钢粉末及此类粉末的制造方法与流程

1.本发明涉及一种钢粉末，以重量％计包含：c 0.05-2.0、mn、al、cr、si、ti，以及，作为任选项，n和o，以及余量的fe和不可避免的杂质。所述钢粉末具有低密度，基本上是奥氏体，基本上是非磁性的，并且具有低含量的镍或不含镍。
2.本发明还涉及制造这种粉末的方法，包括如下步骤：提供钢熔体，所述钢熔体的组成使得当进行雾化工序时，所述钢熔体将形成根据本发明的粉末，通过使所述钢熔体雾化来提供粉末，并从所述经雾化的粉末中提取出中值粒径m《100μm或使得m《20μm的粉末部分。


背景技术：

3.在一些应用中，需要一种钢，所述钢除了具有预定的机械强度和足够的耐腐蚀性之外，还具有低密度，所述钢基本上是非磁性的，并且对于对镍过敏的人来说，在与所述钢物理接触时不会造成问题。因此，所述钢不应含有任何磁性bcc相或仅含有非常小部分的bcc相、所述bbc相通常为铁氧体，或者不应含有任何镍或仅含有非常低含量的镍。因此，可以使用锰代替镍以用于奥氏体的稳定化。
4.为了获得低密度钢，可以添加铝作为合金元素。然而，由于al是铁氧体稳定剂，因此al的含量必须相对于mn的量是平衡的。
5.当将粉末技术用于制造这种钢的物品时，通常在将熔体气体雾化成粉末之后提取出中值粒度不同的粉末部分。在本公开内容中，所述中值粒度或直径是指根据iso标准13320：2020测量的粒子体积的中值粒径。细粉末部分比粗粉末部分更容易自燃和爆炸。这种趋势因某些具有低点火能量的反应性元素例如al、ti的存在而增加。因此，当计算爆炸系数(ef)时，利用中值粒径(d50)10μm的以体积％定义的参考值，从而能够比较不同的组成。
6.发明目的
7.本发明的一个目的是提供一种钢粉末，当在用于制造钢产品的粉末技术中使用所述钢粉末时，产生具有良好的机械性能/耐久性、基本上是非磁性的、具有低密度、不会促进易对镍过敏的人的过敏反应的钢产品，其中所述粉末的自燃和爆炸的倾向降低。
8.本发明的另一个目的是提供一种制造粉末的方法，其中粉末的自燃和爆炸的倾向降低。
9.本发明的另一个目的是提供一种在钢块(piece of steel)的制造方法中使用的粉末，所述钢块基本上是非磁性的，具有良好的机械性能/耐久性，具有低密度，不会促进对镍过敏的人的过敏反应，其中所述方法使用粉末技术，其中所述粉末爆炸的风险被降低或抑制。这种方法可以是金属注射成型(mim)、增材制造法例如粉末床融合或粘合剂喷射，或者固态固结法例如热等静压(hip)。


技术实现要素：

10.本发明的一个目的借助一种钢粉末来实现，
11.所述钢粉末以重量％计包含：
12.c 0.05-2.0，
13.mn 14.0-30.0，
14.al 5.0-10.0，
15.cr 3.0-10.0，
16.si 0.1-2.0，
17.ti 0.05-1.0，
18.以及，作为任选项，
19.ni 0-0.2，
20.n 0-1.0，
21.o 0-0.50，
22.以及余量的fe和不可避免的杂质。
23.根据一个实施方式，所述钢粉末以重量％计包含：
24.c 0.80-1.2，
25.mn 15.0-26.0，
26.al 5.0-8.5，
27.cr 3.0-7.0，
28.si 0.3-1.1，
29.ti 0.05-0.5，
30.以及，作为任选项，
31.ni 0-0.2，
32.n 0-1.0，
33.o 0-0.50，以及余量的fe和不可避免的杂质。
34.根据一个实施方式，所述钢粉末以重量％计包含：
35.c 0.80-1.20，
36.mn 15.0-23.0，
37.al 5.5-8.5，
38.cr 5.0-7.0，
39.si 0.3-1.1，
40.ti 0.05-0.3，
41.以及，作为任选项，
42.ni 0-0.2，
43.n 0-0.50，
44.o 0-0.50，
45.以及余量的fe和不可避免的杂质。
46.根据一个实施方式，所述钢粉末中ni的含量为0重量％。由此，具有镍过敏的人受到由所述钢粉末形成的钢影响的风险进一步降低。
47.根据一个实施方式，所述钢粉末的组成使得，对于所述粉末的中值粒径(d
50
)为m＝10μm的部分，爆炸系数ef《3.0(mj/kg
×
μm-0.5
)，其中
48.其中
49.hf是元素fe、cr、ti、mn、c、al和si各自的燃烧贡献热hc(元素)之和，其中各元素的燃烧贡献热hc由如下表达式表示：
50.hc(元素)＝hci(元素)
×
重量％(元素)/100，其中
51.hci(元素)是以mj/kg为单位测量的各相应元素的燃烧热值，其中
52.hci(fe)＝7.4；
53.hci(cr)＝6.0；
54.hci(ti)＝19.7；
55.hci(al)＝31.0；
56.hci(mn)＝7.0；
57.hci(c)＝7.0；
58.hci(si)＝16.0。
59.燃烧热值hci是指示当材料在常温和常压(ntp)下燃烧或爆炸形成其平衡氧化物时产生多少能量(以mj/千克计)的值。与钢的燃烧热值hci更低的元素相比，燃烧热值更高的合金元素对钢的自燃和爆炸倾向的贡献更大。值得注意的是，优选用于降低所述钢的密度的铝具有非常高的燃烧热值，因此对所述钢粉末的自燃和爆炸倾向有显著影响。钛(ti)被用作碳化物形成剂，用于在所述钢中实现更高的强度，有助于低密度，并且还具有相当高的燃烧热值。本发明建议平衡所述钢的合金元素的量，使得由爆炸系数ef定义的爆炸风险低于预定水平。
60.根据一个实施方式，所述钢的组成使得爆炸系数ef《2.95(mj/kg
×
μm-0.5
)。
61.根据一个实施方式，所述钢的组成使得形成钢粉末的钢的密度d小于7.20g/cm3，所述密度d定义为完全致密并且其中基本上没有任何闭合孔隙的粒子的密度。根据一个实施方式，d＜6.97g/cm3。
62.根据一个实施方式，所述粉末的组成使得，在所述粉末的烧结或熔融固化或者所述粉末在高于1000℃的温度下的热处理以及随后对其淬火之后，经烧结、熔融固化或热处理的由所述粉末制成的钢块为奥氏体，其中bcc相含量为0-10体积％，优选为0-5体积％。
63.根据一个实施方式，所述粉末是具有中值粒径m的雾化粉末，其中m《100μm。
64.根据一个实施方式，所述粉末是具有中值粒径m的气体雾化粉末，其中m《20μm。
65.根据一个实施方式，锰的含量为mn≥16.5重量％。
66.根据一个实施方式，锰的含量为mn≥19重量％。
67.根据一个实施方式，铝的含量为al》6.0重量％。
68.根据一个实施方式，铝的含量为al》6.5重量％。
69.本发明的一个目的还通过制造根据本发明的粉末的方法来实现，所述方法包括如下步骤：
[0070]-提供钢熔体，所述钢熔体的组成使得当进行雾化工序时，所述钢熔体将形成根据本发明的粉末，
[0071]-通过使所述钢熔体雾化来提供粉末，
[0072]-从所述经雾化的粉末中提取出中值粒径m《100μm的粉末部分。
[0073]
所述钢熔体优选包含呈废料和返回料形式的原材料，或者更优选呈原始原料和市售铁合金形式的原材料。在所述熔化和雾化工序中，对原材料进行不同程度的蒸发，但本领
域技术人员借助蒸汽压力曲线将能够对此进行补偿，以获得正确的粉末组成。
[0074]
使用气体雾化技术将钢熔体转化为粉末，其中流过喷嘴的钢熔体流通过高压气流例如氮的冲击而分解成液滴，由此产生的粒子被收集在氮气氛中。或者，也可以使用合适的惰性气氛例如氩。所述气流的压力优选高于30巴。根据所述粉末的确切所需性质，可以使用更高或更低的压力。所述液滴在雾化塔中冷却以形成固体粒子。冷却速率将影响所述粉末的性质，但通常使用102至107k/s之间的速率。随后，使用合适的空气分级设备例如细川美光有限公司(hosokawa micron ltd)的atp turboflex空气分级机提取所需部分中的粒子。也可以使用替代空气分级或粉末分离设备，所述设备仅用作实施例。
[0075]
根据一个实施方式，所述雾化是气体雾化。
[0076]
根据一个实施方式，所述提取步骤包括从所述经雾化的粉末中提取出中值粒径m《20μm的粉末部分。
[0077]
根据一个实施方式，提取包括筛分，通常是在含有氧(空气)的气氛中。关于低成本筛分，将存在促进粉末自燃和爆炸的条件，例如存在氧。因此，当使用筛分和/或空气分级作为提取方法时，本发明是特别适合的。根据一个实施方式，所述筛分包括在氧(空气)的存在下使粉末通过网的步骤。
[0078]
本发明的一个目的还借助以下实现：上文所述的粉末用于钢块的制造方法中，通过增材制造例如金属粘结剂喷射或金属注射成型形成所述粉末的生坯，并对所述粉末进行烧结工序。或者，可以对所述粉末进行固态固结或熔融-凝固工序，在所述工序中形成所述钢块。例如，固态固结和熔融-凝固工序可以分别包括hip和粉末床融合。
[0079]
根据一个实施方式，所述方法还包括对所述钢块进行高于1000℃的热处理，随后淬火。所述经热处理和淬火的钢块应为奥氏体，其中bcc相含量为0-10体积％，优选为0-5体积％。
具体实施方式
[0080]
在下文中，将讨论本发明钢的必需元素及其对所述钢和所述钢粉末的功能性和特性的贡献。
[0081]
碳(c)用作碳化物形成剂，从而增加了所述钢的机械强度，并在一定程度上防止了不期望的金属间相的形成。c提高了所述奥氏体的稳定性，并具有很强的固溶硬化效果。
[0082]
锰(mn)用作主要的奥氏体稳定剂，因为应避免使用ni。
[0083]
铝(al)用于降低所述钢的密度，并通过形成碳化物、或者如果所述钢中存在氮则通过形成氮化物来有助于钢的强度。al是铁氧体稳定剂。它还具有高燃烧热值，从而增加了粉末的爆炸倾向。至少出于后一个原因，铝的量不应太高。
[0084]
铬(cr)有助于所述钢的耐腐蚀性。cr是铁氧体稳定剂，至少出于这个原因，含量不应太高。它的燃烧热值低于所述钢中的其它必需元素的燃烧热值，因此可以用来补偿al在这方面的更负面影响。
[0085]
钛(ti)通过形成碳化物和/或氮化物而有助于钢的强度。ti使铁氧体稳定化并具有高燃烧热值。因此，它在所述钢中仅存在0.05重量％直至1.0重量％。
[0086]
硅(si)使所述熔体更加流动，从而促进所述雾化工序。si也具有低密度。然而，si使铁氧体稳定化并具有高燃烧热值。因此，它在所述钢中仅存在0.1重量％直至2.0重量％。
[0087]
氮(n)在所述钢粉末中可以存在高达1.0重量％。然而，太多的n可能导致大量沉淀物，伴随着使所述钢的延展性降低的风险。
[0088]
镍(ni)可以存在高达0.2重量％。高于所述水平，ni可能引起对镍过敏的人的过敏反应。所述粉末中不存在ni将完全解决这个问题。
[0089]
实施例
[0090]
以下给出了不同组分的实施例，其中一些在本发明请求保护的范围内，目的是显示所述钢组分如何影响由爆炸因子定义的爆炸风险。
[0091]
在所有实施例中，为了定义如本发明中所定义的粒度的目的，已由malvern mastersizer 2000和湿式分散单元进行粒度的测量，并根据iso标准13320：2020使用mie理论计算最佳拟合尺寸分布。
[0092]
当计算和比较爆炸系数(ef)时，使用中值粒径(d
50
)10μm的以体积％定义的参考值，因为ef也取决于粒度。这意味着，对于所分析的一定体积的粒子，d
50
是所述体积内的中值直径。
[0093]
实施例1
[0094]
通过提供具有根据表1的组成的钢熔体来制造根据本发明的粉末。所述钢熔体优选包含原始原料和市售铁合金形式的原材料。通过使用气体雾化技术将所述钢熔体转化为粉末，其中在氮气氛中通过高压气流使所述钢熔体经过喷嘴而分解成液滴。分解气流的压力优选保持为高于30巴。所述液滴在含有氮气流的雾化塔中冷却，以形成固体粒子。随后，使用空气分级设备例如来自细川美光有限公司的atp turboflex空气分级机提取实施例1中所述部分中的粒子。
[0095]
实施例1(表1)的组成在请求保护的范围内，并且爆炸系数低至2.82mj/kg
×
μm-0.5
。
[0096]
表1
[0097][0098]
hci：各元素的燃烧热值，以mj/kg表示
[0099]
hc：合金中各元素的计算的燃烧贡献热，以mj/kg表示，根据以下计算：
[0100]
hc(元素)＝hci(元素)
×
重量％(元素)/100
[0101]
hf：作为包含合金的元素的hc(元素)之和计算的合金的形成热(以mj/kg表示)。
[0102]
ef：爆炸系数，计算为其中“m”是在计算中等于10μm的中值(d
50
)。
ef以mj/kg
×
μm-0.5
表示。
[0103]
实施例2
[0104]
通过提供具有根据表2的组成的钢熔体并使用与如实施例1中相同的技术来制造根据本发明的粉末。
[0105]
实施例2的组成在请求保护的范围内，并且爆炸系数低至2.91mj/kg
×
μm-0.5
。
[0106]
表2
[0107][0108]
实施例3
[0109]
由于缺乏cr，表3中所示的组成(计算的组成)在请求保护的范围之外，因此耐腐蚀性降低。
[0110]
表3
[0111][0112]
实施例4
[0113]
由于缺乏cr和相对高的al含量，表4中所示的组成(计算的组成)在请求保护的范围之外。高al含量导致显著更高的爆炸风险，而由于cr不存在而无法通过cr减轻所述更高的爆炸风险。
[0114]
表4
[0115][0116]
实施例5
[0117]
表5中所示的组成(计算的组成)具有甚至更高的al含量、高mn含量和低cr含量。爆炸系数显著高于实施例1和2的爆炸系数。
[0118]
表5
[0119][0120]
实施例6
[0121]
表6中所示的组成(计算的组成)在请求保护的范围内。它具有低爆炸系数。
[0122]
表6
[0123][0124]
实施例7
[0125]
表7中所示的组成(计算的组成)具有较低的al含量、以及相对低的mn和cr含量。如表9中所示，所得密度略高于之前的实施例的密度，但仍低于7.20g/cm3。然而，爆炸系数低。
[0126]
表7
[0127][0128]
实施例8
[0129]
表8中所示的组成(经计算的)具有高的al含量、以及高的mn含量以及相对低的cr含量。爆炸系数仍低于2.95(mj/kg
×
μm-0.5
)。如表9中所示，所得密度低于7.00g/cm3。
[0130]
表8
[0131][0132]
表9显示了上述公开的实施例1-8的组成的理论全密度(计算的密度)。还示出了实施例1和2的样品的测量的密度。
[0133]
表9
[0134]

技术特征：
1.一种钢粉末，以重量％计包含：c 0.05-2.0，mn 14.0-30.0，al 5.0-10.0，cr 3.0-10.0，si 0.1-2.0，ti 0.05-1.0，以及，作为任选项，ni 0-0.2，n 0-1.0，o 0-0.50，以及余量的fe和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的钢粉末，以重量％计包含：c 0.80-1.2，mn 15.0-26.0，al 5.0-8.5，cr 3.0-7.0，si 0.3-1.1，ti 0.05-0.5，以及，作为任选项，ni 0-0.2，n 0-1.0，o 0-0.50，以及余量的fe和不可避免的杂质。3.根据权利要求1所述的钢粉末，以重量％计包含：c 0.80-1.20，mn 15.0-23.0，al 5.5-8.5，cr 5.0-7.0，si 0.3-1.1，ti 0.05-0.3，以及，作为任选项，ni 0-0.2，n 0-0.50，o 0-0.50，以及余量的fe和不可避免的杂质。4.根据权利要求1所述的钢粉末，其中所述钢粉末的组成使得，对于所述粉末的中值粒径m＝10μm的部分，爆炸系数ef<3.0(mj/kg
×
μm-0.5
)，其中其中hf是元素fe、cr、ti、mn、c、al和si各自的燃烧贡献热hc(元素)之和，其中各元素的燃烧
贡献热hc由如下表达式表达：hc(元素)＝hci(元素)
×
重量％(元素)/100，其中hci(元素)是以mj/kg为单位测量的各相应元素的燃烧热值，其中hci(fe)＝7.4；hci(cr)＝6.0；hci(ti)＝19.7；hci(al)＝31.0；hci(mn)＝7.0；hci(c)＝7.0；hci(si)＝16.0。5.根据权利要求4所述的钢粉末，其中ef<2.95(mj/kg
×
μm-0.5
)。6.根据权利要求1-5中任一项所述的钢粉末，其中形成所述钢粉末的钢的密度d小于7.20g/cm3，所述密度d定义为完全致密并且其中没有任何闭合孔隙的粒子的密度。7.根据权利要求5所述的钢粉末，其中d<6.97g/cm3。8.根据权利要求1-7中任一项所述的钢粉末，其中所述粉末是具有中值粒径m的气体雾化粉末，其中m<100μm。9.根据权利要求1-7中任一项所述的钢粉末，其中所述粉末是具有中值粒径m的气体雾化粉末，其中m<20μm。10.根据权利要求1-9中任一项所述的钢粉末，其中mn≥16.5重量％。11.根据权利要求1-9中任一项所述的钢粉末，其中mn≥19重量％。12.根据权利要求1-11中任一项所述的钢粉末，其中al>6.0重量％。13.根据权利要求1-12中任一项所述的钢粉末，其中al>6.5重量％。14.一种制造根据权利要求1-13中任一项所述的粉末的方法，包括如下步骤：-提供钢熔体，所述钢熔体的组成使得当进行雾化工序时，所述钢熔体将形成根据权利要求1-13中任一项所述的粉末，-通过使所述钢熔体雾化来提供粉末，-从所述经雾化的粉末中提取出中值粒径m<100μm或使得m<20μm的粉末部分。

技术总结
一种钢粉末，以重量％计包含：C 0.05-2.0、Mn 14.0-30.0、Al5.0-10.0、Cr 3.0-10.0、Si 0.1-2.0、Ti 0.05-0.5，以及，作为任选项，Ni0.0-0.2、N 0.0-1.0、O 0.0-0.50，以及余量的Fe和不可避免的杂质。Fe和不可避免的杂质。


技术研发人员：埃莱奥诺拉
受保护的技术使用者：山特维克加工解决方案股份有限公司
技术研发日：2022.01.18
技术公布日：2023/9/20