈钢、耐磨钢、模具钢等。不锈钢材料具有良好的耐腐蚀性，但硬度低、耐磨性差，在高频摩擦、动载条件下使用寿命受限，因此研发一种耐磨耐腐蚀铁基材料的发明符合市场需求。
材料的耐磨性往往与硬度呈正比，要提高合金硬度需引入硬质相，弥散强化提高基体硬度，从而增强涂层或熔覆层耐磨性，碳化物和硼化物硬质相强化马氏体不锈钢具有较强的耐磨防腐性能，目前针对此类型材料多采用气雾化或水雾化等技术制备，受技术原理限制粉末形貌多呈椭球形、长条形存在，导致粉末流速差、熔覆过程出粉不流畅；且气雾化粉末由于制粉过程采用高压气体冷却熔融金属，不可避免的在熔滴内部残留来不及溢出的气体，由此产生空心粉。最终导致涂层或熔覆层内部由于空心粉造成的孔隙或热诱导裂纹，影响产品的服役寿命。
高速等离子旋转电极法采用离心雾化技术，制备环境为静态高纯惰性气体环境，制粉过程中无高压气体或水冲击因此无空心粉，且等离子旋转电极法制备粉末氧含量低。但传统等离子旋转电极法电极采用等离子电弧熔融高速旋转的冷电极形成液化面，液化面在离心力作用下形成液冠、从液面脱离，在加工仓内克服液滴表面张力形成金属粉末；传统等离子弧仅采用压缩喷嘴机械压缩，形成等离子弧能量密度约为103w/cm2，虽然等离子弧柱中心温度高（约为15000-30000℃），但等离子弧分散性大，导致高熔点相或难熔金属无法有效熔融；等离子旋转电极法通过调整转速和电流来调整的粉末粒径，对于高熔点难熔金属或具有高熔点相的合金而言，通常采用低转速和大电流的方式制备，但根据经验公式转速、电流与粒径呈反比，因此制备的粉末粒径偏粗（往往大于150μm），而高转速、小电流无法熔融高熔点硬质相，从而导致粉末中熔渣偏多（通常熔渣与球形粉的占比可达1:1），而铁基粉碳化物和硼化物属于高熔点相，等离子旋转电极制粉过程易出现上述粉末粒径偏粗、熔渣过多问题。
如何采用等离子弧旋转电极法获取细晶粒、高收得率铁基粉末，成为目前该技术的工艺难点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的方法，克服了现有技术中的缺陷。
为了解决技术问题，本发明的技术方案是：一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的方法，包括以下步骤：
步骤1：配制铁基粉的熔铸原料，将熔铸原料通过非真空感应熔炼浇铸成铁基合金棒；
所述铁基粉的熔铸原料由以下重量百分含量的金属原料组成：
C:0.04~0.09wt.%；
Cr:16.5~19.5wt.%；
Ni:2~6wt.%；
B:0.5~3wt.%；
Ti:0.3~0.6wt.%；
Mo≤2wt.%；
Si≤2wt.%；
Nb≤3wt.%；
V≤2wt.%；
O≤0.02wt.%；
余量为Fe和不可避免的杂质元素，其中Mn和W为不可避免的杂质元素，Mn、Nb、V、W、Ti元素的总量不超过合金总重量的4.5%；
步骤2：将浇铸成型的铁基合金棒经车床机械加工；
步骤3：将步骤2机械加工得到的铁基合金棒作为自耗电极置于制粉设备的加工仓1内，并通过真空组件对制粉设备的加工仓进行预抽真空处理，然后通过气体组件充入氩气和氦气的混合气体；
步骤4：开启等离子枪组件和驱动电机，驱动电机带动铁基合金棒高速旋转，等离子枪组件形成的高能量密度等离子电弧转移到铁基合金棒上，使铁基合金棒熔化后依靠旋转所产生的离心力甩离金属液滴，并在加工仓内离心冷凝；
步骤5：将冷凝后的粉末收集在收集箱内，制粉结束后将收集箱与超声振动筛进粉口连接，通过超声振动筛后得到规定粒径范围的球形铁基粉。
优选的，所述步骤3中制粉设备包括加工仓、等离子枪组件、气体组件、驱动电机、真空组件和收集箱，其中气体组件和真空组件分别与加工仓通过管线连接，所述驱动电机固定安装于加工仓一侧外部，其中驱动电机输出轴穿过加工仓壁连接铁基合金棒，等离子枪组件固定于加工仓另一侧内壁，其中铁基合金棒和等离子枪组件同轴设置于加工仓内部，所述加工仓下端与收集箱连通。
优选的，所述等离子枪组件包括钨电极、聚焦线圈骨架、聚焦线圈、水冷喷嘴、压缩喷嘴、钨极夹、高频引弧器和主电源，其中钨极夹同轴套装固定于水冷喷嘴内部远离铁基合金棒的一侧，钨电极一端固定于钨极夹内，钨电极与铁基合金棒分别通过电连接到主电源，其中钨电极作为负极，铁基合金棒作为正极，所述高频引弧器负极与钨电极连接，高频引弧器正极与主电源连接，所述压缩喷嘴同轴套装固定于水冷喷嘴内部中间位置并且位于钨电极的前端，聚焦线圈骨架同轴套装固定于水冷喷嘴内部靠近铁基合金棒的一侧，其中聚焦线圈固定于聚焦线圈骨架上，所述聚焦线圈正极与水冷喷嘴连接，聚焦线圈负极与主电源连接。
优选的，所述高频引弧器正极通过KM1接触器与主电源连接，钨电极负极通过KM2接触器与主电源连接，聚焦线圈负极通过KM3接触器与主电源连接，所述水冷喷嘴为铜喷嘴。
优选的，所述钨极夹同轴螺纹连接在水冷喷嘴内远离铁基合金棒的一侧，压缩喷嘴同轴螺纹连接在水冷喷嘴内中间位置并且位于钨电极的前端，水冷喷嘴靠近钨极夹的一端固定于加工仓内壁上，铁基合金棒与钨电极同轴设置。
优选的，所述步骤4中开启等离子枪组件包括以下步骤：
步骤4-1：安装好钨电极和铁基合金棒，断开KM2接触器，接通KM1接触器，开启主电源；
步骤4-2：开启高频引弧器，钨电极与水冷喷嘴之间产生非转移等离子弧；
步骤4-3：接通KM2接触器，钨电极与铁基合金棒电连通，两者之间产生转移等离子弧；
步骤4-4：接通KM3接触器，聚焦线圈内部产生电磁场，对通过压缩喷嘴的转移等离子弧进行进一步电磁压缩，形成高能量密度等离子电弧。
优选的，所述步骤5中球形铁基粉的粉末粒径范围为15~150μm，粉末流速≤13s/50g，铁基粉中非金属夹杂少于8个/200g，空心粉率为0%，
优选的，所述球形铁基粉用于热喷涂或激光熔覆，利用球形铁基粉制备的涂层或熔覆层具有耐磨防腐性能。
相对于现有技术，本发明的优点在于：
（1）本发明提出一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的方法，铁基粉的熔铸原料通过Ni改善耐腐蚀性，提高材料塑韧性，防止开裂；通过Cr显著提高耐腐蚀性，提高材料的强度和耐磨性；通过B稳定硼化物形成元素，提高材料硬度和耐磨性、减小材料摩擦失重；通过Ti稳定碳化物形成元素，提高晶间抗腐蚀能力，改善材料焊接性，与Si反应可明显降低材料热脆性；通过V稳定碳化物形成元素，提高材料硬度和耐磨性；通过Nb稳定碳化物形成元素，提高硬度、细化马氏体相尺寸；通过Mo稳定碳化物形成元素，细化晶粒；并且通过降低氧含量（氧含量低于0.02wt.%），提高了由此铁基粉粉末制备的熔覆层抗腐蚀效果，保证了由此铁基粉所制备的熔覆层适应各种酸性、碱性工矿环境，从而延长了产品使用寿命；
（2）本发明提出一种新型等离子枪组件，采用压缩喷嘴机械压缩的同时，增设了聚焦线圈电磁收缩，提高了等离子弧能量密度（最大可提高到107w/cm2），高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉过程中，不需要额外提高转速，即可得到粒径细小、收得率高的铁基粉；
（3）本发明制备的铁基粉球型度高，粉末松装密度≥50%理论密度，振实密度≥60%理论密度，保证熔覆层致密度近似100%，熔覆层致密度提高有助于提高耐磨损性能和抗腐蚀性能；本发明制备的铁基粉中非金属夹杂少于8个/200g，避免了熔覆过程中由于非金属夹杂造成的开裂；
（4）本发明制备的铁基粉具有高球形度和流速，球形度高达90%以上，粉末流速从22sec/50g提高到13sec/50g，粉末流速提高，保证了熔覆过程中出粉的顺畅性，实现了熔覆层厚度均匀，本发明铁基粉适用于重力型送粉器、气动式送粉器等任意类型送粉装置。
附图说明
图1、本发明铁基粉50倍形貌图；
图2、本发明铁基粉200倍形貌图；
图3、本发明一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的制粉设备结构示意图；
图4、本发明图3的局部放大图。
附图标记说明：
1、加工仓，2、铁基合金棒，3、等离子枪组件，4、气体组件，5、驱动电机，6、真空组件，7、收集箱；
3-1、钨电极，3-2、聚焦线圈骨架，3-3、聚焦线圈，3-4、水冷喷嘴，3-5、压缩喷嘴，3-6、钨极夹，3-7、高频引弧器，3-8、主电源，3-9、KM1接触器，3-10、KM2接触器，3-11、KM3接触器，3-12、高能量密度等离子电弧。
具体实施方式
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
下面结合附图和具体实施示例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图3所示，本发明公开了一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的方法，包括以下步骤：
步骤1：配制铁基粉的熔铸原料，将熔铸原料通过非真空感应熔炼浇铸成铁基合金棒2；
所述铁基粉的熔铸原料由以下重量百分含量的金属原料组成：
C:0.04~0.09wt.%；
Cr:16.5~19.5wt.%；
Ni:2~6wt.%；
B:0.5~3wt.%；
Ti:0.3~0.6wt.%；
Mo≤2wt.%；
Si≤2wt.%；
Nb≤3wt.%；
V≤2wt.%；
O≤0.02wt.%；
余量为Fe和不可避免的杂质元素，其中Mn和W为不可避免的杂质元素，Mn、Nb、V、W、Ti元素的总量不超过合金总重量的4.5%；
步骤2：将浇铸成型的铁基合金棒2经车床机械加工；
步骤3：将步骤2机械加工得到的铁基合金棒2作为自耗电极置于制粉设备的加工仓1内，并通过真空组件6对制粉设备的加工仓1进行预抽真空处理，然后通过气体组件4充入氩气和氦气的混合气体；
步骤4：开启等离子枪组件3和驱动电机5，驱动电机5带动铁基合金棒2高速旋转，等离子枪组件3形成的高能量密度等离子电弧转移到铁基合金棒2上，使铁基合金棒2熔化后依靠旋转所产生的离心力甩离金属液滴，并在加工仓1内离心冷凝；
步骤5：将冷凝后的粉末收集在收集箱7内，制粉结束后将收集箱7与超声振动筛进粉口连接，通过超声振动筛后得到规定粒径范围的球形铁基粉。
所述各种元素作用：
Ni:改善耐腐蚀性，提高材料塑韧性，防止开裂；
Cr:显著提高耐腐蚀性，提高材料的强度和耐磨性；
B:稳定硼化物形成元素，提高材料硬度和耐磨性、减小材料摩擦失重；
Ti:稳定碳化物形成元素，提高晶间抗腐蚀能力，改善材料焊接性（或称熔覆性），与Si反应可明显降低材料热脆性；
V:稳定碳化物形成元素，提高材料硬度和耐磨性；
Nb:稳定碳化物形成元素，提高硬度、细化马氏体相尺寸；
Mo:稳定碳化物形成元素，细化晶粒。
如图3所示，优选的，所述步骤3中制粉设备包括加工仓1、等离子枪组件3、气体组件4、驱动电机5、真空组件6和收集箱7，其中气体组件4和真空组件6分别与加工仓1通过管线连接，所述驱动电机5固定安装于加工仓1一侧外部，其中驱动电机5输出轴穿过加工仓1壁连接铁基合金棒2，等离子枪组件3固定于加工仓1另一侧内壁，其中铁基合金棒2和等离子枪组件3同轴设置于加工仓1内部，所述加工仓1下端与收集箱7连通。
如图4所示，优选的，所述等离子枪组件3包括钨电极3-1、聚焦线圈骨架3-2、聚焦线圈3-3、水冷喷嘴3-4、压缩喷嘴3-5、钨极夹3-6、高频引弧器3-7和主电源3-8，其中钨极夹3-6同轴套装固定于水冷喷嘴3-4内部远离铁基合金棒2的一侧，钨电极3-1一端固定于钨极夹3-6内，钨电极3-1与铁基合金棒2分别通过电连接到主电源3-8，其中钨电极3-1作为负极，铁基合金棒2作为正极，所述高频引弧器3-7负极与钨电极3-1连接，高频引弧器3-7正极与主电源3-8连接，所述压缩喷嘴3-5同轴套装固定于水冷喷嘴3-4内部中间位置并且位于钨电极3-1的前端，聚焦线圈骨架3-2同轴套装固定于水冷喷嘴3-4内部靠近铁基合金棒2的一侧，其中聚焦线圈3-3固定于聚焦线圈骨架3-2上，所述聚焦线圈3-3正极与水冷喷嘴3-4连接，聚焦线圈3-3负极与主电源3-8连接。
如图4所示，优选的，所述高频引弧器3-7正极通过KM1接触器3-9与主电源3-8连接，钨电极3-1负极通过KM2接触器3-10与主电源3-8连接，聚焦线圈3-3负极通过KM3接触器3-11与主电源3-8连接，所述水冷喷嘴3-4为铜喷嘴。
如图4所示，优选的，所述钨极夹3-6同轴螺纹连接在水冷喷嘴3-4内远离铁基合金棒2的一侧，压缩喷嘴3-5同轴螺纹连接在水冷喷嘴3-4内中间位置并且位于钨电极3-1的前端，水冷喷嘴3-4靠近钨极夹3-6的一端固定于加工仓1内壁上，铁基合金棒2与钨电极3-1同轴设置。
优选的，所述步骤4中开启等离子枪组件3包括以下步骤：
步骤4-1：安装好钨电极3-1和铁基合金棒2，断开KM2接触器3-10，接通KM1接触器3-9，开启主电源3-8；
步骤4-2：开启高频引弧器3-7，钨电极3-1与水冷喷嘴3-4之间产生非转移等离子弧；
步骤4-3：接通KM2接触器3-10，钨电极3-1与铁基合金棒2电连通，两者之间产生转移等离子弧；
步骤4-4：接通KM3接触器3-11，聚焦线圈3-3内部产生电磁场，对通过压缩喷嘴3-5的转移等离子弧进行进一步电磁压缩，形成高能量密度等离子电弧3-12。
优选的，所述步骤5中球形铁基粉的粉末粒径范围为15~150μm，粉末流速≤13s/50g，铁基粉中非金属夹杂少于8个/200g，空心粉率为0%，
优选的，所述球形铁基粉用于热喷涂或激光熔覆，利用球形铁基粉制备的涂层或熔覆层具有耐磨防腐性能。
为使本发明的所得到的产品在性能表征上能准确、统一、严谨，故在本发明中，粉末产品的取样、检测依照如下标准方法进行：
ASTM B212-1999《自由流动的金属粉末表观密度的测试方法》；
ASTM B213-2013《金属粉末流速的测试方法》；
ASTM B214-2016《金属粉末筛析试验方法》；
ASTM B215-2015《金属粉末的最后批量抽样方法》。
实施例2
一种利用高能量密度等离子旋转电极制备的铁基粉，按照重量百分含量计算由以下金属原料组成，见表1：
表1 实施例2铁基粉的各金属原料重量百分含量
元素 C Cr Ni B Mo Si Ti Nb V O Fe
重量百分含量（wt.%） 0.09 16.5 2 3 0.35 2 0.3 0.5 0.5 ≤0.02 余量
以上金属原料由高能量密度等离子旋转电极制备，具体制备步骤如下：
步骤1：按照铁基粉的金属原料配料得到熔铸原料，通过非真空感应熔炼浇铸成φ80±5mm×700mm铁基合金棒2；
步骤2：将浇铸成型的铁基合金棒2经车床机械加工到φ75±0.6mm×700mm，表面粗糙度Ra0.8棒材；
步骤3：将步骤2机械加工得到的铁基合金棒2置于制粉设备的加工仓1内，并对制粉设备进行预抽真空处理，真空度达到10-2Pa后充入9:1的氩气和氦气的混合气体，加工仓1内工作压力为0.12MPa；
步骤4：开启等离子枪组件3和驱动电机5，产生50A非转移等离子弧后，开启主电源3-8，钨电极3-1产生负电子通过聚焦线圈3-3后形成高能量密度等离子电弧3-12转移到铁基合金棒2上，由此形成高能量密度等离子电弧3-12，通过主电源3-8调整转移弧电流至1200A；
断开KM2接触器3-10，接通KM1接触器3-9，开启主电源3-8，开启高频引弧器3-7，钨电极3-1与水冷喷嘴3-4之间产生非转移等离子弧，接通KM2接触器3-10，钨电极3-1与铁基合金棒2电连通，两者之间产生转移等离子弧；接通KM3接触器3-11，聚焦线圈3-3内部产生电磁场，对通过压缩喷嘴3-5的转移等离子弧进行进一步电磁压缩，形成高能量密度等离子电弧3-12，使铁基合金棒2熔化后依靠旋转所产生的离心力甩离金属液滴，并在加工仓1内离心冷凝；
步骤5：将冷凝后的粉末收集在收集箱7内，制粉结束后将收集箱7与超声振动筛进粉口连接，通过超声波振动筛后最终收集到粒径范围15~150μm铁基球形粉末。
如图1所示，图1为50倍形貌图，从图中可以看出得到的铁基粉为球形金属粉末，粉末粒径范围15~150μm，粉末流速≤13s/50g，粉末松装密度≥50%理论密度，振实密度≥60%理论密度，铁基粉中非金属夹杂少于8个/200g；
通过金相法检测空心粉率和球形度，本实施例制备得到的铁基粉的空心粉率为0%，球形度为95%。
对本发明所述一种高能量密度等离子旋转电极制备的铁基粉与传统等离子旋转电极制备的铁基粉进行对比，具体见表2：
表2 不同制备方法得到的铁基粉对比结果
制备方法 铁基粉收得率 熔渣质量占比 等离子弧能量密度 铁基粉粒径范围
等离子旋转电极 80% 5% 10<sup>3</sup>w/cm<sup>2</sup> 60~200μm
高能量密度等离子旋转电极 100% 0% 10<sup>7</sup>w/cm<sup>2</sup> 15~53μm
从表2可以看出，本发明制备方法得到的粉末收得率为100%，熔渣质量占比0%，等离子弧能量密度为107w/cm2，粒径范围为15~53μm，明显优于等离子旋转电极制备的铁基粉。
实施例3
一种利用高能量密度等离子旋转电极制备的铁基粉，按照重量百分含量计算由以下金属原料组成，见表3：
表3 实施例3铁基粉的各金属原料重量百分含量
元素 C Cr Ni B Mo Si Ti Nb V O Fe
重量百分含量（wt.%） 0.04 19.5 6 0.5 2 0.5 0.6 0.8 2 ≤0.02 余量
以上金属原料由高能量密度等离子旋转电极制备，具体制备步骤如下：
步骤1：按照上述铁基粉的金属原料配料得到熔铸原料，通过非真空感应熔炼浇铸成直径为φ65±5mm×600mm棒材；
步骤2：将浇铸成型的铁基合金棒2经车床机械加工到φ59±0.6mm×600mm；
步骤3：将步骤2得到的铁基合金棒2作为自耗电极置于制粉设备的加工仓1内，并通过真空组件6对制粉设备的加工仓1进行预抽真空处理，真空度达到1ⅹ10-3Pa后充入氩气和氦气，其混合比例为35%氩气+65%氦气，加工仓1内工作压力为0.12MPa；
步骤4：开启等离子枪组件3和驱动电机5，产生50A非转移等离子弧后，开启主电源3-8，钨电极3-1产生负电子通过聚焦线圈3-3后形成高能量密度等离子电弧3-12转移到铁基合金棒2上，由此形成高能量密度等离子电弧3-12，通过主电源3-8调整转移弧电流至1500A；
开KM2接触器3-10，接通KM1接触器3-9，开启主电源3-8，开启高频引弧器3-7，钨电极3-1与水冷喷嘴3-4之间产生非转移等离子弧，接通KM2接触器3-10，钨电极3-1与铁基合金棒2电连通，两者之间产生转移等离子弧；接通KM3接触器3-11，聚焦线圈3-3内部产生电磁场，对通过压缩喷嘴3-5的转移等离子弧进行进一步电磁压缩，形成高能量密度等离子电弧3-12，使铁基合金棒2熔化后依靠旋转所产生的离心力甩离金属液滴，并在加工仓1内离心冷凝；
步骤5：将冷凝后的粉末收集在收集箱7内，制粉结束后将收集箱7与超声振动筛进粉口连接，通过超声波振动筛后最终收集到粒径范围15~150μm铁基球形粉末。
如图2所示，图2为200倍形貌图，从图中可以看出得到的铁基粉为球形金属粉末，粉末粒径范围15~150μm，粉末流速≤13s/50g，粉末松装密度≥50%理论密度，振实密度≥60%理论密度，铁基粉中非金属夹杂少于8个/200g；
通过金相法检测空心粉率和球形度，本实施例制备得到的铁基粉的空心粉率为0%，球形度为96%。
对本发明所述一种高能量密度等离子旋转电极制备的铁基粉与传统等离子旋转电极制备的铁基粉进行对比，具体见表4：
表4 不同制备方法得到的铁基粉对比结果
制备方法 目标粉末收得率 熔渣质量占比 等离子弧能量密度 目标粉末粒径范围
等离子旋转电极 80% 5% 10<sup>3</sup>w/cm<sup>2</sup> 60~200μm
高能量密度等离子弧高速旋转电极 100% 0% 10<sup>7</sup>w/cm<sup>2</sup> 18~50μm
从表4可以看出，本发明制备方法得到的粉末收得率为100%，熔渣质量占比0%，等离子弧能量密度为107w/cm2，粒径范围为18~50μm，明显优于等离子旋转电极制备的铁基粉。
实施例4
一种利用高能量密度等离子旋转电极制备的铁基粉，按照重量百分含量计算由以下金属原料组成，见表5：
表5 实施例4铁基粉的各金属原料重量百分含量
元素 C Cr Ni B Mo Si Ti Nb V O Fe
重量百分含量（wt.%） 0.06 18.5 4 1.5 0.5 0.2 0.5 3 0.5 ≤0.02 余量
以上金属原料由高能量密度等离子旋转电极制备，具体制备步骤如下：
步骤1：按照上述铁基粉的金属原料配料得到熔铸原料，通过非真空感应熔炼浇铸成直径为φ75±5mm×600mm棒材；
步骤2：将浇铸成型的铁基合金棒2经车床机械加工到φ69±0.5mm×600mm；
步骤3：将步骤2得到的铁基合金棒2作为自耗电极置于制粉设备的加工仓1内，并通过真空组件6对制粉设备的加工仓1进行预抽真空处理，真空度达到1ⅹ10-3Pa后充入氩气和氦气，其混合比例为35%氩气+65%氦气，加工仓1内工作压力为0.12MPa；
步骤4：开启等离子枪组件3和驱动电机5，产生50A非转移等离子弧后，开启主电源3-8，钨电极3-1产生负电子通过聚焦线圈3-3后形成高能量密度等离子电弧3-12转移到铁基合金棒2上，由此形成高能量密度等离子电弧3-12，通过主电源3-8调整转移弧电流至1300A；
开KM2接触器3-10，接通KM1接触器3-9，开启主电源3-8，开启高频引弧器3-7，钨电极3-1与水冷喷嘴3-4之间产生非转移等离子弧，接通KM2接触器3-10，钨电极3-1与铁基合金棒2电连通，两者之间产生转移等离子弧；接通KM3接触器3-11，聚焦线圈3-3内部产生电磁场，对通过压缩喷嘴3-5的转移等离子弧进行进一步电磁压缩，形成高能量密度等离子电弧3-12，使铁基合金棒2熔化后依靠旋转所产生的离心力甩离金属液滴，并在加工仓1内离心冷凝；
步骤5：将冷凝后的粉末收集在收集箱7内，制粉结束后将收集箱7与超声振动筛进粉口连接，通过超声波振动筛后最终收集到粒径范围15~150μm铁基球形粉末。
如图2所示，图2为200倍形貌图，从图中可以看出得到的铁基粉为球形金属粉末，粉末粒径范围15~150μm，粉末流速≤13s/50g，粉末松装密度≥50%理论密度，振实密度≥60%理论密度，铁基粉中非金属夹杂少于8个/200g；
通过金相法检测空心粉率和球形度，本实施例制备得到的铁基粉的空心粉率为0%，球形度为95%。
对本发明所述一种高能量密度等离子旋转电极制备的铁基粉与传统等离子旋转电极制备的铁基粉进行对比，具体见表6：
表6 不同制备方法得到的铁基粉对比结果
制备方法 目标粉末收得率 熔渣质量占比 等离子弧能量密度 目标粉末粒径范围
等离子旋转电极 80% 5% 10<sup>3</sup>w/cm<sup>2</sup> 60~200μm
高能量密度等离子弧高速旋转电极 100% 0% 10<sup>7</sup>w/cm<sup>2</sup> 20~45μm
从表6可以看出，本发明制备方法得到的粉末收得率为100%，熔渣质量占比0%，等离子弧能量密度为107w/cm2，粒径范围为20~45μm，明显优于等离子旋转电极制备的铁基粉。
本发明工作原理如下：
本发明采用钨电极3-1发射转移等离子弧，经过压缩喷嘴3-5机械压缩和聚焦线圈3-3电磁压缩成高能量密度等离子电弧3-12，高能量密度等离子电弧3-12加热铁基合金棒2端面使其熔化，铁基合金棒2高速旋转产生离心力将端面熔融的金属液滴甩出，在表面张力作用下形成光滑球型铁基粉。
本发明提出一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的方法，铁基粉的熔铸原料通过Ni改善耐腐蚀性，提高材料塑韧性，防止开裂；通过Cr显著提高耐腐蚀性，提高材料的强度和耐磨性；通过B稳定硼化物形成元素，提高材料硬度和耐磨性、减小材料摩擦失重；通过Ti稳定碳化物形成元素，提高晶间抗腐蚀能力，改善材料焊接性，与Si反应可明显降低材料热脆性；通过V稳定碳化物形成元素，提高材料硬度和耐磨性；通过Nb稳定碳化物形成元素，提高硬度、细化马氏体相尺寸；通过Mo稳定碳化物形成元素，细化晶粒；并且通过降低氧含量（氧含量低于0.02wt.%），提高了由此铁基粉粉末制备的熔覆层抗腐蚀效果，保证了由此铁基粉所制备的熔覆层适应各种酸性、碱性工矿环境，从而延长了产品使用寿命。
本发明提出一种新型等离子枪组件，采用压缩喷嘴机械压缩的同时，增设了聚焦线圈电磁收缩，提高了等离子弧能量密度（最大可提高到107w/cm2），高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉过程中，不需要额外提高转速，即可得到粒径细小、收得率高的铁基粉。
本发明制备的铁基粉球型度高，粉末松装密度≥50%理论密度，振实密度≥60%理论密度，保证熔覆层致密度近似100%，熔覆层致密度提高有助于提高耐磨损性能和抗腐蚀性能；本发明制备的铁基粉中非金属夹杂少于8个/200g，避免了熔覆过程中由于非金属夹杂造成的开裂。
本发明制备的铁基粉具有高球形度和流速，球形度高达90%以上，粉末流速从22sec/50g提高到13sec/50g，粉末流速提高，保证了熔覆过程中出粉的顺畅性，实现了熔覆层厚度均匀，本发明铁基粉适用于重力型送粉器、气动式送粉器等任意类型送粉装置。
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (6)

1.一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：配制铁基粉的熔铸原料，将熔铸原料通过非真空感应熔炼浇铸成铁基合金棒（2）；
所述铁基粉的熔铸原料由以下重量百分含量的金属原料组成：
C:0.04~0.09wt.%；
Cr:16.5~19.5wt.%；
Ni:2~6wt.%；
B:0.5~3wt.%；
Ti:0.3~0.6wt.%；
Mo≤2wt.%；
Si≤2wt.%；
Nb≤3wt.%；
V≤2wt.%；
O≤0.02wt.%；
余量为Fe和不可避免的杂质元素，其中Mn和W为不可避免的杂质元素，Mn、Nb、V、W、Ti元素的总量不超过合金总重量的4.5%；
步骤2：将浇铸成型的铁基合金棒（2）经车床机械加工；
步骤3：将步骤2机械加工得到的铁基合金棒（2）作为自耗电极置于制粉设备的加工仓（1）内，并通过真空组件（6）对制粉设备的加工仓（1）进行预抽真空处理，然后通过气体组件（4）充入氩气和氦气的混合气体；
步骤4：开启等离子枪组件（3）和驱动电机（5），驱动电机（5）带动铁基合金棒（2）高速旋转，等离子枪组件（3）形成的高能量密度等离子电弧转移到铁基合金棒（2）上，使铁基合金棒（2）熔化后依靠旋转所产生的离心力甩离金属液滴，并在加工仓（1）内离心冷凝；所述等离子枪组件（3）包括钨电极（3-1）、聚焦线圈骨架（3-2）、聚焦线圈（3-3）、水冷喷嘴（3-4）、压缩喷嘴（3-5）、钨极夹（3-6）、高频引弧器（3-7）和主电源（3-8），其中钨极夹（3-6）同轴套装固定于水冷喷嘴（3-4）内部远离铁基合金棒（2）的一侧，钨电极（3-1）一端固定于钨极夹（3-6）内，钨电极（3-1）与铁基合金棒（2）分别通过电连接到主电源（3-8），其中钨电极（3-1）作为负极，铁基合金棒（2）作为正极，所述高频引弧器（3-7）负极与钨电极（3-1）连接，高频引弧器（3-7）正极与主电源（3-8）连接，所述压缩喷嘴（3-5）同轴套装固定于水冷喷嘴（3-4）内部中间位置并且位于钨电极（3-1）的前端，聚焦线圈骨架（3-2）同轴套装固定于水冷喷嘴（3-4）内部靠近铁基合金棒（2）的一侧，其中聚焦线圈（3-3）固定于聚焦线圈骨架（3-2）上，所述聚焦线圈（3-3）正极与水冷喷嘴（3-4）连接，聚焦线圈（3-3）负极与主电源（3-8）连接；所述高频引弧器（3-7）正极通过KM1接触器（3-9）与主电源（3-8）连接，钨电极（3-1）负极通过KM2接触器（3-10）与主电源（3-8）连接，聚焦线圈（3-3）负极通过KM3接触器（3-11）与主电源（3-8）连接，所述水冷喷嘴（3-4）为铜喷嘴；
步骤5：将冷凝后的粉末收集在收集箱（7）内，制粉结束后将收集箱（7）与超声振动筛进粉口连接，通过超声振动筛后得到规定粒径范围的球形铁基粉。
2.根据权利要求1所述的一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的方法，其特征在于，所述步骤3中制粉设备包括加工仓（1）、等离子枪组件（3）、气体组件（4）、驱动电机（5）、真空组件（6）和收集箱（7），其中气体组件（4）和真空组件（6）分别与加工仓（1）通过管线连接，所述驱动电机（5）固定安装于加工仓（1）一侧外部，其中驱动电机（5）输出轴穿过加工仓（1）壁连接铁基合金棒（2），等离子枪组件（3）固定于加工仓（1）另一侧内壁，其中铁基合金棒（2）和等离子枪组件（3）同轴设置于加工仓（1）内部，所述加工仓（1）下端与收集箱（7）连通。
3.根据权利要求1所述的一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的方法，其特征在于，所述钨极夹（3-6）同轴螺纹连接在水冷喷嘴（3-4）内远离铁基合金棒（2）的一侧，压缩喷嘴（3-5）同轴螺纹连接在水冷喷嘴（3-4）内中间位置并且位于钨电极（3-1）的前端，水冷喷嘴（3-4）靠近钨极夹（3-6）的一端固定于加工仓（1）内壁上，铁基合金棒（2）与钨电极（3-1）同轴设置。
4.根据权利要求3所述的一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的方法，其特征在于，所述步骤4中开启等离子枪组件（3）包括以下步骤：
步骤4-1：安装好钨电极（3-1）和铁基合金棒（2），断开KM2接触器（3-10），接通KM1接触器（3-9），开启主电源（3-8）；
步骤4-2：开启高频引弧器（3-7），钨电极（3-1）与水冷喷嘴（3-4）之间产生非转移等离子弧；
步骤4-3：接通KM2接触器（3-10），钨电极（3-1）与铁基合金棒（2）电连通，两者之间产生转移等离子弧；
步骤4-4：接通KM3接触器（3-11），聚焦线圈（3-3）内部产生电磁场，对通过压缩喷嘴（3-5）的转移等离子弧进行进一步电磁压缩，形成高能量密度等离子电弧（3-12）。
5.根据权利要求1所述的一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的方法，其特征在于，所述步骤5中球形铁基粉的粉末粒径范围为15~150μm，粉末流速≤13s/50g，铁基粉中非金属夹杂少于8个/200g，空心粉率为0%。
6.根据权利要求1所述的一种利用高能量密度等离子旋转电极制备铁基粉的方法，其特征在于：所述球形铁基粉用于热喷涂或激光熔覆，利用球形铁基粉制备的涂层或熔覆层具有耐磨防腐性能。
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