Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННОЙ ВЫСОКОАЗОТИСТОЙ АУСТЕНИТНОЙ ПОРОШКОВОЙ СТАЛИ С НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу получения дисперсноупрочненной высокоазотистой аустенитной порошковой стали с нанокристаллической структурой.

Известен способ получения механически легированной азотсодержащей стали [Патент РФ №2425166]. 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, в отожженную смесь добавляют наноразмерный порошок никеля и производят перемешивание. Затем готовую шихту прессуют в пресс-форме и спекают в азотсодержащей атмосфере при определенных температурах.

Недостаток: легирование азотом требует дополнительных термических и механических обработок материала и, следовательно, удорожает технологию. При этом проводимые высокотехнологичные операции требуют повышенного контроля качества, что увеличивает вероятность высокого процента брака.

Известен способ получения азотированного феррохрома [Заявка на изобретение №94042483]. Способ позволяет получить азотированный феррохром с высоким содержанием азота и с минимальными затратами электроэнергии. Порошок феррохрома с определенным размером частиц зажигают и азотируют в режиме горения при повышенном давлении азота, причем порошок феррохрома предварительно нагревают.

Недостаток: способ предлагает изготовление полуфабриката для последующего изготовления азотистых аустенитных сталей и контроль качества, и описанные результаты соответствуют полуфабрикату, а не конечному продукту.

Известен нанокристаллический материал со структурой аустенитной стали, обладающий высокой твердостью, прочностью и коррозионной стойкостью, и способ его изготовления, выбранный за прототип [RU Патент РФ №2324757]. Способ изготовления нанокристаллического материала со структурой аустенитной стали включает смешивание мелкозернистых порошков, которые являются компонентами для получения определенной разновидности аустенитной стали, таких как железо и хром, никель, марганец, углерод, с веществом, которое является источником азота, механическое легирование смеси с использованием шаровой мельницы с получением мелкозернистых порошков нанокристаллической аустенитной стали с высоким содержанием азота. Формование спеканием порошков нанокристаллической аустенитной стали одним или другими методами, в которые входят: прокатка, электроразрядное спекание, экструзия, горячее изостатическое прессование (ТИП), холодное изостатическое прессование (ХИЛ), холодное прессование, горячее прессование, ковка, штампование или штампование взрывом, с получением в результате материала со структурой аустенитной стали, обладающего высокой твердостью, прочностью и коррозионной стойкостью, в виде агрегата из нанокристаллических зерен, который содержит 0,1-2,0 мас.% азота в твердом растворе. Полученный продукт отжигают при температуре 800-1250°С в течение 60 мин или меньше и затем быстро охлаждают. В качестве среды для механического легирования используют инертный газ, например аргон, газообразный азот, аммиак или смесь, содержащую два или более из этих газов. Композиция для изготовления аустенитной стали содержит 12-30 мас.% хрома, 0-20 мас.% никеля, 0-30 мас.% марганца, 0,1-5,0 мас.% азота, 0,02-1,0 мас.% углерода, железо - остальное, а процесс формования спеканием осуществляют при температуре 600-1250°С. Недостатком прототипа является дорогая технология изготовления аустенитной стали за счет длительного процесса механического легирования (более 200 часов), а также высокое содержание кислорода в полученной порошковой стали, что ухудшает основные механические свойства.

Задачей является удешевление технологии получения высокоазотистой аустенитной порошковой стали с нанокристаллической структурой за счет уменьшения времени механического легирования и улучшение механических свойств.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения дисперсноупрочненной высокоазотистой аустенитной стали с нанокристаллической структурой. Способ заключается в том что, составляют смесь из порошков хрома, никеля, марганца и железа, помещают ее в объем, например в металлический проточный реактор высоконапряженной вибромельницы, снабженный проточной системой газов. Добавляют мелющие шары, например, из шарикоподшипниковой стали от 30% до 50% объема реактора. После чего осуществляют герметизацию реактора и проводят предварительную продувку смеси азотосодержащим газом, например аммиаком со скоростью 2-16 л/час в течение 10-20 минут. Затем скорость потока газа уменьшают до 0,2-0,3 л/час и смесь подвергают механическому легированию, например, при помощи высоконапряженной вибромельницы. Механическое легирование проводиться с параметром дозы энергии, необходимой для осуществления механического легирования, от 150 до 720 кДж/г. После чего в реактор добавляют порошковую композицию металл-неметалл в соотношении, необходимом для образования тугоплавкого соединения [Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения. Справочник. 2-е изд. М., «Металлургия», 1976. 560 с.]. В качестве металла были выбраны Ti, Nb, Zr, в качестве неметалла - C, В, Si. Количество порошковой композиции не превышало 50% от количества стали. И далее проводят дополнительное легирование в течение 10-60 минут.

Загрузка мелющих шаров в определенном объеме обусловлена получением определенной дисперсности порошка высокоазотистой аустенитной стали, а также наиболее продуктивным ходом механического легирования. В ходе механического легирования в проточном реакторе при диссоциации аммиака не происходит повышения давления выше критической нормы, что, соответственно, предотвращает повышение парциального давления азота и водорода, при которых происходит сдвиг равновесия в сторону исходного газа и торможение реакции взаимодействия азота с порошком. Это позволяет на протяжении всего времени механического легирования осуществлять непрерывное насыщение порошка азотом. Следовательно, насыщение азотом проходит значительно быстрее и, соответственно, требует меньших затрат на производство стали. Использование аммиака в качестве азотосодержащей атмосферы в значительной степени улучшает технологию получения высокоазотистых аустенитных сталей. Аммиак выполняет две функции: восстановление смеси порошка, тем самым улучшая его качество и подготавливая его к дальнейшему взаимодействию, а также насыщает порошок азотом.

Цель предварительной продувки заключается в замещении кислорода в реакторе на азотосодержащий газ, а дальнейшая продувка в ходе механического легирования направлена лишь на поддержание азотосодержащей атмосферы, позволяющей осуществлять постоянное насыщение порошка азотом, что, в конечном счете, приводит к сокращению времени механического легирования высокоазотистой порошковой стали. Уменьшение скорости продувки при механическом легировании направлено на экономию расхода аммиака.

Композиция металл-неметалл и дополнительное механическое легирование позволяют улучшить механические свойства - твердость, прочность и т.д. Реакция протекает со значительным выделением тепла и происходит мгновенно, индикатором образования тугоплавкого соединения в процессе механолегирования является скачок температуры на термограмме (фиг.1), где по оси ординат - температура механореактора, а по оси абсцисс - время механоактивации. В результате образуется дисперсноупрочненная высокоазотистая порошковая аустенитная сталь, упрочненная тугоплавким соединением.

Совокупность отличительных признаков является необходимой и достаточной для решения поставленной задачи.

Объем мелющих шаров в реакторе менее 30% является недостаточным для полноценного осуществления механического легирования, что увеличивает время процесса. Избыточное количество мелющих шаров более 50% приводит к их заклиниванию в процессе механического легирования.

Предварительная продувка азотосодержащим газом менее 2 л/час и/или менее 10 минут не позволяет в полной мере осуществить замещение кислорода азотосодержащим газом, а превышение значения 16 л/час и/или более 20 минут нецелесообразно с экономической точки зрения. Скорость продувки газа в процессе механического легирования менее 0,2 л/час является недостаточной для осуществления непрерывной реакции взаимодействия азота со смесью порошков. Превышение значения скорости продувки более 0,3 л/час не позволяет осуществить полное разложение аммиака и не оправдано с экономической точки зрения. При понижении дозы энергии, необходимой для осуществления механического легирования, ниже 150 кДж/г механическое легирование с получением высокоазотистой аустенитной порошковой стали с нанокристаллической структурой и низким содержанием кислорода осуществить невозможно. В этом случае происходит неравномерное перемешивание элементов, и полученное содержание азота не превышает 0,02% из-за низкой скорости разложения аммиака. Повышение дозы энергии более 720 кДж/г способствует потере получаемого продукта - порошок сгорает из-за высокой удельной поверхностной энергии.

После чего в реактор добавляли порошковую композицию металл-неметалл в соотношении, необходимом для образования тугоплавкого соединения. В качестве металла были выбраны Ti, Nb, Zr, в качестве неметалла - C, В, Si. Количество порошковой смеси не превышает 50% от количества стали. Если количество порошковой смеси будет 60%, то реакция образования тугоплавкого соединения не произойдет либо значительно увеличится время образования.

Дополнительное механическое легирование проводят в течение 10-60 минут. В данном интервале происходит скачек температур, что видно на термограмме механореактора. После появления скачка температур процесс механолегирования прекращается.

Составляли смесь из порошков хрома, никеля, марганца и железа и помещали в проточный металлический реактор высоконапряженной вибромельницы. Затем к полученной смеси порошков добавляли мелющие шары из шарикоподшипниковой стали в количестве 30%, 40% и 50% объема реактора. Герметизировали реактор и проводили предварительную продувку смеси аммиаком или азотом со скоростью 2, 6, 10 или 16 л/час в течение 10, 15 или 20 минут. Затем скорость потока газа уменьшали до 0,2, 0,25 или 0,3 л/час и смесь подвергали механическому легированию при помощи высоконапряженной вибромельницы с параметрами дозы энергии 150, 400, 600 и 720 кДж/г. Далее добавляли порошковую композицию металл-неметалл (металл: Ti, Nb, Zr и неметалл: С, В, Si), в количестве 40 или 50% от количества стали и проводили дополнительное механическое легирование в течение 10, 35 или 60 минут.

Удешевление способа получения высокоазотистой аустенитной порошковой стали осуществлено за счет сокращения времени процесса механического легирования.

Полученные высокоазотистые аустенитные порошковые стали обладают сверхравновесным содержанием азота стали с нанокристаллической структурой и высокими механическими свойствами за счет низкого содержания кислорода (менее 0,1%). Размеры нанокристаллов составляют от 4 до 10 нм. Содержание азота после механического легирования в среде аммиака с параметром дозы энергии 720 кДж/г составляет 0,922%, при этом доля аустенита достигает 90%. Химический анализ полученной высокоазотистой аустенитной порошковой стали показывает содержание кислорода менее 0,1%, что влияет на механические свойства: величина твердости по Виккерсу достигает 850 HV, предел текучести при растяжении 1900 МПа, предел прочности при растяжении 3200 МПа, величина относительного удлинения 10%.