FI104566B - Menetelmä metallijauheen typettämiseksi - Google Patents

Description

104566

MENETELMÄ METALLIJAUHEEN TYPETTÄMISEKSI

Keksinnön kohteena on menetelmä metallijauheen typettämiseksi.

Seostamalla metalleja ja metalliseoksia, ku-5 ten teräksiä, typellä voidaan niiden mekaanisia, tribologisia ja korroosio-ominaisuuksia parantaa merkittävästi. Perinteisillä sulametallurgisilla valmistusmenetelmillä typpiseostus onnistuu kuitenkin vain rajoitetusti ja mahdolliset typpipitoisuudet ovat varsin 10 matalia. Jauhemetallurgisessa valmistuksessa typpipitoisuutta voidaan nostaa tätä merkittävästi korkeammaksi typettämällä teräsjauhetta. Yleinen menettely on tällöin hehkuttaa jauhetta kiinteänä patjana suljetussa tilassa tai tiiviissä uunissa typpikaasuatmosfää-15 rissä. Kiinteän jauhepatjan typettyminen on kuitenkin epätasaista ja prosessi on valkea hallita. Typettyminen vaatii myös korkean lämpötilan, teräsjauhe 850 -1000° C.

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä 20 mainitut epäkohdat. Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uudenlainen typetysmenetelmä, joka on nykyisiä nopeampi ja yksinkertaisempi ja jolla typpipitoisuus saadaan huomattavasti nykyisiä korkeammaksi .

: 25 Keksinnölle tunnusomaisten seikkojen osalta viitataan vaatimusosaan.

Keksinnön mukaisessa metallijauheen typettä-mismenetelmässä metallijauhe typetetään leijupatjassa ammoniakkikaasulla 400-750 °C lämpötilassa.

30 Metallijauheena keksinnön mukaisessa menetel mässä voidaan käyttää esimerkiksi teräs jauhetta ja ty-petyslämpötilana voi tyypillisesti olla 570-670 °C.

' Keksinnön mukaisessa menetelmässä jauhepat- jassa virtaava ammoniakki NH3 hajoaa metallipartikkeli-35 en pinnalla vedyksi H2 ja atomaariseksi typeksi N, jolloin typpeä liukenee rautahilaan. Molekyylimuodossa 104566 2 oleva typpikaasu N2 ei matalassa lämpötilassa, n. 600 °C, pysty typettämään terästä. Atmosfäärin typpipoten-tiaalin tasosta riippuu, miten voimakkaasti teräs ty-pettyy ja muodostuuko teräksen pinnalle nitridikerros.

5 Teräksen koostumuksen sisältäessä voimakkaita nitridin muodostajia, kuten esim. kromia, vanadiinia ja alumiinia, nitridejä muodostuu helposti jo matalallakin typ-pipotentiaalilla. Typpipotentiaali riippuu atmosfäärin ammoniakkikaasun määrästä ja siihen voidaan vaikuttaa 10 alentavasti lisäämällä leijutuskaasuun esim. typpeä tai vetyä.

Metallipartikkelien pinnan nitridikerrosta voidaan poistaa ja sen korkeaa typpipitoisuutta alentaa typetysvaiheen jälkeisellä diffuusiohehkutuksella 15 inertissä kaasussa, kuten typpikaasussa, jolloin uutta typpeä ei siirry partikkeleihin vaan nitridikerroksen typpeä siirtyy partikkelien sisäosiin.

Koska keksinnön mukaisessa menetelmässä type-tys tapahtuu useiden satojen asteiden lämpötilassa, on 20 typetettävä jauhe lämmitettävä ensiksi riittävään lämpötilaan ja tämä tapahtuu edullisesti inertissä kaasussa, kuten typpikaasussa, jolloin vasta riittävässä lämpötilassa typpikaasu osittain tai kokonaan vaihdetaan ammoniakkikaasuun.

: 25 Samoin kuumaa, typetettyä jauhetta ei voida « suoraan ottaa käsittelystä, vaan se on jäähdytettävä leijukerroksessa esim. 30 °C:een ja tämä tapahtuu edullisesti inertissä kaasussa, kuten typpikaasussa, joka leijukerroksessa vaihdetaan kuuman ammoniakkikaa-30 sun tilalle jäähdytystä aloitettaessa.

Keksinnön mukaista menetelmää tutkittiin ty-pettämällä teräsjauhetta ammoniakkikaasun ja leijupat-jatekniikan avulla. Kokeissa käytettiin panostyyppistä ' leijupatjalaitteistoa.

35 Reaktoritilana oli teräsretortti, jonka hal kaisija on 100 mm ja korkeus 275 mm. Lei jutuskaasu syötetään jauhepatjaan retortin pohjasta jakolevyn i 104566 3 kautta. Retorttia lämmitetään ulkoisesti sähkövastuksilla lämmitystehon ollessa 2,5 kW.

Typetyksen jälkeen retortti on mahdollista nostaa jäähtymään uunin vieressä olevaan koteloon, 5 jossa on paineilmavirtaus jäähtymisen nopeuttamiseksi. Leijutuskaasujen virtaus säädetään virtausmittareilla, esimerkiksi rotametreillä. Kaasuseoksen ollessa kyseessä jokaista kaasukomponenttia säädetään erikseen ja kaasut yhdistetään virtausmittareiden jälkeen. Put-10 kistopaine ennen virtausmittareita on 2 baria ylipainetta.

Suoritetuissa kokeissa typetettiin AISI 316 L teräs jauhetta, jonka partikkelikoko oli 45 - 250 μπ>. Jauheella tehtiin kokeita neljällä erilaisella type-15 tysohjelmalla. Typetysten aikana otettiin näytteitä näytteenottimella leijupatjan keskeltä. Näytteenoton jälkeen näyte ja näyteastia jäähdytettiin suljetussa astiassa N2-ympäristössä. Näytteiden jäähdyttyä niistä analysoitiin typpi ja happi ns. polttotekniikalla.

20 Näytteistä valmistettiin hieet, joista tarkasteltiin partikkelin mikrorakenne optisesti ja pyyhkäisyelekt-ronimikroskoopilla.

Esimerkki 1 ; 25 Uuniin johdettiin typpikaasua ja teräsjauhe- näyte kaadettiin retorttiin. Jauhepatjan lämpötila nostettiin 570 °C:een ja N2-leijutuskaasua vaihdettiin NH3-kaasuun. Jauhepatjan lämpeneminen kesti noin yhden tunnin. Typetysvaiheen pituus, jolloin NH3-leijutksen 30 annettiin olla päällä oli 45 min ja jauheesta otettiin τ näytteitä NH3-kaasuksi vaihtamishetkestä lukien ajan- hetkillä t = 0, 10, 25 ja 45 min. Tämän jälkeen NH3-» kaasu vaihdettiin takaisin N2-kaasuksi eli aloitettiin diffuusiohehkutus. Diffuusiohehkutus kesti 90 min ja 35 näytteitä otettiin 30 ja 90 minuutin diffuusiohehku-tuksen jälkeen eli ajanhetkillä t = 75 ja 135 min.

Diffuusiohehkutuksen jälkeen retortti nostettiin jääh- 104566 4 dytysvaippaan, jossa leijuvan jauhepatjan annettiin jäähtyä N2-kaasussa, kunnes sen lämpötila oli n. 30 °C.

Jäähtyminen kesti 80 min, minkä jälkeen patjasta otettiin vielä viimeinen näyte.

5

Esimerkki 2

Kokeessa tutkittiin ajan vaikutusta jauheen typettymiseen. Typetysohjelma oli esimerkin 1 toisinto, paitsi että typetysvalheen kesto pidennettiin 120 10 minuuttiin. Diffuusiohehkutusaika oli 90 min ja näytteitä otettiin NH3-kaasuksi vaihtamishetkestä lukien ajanhetkillä t = 0, 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210 min ja vielä kokeen lopuksi, kun jauheen lämpötila oli n.

30 °C eli t = 290 min.

15

Esimerkki 3 Tässä tutkittiin nitridikerroksen liukenemista partikkelipinnalta. Alkutoiminnot olivat kuten kahdessa edellisessäkin esimerkissä. Typetysvaiheen pi-20 tuus oli lyhyempi, vain 30 min ja diffuusiohehkutuksen pituus 90 min. Näytteitä otettiin NH3-kaasuksi vaihtamishetkestä lukien ajanhetkillä t = 30, 60, 90, 120 min sekä vielä kokeen lopussa, kun lämpötila oli n. 30 °C eli t = 200 min.

- ; 25

Esimerkki 4

Kokeessa tutkittiin korotetun lämpötilan vaikutusta nitridikerroksen liukenemiseen diffuusiohehkutuksen aikana. Alkutoiminnot olivat samat kuin edelli-30 sissäkin kokeissa. Jauhepatjan saavutettua 570 °C läm-pötilan leijutuskaasuksi vaihdettiin NH3. Jauhetta ty-petettiin NH3-kaasussa 30 min, minkä jälkeen leijutus-kaasuksi vaihdettiin 95 % N2/5% H2-kaasuseos ja patjan * : lämpötilaa alettiin nostaa 670 °C:een. Patja saavutti 35 lämpötilan 20 minuutissa. Vetylisäyksen tarkoitus oli vähentää jauheiden happipitoisuutta diffuusiohehkutus-vaiheessa. Diffuusiohehkutus kesti 90 min. Näytteitä 104566 5 otettiin NH3-kaasun vaihtamishetkestä lukien ajanhet-killä t = 30, 50, 80, 110, 140 min sekä jauhepatjan jäähdyttyä eli t = 220 min.

5 Suoritetuissa kokeissa saatiin seuraavanlai sia tuloksia. Kuumenemisen aikana lämpötilaan 570 °C jauheen typpipitoisuus ei noussut N2 atmosfäärissä. Kun patjaan alettiin syöttää NH3-kaasua, typpipitoisuus nousi nopeasti. Kymmenessä minuutissa saavutettiin 10 typpipitoisuus 0,4 %, 30 minuutissa 1,5 % ja 45 minuutissa 2,2 %, prosenttiluvut ovat painoprosentteja.

Kahden tunnin typetyksen jälkeen mitattu typpipitoisuus oli 6,8 %.

15 Diffuusiohehkutuksen alussa, välittömästi ty- petysvaiheen jälkeen typpi oli voimakkaasti kon-sentroituneena partikkelien pintakerrokseen. Diffuu-siohehkutuksessa typpipitoisuus tasaantui sisustaan päin ja partikkelien pinnalla ollut nitridikerros kas-20 voi. Keskimääräinen typpipitoisuus näytti alenevan jonkin verran diffuusiohehkutuksissa. Typpipitoisuuteen 2 - 2,5 % typettyneiden jauheiden typpipitoisuus laski tasolle 1,8 %.

Typetyksen alussa aina typpipitoisuuteen n.

: 25 0,4 % asti jauhepartikkelien pinnalla ei ollut näky vissä nitridikerrosta. Typetyksen edetessä ja typpipitoisuuden noustessa partikkelipintaan alkoi muodostua nitridikerros. Aluksi nitridikerros oli ohut, n. 5 -10 μηι 30 min typetyksen jälkeen jauheen typpipitoisuu-30 den ollessa n. 1,5 % ja kasvo! hitaasti typetyksen edetessä ollen kahden tunnin typetyksen jälkeen 20 -30 μπι, jauheen mitattu typpipitoisuus n. 6,8 %.

’ Diffuusiohehkutuksen 570 °C/N2 alussa nitridi- v kerros kasvo!. Esimerkiksi 1,5 tunnin diffuusiohehku- 35 tus kahden tunnin typetyksen jälkeen oli kasvattanut nitridikerrosta ja osa jauhepartikkeleista oli kokonaan nitridiä.

104566 6

Diffuusiohehkutus lämpötilassa 670 °C N2 + 5 % H2-atmosfäärissä tunnin NH3 typetyksen jälkeen lämpötilassa 570 °C kasvatti diffuusiokerrosta ja sai aikaan nitridierkaumia perusaineeseen aivan partikkelien kes-5 kustaan. Myös huokosia näkyy syntyneen pintakerrokseen.

Yhteenvetona suoritetuista kokeista voidaan todeta, että leijupatjatekniikan ja ammoniakkikaasun avulla voitiin AISI 316 L jauheen typpipitoisuus nos-10 taa nopeasti. Lämpötilassa 570 °C typpipitoisuustaso nousi alkuperäisestä arvosta 0,018 % arvoon 1,5 % 30 minuutissa ja arvoon 2,5 % 45 minuutissa ja peräti 6,8 %:iin silloin, kun typetysvaiheen pituus oli 2 tuntia.

Analyysitulosten mukaan typpipitoisuus kasvoi 15 aina siihen saakka, kunnes diffuusiohehkutus typpiat-mosfäärissä alkoi ja hieman tämän jälkeenkin. Kun jauheen kokonaistyppipitoisuus ylitti arvon 0,4 %, muodosti ammoniakista teräkseen siirtynyt typpi jauheiden pinnalle kromi- ja rautanitridejä sisältävän kerrok-20 sen. Partikkelien pinnalla typen liukoisuusraja auste-niitissa ylitettiin ja nitridikerros kasvoi nopeasti, koska typen diffuusio käsittelylämpötilassa on hidasta. Diffuusiohehkutuksessa typpeä diffundoitui partikkelin sisälle ja pintakerroksen nitridit osin hajosi-25 vat.

Koska typpiatmosfäärissä jauhepatjan lämmityksen aikana partikkelien typpitaso ei noussut, typpikaasu ei pysty typettämään AISI 316 L jauhetta koelämpötiloissa. Diffuusiohehkutuksissa typpipitoi-30 suuteen 2 - 2,5 % typettyneiden jauheiden typpipitoi-.· suus aleni tasolle 1,8 %. Täten jauhepartikkeleiden nitridikerroksesta typpeä todennäköisesti hieman siirtyi typpiatmosfääriin lämpötilassa 570 °C. *

Edellä esitettyjen koetulosten valossa huoma-35 taan, että keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan i metallijauhetta typettää huomattavasti alhaisemmissa ' lämpötiloissa kuin tunnetulla tekniikalla ja lisäksi 104566 7 typpeä saadaan sitoutumaan metallijauheeseen hyvin suuria määriä. Matala typetyslämpötila yhdessä lyhyen prosessointiajän kanssa takaa pienen energiankulutuksen. Näin keksintö mahdollistaa erittäin taloudellisen 5 tavan valmistaa suuria määriä sopivasti typetettyä metalli jauhetta, koska ensiksi voidaan valmistaa pieni määrä erittäin suuren typpipitoisuuden omaavaa jauhetta ja tämä sekoittaa vastaavaan typettömään jauheeseen sopivassa suhteessa. Näin vältytään suurten massamää-10 rien typettämiseltä ja typetyslaitteistoinakin voidaan käyttää suhteellisen pieniä laitteita.

Edellä keksintöä on selostettu yksityiskohtaisesti esimerkkien avulla keksinnön eri sovellusten ollessa mahdollisia patenttivaatimusten rajaaman kek-15 sinnöllisen ajatuksen puitteissa.

9

T

Claims (6)

104566 .

1. Menetelmä metallijauheen seostamiseksi ty-pellä, tunnettu siitä, että - ennen typetystä metallijauhe lämmitetään typetyslämpö-5 tilaan inertissä kaasussa, kuten typpikaasussa, - metallijauhe typetetään leijupatjassa 400 - 750 °c lämpötilassa ammoniakkikaasulla ja - typetyksen jälkeen metallijauhe jäähdytetään inertissä kaasussa, kuten typpikaasussa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että metallijauheena käytetään teräsjauhetta.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että typetys tapahtuu 15 lämpötilassa 500 - 700° C, edullisesti 570 - 670 °C.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että metallipartikke-lien typpipitoisuutta tasataan diffuusiohehkutuksella inertissä kaasussa.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että typettymistä ja typen diffuusiota ohjataan typetysajan ja/tai kaasuseok-sen koostumuksen avulla.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, - 25 tunnettu siitä, että ammoniakkikaasuun seoste taan vetyä tai inerttiä kaasua, kuten typpeä. i , 4 » I * I 1 ι: I 9 104566