» » Методы получения быстрозакаленных порошков нержавеющих сталей и сплавов на основе циркония
18.01.2016

Для получения порошков сталей 1X13, 12Х18Н9Т, 12Х18Н15 и др. распыляют расплав, который готовят в электродуговых или индукционных печах, обеспечивая его перегрев на 150—200 °С. Диспергирование ведут обычно газом (воздухом, азотом) или водой. При распылении газом-энергоносителем на струю расплава диаметром 8—10 мм, вытекающую из сливного отверстия со скоростью 1 — 1,2 м/с, направляют поток воздуха через кольцевую форсунку под углом атаки 26° при давлении 0,5—1,2 МПа (скорость воздушного потока дозвуковая). На процесс распыления и качество порошка влияет поведение хрома, никеля, титана и других элементов, входящих в состав стали. Применение в качестве энергоносителя азота (при содержании кислорода < 0,5 %) снижает примерно в 2 раза загрязненность порошка кислородом, повышает степень сферичности и выход частиц со сферической формой.
При диспергировании водой на струю расплава через сопло форсуночного устройства подают водяные струи при давлении 5—6 МПа. Распыление ведут в камере, заполненной инертным газом, при охлаждении порошка водой. Окисленность частиц меньше, чем при распылении расплава воздухом, а сферичность хуже, что делает порошки более технологичными при прессовании и спекании.
Распыление аустенитных хромоникелевых нержавеющих сталей типа ЭП172, ферритно-мартенситной ЭП450, бористых сталей, осуществляемое при частотах вращения распыляемого электрода 5000 и 10000 мин-1, оплавляемого электрической дугой в атмосфере гелия (исходные электроды представляют собой кованые прутки диаметром 40 мм), приводит к образованию преимущественно сферических частиц. На распределении частиц порошка по размерам и на среднем их размере изменение содержания бора сказывается незначительно, но средний размер порошков бористых сталей несколько меньше, чем размер порошков сталей без бора.
Масштабы промышленного применения металлургии быстрозакаленных порошков а значительной степени зависят от технологической схемы получения порошков и деталей из них. Порошки должны в максимально возможной степени реализовывать структурно-фазовые эффекты быстрой закалки, а методы компактирования — обеспечивать получение высоко плотно го и однородного металла с минимальной деградацией достигнутого метастабильного состояния с высокими свойствами. При этом технология порошковой металлургии с использованием быстрозакаленных порошков должна быть конкурентоспособной по стоимости по сравнению с существующим производством.
Получение быстрозакаленных порошков методами металлургии гранул имеет следующие особенности.
Процессы распыления расплава, основанные на использовании инертного газа как защитной или диспергирующей среды при центробежных способах распыления или в газоструйных методах, не исключают полностью газовую пористость в распыленных частицах нержавеющих сталей и сплавов на основе циркония. В минимальной степени она проявляется даже в частицах диаметром менее 50 мкм, достигая - 1 %, и повышается уже до 2,0—6,0 % для частиц диаметром 300 мкм в зависимости от относительных скоростей перемещения газа и расплава.
При центробежном распылении в безобменной атмосфере, осуществляемой в гранульной металлургии, газовая пористость также фиксируется, но в существенно меньшем количестве.
Объем гелия в трубах увеличивается при распылении расплава по схеме: плавящийся электрод (катод) — расплав, стекающий на вращающийся гарнисажный тигель (анод). При этом термическая дегазация эффективна лишь при удалении газов, адсорбированных на поверхности частиц.
При выборе оптимального способа получения микрослитков (порошков) нержавеющих сталей и сплавов на основе циркония для изготовления тонкостенных твэльных труб следует иметь в виду, что при этом повышаются требования в отношении наличия таких дефектов, как газовая пористость, инородные частицы вольфрама, меди, керамики.
Процесс получения распыленных сферических быстрозакаленных порошков (гранул) обычно основан на использовании плазменных источников нагрева вращающегося электрода или нерасходуемых вольфрамовых электродов. При распылении струей газа, как правило, неизбежно применение тиглей. Таким образом, в большинстве реализованных в промышленном масштабе схем гранульной металлургии не исключена возможность присутствия включений сопутствующих материалов: вольфрама, меди, керамики и т.п.
В изделиях значительных массы и толщины отрицательное влияние рассеянной пористости, заполненной инертным газом, который находится под давлением в несколько сотен атмосфер, после ГИП, а также инородных локализованных включений регламентировано так, что обеспечивается достаточно высокий уровень свойств.
В подавляющем большинстве изделий атомной техники, в частности в тонкостенных твэльных трубах, наличие таких дефектов недопустимо.
В связи с этим, учитывая особенности изделий атомной техники, в частности тонкостенность твэльных труб, методы металлургии быстрозакаленных гранул, основывающиеся на получении порошков распылением расплава струей инертного газа или центробежным распылением в инертной атмосфере в сочетании с горячим изостатическим прессованием распыленного порошка, нельзя считать оптимальными.
Влияние инертных газов, обусловливающих наличие газовой пористости, можно исключить при распылении в вакууме.
Применение электронно-лучевого нагрева устраняет возможность появления в распыленном порошке включений вольфрама, меди.

Снижение газовой пористости при сохранении сферической формы гранул, имеющей ряд преимуществ, обеспечивают установки для центробежного распыления расплава в высоком вакууме с электронно-лучевым нагревом. Такие установки доведены до промышленного применения. Понижение эффективности охлаждения распыленных микрокапель в связи с отсутствием конвективной теплопередачи в высоком вакууме приводит к необходимости значительного увеличения размеров камеры распыления и габаритов установок (10—16 м, а объем 100 м3 и более).
Преимущества частиц сферической формы: высокие насыпная плотность и текучесть, хорошее заполнение капсулы, простота транспортировки и дозировки, минимальная удельная поверхность и т.д. — в полной мере реализуются в металлургии гранул (ПМ ГИП-технология).
Однако с точки зрения применения традиционных и дешевых методов холодного прессования порошки со сферической формой частиц (быстрозакаленные гранулы) обладают существенным недостатком — нулевой прессуемостью, что практически полностью исключает возможность их компактирования такими методами.
Применение метода сверхбыстрого (ускоренного) затвердевания при распылении в вакууме с использованием экрана-отражателя по РИБЗ-технологии способствует устранению газовой пористости.
Экран-отражатель в установках центробежного распыления расплава в высоком вакууме с электронно-лучевым нагревом при получении порошков по РИБЗ-технологии позволяет:
— резко уменьшить размеры установки для распыления;
— получить частицы порошка в виде чешуек, образующихся при соударении капли расплава с экраном-отражателем;
— повысить скорость охлаждения при высокоскоростной кристаллизации распыляемого расплава в виде частиц чешуйчатой формы.
Быстрозакаленные порошки, полученные методами сверхбыстрого (ускоренного) охлаждения в виде чешуек или фрагментов неправильной формы при размоле тонких быстрозакаленных лент, волокон, в частности РИБЗ-порошки, по технологическим свойствам резко отличаются от сферических частиц. Они характеризуются низкой насыпной плотностью и текучестью, высокой прессуемостью при использовании традиционных методов холодного прессования.
Быстрозакаленные порошки чешуйчатой формы хорошо поддаются холодному прессованию в широком диапазоне давлений от 100 до 1000 МПа с получением заготовок требуемой конфигурации.
РИБЗ-порошки смешиваются, хорошо дозируются, характеризуются низким содержанием газовых примесей (кислорода, азота, водорода), что определяется условиями плавки и распыления в высоком вакууме с электронно-лучевым нагревом.
Эти порошки обладают более мелкозернистой микроструктурой, обусловленной существенным повышением скорости охлаждения при кристаллизации по сравнению с обычными методами гранульной металлургии.