Способ азотирования порошка

 

Использование: в области порошковой металлургии. Сущность изобретения: порошок железа марки ПЖР-3 с размером частиц от 0,05 до 0,16 мкм вводили в плазменный поток с содержанием 90 об.% азота и 10 об.% аргона, имеющий температуру 7000 К. После обработки порошка в потоке в течение 0,01 с производили охлаждение частиц со скоростью 10⁵ К/с. Содержание азота в порошке после азотирования составило 3,88 мас.%. 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к области порошковой металлургии.

Известен способ [1] при котором насыщение осуществляют путем диспергирования расплава, нагретого доя температуры 50-150^oC над температурой солидус потоком азота со скоростью 450-650 м/с в неокисляющей атмосфере с последующей закалкой частиц. Недостатком этого способа является невозможность насытить порошок азотом до содержаний, существенно превышающих равновесное в расплаве данного состава при данной температуре.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ [2] который заключается в том, что азотирование предварительно высушенного металлического порошкового материала на основе железа проводят при 450-550^oC в среде аммиака со степенями диссоциации 20-60% в течение нескольких часов с последующим медленным охлаждением. Недостатками этого способа является значительная длительность процесса азотирования (несколько часов), обусловленная проведением процесса в твердой фазе, а также ограничение возможного содержания азота равновесными в твердой фазе.

Задачей заявляемого способа является интенсификация процесса азотирования и повышение достигаемых содержаний азота в порошке.

Задача решается тем, что в способе азотирования порошка, включающем его сушку, насыщение азотом и охлаждение, согласно изобретению, насыщение осуществляют в азотсодержащей плазме с температурой от 5000 до 15000 К с содержанием азота не ниже 20 об. с последующим охлаждением частиц со скоростью не ниже 1000 К/с.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что частицы порошка расплавляются в плазме и взаимодействие осуществляется между поверхностью металлических капель и плазменным потоком, содержащим азот в ионизированном виде. При этом интенсификация процесса достигается как за счет ускорения процесса азотирования при участии ионов азота по сравнению с аммиаком в способе [2] так и за счет турбулентного перемешивания расплава потоком плазмы. Охлаждение частиц с большой скоростью фиксирует достигаемые содержания азота в твердых частицах. Степень насыщения порошка азотом регулируется объемным содержанием азота в плазмообразующем газе и температурой процесса. При этом при температурах плазмы ниже 5000 К и содержании в плазме азота ниже 20 об. процесс азотирования идет с недостаточной скоростью, а при температуре плазмы выше 15000 К капли перегреваются до температур кипения и выделяют поглощенный азот, что снижает степень азотирования порошка, а значительный перегрев может привести и к испарению материала. При скоростях охлаждения ниже 1000 К/с сверхравновесный растворенный азот выделяется в газовую фазу и содержание азота в порошке снижается.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ отличается тем, что насыщение азотом осуществляют в азотсодержащей плазме с температурой от 5000 до 15000 К с содержанием азота не ниже 20 об. а охлаждение проводят со скоростью не ниже 1000 К/с.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Известен способ обработки стальных изделий, включающий закалку и ионную имплантацию ионов азота или азота и водорода, или азота и гелия [3] Однако в данном случае происходит диффузионное насыщение поверхности твердого тела ионами азота. В заявляемом же способе осуществляется насыщение в расплаве, что обеспечивает интенсификацию процесса азотирования вследствие перемешивания расплава и больших скоростей процесса в жидкости, чем в твердых телах.

Известно также плазменное азотирование порошковых изделий [4] при котором осуществляется плазмохимическое напыление в азоте. Однако данный способ основан на протекании плазмохимической реакции между нитридообразующим материалом и азотом в паровой фазе, что дает возможность получения нитридов, причем в ультрадисперсном состоянии, а не растворов азота в металлическом материале на основе железа, как в заявляемом способе, когда процесс азотирования протекает в расплаве. Известно также насыщение расплава азотом в условиях плазменно-дуговой плавки, например [5] однако в данном случае не могут быть обеспечены высокие скорости охлаждения, поэтому конечное содержание азота в железе не превышает 0,12% что в 30 раз ниже, чем в заявляемом способе.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ реализован на универсальной плазменной установке УПУ-ЗД. С помощью дозатора порошок железа марки ПЖР-3 с размером частиц от 0,05 до 0,16 мкм вводили в плазменный поток с содержанием 90 об. азота и 10 об. аргона, имеющий температуру 7000 К. После обработки порошка в потоке в течение 0,01 с производили охлаждение частиц со скоростью 10 К/с. Содержание азота в порошке после азотирования составило 3,88 мас. Способ-прототип реализован в герметичной печи при температуре 500^oC в среде аммиака со степенью диссоциации 30% в течение 2 часов. Содержание азота в порошке составило 0,82 мас. Таким образом, в предлагаемом способе достигнуты содержания азота в 4,5 раза выше, чем в прототипе при уменьшении времени процесса в 10⁶ раз. В таблице приведены результаты экспериментов, подтверждающие обоснованность указанных интервалов содержания азота в плазменной струе, ее температуры и скорости охлаждения порошка (прочерки означают испарение материала).

Формула изобретения

Способ азотирования порошка преимущественно на основе железа, включающий сушку, насыщение азотом и охлаждение, отличающийся тем, что насыщение осуществляют в азотсодержащей плазме при температуре 5000 15000 К с содержанием азота не ниже 20 об. а охлаждение проводят со скоростью не ниже 1000 град. /с.

РИСУНКИ

Рисунок 1