RU2788793C1 - Metal powder for additive manufacturing - Google Patents
Metal powder for additive manufacturing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2788793C1 RU2788793C1 RU2022119005A RU2022119005A RU2788793C1 RU 2788793 C1 RU2788793 C1 RU 2788793C1 RU 2022119005 A RU2022119005 A RU 2022119005A RU 2022119005 A RU2022119005 A RU 2022119005A RU 2788793 C1 RU2788793 C1 RU 2788793C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metal powder
- metal
- paragraphs
- less
- substitute
- Prior art date
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 56
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 56
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 52
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000000654 additive Substances 0.000 title claims abstract description 11
- 230000000996 additive Effects 0.000 title claims abstract description 11
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 19
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 claims abstract description 15
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 34
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 29
- 229910001021 Ferroalloy Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 11
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910000529 magnetic ferrite Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910017384 Fe3Si Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910005347 FeSi Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 claims description 4
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 35
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 abstract description 13
- 239000010959 steel Substances 0.000 abstract description 13
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 22
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 18
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 14
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 14
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 13
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 10
- 238000007496 glass forming Methods 0.000 description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 6
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 6
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 5
- 230000005712 crystallization Effects 0.000 description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 5
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 5
- QXUAMGWCVYZOLV-UHFFFAOYSA-N boride(3-) Chemical compound [B-3] QXUAMGWCVYZOLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052803 cobalt Inorganic materials 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 4
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 4
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 3
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 3
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 3
- 238000000634 powder X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000001887 electron backscatter diffraction Methods 0.000 description 2
- 230000002708 enhancing Effects 0.000 description 2
- 238000009689 gas atomisation Methods 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 238000000110 selective laser sintering Methods 0.000 description 2
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015372 FeAl Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015136 FeMn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002555 FeNi Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005438 FeTi Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000604 Ferrochrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000784732 Lycaena phlaeas Species 0.000 description 1
- 238000003991 Rietveld refinement Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 150000001879 copper Chemical class 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium(0) Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003999 initiator Substances 0.000 description 1
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 239000005300 metallic glass Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- -1 niobium carbides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000028327 secretion Effects 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009692 water atomization Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к металлическому порошку для изготовления стальных деталей и, в частности, для их аддитивного производства. Настоящее изобретение также относится к способу изготовления металлического порошка.The present invention relates to a metal powder for the manufacture of steel parts and, in particular, for their additive manufacturing. The present invention also relates to a method for producing metal powder.
Массивные металлические стекла (БМС) на основе железа привлекают большое внимание благодаря своим соответствующим магнитомягким свойствам, высокой коррозионной стойкости, подходящим механическим свойствам и т. д. Они используются в качестве высокоэффективных магнитных трансформаторов для средних и высоких частот в электротехнической и электронной промышленности. Однако до сих пор большинство БМС на основе Fe с подходящими магнитомягкими свойствами можно производить только в очень сложных технологических условиях. Жидкие композиции необходимо разливать с высокой скоростью охлаждения между охлаждаемыми валками, чтобы получить аморфный материал, как правило, в виде тонкой ленты. Затем их отжигают в очень специфических технологических условиях для получения материалов нанокристаллического типа. Кроме того, они могут производиться только в виде тонких лент, что резко ограничивает их использование.Iron-based solid metallic glasses (BMS) have attracted much attention due to their respective soft magnetic properties, high corrosion resistance, suitable mechanical properties, etc. They are used as high-efficiency magnetic transformers for medium and high frequencies in the electrical and electronic industries. However, until now, most Fe-based BMS with suitable soft magnetic properties can only be produced under very difficult technological conditions. Liquid compositions must be cast at a high cooling rate between chilled rolls to produce an amorphous material, typically in the form of a thin ribbon. They are then annealed under very specific technological conditions to obtain materials of the nanocrystalline type. In addition, they can only be produced in the form of thin strips, which severely limits their use.
Таким образом, целью настоящего изобретения является устранение недостатков известного уровня техники путём создания БМС на основе Fe, которые можно просто производить и легко обрабатывать для получения готовых деталей.Thus, the aim of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art by providing Fe-based BMS that can be easily produced and easily processed into finished parts.
Для этой цели первым объектом настоящего изобретения является металлический порошок, имеющий состав, включающий следующие элементы, с массовым содержанием:For this purpose, the first object of the present invention is a metal powder having a composition comprising the following elements, with a mass content:
6,5% ≤ Si ≤ 10%6.5% ≤ Si ≤ 10%
4,5% ≤ Nb ≤ 10%4.5% ≤ Nb ≤ 10%
0,2% ≤ В ≤ 2,0%0.2% ≤ B ≤ 2.0%
0,2% ≤ Cu ≤ 2,0%0.2% ≤ Cu ≤ 2.0%
С ≤ 2%C ≤ 2%
и необязательно содержащий:and optionally containing:
- Ni ≤ 10мас.% и/или,- Ni ≤ 10% by weight and/or,
- Co ≤ 10мас.% и/или,- Co ≤ 10 wt.% and/or,
- Cr ≤ 7мас.% и/или,- Cr ≤ 7 wt.% and/or,
- Zr в качестве заменителя какой-либо части Nb в соотношении один к одному и/или,- Zr as a substitute for any part of Nb in a ratio of one to one and/or,
- Mo в качестве заменителя какой-либо части Nb в соотношении один к одному и/или,- Mo as a substitute for any part of Nb in a ratio of one to one and/or,
- P в качестве заменителя какой-либо части Si в соотношении один к одному и/или,- P as a one-to-one substitute for any part of Si and/or,
- один или несколько дополнительных элементов, выбранных из числа: Hf, Ta, W, V или Y, где массовое содержание каждого дополнительного элемента составляет менее 3,5%, и/или,- one or more additional elements selected from among: Hf, Ta, W, V or Y, where the mass content of each additional element is less than 3.5%, and / or,
- один или несколько редкоземельных металлов, при этом массовое содержание каждого редкоземельного металла составляет менее 0,2%,- one or more rare earth metals, whereby the mass content of each rare earth metal is less than 0.2%,
остальное составляют Fe и неизбежные примеси, возникающие в результате обработки, металлический порошок имеет микроструктуру, включающую по меньшей мере 5%, в долях площади, аморфной фазы, остальное состоит из кристаллических ферритных фаз с размером зерна менее 20 мкм и возможных выделений, металлический порошок имеет среднюю сферичность SPHT по меньшей мере 0,85.the rest is Fe and unavoidable impurities resulting from processing, the metal powder has a microstructure comprising at least 5%, in area fractions, of the amorphous phase, the rest consists of crystalline ferritic phases with a grain size of less than 20 µm and possible precipitates, the metal powder has an average sphericity SPHT of at least 0.85.
Металлический порошок, согласно изобретению, может также иметь дополнительные признаки, перечисленные ниже, рассматриваемые по отдельности или совместно:The metal powder according to the invention may also have the additional features listed below, considered individually or together:
- размер зёрен ферритных фаз менее 10 мкм,- grain size of ferrite phases is less than 10 microns,
- не более 7% частиц, входящих в состав металлического порошка, имеют сферичность SPHT ниже 0,70,- not more than 7% of the particles that make up the metal powder have a sphericity SPHT below 0.70,
- среднее аспектное отношение частиц, составляющих металлический порошок, выше 0,71,- the average aspect ratio of the particles constituting the metal powder is higher than 0.71,
- по меньшей мере 80% частиц, составляющих металлический порошок, имеют размер в диапазоне 15 - 170 мкм.- at least 80% of the particles that make up the metal powder have a size in the range of 15 - 170 microns.
- микроструктура включает не более 45 %, в долях площади, аморфной фазы,- the microstructure includes no more than 45%, in fractions of the area, of the amorphous phase,
- кристаллические ферритные фазы микроструктуры представлены Fe-α(Si) и Fe3Si(DO3).- crystalline ferrite phases of the microstructure are represented by Fe-α(Si) and Fe3Si(DO3).
Второй предмет изобретения представляет собой способ производства металлического порошка для аддитивного производства, включающий:The second subject of the invention is a method for the production of metal powder for additive manufacturing, including:
- (i) плавление элементов и/или металлических сплавов при температуре по меньшей мере на 150°C выше температуры ликвидуса, так чтобы получить расплавленную композицию, включающую в массовых процентах 6,5% ≤ Si ≤ 10%, 4,5% ≤ Nb ≤ 10%, 0,2% ≤ B ≤ 2,0%, 0,2% ≤ Cu ≤2,0 %, C ≤2 % и, необязательно, содержащую Ni ≤ 10мас.%, и/или Co ≤ 10мас.%, и/или Cr ≤ 7мас.%, и /или Zr в качестве заменителя какой-либо части Nb в соотношении один к одному и/или Mo в качестве заменителя какой-либо части Nb в соотношении один к одному и/или P в качестве заменителя какой-либо части Si в соотношении один к одному и/или один или несколько дополнительных элементов, выбранных из числа: Hf, Ta, W, V или Y, где содержание каждого дополнительного элемента по массе составляет менее 3,5%, и/или один или более редкоземельных металлов, при этом массовое содержание каждого редкоземельного металла составляет менее 0,2%, остальное составляют Fe и неизбежные примеси, возникающие в результате обработки,- (i) melting the elements and/or metal alloys at a temperature of at least 150°C above the liquidus temperature, so as to obtain a molten composition comprising, in mass percent, 6.5% ≤ Si ≤ 10%, 4.5% ≤ Nb ≤ 10%, 0.2% ≤ B ≤ 2.0%, 0.2% ≤ Cu ≤2.0%, C ≤2% and optionally containing Ni ≤ 10 wt.%, and/or Co ≤ 10 wt. %, and/or Cr ≤ 7 wt.%, and/or Zr as a substitute for any part of Nb in a ratio of one to one and/or Mo as a substitute for any part of Nb in a ratio of one to one and/or P in as a substitute for any part of Si in a one to one ratio and/or one or more additional elements selected from among: Hf, Ta, W, V or Y, where the content of each additional element by weight is less than 3.5%, and /or one or more rare earth metals, wherein the mass content of each rare earth metal is less than 0.2%, the rest is Fe and unavoidable impurities resulting from processing,
- (ii) распыление расплавленной композиции через сопло, диаметр которого составляет не более 4 мм, с помощью газа под давлением 10 - 30 бар.- (ii) spraying the molten composition through a nozzle having a diameter of not more than 4 mm using a gas at a pressure of 10 to 30 bar.
Способ согласно изобретению, также может иметь перечисленные ниже необязательные признаки, рассматриваемые по отдельности или в комбинации:The method according to the invention may also have the following optional features, considered individually or in combination:
- элементы и/или металлические сплавы, расплавленные вместе, включают ферросплав FeSi, ферросплав FeB, ферросплав FeNb, Cu и Fe,- elements and/or metal alloys melted together include ferroalloy FeSi, ferroalloy FeB, ferroalloy FeNb, Cu and Fe,
- плавку производят при температуре по меньшей мере на 450°C выше температуры ликвидуса,- melting is carried out at a temperature of at least 450°C above the liquidus temperature,
- плавку производят при температуре по меньшей мере на 300°С выше температуры ликвидуса,- melting is carried out at a temperature of at least 300°C above the liquidus temperature,
- газ находится под давлением 14 до 18 бар,- the gas is under pressure of 14 to 18 bar,
- диаметр сопла составляет 2 - 3 мм,- nozzle diameter is 2 - 3 mm,
- отношение газа к металлу составляет 1,5 - 7,- the ratio of gas to metal is 1.5 - 7,
- затем металлический порошок сушат.- then the metal powder is dried.
Изобретение будет лучше понятно при чтении следующего описания, которое представлено исключительно для объяснения и никоим образом не предназначено для ограничения изобретения.The invention will be better understood by reading the following description, which is provided for the purpose of explanation only and is not intended to limit the invention in any way.
Кремний присутствует в композиции согласно изобретению в количестве 6,5 – 10 мас.%. Si увеличивает твёрдость сплава и значительно влияет на магнитные свойства, снижая температуру Кюри и коэрцитивную силу, тем самым уменьшая магнитные потери. Кроме того, магнитострикцию можно легко настроить с помощью незначительной корректировки содержания кремния.Silicon is present in the composition according to the invention in an amount of 6.5 - 10 wt.%. Si increases the hardness of the alloy and greatly affects the magnetic properties by lowering the Curie temperature and the coercive force, thereby reducing magnetic losses. In addition, the magnetostriction can be easily adjusted by slightly adjusting the silicon content.
По этим причинам содержание Si составляет по меньшей мере 6,5 мас.%. Однако содержание Si ограничено 10 мас.%, поскольку выше этого значения Si увеличивает хрупкость сплава.For these reasons, the Si content is at least 6.5% by weight. However, the content of Si is limited to 10 wt.%, because above this value, Si increases the brittleness of the alloy.
Предпочтительно содержание Si составляет 8,0 - 9,0 мас.% Этот диапазон оказался подходящим компромиссом между коэрцитивной силой, начальной проницаемостью и низкой магнитострикцией.Preferably, the Si content is 8.0 to 9.0 wt.% This range proved to be a suitable compromise between coercive force, initial permeability and low magnetostriction.
Содержание ниобия составляет 4,5 – 10 мас.%. Nb очень эффективен для повышения стеклообразующей способности сплава на основе Fe благодаря его высокой отрицательной энтальпии смешения с Fe и большему атомному радиусу, чем у Fe. Это способствует беспорядку внутри сплава и снижает склонность атомов к упорядочению в кристаллических структурах. Кроме того, ниобий способствует образованию мелких кластеров меди и нановыделений, где начинается кристаллизация, и помогает избежать формирования боридов, которые препятствуют получению микро/нанокристаллической фазы.The content of niobium is 4.5 - 10 wt.%. Nb is very effective in increasing the glass-forming ability of an Fe-based alloy due to its high negative enthalpy of mixing with Fe and its larger atomic radius than Fe. This promotes disorder within the alloy and reduces the tendency of atoms to order in crystal structures. In addition, niobium promotes the formation of small copper clusters and nanoprecipitates, where crystallization begins, and helps to avoid the formation of borides, which prevent the formation of a micro/nanocrystalline phase.
По этим причинам содержание Nb составляет не менее 4,5 мас.%. Однако добавление Nb увеличивает стоимость композиции. Так, по экономическим причинам его содержание ограничено 10 мас.%.For these reasons, the Nb content is not less than 4.5 wt%. However, the addition of Nb increases the cost of the composition. Thus, for economic reasons, its content is limited to 10 wt.%.
Предпочтительно содержание Nb составляет 5,0 - 6,0 мас.%. Было обнаружено, что этот диапазон дополнительно повышает термическую стабильность при замедлении роста зерна.Preferably, the Nb content is 5.0 to 6.0% by weight. This range has been found to further improve thermal stability while slowing down grain growth.
Содержание бора составляет 0,2 - 2,0 мас.%. Бор значительно повышает твёрдость и износостойкость материала. Он также используется для измельчения зерна и увеличения стеклообразующей способности (GFA) стали, поскольку его атомный радиус на 69 пм меньше атомного радиуса Fe. По этим причинам содержание В составляет по меньшей мере 0,2 мас.%. Однако содержание В ограничено 2,0 мас.%, поскольку выше этого значения усиливается образование борида, который вызывает хрупкость материала.The boron content is 0.2 - 2.0 wt.%. Boron significantly increases the hardness and wear resistance of the material. It is also used to refine grain and increase the glass-forming ability (GFA) of steel, as its atomic radius is 69 pm smaller than that of Fe. For these reasons, the B content is at least 0.2% by weight. However, the content of B is limited to 2.0 wt.%, because above this value, the formation of boride, which causes brittleness of the material, is enhanced.
Предпочтительно содержание В составляет 1,0 - 1,8 мас.%, чтобы дополнительно избежать хрупкости.Preferably, the B content is 1.0 to 1.8% by weight, in order to further avoid brittleness.
Содержание меди составляет 0,2 - 2,0 мас.%. Медь имеет очень низкую растворимость в Fe. Небольшие количества Cu используются для формирования наноразмерных кластеров, однородно распределённых в сплаве, которые действуют как инициаторы зародышеобразования и регуляторы гетерогенного зародышеобразования. Это также увеличивает твёрдость и коррозионную стойкость стали. Однако высокое содержание Cu приводит к образованию кластеров большего размера, что нежелательно.The copper content is 0.2 - 2.0 wt.%. Copper has a very low solubility in Fe. Small amounts of Cu are used to form nanosized clusters uniformly distributed throughout the alloy, which act as nucleation initiators and regulators of heterogeneous nucleation. It also increases the hardness and corrosion resistance of the steel. However, a high Cu content leads to the formation of larger clusters, which is undesirable.
Предпочтительно содержание Cu составляет 0,5 - 1,5 мас.%, чтобы дополнительно способствовать однородности распределения наноразмерных кластеров Cu.Preferably, the Cu content is 0.5 to 1.5 wt.%, in order to further contribute to the uniformity of the distribution of nanosized Cu clusters.
Содержание углерода ниже 2 мас.%. Углерод является ещё одним элементом, который способствует эффекту смешения, что усиливает способность стали образовывать стекло. Он имеет высокую отрицательную энтальпию смешения с Fe и его атомный радиус на 89 пм меньше атомного радиуса Fe. Однако высокое содержание углерода может привести к образованию карбидов, в частности карбидов ниобия, где начнется зародышеобразование. Это негативно влияет на микроструктуру.The carbon content is below 2 wt%. Carbon is another element that contributes to the mixing effect, which enhances the steel's ability to form glass. It has a high negative enthalpy of mixing with Fe and its atomic radius is 89 pm less than that of Fe. However, high carbon content can lead to the formation of carbides, in particular niobium carbides, where nucleation will begin. This negatively affects the microstructure.
Предпочтительно содержание С выше 0,01 мас.%. Более предпочтительно его содержание составляет 0,01 - 0,07 мас.% для дальнейшего улучшения способности стали к стеклообразованию и замедления кристаллизации.Preferably, the C content is above 0.01% by weight. More preferably, its content is 0.01 to 0.07 wt.% to further improve the glass forming ability of the steel and retard crystallization.
Никель может необязательно присутствовать в количестве до 10 мас.%. Ni придаёт стали пластичность и классически подходящую прокаливаемость. В твёрдом растворе он может улучшить эластичность и вязкость стали. Таким образом, когда его добавляют, содержание Ni обычно составляет по меньшей мере 0,5 мас.%. Тем не менее, высокое содержание Ni может привести к образованию нежелательных фаз. Предпочтительно содержание Ni составляет менее 5 мас.%Nickel may optionally be present in an amount of up to 10% by weight. Ni gives the steel ductility and classically suitable hardenability. In solid solution, it can improve the elasticity and toughness of steel. Thus, when it is added, the Ni content is usually at least 0.5 mass%. However, a high Ni content can lead to the formation of undesirable phases. Preferably, the Ni content is less than 5% by weight.
Однако, если Ni не добавляют, композиция может содержать до 0,1 мас.% Ni в качестве примеси.However, if Ni is not added, the composition may contain up to 0.1 wt% Ni as an impurity.
Кобальт может необязательно присутствовать в количестве до 10 мас.%. Кобальт улучшает магнитные свойства, такие как магнитное насыщение, а также способствует замедлению кристаллизации, поскольку он является лучшим стеклообразующим элементом, чем железо. Предпочтительно, содержание Со ниже 3 мас.%.Cobalt may optionally be present in an amount of up to 10% by weight. Cobalt improves magnetic properties such as magnetic saturation and also helps to retard crystallization because it is a better glass forming element than iron. Preferably, the Co content is below 3% by weight.
Однако, если Со не добавляют, композиция может содержать до 0,1 мас.% Со в качестве примеси.However, if Co is not added, the composition may contain up to 0.1 wt% Co as an impurity.
Хром может необязательно присутствовать в количестве до 7 мас.%. Cr улучшает коррозионную стойкость, повышает термическую стабильность аморфной фазы, вызывает структурную релаксацию и помогает регулировать магнитные свойства. Предпочтительно содержание Cr составляет менее 3,5 мас.%.Chromium may optionally be present in an amount of up to 7% by weight. Cr improves corrosion resistance, increases the thermal stability of the amorphous phase, induces structural relaxation, and helps control the magnetic properties. Preferably, the Cr content is less than 3.5% by weight.
Однако, если Cr не добавляют, композиция может содержать до 0,1 мас.% Cr в качестве примеси.However, if Cr is not added, the composition may contain up to 0.1 wt% Cr as an impurity.
Zr и Мо могут необязательно присутствовать в качестве заменителей какой-либо части Nb в соотношении один к одному (атомном). Предпочтительно, Zr или Mo могут замещать до 60% Nb. Эти элементы обладают высокой стеклообразующей способностью в стали с ниобием. В частности, Zr обладает самой высокой стеклообразующей способностью в стали. Они также работают как измельчители зерна, препятствуя росту зерна. Кроме того, Zr позволяет избежать образования боридов. Поскольку эти элементы могут образовывать соединения с С, В, N и/или О, их массовое содержание предпочтительно поддерживают ниже 3,5 мас.%.Zr and Mo may optionally be present as substitutes for any part of Nb in a one to one (atomic) ratio. Preferably, Zr or Mo can replace up to 60% of Nb. These elements have a high glass-forming ability in steel with niobium. In particular, Zr has the highest glass forming capacity in steel. They also work as grain grinders, inhibiting grain growth. In addition, Zr avoids the formation of borides. Since these elements can form compounds with C, B, N and/or O, their mass content is preferably maintained below 3.5 wt.%.
Однако, если Zr и/или Мо не добавляют, композиция может содержать до 0,1 мас.% каждого из Zr и Мо в качестве примеси.However, if Zr and/or Mo are not added, the composition may contain up to 0.1% by weight of each of Zr and Mo as an impurity.
P может необязательно присутствовать в качестве заменителя какой-либо части Si в соотношении один к одному (атомном). Этот элемент обладает высокой стеклообразующей способностью в стали с ниобием. Он также работает как измельчитель зерна, препятствуя росту зерна. Предпочтительно его содержание по массе поддерживается ниже 3,5 мас.%.P may optionally be present as a one-to-one (atomic) substitute for any part of Si. This element has a high glass-forming ability in steel with niobium. It also works as a grain grinder, inhibiting grain growth. Preferably, its weight content is maintained below 3.5 wt%.
Однако, если Р не добавляют, композиция может содержать до 0,1 мас.% Р в качестве примеси.However, if P is not added, the composition may contain up to 0.1% by weight of P as an impurity.
Композиция, согласно изобретению, может дополнительно содержать по меньшей мере один дополнительный элемент, выбранный из Hf, Ta, W, V и Y. Эти элементы обладают высокой стеклообразующей способностью в стали с ниобием. Они также работают как измельчители зерна, препятствуя росту зерна. Кроме того, Hf и Ta позволяют избежать образования боридов. С другой стороны, эти дополнительные элементы могут образовывать соединения с С, В, N и/или О. Следовательно, массовое содержание каждого из этих дополнительных элементов поддерживается ниже 3,5 мас.%.The composition according to the invention may additionally contain at least one additional element selected from Hf, Ta, W, V and Y. These elements have a high glass forming ability in steel with niobium. They also work as grain grinders, inhibiting grain growth. In addition, Hf and Ta make it possible to avoid the formation of borides. On the other hand, these additional elements can form compounds with C, B, N and/or O. Therefore, the mass content of each of these additional elements is kept below 3.5 wt.%.
Однако, если эти дополнительные элементы не добавляют, композиция может содержать до 0,1 мас.% каждого дополнительного элемента в качестве примеси.However, if these additional elements are not added, the composition may contain up to 0.1 wt.% of each additional element as an impurity.
Композиция по изобретению может необязательно содержать по меньшей мере один редкоземельный металл. Они могут помочь замедлить кристаллизацию, увеличивая способность к формированию стекла и ограничивая рост зерна в качестве измельчителей зерна. Массовое содержание каждого из редкоземельных металлов не превышает 0,2 мас.%.The composition of the invention may optionally contain at least one rare earth metal. They can help slow down crystallization by increasing glass forming ability and limiting grain growth as grain grinders. The mass content of each of the rare earth metals does not exceed 0.2 wt.%.
Однако, если редкоземельные металлы не добавляют, композиция может содержать до 0,01 мас.% каждого редкоземельного металла в качестве примеси.However, if no rare earth metals are added, the composition may contain up to 0.01% by weight of each rare earth metal as an impurity.
Остальное в составе состоит из железа и неизбежных примесей, возникающих в результате обработки. Основными примесями являются сера, азот, кислород, марганец, алюминий, свинец и кальций. Они не добавляются намеренно. Они могут присутствовать в ферросплавах и/или чистых элементах, используемых в качестве сырья. Их содержание предпочтительно контролируют, чтобы избежать неблагоприятного изменения микроструктуры и/или избежать увеличения размера зерна и хрупкости. Следовательно, содержание Mg должно быть ограничено 0,1 мас.%, а содержание других примесей должно быть ограничено 0,03 мас.%.The rest of the composition consists of iron and inevitable impurities resulting from processing. The main impurities are sulfur, nitrogen, oxygen, manganese, aluminum, lead and calcium. They are not intentionally added. They may be present in ferroalloys and/or pure elements used as raw materials. Their content is preferably controlled to avoid adverse changes in microstructure and/or to avoid grain size increase and brittleness. Therefore, the content of Mg should be limited to 0.1 mass%, and the content of other impurities should be limited to 0.03 mass%.
Металлический порошок имеет микроструктуру, включающую по меньшей мере 5%, в долях площади, аморфной фазы, остальное составляют кристаллические ферритные фазы с размером зерна менее 20 мкм и возможные выделения, такие как борид железа или Fe16Nb6Si7.The metal powder has a microstructure comprising at least 5%, in area fractions, of an amorphous phase, the rest being crystalline ferritic phases with a grain size of less than 20 µm and possible precipitates such as iron boride or Fe16Nb6Si7.
Предпочтительно, доля площади аморфной фазы составляет не более 45%. Более предпочтительно, доля площади аморфной фазы составляет 20 - 45%. Это представляет собой подходящий компромисс между механическими и магнитными свойствами.Preferably, the area ratio of the amorphous phase is not more than 45%. More preferably, the area fraction of the amorphous phase is 20-45%. This represents a suitable compromise between mechanical and magnetic properties.
Предпочтительно, доля площади кристаллических ферритных фаз составляет не более 95%. Более предпочтительно, доля площади кристаллических ферритных фаз составляет не более 80%. Более предпочтительно, доля площади кристаллических ферритных фаз составляет 50 - 80%. Это представляет подходящий компромисс между механическими и магнитными свойствами.Preferably, the area ratio of the crystalline ferritic phases is not more than 95%. More preferably, the area ratio of the crystalline ferrite phases is not more than 80%. More preferably, the area ratio of the crystalline ferritic phases is 50-80%. This represents a suitable compromise between mechanical and magnetic properties.
Предпочтительно, кристаллическими ферритными фазами являются Fe-α(Si) и Fe3Si(DO3). Присутствие фазы Fe3Si (DO3) способствует получению печатных деталей с низкой магнитострикцией, высокой максимальной проницаемостью, низкой коэрцитивной силой, коррозионной стойкостью и стойкостью к окислению, сопротивлением трению, высокой прочностью на сжатие.Preferably, the crystalline ferritic phases are Fe-α(Si) and Fe3Si(DO3). The presence of the Fe3Si (DO3) phase contributes to the production of printed parts with low magnetostriction, high maximum permeability, low coercivity, corrosion and oxidation resistance, friction resistance, high compressive strength.
Более предпочтительно, доля фазы Fe-α(Si) в кристаллической фракции составляет 35 - 55%. Более предпочтительно, доля фазы Fe3Si (DO3) в кристаллической фракции составляет 30 - 50%. Более предпочтительно, отношение доли Fe-α(Si) к доле Fe3Si(DO3) в кристаллической фракции составляет 0,7 - 1,8. Это представляет подходящий компромисс между механическими и магнитными свойствами.More preferably, the proportion of the Fe-α(Si) phase in the crystalline fraction is 35-55%. More preferably, the proportion of the Fe3Si (DO3) phase in the crystalline fraction is 30-50%. More preferably, the ratio of the proportion of Fe-α(Si) to the proportion of Fe3Si(DO3) in the crystalline fraction is 0.7 - 1.8. This represents a suitable compromise between mechanical and magnetic properties.
Предпочтительно ферритные фазы имеют равноосную или равноосную дендритную субструктуру.Preferably the ferritic phases have an equiaxed or equiaxed dendritic substructure.
Предпочтительно микроструктура включает борид железа (Fe23B6) и Fe16Nb6Si7 в виде выделений. Более предпочтительно доля выделения борида железа в кристаллической фракции составляет 0,5 - 5,5%. Более предпочтительно доля выделения Fe16Nb6Si7 в кристаллической фракции составляет 2 - 12%. Эти выделения улучшают твёрдость, прочность и сопротивление трению.Preferably the microstructure includes iron boride (Fe23B6) and Fe16Nb6Si7 precipitates. More preferably, the proportion of iron boride precipitation in the crystalline fraction is 0.5 to 5.5%. More preferably, the proportion of Fe16Nb6Si7 precipitation in the crystalline fraction is 2-12%. These secretions improve hardness, strength and friction resistance.
Доли площади кристаллической фракции и аморфной фазы, а также вклад каждой кристаллической фазы в кристаллическую фракцию можно рассчитать с помощью уточнения Ритвельда рентгенограммы порошковой рентгеновской дифракции (XRD).The area fractions of the crystalline fraction and the amorphous phase, as well as the contribution of each crystalline phase to the crystalline fraction, can be calculated using the Rietveld refinement of the X-ray powder diffraction (XRD) pattern.
Предпочтительно размер зёрен ферритных фаз составляет менее 10 мкм. Предпочтительно, по меньшей мере 20% зёрен имеют размер по меньшей мере 1 мкм. Более предпочтительно, по меньшей мере 40% зёрен имеют размер по меньшей мере 1 мкм. Более предпочтительно, по меньшей мере 10% зёрен имеют размер менее 0,1 мкм. Различные размеры зерна обеспечивают подходящий баланс с точки зрения магнитных свойств. Размер зерна можно измерить с помощью дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) в соответствии со стандартом ASTM E112-13.Preferably, the grain size of the ferrite phases is less than 10 µm. Preferably, at least 20% of the grains are at least 1 µm in size. More preferably, at least 40% of the grains are at least 1 µm in size. More preferably, at least 10% of the grains are smaller than 0.1 microns. Different grain sizes provide the right balance in terms of magnetic properties. Grain size can be measured using electron backscatter diffraction (EBSD) in accordance with ASTM E112-13.
Сферичность порошка высокая. Сферичность SPHT определяется по ISO 9276-6:2008 как 4πA/P2, где A представляет измеренную площадь, покрытую проекцией частицы, а P представляет измеренный периметр/окружность проекции частицы. Значение 1,0 указывает на идеальную сферу. Средняя сферичность порошка составляет по меньшей мере 0,80 и предпочтительно может быть по меньшей мере 0,85 или по меньшей мере 0,90. Благодаря такой высокой сферичности металлический порошок обладает высокой текучестью. Следовательно, аддитивное производство упрощается, а печатные детали получаются плотными и твёрдыми. Среднюю сферичность можно измерить с помощью анализатора размера и формы частиц с цифровой визуализацией, такого как Camsizer®.The sphericity of the powder is high. Sphericity SPHT is defined in ISO 9276-6:2008 as 4πA/P 2 where A represents the measured area covered by the projection of the particle and P represents the measured perimeter/circumference of the projection of the particle. A value of 1.0 indicates a perfect sphere. The average sphericity of the powder is at least 0.80 and may preferably be at least 0.85 or at least 0.90. Due to this high sphericity, the metal powder has a high fluidity. Consequently, additive manufacturing is simplified and the printed parts are dense and hard. Mean sphericity can be measured with a digital imaging particle size and shape analyzer such as the Camsizer®.
Предпочтительно не более 7% частиц имеют SPHT ниже 0,70.Preferably no more than 7% of the particles have an SPHT below 0.70.
Помимо сферичности, для классификации частиц порошка можно использовать аспектное отношение. Аспектное отношение определяется в ISO 9276-6:2008 как отношение минимальной длины Feret к максимальной длине Feret. Его можно измерить с помощью анализатора размера и формы частиц с цифровой визуализацией, такого как Camsizer®. Среднее аспектное отношение должно быть предпочтительно выше 0,71.In addition to sphericity, aspect ratio can be used to classify powder particles. The aspect ratio is defined in ISO 9276-6:2008 as the ratio of the minimum Feret length to the maximum Feret length. It can be measured with a digital imaging particle size and shape analyzer such as the Camsizer®. The average aspect ratio should preferably be above 0.71.
Предпочтительно, по меньшей мере 80% частиц металлического порошка имеют размер в диапазоне 15 - 170 мкм.Preferably, at least 80% of the metal powder particles have a size in the range of 15-170 microns.
Распределение частиц по размерам, измеренное с помощью лазерной дифракции в соответствии с ISO13320:2009, предпочтительно удовлетворяет следующим требованиям (в мкм):The particle size distribution measured by laser diffraction according to ISO13320:2009 preferably satisfies the following requirements (in µm):
5 ≤ D10 ≤ 305 ≤ D10 ≤ 30
15 ≤ D50 ≤ 6515 ≤ D50 ≤ 65
80 ≤ D90 ≤ 20080 ≤ D90 ≤ 200
Более предпочтительно 80 ≤ D90 ≤ 160. Ещё более предпочтительно 100 ≤ D90 ≤ 160.More preferably 80 ≤ D90 ≤ 160. Even more preferably 100 ≤ D90 ≤ 160.
Порошок может быть получен путём предварительного смешивания и плавления чистых элементов и/или ферросплавов в качестве сырья.The powder can be obtained by premixing and melting pure elements and/or ferroalloys as raw materials.
Обычно предпочтительны чистые элементы, чтобы избежать слишком большого количества примесей, поступающих из ферросплавов, поскольку эти примеси могут облегчить кристаллизацию. Тем не менее, в случае настоящего изобретения было замечено, что примеси, поступающие из ферросплавов, не мешали получению микро/нанокристаллической фазы.Pure elements are generally preferred to avoid too many impurities coming from ferroalloys, since these impurities can facilitate crystallization. However, in the case of the present invention, it was observed that the impurities coming from the ferroalloys did not interfere with the production of the micro/nanocrystalline phase.
Ферросплавы относятся к различным сплавам железа с высокой долей одного или нескольких других элементов, таких как кремний, ниобий, бор, хром, алюминий, марганец, молибден... Основными сплавами являются FeAl (обычно включающий 40 – 60 мас.% Al), FeB (обычно включающий 17,5 – 20 мас.% B), FeCr (обычно включающий 50 – 70 мас.% Cr), FeMg, FeMn, FeMo (обычно включающий 60 – 75 мас.% Mo), FeNb (обычно включающий 60 – 70 мас.% Nb), FeNi, FeP, FeSi (обычно включающий 15 – 90 мас.% Si), FeSiMg, FeTi (обычно включающий 45 – 75 мас.% Ti), FeV (обычно включающий 35 – 85 мас.% V), FeW (обычно включающий 70 – 80 мас.% W).Ferroalloys refer to various iron alloys with a high proportion of one or more other elements such as silicon, niobium, boron, chromium, aluminium, manganese, molybdenum... The main alloys are FeAl (usually containing 40 - 60 wt.% Al), FeB (typically containing 17.5 - 20 wt.% B), FeCr (typically containing 50 - 70 wt.% Cr), FeMg, FeMn, FeMo (typically containing 60 - 75 wt.% Mo), FeNb (typically containing 60 - 70 wt.% Nb), FeNi, FeP, FeSi (typically containing 15 - 90 wt.% Si), FeSiMg, FeTi (typically containing 45 - 75 wt.% Ti), FeV (typically containing 35 - 85 wt.% V ), FeW (usually including 70 - 80 wt.% W).
Чистыми элементами могут быть, в частности, углерод и чистые металлы, такие как железо, медь, никель, кобальт, редкоземельные металлы, дополнительные элементы, выбранные из Zr, Hf, Ta, Mo, W, V, Cr, Y и P. Специалисты в данной области техники знают, как смешивать различные ферросплавы и чистые элементы для получения целевого состава.The pure elements may in particular be carbon and pure metals such as iron, copper, nickel, cobalt, rare earth metals, additional elements selected from Zr, Hf, Ta, Mo, W, V, Cr, Y and P. Specialists those skilled in the art know how to mix different ferroalloys and pure elements to obtain the desired composition.
Предпочтительно смесь включает ферросплав FeSi, ферросплав FeB, ферросплав FeNb, Cu и Fe.Preferably, the mixture comprises ferroalloy FeSi, ferroalloy FeB, ferroalloy FeNb, Cu and Fe.
После того, как композиция получена путём смешивания чистых элементов и/или ферросплавов в соответствующих пропорциях, композицию нагревают при температуре по меньшей мере на 150°C выше её температуры ликвидуса и выдерживают при этой температуре для расплавления всего сырья и гомогенизации расплава. Благодаря этому перегреву снижение вязкости расплавленной композиции помогает получить порошок с высокой сферичностью без сателлитов, с соответствующим распределением частиц по размерам, наряду с этой специфической микро/нанокристаллической структурой. Однако, поскольку поверхностное натяжение увеличивается с температурой, предпочтительно не нагревать композицию при температуре более чем на 450°С выше температуры её ликвидуса.After the composition is obtained by mixing pure elements and/or ferroalloys in appropriate proportions, the composition is heated at a temperature of at least 150°C above its liquidus temperature and maintained at this temperature to melt all the raw materials and homogenize the melt. Due to this overheating, the reduction in the viscosity of the molten composition helps to obtain a powder with high sphericity without satellites, with an appropriate particle size distribution, along with this specific micro/nanocrystalline structure. However, since surface tension increases with temperature, it is preferable not to heat the composition at more than 450° C. above its liquidus temperature.
Предпочтительно композицию нагревают при температуре по меньшей мере на 300°С выше температуры её ликвидуса, чтобы усилить образование высокосферических частиц. Более предпочтительно композицию нагревают при температуре на 300 - 400°С выше температуры её ликвидуса.Preferably, the composition is heated at a temperature of at least 300° C. above its liquidus temperature to enhance the formation of highly spherical particles. More preferably, the composition is heated at a temperature of 300-400° C. above its liquidus temperature.
В одном варианте изобретения композицию нагревают до температуры 1300 - 1600°С, что представляет собой подходящий компромисс между снижением вязкости и увеличением поверхностного натяжения.In one embodiment of the invention, the composition is heated to a temperature of 1300 - 1600°C, which is a suitable compromise between a decrease in viscosity and an increase in surface tension.
Затем расплавленную композицию распыляют на мелкие капли металла путем нагнетания потока расплавленного металла через отверстие сопла, при умеренном давлении и обдувая его струями газа (распыление газом) или воды (распыление водой). В случае распыления газом газ вводят в металлический поток непосредственно перед выходом из сопла, что служит для создания турбулентности, поскольку захваченный газ расширяется (из-за нагрева) и выходит в большой объем, распылительную колонну. Последняя заполняется газом для дальнейшего завихрения струи расплавленного металла. Капли металла охлаждаются при падении в распылительной колонне. Газовое распыление является предпочтительным, поскольку оно способствует получению частиц порошка, имеющих высокую степень округлости и небольшое количество сопутствующих веществ.The molten composition is then atomized into small droplets of metal by forcing a stream of molten metal through a nozzle opening at moderate pressure and blowing it with jets of gas (gas atomization) or water (water atomization). In the case of gas spraying, gas is introduced into the metal stream just before exiting the nozzle, which serves to create turbulence as the entrained gas expands (due to heating) and exits into a large volume, the spray column. The latter is filled with gas to further swirl the jet of molten metal. The metal droplets are cooled as they fall in the spray tower. Gas atomization is preferred because it produces powder particles having a high degree of roundness and a small amount of related substances.
Газ распыления предпочтительно представляет собой аргон или азот. Оба они увеличивают вязкость расплава медленнее, чем другие газы, например, гелий, который способствует образованию частиц меньшего размера. Они также контролирует чистоту химического состава, позволяя избегать нежелательных примесей, и играют ключевую роль в хорошей морфологии порошка. С аргоном можно получить более мелкие частицы, чем с азотом, поскольку молярная масса азота составляет 14,01 г/моль по сравнению с 39,95 г/моль для аргона. С другой стороны, удельная теплоемкость азота составляет 1,04 Дж/(г·К) по сравнению с 0,52 для аргона. Так, азот увеличивает скорость охлаждения частиц. Аргон может быть предпочтительнее азота, чтобы избежать загрязнения композиции азотом.The spray gas is preferably argon or nitrogen. Both of them increase the viscosity of the melt more slowly than other gases, such as helium, which tend to form smaller particles. They also control the purity of the chemical composition to avoid unwanted impurities and play a key role in good powder morphology. Smaller particles can be obtained with argon than with nitrogen, since the molar mass of nitrogen is 14.01 g/mol compared to 39.95 g/mol for argon. On the other hand, the specific heat capacity of nitrogen is 1.04 J/(g·K) compared to 0.52 for argon. Thus, nitrogen increases the rate of particle cooling. Argon may be preferred over nitrogen to avoid nitrogen contamination of the composition.
Давление газа имеет большое значение, поскольку оно напрямую влияет на распределение частиц по размерам и микроструктуру металлического порошка. В частности, чем выше давление, тем выше скорость охлаждения. Следовательно, давление газа устанавливают в пределах 10 - 30 бар, чтобы оптимизировать распределение частиц по размерам и способствовать формированию микроструктуры. Предпочтительно давление газа устанавливают в пределах 14 - 18 бар, чтобы способствовать образованию частиц, размер которых наиболее совместим с технологиями аддитивного производства.Gas pressure is of great importance because it directly affects the particle size distribution and the microstructure of the metal powder. In particular, the higher the pressure, the higher the cooling rate. Therefore, the gas pressure is set in the range of 10 to 30 bar to optimize the particle size distribution and promote the formation of the microstructure. Preferably, the gas pressure is set in the range of 14-18 bar to promote the formation of particles, the size of which is most compatible with additive manufacturing technologies.
Диаметр сопла оказывает непосредственное влияние на скорость потока расплавленного металла и, таким образом, на распределение частиц по размерам и на скорость охлаждения. Максимальный диаметр сопла ограничен 4 мм, чтобы ограничить увеличение среднего размера частиц и снижение скорости охлаждения. Диаметр сопла предпочтительно составляет 2 - 3 мм, чтобы более точно контролировать распределение частиц по размерам и способствовать формированию определённой микроструктуры.The nozzle diameter has a direct influence on the flow rate of the molten metal and thus on the particle size distribution and on the cooling rate. The maximum nozzle diameter is limited to 4 mm in order to limit the increase in the average particle size and the decrease in the cooling rate. The nozzle diameter is preferably 2 - 3 mm in order to more precisely control the particle size distribution and promote the formation of a certain microstructure.
Отношение газа к металлу, определяемое как отношение между расходом газа (в кг/ч) и расходом металла (в кг/ч), предпочтительно поддерживают в пределах 1,5 - 7, более предпочтительно 3 - 4. Это помогает регулировать скорость охлаждения и, таким образом, дополнительно способствует формированию специфической микроструктуры.The gas to metal ratio, defined as the ratio between the gas flow rate (in kg/h) and the metal flow rate (in kg/h), is preferably maintained in the range of 1.5 - 7, more preferably 3 - 4. This helps to control the cooling rate and, thus further contributing to the formation of a specific microstructure.
Согласно одному варианту изобретения в случае поглощения влаги металлический порошок, полученный распылением, высушивают для дальнейшего улучшения его сыпучести. Сушку предпочтительно проводить при 100°С в вакуумной камере.According to one embodiment of the invention, in the case of moisture absorption, the sprayed metal powder is dried to further improve its flowability. Drying is preferably carried out at 100° C. in a vacuum chamber.
Металлический порошок, полученный распылением, можно использовать как таковой или просеять, чтобы сохранить частицы, размер которых лучше соответствует технологии аддитивного производства для последующего использования. Например, в случае аддитивного производства с помощью технологии Powder Bed Fusion предпочтительным является диапазон 20 – 63 мкм. В случае аддитивного производства путём лазерного осаждения металла или прямого осаждения металла предпочтительным является диапазон 45 - 150 мкм.The sputtered metal powder can be used as such or sieved to retain particles that are better suited to additive manufacturing technology for later use. For example, in the case of additive manufacturing with Powder Bed Fusion, the 20 – 63 µm range is preferred. In the case of additive manufacturing by laser metal deposition or direct metal deposition, a range of 45 - 150 µm is preferred.
Детали, изготовленные из металлического порошка в соответствии с изобретением, могут быть получены методами аддитивного производства, такими как расплавление в слое порошка лазером (LPBF), прямое лазерное спекание металла (DMLS), электронно-лучевое плавление (EBM), селективное термическое спекание (SHS), селективное лазерное спекание (SLS), лазерное осаждение металла (LMD), прямое осаждение металла (DMD), прямое лазерное плавление металла (DMLM), прямая печать металлом (DMP), лазерная плакировка (LC), струйная обработка связующим (BJ). Покрытия из металлического порошка в соответствии с изобретением также могут быть получены с помощью таких производственных технологий, как холодное напыление, термическое напыление, высокоскоростное кислородное топливо.Parts made from metal powder in accordance with the invention can be obtained by additive manufacturing methods such as laser melting in powder bed (LPBF), direct metal laser sintering (DMLS), electron beam melting (EBM), selective thermal sintering (SHS ), Selective Laser Sintering (SLS), Laser Metal Deposition (LMD), Direct Metal Deposition (DMD), Direct Metal Laser Melting (DMLM), Direct Metal Printing (DMP), Laser Plating (LC), Bond Jetting (BJ) . Metal powder coatings according to the invention can also be produced using manufacturing techniques such as cold spray, thermal spray, high velocity oxyfuel.
ПримерыExamples
Следующие примеры и тесты, представленные ниже, не носят ограничительного характера и должны рассматриваться только в иллюстративных целях. Они иллюстрируют преимущества настоящего изобретения, значение параметров, выбранных изобретателями после обширных экспериментов, и дополнительно определяют свойства, которые могут быть достигнуты с помощью металлического порошка согласно изобретению.The following examples and tests provided below are not restrictive and should be considered for illustrative purposes only. They illustrate the advantages of the present invention, the significance of the parameters chosen by the inventors after extensive experimentation, and further define the properties that can be achieved with the metal powder of the invention.
Сначала получают металлическую композицию, включающую 80,2 мас.% Fe, 8,4 мас.% Si, 5,6 мас.% Nb, 1,6 мас.% B, 1,3 мас.% Cu, 0,023 мас.% O, 0,0035 мас.% S, 0,052 мас.% C и 14,4 ч/млн. N. путём смешивания и плавления следующих ферросплавов и чистых элементов в следующих соотношениях:First, a metal composition is prepared comprising 80.2 wt.% Fe, 8.4 wt.% Si, 5.6 wt.% Nb, 1.6 wt.% B, 1.3 wt.% Cu, 0.023 wt.% O, 0.0035 wt.% S, 0.052 wt.% C and 14.4 ppm. N. by mixing and melting the following ferroalloys and pure elements in the following ratios:
- 11,5 мас.% FeSi, включающего 75,56 % Si, 0,018 % P, 0,09 % C, 0,002 % S, 0,82 % Al,- 11.5 wt.% FeSi, including 75.56% Si, 0.018% P, 0.09% C, 0.002% S, 0.82% Al,
- 8,174 мас.% FeB, включающего 82,33% Fe, 18,16% B, 0,13% Al, 0,007% S, 0,31% C, 0,03% P и 0,54% Si,- 8.174 wt.% FeB, including 82.33% Fe, 18.16% B, 0.13% Al, 0.007% S, 0.31% C, 0.03% P and 0.54% Si,
- 8,2 мас.% FeNb, включающего 67,1% Nb, 1% Si, 0,3% Al, 0,11% C, 0,06% Ta, 0,05% N, 0,04% P, 0,033% Pb, 0,01% S и 31,297% Fe,- 8.2 wt.% FeNb, including 67.1% Nb, 1% Si, 0.3% Al, 0.11% C, 0.06% Ta, 0.05% N, 0.04% P, 0.033% Pb, 0.01% S and 31.297% Fe,
- 1,3 мас.% чистой меди 99,9 %,- 1.3 wt.% pure copper 99.9%,
- 70,83 мас.% слитков железа, включающих 99,79 % Fe, 0,005 % C, 0,001 % Al, 0,15 % Mn, 0,002 % Si, 0,002 % P, 0,002 % S.- 70.83 wt.% iron ingots, including 99.79% Fe, 0.005% C, 0.001% Al, 0.15% Mn, 0.002% Si, 0.002% P, 0.002% S.
Эту металлическую композицию нагревают до 1490°С, т.е. на 340°С выше температуры ликвидуса, и затем подвергают газовому распылению с аргоном при следующих условиях процесса:This metal composition is heated to 1490° C., i. e. 340°C above the liquidus temperature, and then subjected to gas spraying with argon under the following process conditions:
- Давление газа: 16 бар- Gas pressure: 16 bar
- Диаметр сопла: 2,5 мм- Nozzle diameter: 2.5mm
- Отношение газа к металлу: 3,37- Gas to metal ratio: 3.37
Затем полученный металлический порошок сушат при 100°С в вакууме в течение 0,5 - 1 дня. Then the resulting metal powder is dried at 100°C in vacuum for 0.5 to 1 day.
Металлический порошок имеет следующие характеристики.Metal powder has the following characteristics.
Микроструктуру анализируют методом XRD. Программное обеспечение TOPAS от Bruker® используют для уточнения Ритвельда рентгенограммы XRD. Было обнаружено, что микроструктура включает в долях площади 56 % кристаллических ферритных фаз, 6,4 % Fe16Nb6Si7 и 2,47 % Fe23B6, остальное составляет аморфная фаза. Кристаллические ферритные фазы состоят из 52,6 % Fe-α(Si) и 47,4 % Fe3Si (Do3). При измерении дифракцией обратного рассеяния электронов (EBSD) было установлено, что в кристаллической области размер зерна является неоднородным с областями более крупных зёрен (1 - 10 мкм), обычно расположенными в центре частицы порошка, и областями меньшего размера зерна (менее 1 мкм), как правило, расположенными по его краям, или близкими к аморфной фазе. Участки более крупных зёрен соответствуют 65 - 80% кристаллической фазы порошка.The microstructure is analyzed by XRD. The Bruker® TOPAS software is used to refine the Rietveld XRD. It was found that the microstructure includes 56% crystalline ferrite phases, 6.4% Fe16Nb6Si7 and 2.47% Fe23B6 in area fractions, the rest is an amorphous phase. Crystalline ferrite phases consist of 52.6% Fe-α(Si) and 47.4% Fe3Si (Do3). Electron backscatter diffraction (EBSD) measurements have found that in the crystalline region, the grain size is inhomogeneous with regions of larger grains (1 - 10 µm) typically located at the center of the powder particle and regions of smaller grain size (less than 1 µm), as a rule, located along its edges, or close to the amorphous phase. Areas of larger grains correspond to 65 - 80% of the crystalline phase of the powder.
Средняя сферичность SPHT, измеренная Camsizer® в соответствии с ISO 9276-6:2008, составляет 0,93.The average sphericity of SPHT measured by Camsizer® according to ISO 9276-6:2008 is 0.93.
Распределение частиц по размерам, измеренное методом лазерной дифракции в соответствии со стандартом ISO13320:2009, имеет следующие характеристики: D10 = 17,61 мкм, D50 = 61,73 мкм и D90 = 166,1 мкм.The particle size distribution measured by laser diffraction according to ISO13320:2009 has the following characteristics: D10 = 17.61 µm, D50 = 61.73 µm and D90 = 166.1 µm.
Благодаря этим характеристикам полученный металлический порошок имеет следующие свойства.Due to these characteristics, the resulting metal powder has the following properties.
Текучесть, определённая с использованием расходомера Холла в соответствии с ASTM B213-7, составляет 0,373 с/г.The flowability, determined using a Hall flow meter in accordance with ASTM B213-7, is 0.373 s/g.
Что касается магнитных свойств, измеренных с помощью вибрационного магнитометра (VSM), коэрцитивная сила Hc, измеренная соответственно при комнатной температуре и при 400°C, составляет соответственно 2,06x10-3 Тл и 8,03x10-3 Тл. Магнитное насыщение Ms, измеренное соответственно при комнатной температуре и при 400°C, составляет соответственно 15,733 А⋅м²/кг и 80,3 А⋅м²/кг. Остаточная намагниченность Mr, измеренная соответственно при комнатной температуре и при 400°C, составляет соответственно 0,115 А⋅м²/кг и 0,367 А⋅м²/кг.With regard to the magnetic properties measured with a vibrating magnetometer (VSM), the coercive force Hc, measured respectively at room temperature and at 400°C, is respectively 2.06x10 -3 T and 8.03x10 -3 T. The magnetic saturation Ms, measured respectively at room temperature and at 400°C, is 15.733 A⋅m²/kg and 80.3 A⋅m²/kg, respectively. The remanence Mr, measured respectively at room temperature and at 400°C, is respectively 0.115 A⋅m²/kg and 0.367 A⋅m²/kg.
Claims (32)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IBPCT/IB2019/061070 | 2019-12-19 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2788793C1 true RU2788793C1 (en) | 2023-01-24 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2050533A1 (en) * | 2006-08-09 | 2009-04-22 | Ing Shoji Co., Ltd. | Iron-based corrosion resistant wear resistant alloy and deposit welding material for obtaining the alloy |
| RU2443795C2 (en) * | 2010-04-16 | 2012-02-27 | Тамара Федоровна Волынова | MULTI-FUNCTION ANTIFRICTION NANOSTRUCTURE WEAR-RESISTANT DAMPING ALLOYS WITH SHAPE MEMORY EFFECT ON METASTABLE BASIS OF IRON WITH STRUCTURE OF HEXAGONAL ε-MARTENSITE, AND ITEMS USING THESE ALLOYS WITH EFFECT OF SELF-ORGANISATION OF NANOSTRUCTURE COMPOSITIONS, SELF-STRENGTHENING AND SELF-LUBRICATION OF FRICTION SURFACES, WITH EFFECT OF SELF-DAMPING OF VIBRATIONS AND NOISES |
| WO2018075460A1 (en) * | 2016-10-17 | 2018-04-26 | Federal-Mogul Llc | Free graphite containing powders |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2050533A1 (en) * | 2006-08-09 | 2009-04-22 | Ing Shoji Co., Ltd. | Iron-based corrosion resistant wear resistant alloy and deposit welding material for obtaining the alloy |
| RU2443795C2 (en) * | 2010-04-16 | 2012-02-27 | Тамара Федоровна Волынова | MULTI-FUNCTION ANTIFRICTION NANOSTRUCTURE WEAR-RESISTANT DAMPING ALLOYS WITH SHAPE MEMORY EFFECT ON METASTABLE BASIS OF IRON WITH STRUCTURE OF HEXAGONAL ε-MARTENSITE, AND ITEMS USING THESE ALLOYS WITH EFFECT OF SELF-ORGANISATION OF NANOSTRUCTURE COMPOSITIONS, SELF-STRENGTHENING AND SELF-LUBRICATION OF FRICTION SURFACES, WITH EFFECT OF SELF-DAMPING OF VIBRATIONS AND NOISES |
| WO2018075460A1 (en) * | 2016-10-17 | 2018-04-26 | Federal-Mogul Llc | Free graphite containing powders |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Garibaldi Michele et al. Metallurgy of high-silicon steel parts produced using selective laser melting, Acta materialia, Elsevier, Oxford, 22 march 2016, v. 110, p.207-216. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6705549B2 (en) | Crystalline Fe-based alloy powder, method for producing the same, and magnetic core | |
| JP5395984B1 (en) | Method for producing αFe nanocrystal dispersed amorphous sprayed coating | |
| JP6035896B2 (en) | Fe-based alloy composition | |
| JP5916983B2 (en) | Alloy composition, Fe-based nanocrystalline alloy and method for producing the same, and magnetic component | |
| JP6648856B2 (en) | Fe-based alloy, crystalline Fe-based alloy atomized powder, and magnetic core | |
| JP2016104900A (en) | Metallic soft magnetic alloy, magnetic core, and production method of the same | |
| WO2019031462A1 (en) | Iron-based nanocrystalline alloy powder, method for producing same, iron-based amorphous alloy powder, and magnetic core | |
| CN114829655A (en) | Method for additive manufacturing of maraging steel | |
| CN111128504A (en) | Soft magnetic alloy powder, dust core, magnetic component, and electronic device | |
| EP2757172A1 (en) | Fe-based initial-ultra-fine-crystal-alloy ribbon and magnetic component | |
| CA3163539C (en) | Metal powder for additive manufacturing | |
| RU2788793C1 (en) | Metal powder for additive manufacturing | |
| JP4358016B2 (en) | Iron-based metallic glass alloy | |
| CN114786846A (en) | Metal powder for additive manufacturing | |
| CN112176246A (en) | Nanocrystalline soft magnetic material, method for producing same, and Fe-based alloy for use therein | |
| JP6744238B2 (en) | Soft magnetic powder, magnetic parts and dust core | |
| JP7503634B2 (en) | Metal Powders for Additive Manufacturing | |
| BR112022010208B1 (en) | METAL POWDER AND PROCESS FOR MANUFACTURING A METAL POWDER FOR ADDITIVE MANUFACTURING | |
| WO2024121595A1 (en) | Metal powder for additive manufacturing | |
| RU2806109C1 (en) | Metal powder for additive manufacturing | |
| WO2022209497A1 (en) | Soft magnetic powder and magnetic core | |
| JP2002270413A (en) | Electromagnetic wave absorbent powder | |
| KR20180056943A (en) | Fe-based soft magnetic metal powder with amorphous phases | |
| JP2005019634A (en) | Electromagnetic wave absorber powder |