RU2425166C1 - Способ получения механически легированной азотсодержащей стали - Google Patents
Способ получения механически легированной азотсодержащей стали Download PDFInfo
- Publication number
- RU2425166C1 RU2425166C1 RU2010122711/02A RU2010122711A RU2425166C1 RU 2425166 C1 RU2425166 C1 RU 2425166C1 RU 2010122711/02 A RU2010122711/02 A RU 2010122711/02A RU 2010122711 A RU2010122711 A RU 2010122711A RU 2425166 C1 RU2425166 C1 RU 2425166C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mixture
- powder
- nitrogen
- powders
- mechanical alloying
- Prior art date
Links
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к производству легированных сталей. Смесь порошков металлов подвергают механическому легированию в атмосфере азота. Соотношение масс смеси металлических порошков и мелющих шаров составляет 1:30. После механического легирования смесь порошков металлов отжигают в защитной или восстановительной атмосферах при 400-600°С, в отожженную смесь добавляют 2-4% наноразмерного порошка никеля и производят перемешивание. Затем готовую шихту прессуют в пресс-форме и спекают в азотсодержащей атмосфере при температурах 1100-1300°С. Способ обеспечивает активацию спекания, сокращение длительности механического легирования, достижение высокой плотности, прочности, износо- и коррозионной стойкости стали. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Description
Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к производству легированных сталей.
К перспективным сплавам, создаваемым в последние годы, относятся стали, легированные азотом. Азот способен успешно заменять никель и марганец благодаря формированию азотистого аустенита, более устойчивого, чем углеродистый. Увеличение содержания азота в аустените приводит к повышению прочности и пластичности сплавов, а также коррозионной стойкости и магнитных свойств. Улучшение свойств сталей, легированных азотом, достигается при концентрации азота 1,1-1,3 мас.%, что значительно превышает пределы его растворимости в металлах при равновесных условиях (Устиновщиков Ю.И., Рац А.В., и др. Структура азотистого аустенита. Известия ВУЗов. Черная металлургия №2, 1999. С.57-60).
Основными способами изготовления азотистых сталей являются насыщение расплавов азотом и твердофазное легирование.
Известна аустенитная сталь (патент РФ №2092606, МПК С22С 38/18, приоритет 19.10.1995 г.), выплавляемая в открытой индукционной печи под давлением газообразного азота 20 атм. Отливки куют на прутки сечением 14×14 мм. Термическую обработку указанной стали производят по режимам, состоящим из закалки от 1200°С с охлаждением в воде.
Технологические процессы насыщения этих сплавов азотом сложнее, чем углеродом, кроме того, энергоемки и экологически небезопасны.
В отличие от кованых сталей, где диффузия атомов насыщающего элемента от поверхности изделия к сердцевине происходит только по зерну и межзеренным границам, в порошковых материалах насыщение одновременно осуществляется через поверхности частиц, поверхности пор, по межзеренным и межчастичным границам. Поэтому перспективным способом получения сталей с содержанием азота выше равновесного является принципиально новый метод механического легирования порошков металла, в котором введение азота происходит в процессе длительного измельчения металлов в азотсодержащих средах. Твердофазное насыщение азотом при механических обработках порошков наиболее часто используется для получения порошков нитридов металлов с высоким сродством к азоту, ферросплавов и лигатур с содержанием азота 10-20%. При этом реализуют условия самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
Примером служит способ получения азотсодержащего сплава для легирования стали (патент РФ №2341578, МПК С22С 35/00, 29/00, приоритет 20.02.2006 г.), согласно которому исходный материал измельчают в порошок с размером частиц менее 2,5 мм, порошок засыпают в цилиндрический тигель, тигель с засыпкой помещают в атмосферу азота при давлении 0,15-12,0 МПа, инициируют экзотермическую реакцию образования нитридов титана, кремния, алюминия путем локального нагрева части исходного сплава до температуры начала реакции и поддерживают эту температуру и давление до окончания реакции в послойном режиме горения с последующим доазотированием в режиме объемного горения при давлении 0,15-10 МПа в течение 0,1-1,5 часа. Полученный азотсодержащий сплав содержит, вес.%: титан 10,0-70,0, кремний 0,1-30,0, алюминий 0,3-25,0, азот 9,0-26,0, железо остальное. Изобретение позволяет получить сплав с максимальным содержанием азота при полном отсутствии потерь сырья при азотировании и исключении вредных выбросов в окружающую среду.
Известны способы получения азотсодержащих сталей методами механического легирования в азотсодержащих средах с последующим применением консолидации порошков различными методами спекания под высокими давлениями (патент РФ №2324757, МПК С22С 33/02, С22С 1/10, B22F 1/00, В82В 1/00, В82В 3/00, приоритет 26.09.2003 г.). Такие методы консолидации обеспечивают измельчение зерна до нанометрических размеров и высокие прочностные и пластические свойства, а фазовый состав сталей - коррозионную стойкость. Однако экстремальные виды консолидации материально и энергетически затратны, а также требуют специального сложного оборудования и оснастки.
В качестве прототипа выбран способ изготовления аустенитной нержавеющей стали, упрочненной дисперсными оксидами (патент CN №101538674, МПК С22С 33/02, приоритет 06.05.2009 г.), который заключается в смешивании порошков железа, хрома, никеля, вольфрама, титана и нанопорошка Y2О3 в заданных пропорциях; 17-19% хрома, 7-9% никеля, 1,5-2,5% вольфрама, 0,5-1,0% титана, 0,3-0,6 процента Y2O3, остальное - железо; загрузке смеси порошков в резервуар мельницы; нагнетании высокочистого азота в резервуар мельницы после вакуумирования; перетирании смеси порошков в течение 30-120 часов без учета времени простоев планетарной шаровой мельницы интенсивного помола. Пропорция между массами порошка и размольных шаров составляет 1:10. Во избежание чрезмерного повышения температуры в резервуаре шаровой мельницы она останавливается на 1 час после каждых 5 часов помола. Регулируя давление азота в шаровой мельнице и время помола, получают порошок упрочненной дисперсными оксидами аустенитной нержавеющей стали с различным содержанием азота, а после спекания порошка - формируется азотсодержащая упрочненная дисперсными оксидами аустенитная нержавеющая сталь. Аустенитная нержавеющая сталь, полученная данным методом, одновременно упрочняется твердыми растворами и дисперсными оксидами, поэтому значительно улучшаются ее эксплуатационные качества при высоких температурах.
Недостатком этого способа является введение оксида иттрия, ухудшающего металлический контакт в спеченном материале, что снижает плотность и прочность. Другим недостатком является высокая длительность процесса механического легирования - от 30 до 120 ч.
Технической задачей заявляемого технического решения является достижение высокой плотности, прочности, износо- и коррозионной стойкости азотсодержащей стали, обеспечение активации спекания и сокращение длительности механического легирования.
Предлагаемый способ получения механически легированной азотсодержащей стали включает механическое легирование порошков металлов, взятых в заданных пропорциях, отжиг механически легированной смеси, добавление в механически легированную смесь порошка никеля нанометрического размера, прессование смеси и спекание в азотсодержащей атмосфере.
Заявляемый способ обеспечивает повышение плотности и прочности благодаря активированному спеканию при добавлении нанодисперсного металлического порошка - никеля. Кроме того, введение операции отжига механически легированной смеси для снятия наклепа позволяет улучшить пластичность порошка и за счет этого повысить плотность прессовки, что после спекания прессовки гарантирует высокую плотность и свойства, зависящие от плотности - прочность, коррозионную стойкость. Температура спекания должна обеспечивать диссоциацию части нитридов металлов с целью образования твердых растворов азота в железе (азотистый аустенит), что будет способствовать повышению коррозионной стойкости стали. Варьирование длительности спекания позволяет управлять процессами формирования микроструктуры стали - чем больше длительность спекания, тем больше образуется азотистого аустенита и меньше остается нитридов. Заявляемый способ также обеспечивает износостойкость за счет дисперсного упрочнения твердыми частицами - нанодисперсными нитридами металлов, которые образуются на стадии механического легирования порошков металлов. Повышение соотношения между массами металлического порошка и шаров до соотношения 1:30 позволяет сократить время механического легирования с 30-120 часов до 4-8 часов.
Сущность способа изготовления механически легированной азотсодержащей стали заключается в механическом легировании порошков металлов в предварительно вакуумированном и затем заполненном азотом резервуаре высокоэнергетической мельницы в течение 4-8 часов. Механическое легирование во избежание нагрева смеси производят с остановками. В качестве основных исходных компонентов используют порошки металлов, масс.%: хрома 15-25, никеля 5-15, марганца 0,5-0,8, углерода 0,2-1,0, остальное - железо. Возможно добавление незначительного количества других порошков, например ванадия. Соотношение масс смеси металлических порошков и мелющих шаров составляет 1:30. Давление азота в резервуаре мельницы при механическом легировании может не превышать атмосферное.
После механического легирования смесь порошков металлов отжигают в защитной или восстановительной атмосферах при температурах 400-600°С для снятия наклепа частиц. В отожженную смесь порошков металлов добавляют 2-4 мас.% наноразмерного порошка никеля и производят перемешивание. 2-4 мас.% наноразмерного порошка никеля является тем минимальным количеством, которое обеспечивает активацию спекания. Затем готовую шихту прессуют в пресс-форме и спекают в азотсодержащей атмосфере при температурах 1100-1300°С. Варьирование содержания азота возможно как при изменении длительности механического легирования, так и при изменении температуры и времени спекания сталей.
Способ получения механически легированной азотсодержащей стали обеспечивает активацию спекания, сокращение длительности механического легирования, достижение высокой плотности, прочности, износо- и коррозионной стойкости стали.
Способ поясняется следующими примерами.
Пример 1
Для получения порошковой стали ПК 50Х18Н7ГА0,8 18 г порошка хрома, 5 г порошка никеля, 0,8 г порошка марганца, 0,5 г порошка графита, 73,7 г порошка железа и 3 кг мелющих тел помещают в резервуар высокоэнергетической мельницы. В резервуаре с помощью системы вакуумных насосов создают низкий вакуум и нагнетают газообразный азот до давления 1 атм. Производят механическое легирование смеси в течение 6 часов циклами по 30 мин с остановками по 30 мин. Содержание азота в механически легированной смеси составляет 0,64%. Полученную в мельнице смесь порошков отжигают в водороде с точкой росы - 70°С при температуре 400°С в течение 1 часа. В отожженную смесь порошков металлов подмешивают 2 г наноразмерного порошка никеля. Смесь прессуют в пресс-форме при давлении 700 МПа, затем прессовки спекают в атмосфере диссоциированного аммиака с точкой росы - 70°С при температуре 1170°С в течение 3 часов при давлении 1,2 атм. После спекания содержание азота составляет 1,1-1,2%. В результате приведенного в примере технологического цикла формируется структура аустенитной стали ПК 50Х18Н7ГА0,8, упрочненной нитридами хрома. Полученная азотсодержащая сталь обладает высокой плотностью, прочностью, износо- и коррозионной стойкостью, таблица.
Пример 2.
Для получения порошковой стали ПК 50Х18Н7ГА0,8 18 г порошка хрома, 5 г порошка никеля, 0,8 г порошка марганца, 0,5 г порошка графита, 0,4 г ванадия, 73,3 г порошка железа и 3 кг мелющих тел помещают в резервуар высокоэнергетической мельницы. В резервуаре с помощью системы вакуумных насосов создают низкий вакуум и нагнетают газообразный азот до давления 1 атм. Производят механическое легирование смеси в течение 6 часов циклами по 30 мин с остановками по 30 мин. Содержание азота в смеси после механического легирования составляет 1,3%. Полученную в мельнице смесь порошков отжигают в водороде с точкой росы - 70° С при температуре 400°С в течение 1 часа. В отожженную смесь порошков металлов подмешивают 2 г наноразмерного порошка никеля. Смесь прессуют в пресс-форме при давлении 700 МПа, затем прессовки спекают в атмосфере диссоциированного аммиака с точкой росы - 70°С при температуре 1170°С в течение 3 часов при давлении 1,2 атм. Содержание азота после спекания стали 1,3%. В результате приведенного в примере технологического цикла формируется структура аустенитной стали ПК 50Х18Н7ГФА0,8, упрочненной нитридами хрома и ванадия. Полученная азотсодержащая сталь обладает высокой плотностью, прочностью, износо- и коррозионной стойкостью.
Таблица | ||||||
Количественный фазовый состав стали ПК 50Х18Н7ГА0,8 после механического легирования и спекания при 1170°С в диссоциированном аммиаке | ||||||
Длитель-ность спекания, ч | Содержание фаз, % | Кол-во азота, масс.% | σв, МПа | Балл коррозионной стойкости, (Атмосферная/ 3%-ный NaCl) | Относительный износ при трении по стали 45* | |
Нитрид Cr2N | Аустенит γ | |||||
2 | 15 | 85 | 1,2 | - | - | - |
3 | 6 | 94 | 1,1 | 1300 | 2/5 | 0,2 |
* в сравнении со сталью 08Х18Н9Т* |
Claims (2)
1. Способ получения механически легированной азотсодержащей стали, включающий смешивание порошков металлов и нанопорошка в заданных пропорциях, механическое легирование полученной смеси в атмосфере азота, прессование и спекание, отличающийся тем, что после механического легирования проводят отжиг смеси металлических порошков в защитной или восстановительной атмосфере при температуре 400-600°С, в качестве нанопорошка используют нанодисперсный порошок никеля, который добавляют в количестве 2,0-4,0 мас.% после отжига смеси металлических порошков, спекание осуществляют в азотсодержащей атмосфере при температуре 1100-1300°С, причем соотношение смеси металлических порошков и мелющих шаров при механическом легировании составляет 1:30, а в качестве основных исходных компонентов используют порошки металлов при следующем соотношении, мас.%:
порошок хрома 15-25
порошок никеля 5-15
порошок марганца 0,5-0,8
порошок углерода 0,2-1,0
порошок железа остальное
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в состав смеси металлических порошков добавляют незначительное количество порошков других металлов, например 0,4 мас.% ванадия.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010122711/02A RU2425166C1 (ru) | 2010-06-03 | 2010-06-03 | Способ получения механически легированной азотсодержащей стали |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010122711/02A RU2425166C1 (ru) | 2010-06-03 | 2010-06-03 | Способ получения механически легированной азотсодержащей стали |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2425166C1 true RU2425166C1 (ru) | 2011-07-27 |
Family
ID=44753567
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010122711/02A RU2425166C1 (ru) | 2010-06-03 | 2010-06-03 | Способ получения механически легированной азотсодержащей стали |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2425166C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2484170C1 (ru) * | 2012-05-18 | 2013-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГБОУ ВПО "СПбГПУ") | Способ получения высокоазотистой аустенитной порошковой стали с нанокристаллической структурой |
RU2513058C1 (ru) * | 2013-03-06 | 2014-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (ФГБОУ ВПО "СПбГПУ") | Способ получения дисперсноупрочненной высокоазотистой аустенитной порошковой стали с нанокристаллической структурой |
-
2010
- 2010-06-03 RU RU2010122711/02A patent/RU2425166C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2484170C1 (ru) * | 2012-05-18 | 2013-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГБОУ ВПО "СПбГПУ") | Способ получения высокоазотистой аустенитной порошковой стали с нанокристаллической структурой |
RU2513058C1 (ru) * | 2013-03-06 | 2014-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (ФГБОУ ВПО "СПбГПУ") | Способ получения дисперсноупрочненной высокоазотистой аустенитной порошковой стали с нанокристаллической структурой |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6093405B2 (ja) | 窒素含有低ニッケル焼結ステンレス鋼 | |
RU2593064C2 (ru) | Порошки на основе железа для инжекционного формования порошков | |
CN105177397B (zh) | 一种粉末冶金耐磨不锈钢的制备方法 | |
EP3362210B1 (en) | Iron based powders for powder injection molding | |
CN111560564B (zh) | 一种资源节约型高氮双相不锈钢及其近净成形方法 | |
JP2011094187A (ja) | 高強度鉄基焼結体の製造方法 | |
RU2425166C1 (ru) | Способ получения механически легированной азотсодержащей стали | |
EP0363047A1 (en) | A method of producing nitrogen strengthened alloys | |
CN110016621B (zh) | 一种粉末冶金高锰奥氏体无磁钢及制备方法 | |
CA3132343C (en) | Iron-based mixed powder for powder metallurgy and iron-based sintered body | |
Gülsoy et al. | Microstructures and mechanical properties of injection molded 17-4PH stainless steel powder with nickel boride additions | |
CN104874791B (zh) | 一种粉末冶金用核壳结构锰源粉末及其制备方法 | |
US6967001B2 (en) | Method for sintering a carbon steel part using a hydrocolloid binder as carbon source | |
CN112371981A (zh) | 一种含氮双相不锈钢及其近净成形方法 | |
Matsuda et al. | Mechanical properties of injection molded Fe-6% Ni-0.4% C steels with varying Mo contents of 0.5 to 2% | |
EP1323840B1 (en) | Iron base mixed powder for high strength sintered parts | |
RU2513058C1 (ru) | Способ получения дисперсноупрочненной высокоазотистой аустенитной порошковой стали с нанокристаллической структурой | |
CN109972050B (zh) | 一种钇增韧耐磨合金及其铸造与热处理方法 | |
WO2023157386A1 (ja) | 粉末冶金用鉄基混合粉および鉄基焼結体 | |
JPH0114985B2 (ru) | ||
JPH07103442B2 (ja) | 高強度焼結合金鋼の製造方法 | |
JPS6237346A (ja) | 高窒素含有オーステナイト系焼結ステンレス鋼およびその製造方法 | |
RU2484170C1 (ru) | Способ получения высокоазотистой аустенитной порошковой стали с нанокристаллической структурой | |
JPH0561339B2 (ru) | ||
Hirschhorn et al. | A new approach for the production of maraging steel P/M parts |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170604 |