Нанокристалічний матеріал з структурою аустенітної сталі, що має високу твердість, міцність і корозійну стійкість, і спосіб його виготовлення (варіанти)

1. Нанокристалічний матеріал з структурою аустенітної сталі, що має високу твердість, міцність і корозійну стійкість, який виконаний у вигляді агрегату з аустенітних нанокристалічних зерен, що містить 0,1-2,0 мас. % твердого розчину азоту. 2. Нанокристалічний матеріал за п. 1, який містить до 50 % нанокристалічних зерен фериту. 3. Нанокристалічний матеріал за п. 1 або 2, який містить 0,1-5,0 мас. % азоту. 4. Нанокристалічний матеріал за п. 1 або 2, або 3, який містить 0,01-1,0 мас. % кисню у вигляді оксидів металів або напівметалів. 2 (19) 1 3 77107 4 змішування дрібнозернистих порошків, що є ком25. Спосіб за будь-яким з пп. 15-24, в якому мехапонентами для отримання певного різновиду ауснічне сплавлення виконують у середовищі яким є тенітної сталі, таких як залізо та хром, нікель, маргаз з додаванням речовини-відновника, наприклад ганець, вуглець або подібних, з речовиною, яка є газоподібного водню. джерелом азоту, взятою в кількості, достатній для 26. Спосіб за будь-яким з пп. 15-23, в якому мехаотримання матеріалу з вмістом 0,1-2,0 мас. % твенічне сплавлення виконують у середовищі яким є рдого розчину азоту, вакуум або середовище з речовиною-відновником, механічне сплавлення (МС) суміші з використаннаприклад газоподібним воднем, що додається до ням кульового млина або подібного пристрою, з вакууму або до відновлювального середовища. отриманням дрібнозернистих порошків нанокрис27. Спосіб за будь-яким з пп. 15-26, в якому пороталічної аустенітної сталі з високим вмістом азоту, шки, що утворюють компоненти певного різновиду ущільнювальну обробку порошків нанокристалічаустенітної сталі, такі як залізо, хром, нікель, марної аустенітної сталі одним чи більше методами, ганець, а також вуглець і інші компоненти, що вховибраними з групи, яка складається з: (1) гарячого дять до складу аустенітних сталей, змішують з 1пресування, (2) холодного пресування, 3) холодно10 об. % таких нітридів металів, як AlN, NbN, Cr2N, го пресування під ізостатичним тиском, (4) гарячоабо з 0,5-10 мас. % металів, які мають хімічне спого спікання під ізостатичним тиском (ГІТ), (5) іскроріднення з азотом більше, ніж залізо, наприклад вого плазмового спікання і (6) штампування, при ніобій, тантал, марганець, хром, вольфрам чи мотемпературі нижче 800°С для запобігання денітлібден або кобальт, і речовинами, які є джерелом рифікації матеріалу при наступному формуванні азоту, та вказані нітриди диспергують, або вказані спіканням, метали або нітриди, карбонітриди чи подібні до формування спіканням отриманих ущільнених поних речовини осаджують та диспергують в процесі рошків нанокристалічної аустенітної сталі шляхом механічного сплавлення та в охарактеризованих в (7) кування і/або екструзією для створення зсувнопп. 15-17 процесах ущільнювальної обробки і фого зусилля в сталевому матеріалі для утворення рмування спіканням механічно сплавлених порошатомарних зв'язків між частинками порошку завдяків. ки видаленню окисних плівок або шарів на частин28. Спосіб за будь-яким з пп. 15-26, в якому пороках порошку. шки, що утворюють аустенітну сталь, такі як залі16. Спосіб за п. 15, який включає обробку сформозо, хром, нікель, марганець, вуглець і інші компованого спіканням сталевого матеріалу прокатуненти, що входять до складу аустенітних сталей, ванням для надання йому потрібної форми. змішують з 1-10 об. % частинок диспергуючої ре17. Спосіб за п. 15, в якому ущільнювальну обробчовини, яка складається з таких нітридів металів ку виконують методом штампування вибухом. або напівметалів, як AlN, NbN, TaN, Si3N, TiN, та з 18. Спосіб за п. 15, в якому ущільнювальну обробречовиною, що є джерелом азоту, кристалічні зерку і формування спіканням здійснюють у звичайній на подрібнюють до нанорозмірів в процесі механіатмосфері, в атмосфері, що запобігає окисленню, чного сплавлення (МС) та ущільнюють і формують або вакуумі з наступним швидким охолодженням. спіканням для запобігання збільшення розміру 19. Спосіб за п. 15, в якому ущільнювальну обробзерен. ку і формування спіканням здійснюють у вакуумі 29. Спосіб за будь-яким з пп. 15-26 або 28, в якому або атмосфері, що запобігає окисленню, з отрипорошки, що утворюють компоненти аустенітної манням в результаті матеріалу з структурою ауссталі, такі як дрібнозернисті порошки, що утворютенітної сталі, що має високу твердість, міцність і ють компоненти аустенітної сталі типу сталі з векорозійну стійкість, у вигляді агрегату з нанокрисликим вмістом марганцю-вуглецю, яка містить заталічних зерен, що містить 0,1-2,0 мас. % твердого лізо, марганець та вуглець, змішують з розчину азоту і має зерна діаметром 50-1000 нм. дрібнозернистими порошками нітридів металів, 20. Спосіб за п. 15 або 17, в якому після ущільнюнаприклад нітридом заліза, який є джерелом азовальної обробки і формування спіканням здійснюту, проводять механічне сплавлення (МС) цієї сують прокатування і швидке охолодження. міші в середовищі інертного газу, наприклад арго21. Спосіб за п. 15 або 19, при якому оброблений ну або в вакуумі, вакуумі з додаванням відновника, одним з вказаних методів продукт відпалюють при наприклад водню, або в відновлювальному серетемпературі 800-1250°С протягом 60 хв. або мендовищі і отримують порошки нанокристалічної ше і потім швидко охолоджують. аустенітної сталі, яка містить, мас. %: 4-40 марга22. Спосіб за п. 18 або 20, при якому підданий нцю, 0,1-5,0 азоту, 0,1-2,0 вуглецю та 3,0-10,0 швидкому охолодженню продукт відпалюють при хрому, решта - залізо, які ущільнюють і формують температурі 800-1250°С протягом 60 хв. або менгарячим спіканням. ше і потім швидко охолоджують. 30. Спосіб за будь-яким з пп. 15-29, в якому компо23. Спосіб за будь-яким з пп. 15-22, в якому як зиція для виготовлення аустенітної сталі містить, джерело азоту використовують одну або більше мас. %: 12-30 хрому, 0-20 нікелю, 0-30 марганцю, речовину, вибрану з групи, яка складається з газо0.1-5,0 азоту та 0,02-1,0 вуглецю, решта - залізо, а подібного азоту, газоподібного аміаку, нітриду запісля ущільнювальної обробки процес формуванліза, нітриду хрому і нітриду марганцю. ня спіканням проводять при температурі 60024. Спосіб за будь-яким з пп. 15-23, в якому меха1250°С. нічне сплавлення виконують у середовищі яким є 31. Спосіб за будь-яким з пп. 15-28, в якому кільінертний газ, наприклад аргон, газоподібний азот, кість кисню, який втягується з вмістища, в якому аміак або суміш, що містить два чи більше з цих відбувається процес механічного сплавлення та з газів. стальних куль до порошків нанокристалічної аус 5 77107 6 тенітної сталі в процесі механічного сплавлення, 41. Спосіб за будь-яким з пп. 32-40, в якому мехаскладає 0,01-1,0 мас. %, а при механічному сплавнічне сплавлення виконують у середовищі, яким є ленні порошків використовують оксиди металів газ з додаванням речовини-відновника, наприклад або оксиди напівметалів, які є джерелом кисню, газоподібного водню. для кращого подрібнення кристалічних зерен до 42. Спосіб за будь-яким з пп. 32-39, в якому механанорозміру і для запобігання збільшення їх рознічне сплавлення виконують у середовищі, яким є мірів в процесі ущільнювальної обробки і формувакуум, або середовище з речовиноювання спіканням. відновником, наприклад газоподібним воднем, що 32. Спосіб виготовлення нанокристалічного матедодається до вакууму або до відновлювального ріалу з структурою аустенітної сталі, який включає: середовища. змішування дрібнозернистих порошків, що утво43. Спосіб за будь-яким з пп. 32-42, в якому порорюють компоненти для певного різновиду аустенішки, що утворюють компоненти певного різновиду тної сталі, з речовиною, яка є джерелом азоту, аустенітної сталі, такі як залізо, хром, нікель, марвзятою в кількості, достатній для отримання матеганець, а також вуглець і інші компоненти, що вхоріалу з вмістом 0,1-2,0 мас. % твердого розчину дять до складу аустенітних сталей, змішують з 1азоту, механічне сплавлення (МС) суміші з вико10 об. % таких нітридів металів, як AlN, NbN, Cr2N, ристанням кульового млина або подібного приабо з 0,5-10мас. % металів, які мають хімічне спострою, додавання до суміші на кінцевій стадії меріднення з азотом більше, ніж залізо, наприклад ханічного сплавлення (МС) принаймні одного ніобій, тантал, марганець, хром, вольфрам чи мокомпонента, вибраного з групи, в яку входять (1) лібден або кобальт, і речовинами, які є джерелом оксид металу або напівметалу, (2) карбід металу азоту, та вказані нітриди диспергують, або вказані або напівметалу, (3) силіцид металу або напівмеметали або нітриди, карбонітриди чи подібні до талу, (4) борид металу або напівметалу, для запоних речовини осаджують та диспергують в процесі бігання реакції азоту, розчиненого в продукті мемеханічного сплавлення та в охарактеризованих в ханічного сплавлення, з доданим компонентом, пп. 15 і 32 процесах ущільнювальної обробки і фочим одержуюють дрібнозернисті порошки нанокрмування спіканням механічно сплавлених порошристалічної аустенітної сталі з доданим компоненків. том, які мають високу концентрацію азоту, і 44. Спосіб за будь-яким з пп. 32-42, в якому пороі ущільнювальну обробку і формування спіканням шки, що утворюють аустенітну сталь, такі як заліодержаних порошків нанокристалічної аустенітної зо, хром, нікель, марганець, вуглець і інші компосталі методами, охарактеризованими в п. 15. ненти, що входять до складу аустенітних сталей, 33. Спосіб за п. 32, в якому ущільнювальну обробзмішують з 1-10 об.% частинок диспергуючої реку виконують методом штампування вибухом. човини, яка складається з таких нітридів металів 34. Спосіб за п. 32, в якому ущільнювальну обробабо напівметалів, як AlN, NbN, TaN, Si3N, TiN, та з ку і формування спіканням здійснюють у звичайній речовиною, що є джерелом азоту, кристалічні зератмосфері, в атмосфері, що запобігає окисленню, на подрібнюють до нанорозмірів в процесі механіабо вакуумі з наступним швидким охолодженням. чного сплавлення (МС) та ущільнюють і формують 35. Спосіб за п. 32, в якому ущільнювальну обробспіканням для запобігання збільшення розміру ку і формування спіканням здійснюють у вакуумі зерен. або атмосфері, що запобігає окисленню, з отри45. Спосіб за будь-яким з пп. 32-42 або 44, в якому манням в результаті матеріалу з структурою ауспорошки, що утворюють компоненти аустенітної тенітної сталі, що має високу твердість, міцність і сталі, такі як дрібнозернисті порошки, що утворюкорозійну стійкість, у вигляді агрегату з нанокрисють компоненти аустенітної сталі типу сталі з веталічних зерен, що містить 0,1-2,0 мас. % твердого ликим вмістом марганцю-вуглецю, яка містить зарозчину азоту і має зерна діаметром 50-1000 нм. лізо, марганець та вуглець, змішують з 36. Спосіб за будь-яким з пп. 32-33, в якому після дрібнозернистими порошками нітридів металів, ущільнювальної обробки і формування спіканням наприклад нітридом заліза, який є джерелом азоздійснюють прокатування і швидке охолодження. ту, проводять механічне сплавлення (МС) цієї су37. Спосіб за п. 32 або 35, при якому оброблений міші в середовищі інертного газу, наприклад аргоодним з вказаних методів продукт відпалюють при ну або в вакуумі, вакуумі з додаванням відновника, температурі 800-1250°С протягом 60 хв. або меннаприклад водню, або в відновлювальному сереше і потім швидко охолоджують. довищі і отримують порошки нанокристалічної 38. Спосіб за п. 34 або 36, при якому підданий аустенітної сталі, яка містить, мас. %: 4-40 маргашвидкому охолодженню продукт відпалюють при нцю, 0,1-5,0 азоту, 0,1-2,0 вуглецю та 3,0-10,0 температурі 800-1250°С протягом 60 хв. або менхрому, решта - залізо, які ущільнюють і формують ше і потім швидко охолоджують. гарячим спіканням. 39. Спосіб за будь-яким з пп. 32-38, в якому як 46. Спосіб за будь-яким з пп. 32-45, в якому комподжерело азоту використовують одну або більше зиція для виготовлення аустенітної сталі містить, речовин, вибраних з групи, яка складається з газомас. %: 12-30 хрому, 0-20 нікелю, 0-30 марганцю, подібного азоту, газоподібного аміаку, нітриду за0,1-5,0 азоту та 0,02-1,0 вуглецю, решта - залізо, а ліза, нітриду хрому і нітриду марганцю. після ущільнювальної обробки процес формуван40. Спосіб за будь-яким з пп. 32-39, в якому механя спіканням проводять при температурі 600нічне сплавлення виконують у середовищі, яким є 1250°С. інертний газ, наприклад аргон, газоподібний азот, 47. Спосіб за будь-яким з пп. 32-44, в якому кільаміак або суміш, що містить два чи більше з цих кість кисню, який втягується з вмістища, в якому газів. відбувається процес механічного сплавлення та з 7 77107 8 стальних куль до порошків нанокристалічної аус56. Спосіб за будь-яким з пп. 48-54, в якому мехатенітної сталі в процесі механічного сплавлення, нічне сплавлення виконують у середовищі, яким є складає 0,01-1,0 мас. %, а при механічному сплавінертний газ, наприклад аргон, газоподібний азот, ленні порошків використовують оксиди металів аміак або суміш, що містить два чи більше з цих або оксиди напівметалів, які є джерелом кисню, газів. для кращого подрібнення кристалічних зерен до 57. Спосіб за будь-яким з пп. 48-56, в якому механанорозміру і для запобігання збільшення їх рознічне сплавлення виконують у середовищі, яким є мірів в процесі ущільнювальної обробки і формугаз з додаванням речовини-відновника, наприклад вання спіканням. газоподібного водню. 48. Спосіб виготовлення нанокристалічного мате58. Спосіб за будь-яким з пп. 48-55, в якому мехаріалу з структурою аустенітної сталі, який включає: нічне сплавлення виконують у середовищі яким є змішування дрібнозернистих порошків, що утвовакуум, або середовище з речовиноюрюють компоненти певного різновиду аустенітної відновником, наприклад газоподібним воднем, що сталі, з речовиною, яка є джерелом азоту, взятою додається до вакууму або до відновлювального в кількості, достатній для отримання матеріалу з середовища. вмістом 0,1-2,0 мас. % твердого розчину азоту, 59. Спосіб за будь-яким з пп. 48-58, в якому поромеханічне сплавлення (МС) суміші з використаншки, що утворюють компоненти певного різновиду ням кульового млина або подібного пристрою, аустенітної сталі, такі як залізо, хром, нікель, мардодавання до порошку, отриманого при механічганець, а також вуглець і інші компоненти, що вхоному сплавленні (МС), принаймні одного компонедять до складу аустенітних сталей, змішують з 1нта, вибраного з групи, в яку входять (1) оксид 10 об. % таких нітридів металів, як AlN, NbN, Cr2N, металу або напівметалу, (2) карбід металу або або з 0,5-10 мас. % металів, які мають хімічне спонапівметалу, (3) силіцид металу або напівметалу, ріднення з азотом більше, ніж залізо, наприклад (4) борид металу або напівметалу, і рівномірне ніобій, тантал, марганець, хром, вольфрам чи мозмішування доданого компонента з продуктом мелібден або кобальт, і речовинами, які є джерелом ханічного сплавлення з використанням кульового азоту, та вказані нітриди диспергують, або вказані млина або подібного пристрою протягом короткого метали або нітриди, карбонітриди чи подібні до проміжку часу для запобігання реакції азоту, розних речовини осаджують та диспергують в процесі чиненого в продукті механічного сплавлення, з механічного сплавлення та в охарактеризованих в цим компонентом, отримуючи порошки нанокриспп. 15, 32, 48 процесах ущільнювальної обробки і талічної аустенітної сталі з доданим компонентом, формування спіканням механічно сплавлених поякі мають високу концентрацією азоту, і рошків. ущільнювальну обробку і формування спіканням 60. Спосіб за будь-яким з пп. 48-58, в якому пороодержаних порошків нанокристалічної сталі метошки, що утворюють аустенітну сталь, такі як залідами, охарактеризованими в пп. 15-16. зо, хром, нікель, марганець, вуглець і інші компо49. Спосіб за п. 48, в якому ущільнювальну обробненти, що входять до складу аустенітних сталей, ку виконують методом штампування вибухом. змішують з 1-10 об. % частинок диспергуючої ре50. Спосіб за п. 48 , в якому ущільнювальну обробчовини, яка складається з таких нітридів металів ку і формування спіканням здійснюють у звичайній або напівметалів, як AlN, NbN, TaN, Si3N, TiN, та з атмосфері, в атмосфері, що запобігає окисленню, речовиною, що є джерелом азоту, кристалічні зерабо вакуумі з наступним швидким охолодженням. на подрібнюють до нанорозмірів в процесі механі51. Спосіб за п. 48, в якому ущільнювальну обробчного сплавлення (МС) та ущільнюють і формують ку і формування спіканням здійснюють у вакуумі спіканням для запобігання збільшення розміру або атмосфері, що запобігає окисленню, з отризерен. манням в результаті матеріалу з структурою аус61. Спосіб за будь-яким з пп. 48-58 або 60, в якому тенітної сталі, що має високу твердість, міцність і порошки, що утворюють компоненти аустенітної корозійну стійкість, у вигляді агрегату з нанокриссталі, такі як дрібнозернисті порошки, що утворюталічних зерен, що містить 0,1-2,0 мас. % твердого ють компоненти аустенітної сталі типу сталі з верозчину азоту і має зерна діаметром 50-1000 нм. ликим вмістом марганцю-вуглецю, яка містить за52. Спосіб за будь-яким з пп. 48-49, в якому після лізо, марганець та вуглець, змішують з ущільнювальної обробки і формування спіканням дрібнозернистими порошками нітридів металів, здійснюють прокатування і швидке охолодження. наприклад нітридом заліза, який є джерелом азо53. Спосіб за п. 48 або 51, при якому оброблений ту, проводять механічне сплавлення (МС) цієї суодним з вказаних методів продукт відпалюють при міші в середовищі інертного газу, наприклад арготемпературі 800-1250°С протягом 60 хв. або менну або в вакуумі, вакуумі з додаванням відновника, ше і потім швидко охолоджують. наприклад водню, або в відновлювальному сере54. Спосіб за п. 50 або 52, при якому підданий довищі і отримують порошки нанокристалічної швидкому охолодженню продукт відпалюють при аустенітної сталі, яка містить, мас. %: 4-40 маргатемпературі 800-1250°С протягом 60 хв. або меннцю, 0,1-5,0 азоту, 0,1-2,0 мас. вуглецю та 3,0-10,0 ше і потім швидко охолоджують. хрому, решта -залізо, які ущільнюють і формують 55. Спосіб за будь-яким з пп. 48-54, в якому як гарячим спіканням. джерело азоту використовують одну або більше 62. Спосіб за будь-яким з пп. 48-61, в якому компоречовину, вибрану з групи, яка складається з газозиція для виготовлення аустенітної сталі містить, подібного азоту, газоподібного аміаку, нітриду замас. %: 12-30 хрому, 0-20 нікелю, 0-30 марганцю, ліза, нітриду хрому і нітриду марганцю. 0,1-5,0 азоту та 0,02-1,0 вуглецю, решта - залізо, а після ущільнювальної обробки процес формуван 9 77107 10 ня спіканням проводять при температурі 60069. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою 1250°С. голку для ін’єкцій, хірургічний ніж, катетер або ін63. Спосіб за будь-яким з пп. 48-60, в якому кільший медичний механічний інструмент. кість кисню, який втягується з вмістища, в якому 70. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою відбувається процес механічного сплавлення та з матрицю для обробки з допомогою пресів (вклюстальних куль до порошків нанокристалічної аусчаючи вирубку, протягування дроту, ковку, формутенітної сталі в процесі механічного сплавлення, вання). складає 0,01-1,0 мас. %, а при механічному сплав71. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою ленні порошків використовують оксиди металів вмістище для зберігання водню. або оксиди напівметалів, які є джерелом кисню, 72. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою для кращого подрібнення кристалічних зерен до кухонний ніж, лезо бритви, ножиці або інший іннанорозміру і для запобігання збільшення їх розструмент з гострим краєм. мірів в процесі ущільнювальної обробки і форму73. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою вання спіканням. лопать турбіни або іншу частину турбіни. 64. Промисловий виріб, виготовлений з нанокрис74. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою талічного матеріалу з структурою аустенітної сталі зброю для оборони. за будь яким з пп. 1-14. 75. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою 65. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою ковзани, сани або інше спортивне знаряддя. високоміцний болт, гайку або інший засіб механіч76. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою ної фіксації. трубу, резервуар, клапан або інший виріб для хімі66. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою чних заводів. куленепробивний лист, куленепробивний жилет 77. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою або інший куленепробивний виріб. частину атомних генераторів енергії. 67. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою 78. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою матрицю, свердло, пружину, зубчасте колесо, підракету, літак або інший літальний апарат. шипник або іншу механічну деталь або інструмент. 79. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою 68. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою легкий корпусний матеріал для персональних комштучну кістку, суглоб, опору зуба або інший медип'ютерів, кейсів та ін. чний або стоматологічний штучний матеріал. 80. Промисловий виріб за п. 64, який являє собою деталь для транспортних засобів, таких як автомобілі, кораблі, рейковий транспорт. Даний винахід відноситься до металевих матеріалів, зокрема міцного надтвердого нанокристалічного матеріалу з структурою аустенітної сталі, що має високу корозійну стійкість, і способу його виготовлення. З співвідношення Холла-Петча (Hall-Petch relationship) відомо, що міцність металевих матеріалів збільшується зі зменшенням діаметра D кристалічного зерна. Така залежність міцності від діаметру зерна зберігається при розмірах D=50100нм, тобто нано-розмірів. У випадку, якщо діаметр зерна буде надмалих розмірів, тобто в межах декількох нм, на думку фахівців, з'являється ефект надпластичності металу. Крім того, що стосується елементів, які мають магнітні властивості, таких як залізо, кобальт, нікель та ін. металів, в області нано-структур у порівнянні з областю мікроструктур, зі зменшенням діаметру D зерна спостерігається зниження коерцитивної сили, і підвищення слабкого магнетизму. Однак, діаметр кристалічного зерна D у більшості металевих матеріалів, отриманих способом плавлення, як правило має величину від декількох мікронів до декількох десятків мікронів. При наступній обробці металу одержати наноструктуру важко. Наприклад, при прокаті, що є одним з основних процесів зменшення розмірів кристалічного зерна сталі, можна одержати частки діаметром до 4-5мкм. Тому таким звичайним способом одержати матеріал з діаметром зерна надмалих розмірів, які б відповідали рівню нанорозмірів, неможливо. Наприклад, здійснити пластичну обробку теплостійких і надтвердих матеріалів таких, як інтерметалічні сполуки Ni3Аl, Со3Ті, Ni3 (Si, Ті), ТіАІ, та керамічних матеріалів на основі оксидів та неоксидів таких, як Аl2О3, ZrO2, TiC, Сr3Сr2, TiN, TiB2, через їхню крихкість при звичайній температурі, важко, тому надзвичайно важливим елементом є обробка цих матеріалів коли вони пластичні, що відбувається при досить високій температурі. Однак, для досягнення ефекту надпластичності, необхідно значно зменшити діаметр кристалічного зерна до нано-розмірів або до близьких до них. Досі не вдавалося виготовити ультрадрібні порошки такими способами. Якщо до нержавіючої сталі марки SUS 304, що містить відповідну кількість хрому і нікелю, яка є типовим зразком матеріалу категорії аустенітної сталі, додати, наприклад, 0,9% (мас.) азоту (N), межа плинності такої насиченої азотом нержавіючої сталі перевищить межу плинності нержавіючої сталі марки SUS 304 приблизно в три рази. Причому, це не супроводжується зниженням в’язкості руйнування, антикорозійна стійкість металу підвищується, чутливість до корозійного руйнування помітно знижується. Крім того, оскільки азот є елементом стабілізації надтвердої 11 77107 12 аустенітної сталі, ним можна не тільки замінити нітну сталь з вмістом азоту в твердому розчині дорогий нікель, не погіршивши при цьому показвід 0,1 до 2,0%(мас), краще від 0,3 до 1,1% (мас), ники міцності й антикорозійної стійкості, але таще краще від 0,4 до 0,9% (мас). кож можна контролювати процес мартенситного Крім того, винахід стосується отримання аусперетворення в умовах холодної обробки. тенітної сталі з високим вмістом марганцю та Такий вплив азоту N спостерігається й в хронанокристалічною структурою шляхом механічномомарганцевої аустенітної сталі. Тому хромоніго сплавлення та формування спіканням як опикелеві і хромомарганцеві аустенітні сталі з висосано вище. ким вмістом азоту N привертають велику увагу як Відповідно, об’єктами даного винаходу є комперспективні матеріали нового покоління. позитний матеріал з структурою аустенітної сталі Раніше аустенітні сталі з високим вмістом і спосіб його виготовлення, що описуються нижче, азоту N, рівня 0,1-2% (мас), вироблялись в проа також його практичне використання. цесах плавлення та затвердіння в атмосфері 1. Нанокристалічний матеріал з структурою азоту, високотемпературному процесі твердодиаустенітної сталі, що має високу твердість, міцфузного спікання в атмосфері азоту і т.п. Однак ність і корозійну стійкість, який виконаний у видля досягнення в металі високого рівня азоту гляді агрегату з аустенітних нанокристалічних необхідно було підвищувати тиск атмосферного зерен, що містить 0,1-2,0% (мас.) твердого розазоту, що в поєднанні з високою температурою чину азоту, і який між/або всередині кристалічних робить процес небезпечним. зерен або між/та всередині нанокристалічних У сталевих матеріалах, включаючи й аустенізерен містить оксид металу або напівметалічний тні сталі, так само, як і в інших металах, при сиоксид, що служить інгібітором росту нанокристальному зменшенні розмірів кристалічного зерна лічних зерен. твердість матеріалу значно збільшується. У цьо2. Нанокристалічний матеріал з структурою му зв'язку інтенсивно вивчаються проблеми змеаустенітної сталі, що має високу твердість, міцншення часток кристалів аустенітних сталей з ність і корозійну стійкість, який виконаний у вивисоким вмістом азоту N. Однак, при виробництві гляді агрегату з аустенітних нанокристалічних металу таким способом, зменшити кристалічне зерен, що містить 0,1-2,0% (мас.) твердого роззерно до рівня нано-розмірів надзвичайно важко, чину азоту, і який між/або всередині кристалічних і одержати аустенітну сталь з високим вмістом зерен або між/та всередині нанокристалічних азоту, яка б мала структуру кристалічного зерна зерен містить нітрид металу або напівметалічний розміром кілька десятків мкм, неможливо. нітрид, що служить інгібітором росту нанокристаВелика увага зараз приділяється аустенітній лічних зерен. сталі з високим вмістом марганцю, такі матеріали 3. Нанокристалічний матеріал з структурою могли б відігравати домінуючу роль як такі, що аустенітної сталі, що має високу твердість, міцможна використовувати в передових технологіях ність і корозійну стійкість, який виконаний у ви(автомобілебудування, машини і прилади на осгляді агрегату з аустенітних нанокристалічних нові високої електропровідності і т.ін.), однак тазерен, що містить 0,1-2,0% (мас.) твердого розкий матеріал, як хромонікелева, хромомарганцечину азоту, і який між/або всередині кристалічних ва нано-структурна аустенітна сталь, поки що не зерен або між/та всередині нанокристалічних отримані. зерен містить карбід металу або напівметалічний Даний винахід вирішує задачі, описані вище. карбід, що служить інгібітором росту нанокристаВ цілому даний винахід стосується одержанлічних зерен. ня надтвердого та високоміцного матеріалу, осо4. Нанокристалічний матеріал з структурою бливі властивості якого досягаються зменшенням аустенітної сталі, що має високу твердість, міцдіаметра кристалічного зерна до рівня наноність і корозійну стійкість, який виконаний у вирозмерів з нанокристалічного порошку, отримагляді агрегату з аустенітних нанокристалічних ного за допомогою застосування механічного зерен, що містить 0,1-2,0% (мас.) твердого розрозмелювання (МР) чи механічного сплавлення чину азоту, і який між/або всередині кристалічних (МС), з матеріалу, основним елементом якого є зерен або між/та всередині нанокристалічних порошкоподібні метали. Крім того, шляхом змензерен містить сіліцид металу або напівметалічшення до рівня нано-розмерів діаметра кристаліний сіліцид, що служить інгібітором росту нанокчного зерна таких елементів, як залізо, кобальт, ристалічних зерен. нікель та ін. металів, досягається ефект одер5. Нанокристалічний матеріал з структурою жання властивості слабкого магнетизму. аустенітної сталі, що має високу твердість, міцТакож винахід стосується процесу виготовність і корозійну стійкість, який виконаний у вилення нанокристалічної аустенітної сталі, що має гляді агрегату з аустенітних нанокристалічних високий вміст азоту, антимагнітні властивості, є зерен, що містить 0,1-2,0% (мас.) твердого рознадтвердою та міцною з покращеним показником чину азоту, і який між/або всередині кристалічних корозійної стійкості (стійкості до точкової корозії) зерен або між/та всередині нанокристалічних механічним сплавленням (МС) порошків заліза та зерен містить борід металу або напівметалічний хрому, нікелю, марганцю, вуглецю або подібних борід, що служить інгібітором росту нанокристадо них з джерелом азоту, таким як нітрид заліза, лічних зерен. використовуючи кульовий млин або подібний до 6. Нанокристалічний матеріал з структурою нього та наступним формуванням спіканням для аустенітної сталі, що має високу твердість, міцотримання порошків нанокристалічної аустенітної ність і корозійну стійкість, який виконаний у висталі, з яких отримують нано- кристалічну аустегляді агрегату з аустенітних нанокристалічних 13 77107 14 зерен, що містить 0,1-2,0% (мас.) твердого розякий виконаний у вигляді агрегату з аустенітних чину азоту, і який між/або всередині кристалічних нанокристалічних зерен, що містить 0,1-2,0% зерен або між/та всередині нанокристалічних (мас.) твердого розчину азоту, і який містить мезерен містить принаймні два компоненти, вибрані тал, що має більшу спорідненість з азотом, ніж з групи, в яку входять (1) оксид металу або напізалізо, такий як ніобій, тантал, марганець або вметалічний оксид, (2) нітрид металу або напівхром, що запобігає денітріфікації в процесі форметалічний нітрид, (3) карбід металу або напівмування спіканням. металічний карбід, (4) сіліцид металу або 12. Нанокристалічний матеріал з структурою напівметалічний сіліцид, (5) борід металу або аустенітної сталі, що має високу твердість, міцнапівметалічний борід, що служать інгібітором ність і корозійну стійкість, за одним з пп.1-11, росту нанокристалічних зерен. який виконаний у вигляді агрегату з аустенітних 7. Нанокристалічний матеріал з структурою нанокристалічних зерен, що містить 0,1-2,0% аустенітної сталі, що має високу твердість, міц(мас.) твердого розчину азоту, і який включає ність і корозійну стійкість, за одним з пп.1-6, який суміш 12-30%(мас.) хрому, 0-20%(мас.) нікелю, 0виконаний у вигляді агрегату з аустенітних нано30%(мас.) марганцю, 0,1-5%(мас.) азоту та 0,02кристалічних зерен, що містить 0,1-2,0% (мас.) 1,0%(мас.) вуглецю, решта - залізо. твердого розчину азоту, і який містить до 50% 13. Нанокристалічний матеріал з структурою нанокристалічних зерен фериту. аустенітної сталі, що має високу твердість, міц8. Нанокристалічний матеріал з структурою ність і корозійну стійкість, за одним з пп.1-9, який аустенітної сталі, що має високу твердість, міцвиконаний у вигляді агрегату з аустенітних наноність і корозійну стійкість, за одним з пп.1-7, який кристалічних зерен, що містить 0,1-2,0% (мас.) виконаний у вигляді агрегату з аустенітних нанотвердого розчину азоту, і який включає суміш 12кристалічних зерен, що містить 0,1-2,0% (мас.) 30%(мас.) хрому, 0-20%(мас.) нікелю, 0твердого розчину азоту, і який містить 0,1-5,0% 30%(мас.) марганцю, не більше 30%(мас.) азоту (мас.) азоту. (у вигляді сполук) та 0,01-1,0%(мас.) вуглецю, Якщо пояснювати причини наявності в матерешта - залізо. ріалі з структурою аустенітної сталі 0,1-5,0% 14. Нанокристалічний матеріал з структурою (мас.) азоту, то, потрібно підкреслити наступне: аустенітної сталі, що має високу твердість, міцякщо вміст азоту менше ніж 0,1%, твердість комність і корозійну стійкість, за одним з пп.1-11, позиційного матеріалу не підвищується, але зі який виконаний у вигляді агрегату з аустенітних збільшенням кількості азоту в межах 0,1-5,0% нанокристалічних зерен, що містить 0,1-2,0% (мас.) твердість підвищується зі зростанням вміс(мас.) твердого розчину азоту, і який включає ту азоту. суміш 4-40%(мас.) марганцю, 0,1-5%(мас.) азоту, Однак, при наявності азоту понад 5,0% збі0,1-2,0%(мас.) вуглецю та 3-10%(мас.) хрому, льшення твердості матеріалу не спостерігається, решта - залізо. а міцність значно знижується. 15. Нанокристалічний матеріал з структурою Якщо говорити про перевагу наявності в аусаустенітної сталі, що має високу твердість, міцтенітних нанокристалічних зернах матеріалу з ність і корозійну стійкість, за одним з пп.1-11, структурою нанокристалічної аустенітної сталі який виконаний у вигляді агрегату з аустенітних 0,1-2,0% (мас.) твердого розчину азоту, то при нанокристалічних зерен, що містить 0,1-2,0% концентрації твердого розчину азоту в межах 0,1(мас.) твердого розчину азоту, і який включає 2,0% (мас.) велика частина азоту утворює тверсуміш 4-40%(мас.) марганцю, не більше дий розчин з матрицею аустенітних кристалів, зі 30%(мас.) азоту (у вигляді сполук), 0,1-2,0%(мас.) збільшенням кількості азоту зростає твердість вуглецю та 3-10%(мас.) хрому, решта - залізо. вищезазначеного матеріалу. Зокрема при наяв16. Нанокристалічний матеріал з структурою ності азоту у межах 0,1-0,9% (мас.) можна отриаустенітної сталі, що має високу твердість, міцмати надзвичайно міцний матеріал з структурою ність і корозійну стійкість, який виконаний у винанокристалічної аустенітної сталі. гляді агрегату з аустенітних нанокристалічних 9. Нанокристалічний матеріал з структурою зерен, що містить 0,1-2,0% (мас.) твердого розаустенітної сталі, що має високу твердість, міцчину азоту, і який виготовлений механічним ність і корозійну стійкість, за одним з пп.1, 6 і 7, сплавленням (МС) з використанням кулькового який виконаний у вигляді агрегату з аустенітних млина або подібного до нього устаткування. нанокристалічних зерен, що містить 0,1-2,0% 17. Нанокристалічний матеріал з структурою (мас.) твердого розчину азоту, і який містить 0,01аустенітної сталі, що має високу твердість, міц1,0%(мас.) кисню у вигляді оксидів або напівокність і корозійну стійкість, за одним з пп.1-16, сидів. який виконаний у вигляді агрегату з аустенітних 10. Нанокристалічний матеріал з структурою нанокристалічних зерен, що містить 0,3аустенітної сталі, що має високу твердість, міц1,0%(мас.) твердого розчину азоту та має діаність і корозійну стійкість, за одним з пп.2, 6, 8 і 9, метр кристалічного зерна 50-1000нм. який виконаний у вигляді агрегату з аустенітних 18. Нанокристалічний матеріал з структурою нанокристалічних зерен, що містить 0,1-2,0% аустенітної сталі, що має високу твердість, міц(мас.) твердого розчину азоту, і який містить 1ність і корозійну стійкість, за одним з пп.1-16, 30%(мас.) сполук азоту. який виконаний у вигляді агрегату з аустенітних 11. Нанокристалічний матеріал з структурою нанокристалічних зерен, що містить 0,4аустенітної сталі, що має високу твердість, міц0,9%(мас.) твердого розчину азоту та має діаність і корозійну стійкість, за одним з пп.1-10, метр кристалічного зерна 75-500нм. 15 77107 16 19. Нанокристалічний матеріал з структурою з групи, яка складається з: (1) прокату (2) іскровоаустенітної сталі, що має високу твердість міцго плазменного спікання, (3) екструзії, (4) гарячоність і корозійну стійкість, за одним з пп. 1-16, го спікання під ізостатичним тиском (ГІТ), (5) ) який виконаний у вигляді агрегату з аустенітних холодного спікання під ізостатичним тиском(ХІТ), нанокристалічних зерен, що містить 0,4(6) холодного пресування, (7) гарячого пресуван0,9%(мас.) твердого розчину азоту, та має діаня, (8) кування, (9) штампування або штампуванметр кристалічного зерна 100-300нм. ням вибухом, з ориманням в результаті цього Розглядаючи переваги отриманих сплавленматеріалу з структурою аустенітної сталі, що має ням аустенітних нанокристалічних зерен, які є високу твердість, міцність і корозійну стійкість, у частиною нанокристалічного матеріалу з структувигляді агрегату з нанокристалічних зерен, що рою аустенітної сталі, яка містить 0,3-1,0%(мас.), містить 0,1-2,0% (мас.) твердого розчину азоту. краще 0,4-0,9% (мас.) твердого розчину азоту, 21. Спосіб виготовлення нанокристалічного слід відмітити, що якщо вміст твердого розчину матеріалу з структурою аустенітної сталі, який азоту менший ніж 0,3%, досягти значного зросвключає: тання твердості зазначеного матеріалу неможлизмішування дрібнозернистих порошків, що є во, в той же час як вміст твердого розчину азоту компонентами для отримання певного різновиду більший ніж 1,0% не призводить до збільшення аустенітної сталі, таких як залізо та хром, нікель, твердості матеріалу. Що стосуєтся проміжку 0,3марганець, вуглець або подібних з речовиною, 1,0% (мас), а особливо 0,4-0,9% (мас), більш вияка є джерелом азоту, сока твердість досягається одночасно з високою механічне сплавлення (МС) суміші з викорисміцністю. танням кульового млина або йому подібного, з Якщо пояснювати чому є важливим розмір отриманням дрібнозернистих порошків нанокрисдіаметра зерен аустенітних нано-кристалів, з талічної аустенітної сталі з високим вмістом азояких складається матеріал з структурою нанокриту, та сталічної аустенітної сталі, у межах 50-1000нм, а обробку порошків нанокристалічної аустеніткраще 75-500нм, а ще краще 100-300нм, то проної сталі у звичайній атмосфері, в атмосфері, що блема полягає в тому, що, якщо розміри зерен запобігає окисленню, або в вакуумі одним чи бібудуть менше 50нм не можна отримати матеріал льше методами, вибраними з групи, яка склададля практичного використання, оскільки різке ється з: (1) прокату, (2) іскрово-плазменне спіканзменшення щільності дислокацій, які є джерелом ня, (3) екструзії, (4) спікання під гарячим для пластичної деформації, матеріал стає мало ізостатичним тиском (ПТ), (5) гарячого пресуванпридатним для пластичної обробки. З іншого боня, (6) кування, (7) штампування або штампуванку, у випадку перевищення параметрів розміру ня вибухом, і після цього загартування, з ориманзерен понад 1000нм, щільність дислокацій часток ням в результаті цього матеріалу з структурою збільшується, матеріал втрачає умовну межу аустенітної сталі, що має високу твердість, міцплинності, хоча пластична обробка матеріалу ність і корозійну стійкість, у вигляді агрегату з полегшується. У випадку, якщо розмір діаметра нанокристалічних зерен, що містить 0,1-2,0% зерен аустенітних нано-кристалів буде у межах (мас.) твердого розчину азоту. 50-1000нм, а краще 75-500нм, а ще краще пара22. Спосіб виготовлення нанокристалічного метри 100-300нм, можна одержати ідеальний матеріалу з структурою аустенітної сталі, який матеріал з структурою нанокристалічної аустенітвключає: ної сталі, який має велику міцність, і який добре змішування дрібнозернистих порошків, що є піддається пластичній обробці. компонентами для отримання певного різновиду Крім того, у випадку, якщо необхідності у виаустенітної сталі, таких як залізо та хром, нікель, готовленні надтвердого матеріалу немає, темпемарганець, вуглець або подібних з речовиною, ратури випалу матеріалу після спікання бажано яка є джерелом азоту, довести до 1200°С - 1250°С і цим можна в коротмеханічне сплавлення (МС) суміші з викориский термін виготовити матеріал з структурою аустанням кульового млина або йому подібного, з тенітної сталі з діаметром кристалічних зерен отриманням дрібнозернистих порошків нанокрис5000нм (5мкм) або більшим, який важко отримати талічної аустенітної сталі з високим вмістом азоплавлінням. ту, та 20. Спосіб виготовлення нанокристалічного іскрове плазменне спікання порошків нанокматеріалу з структурою аустенітної сталі, який ристалічної аустенітної сталі в вакуумі або в атвключає: мосфері, що запобігає окисленню, з ориманням в змішування дрібнозернистих порошків, що є результаті цього матеріалу з структурою аустенікомпонентами для отримання певного різновиду тної сталі, що має високу твердість, міцність і аустенітної сталі, таких як залізо та хром, нікель, корозійну стійкість, у вигляді агрегату з нанокрисмарганець, вуглець або подібних, з речовиною, талічних зерен, що містить 0,3-1,0% (мас.) тверяка є джерелом азоту, дого розчину азоту, краще 0,4-0,9% (мас.) твермеханічне сплавлення (МС) суміші з викорисдого розчину азоту, і має зерна діаметром 50танням кульового млина або йому подібного, з 1000нм, краще 75-500нм, ще краще 100-300нм. отриманням дрібнозернистих порошків нанокрис23. Спосіб виготовлення нанокристалічного талічної аустенітної сталі з високим вмістом азоматеріалу з структурою аустенітної сталі, який ту, та включає: обробку порошків нанокристалічної аустенітзмішування дрібнозернистих порошків, що є ної сталі одним чи більше методами, вибраними компонентами для отримання певного різновиду 17 77107 18 аустенітної сталі, таких як залізо та хром, нікель, або кобальт, і речовинами, які є джерелом азоту, марганець, вуглець або подібних з речовиною, та вказані нітриди розсіюють, або вказані метали яка є джерелом азоту, або нітриди, карбонітриди чи подібні до них речомеханічне сплавлення (МС) суміші з викорисвини осаджують та розсіюють в поцесі механічнотанням кульового млина або йому подібного, з го сплавлення (МС) та в процесі формування отриманням дрібнозернистих порошків нанокрисспіканням механічно сплавлених (МС) порошків, з талічної аустенітної сталі з високим вмістом азоотриманням в результаті цього матеріалу з струту, та ктурою аустенітної сталі, що має високу тверіскрове плазменне спікання порошків нанокдість, міцність і корозійну стійкість. ристалічної аустенітної сталі в вакуумі або в ат31. Спосіб виготовлення нанокристалічного мосфері, що запобігає окисленню, і потім прокат матеріалу з структурою аустенітної сталі за одта загартування з ориманням в результаті цього ним з пп.20-30, в якому порошки таких компоненматеріалу з структурою аустенітної сталі, що має тів, як залізо, хром, нікель, марганець, а також високу твердість, міцність і корозійну стійкість, у вуглець інші компоненти, що входять до складу вигляді агрегату з нанокристалічних зерен, що аустенітних сталей, змішують з 1-10%(об.) зерен містить 0,3-1,0% (мас.) твердого розчину азоту, диспергуючої речовини, яка складається з таких краще 0,4-0,9(мас), і має зерна діаметром 50нітридів металів або напівметалічних нітридів, як 1000нм, краще 75-500, ще краще 100-300нм. A1N, NbN, TaN, Si3N4, TiN та ін., та з речовиною, 24. Спосіб виготовлення нанокристалічного що є джерелом азоту, та кристалічні зерна подріматеріалу з структурою аустенітної сталі за п.20 бнюють до нано-розмірів в процесі механічного або п.22, при якому загартований продукт відпасплавлення (МС) та формують спіканням для люють при температурі 800-1200°С 60хв. або запобігання збільшення розміру зерен з отриманменше і потім швидко охолоджують. ням в результаті цього матеріалу з структурою 25. Спосіб виготовлення нанокристалічного аустенітної сталі, що має високу твердість, міцматеріалу з структурою аустенітної сталі за п.21 ність і корозійну стійкість. або п. 23, при якому загартований продукт відпа32. Спосіб виготовлення нанокристалічного люють при температурі 800-1200°С 60хв. або матеріалу з структурою аустенітної сталі за одменше і потім швидко охолоджують. ним з пп.20-29 або п.31, в якому дрібнозернисті 26. Спосіб виготовлення нанокристалічного порошки компонентів аустенітної сталі типу сталі матеріалу з структурою аустенітної сталі за одз великим вмістом марганцю-вуглецю, які містять ним з пп.20-25, в якому як джерело азоту викоризалізо, марганець та вуглець змішують з дрібностовують одну або більше речовину, вибрану з зернистими порошками нітридів металів, напригрупи, яка складається з газоподібного азоту, клад, нітридом заліза, який є джерелом азоту, газоподібного амоніаку, нітриду заліза, нітриду проводять механічне сплавлення (МС) цієї суміші хрому і нітриду марганцю. в середовищі інертного газу, наприклад, аргону 27. Спосіб виготовлення нанокристалічного або в вакуумі, вакуумі з додаванням відновника, матеріалу з структурою аустенітної сталі за однаприклад, водню, або в середовищі з відновниним з пп.20-26, в якому як середовище для мехаком і отримують нанокристалічну аустенітну нічного формування спіканням використовують сталь, яка містить 4-40%(мас.) марганцю, 0,1один газ або їх суміш, вибрані з групи, яка скла5,0%(мас.) азоту, 0,1-2,0%(мас.) вуглецю та 3,0дається з (1) інертного газу, наприклад, аргону, 10,0%(мас.) хрому, решта - залізо, та формують (2) газоподібного азоту, (3) амоніаку. гарячим спіканням, таким, як прокат в оболонках, 28. Спосіб виготовлення нанокристалічного спіканням іскровою плазмою, пресуванням або матеріалу з структурою аустенітної сталі за одвибуховим штампуванням з отриманням в реним з пп.20-27, а якому як середовище для мехазультаті цього матеріалу з структурою аустенітної нічного формування спіканням використовують сталі, що має високу твердість, міцність і корозійсередовище газу з додаванням речовинину стійкість. відновника, наприклад, газоподібного водню. 33. Спосіб виготовлення нанокристалічного 29. Спосіб виготовлення нанокристалічного матеріалу з структурою аустенітної сталі за одматеріалу з структурою аустенітної сталі за одним з пп.20-32, в якому композиція для виготовним з пп.20-26, в якому як середовище для мехалення аустенітної сталі містить 12-30%(мас.) нічного формування спіканням використовують хрому, 0-20% (мас.) нікелю, 0-30% (мас.) марганвакуум або відновлювальне середовище з речоцю, 0.1-5,0% (мас.) азоту та 0,02-1,0% (мас.) вугвиною-відновником, наприклад, газоподібним лецю, решта - залізо, та процес формування співоднем, що додається до вакууму або у відновканням проводять при температурі 600-1250°С. лювального середовища. 34. Спосіб виготовлення нанокристалічного 30. Спосіб виготовлення нанокристалічного матеріалу з структурою аустенітної сталі за одматеріалу з структурою аустенітної сталі за одним з пп.20-31, в якому кількість кисню, який втяним з пп.20-29, в якому порошки таких компоненгується з вмістища, в якому відбувається процес тів, як залізо, хром, нікель, марганець, а також механічного сплавлення (МС) та з стальних куль вуглець і інші компоненти, що входять до складу до порошків нанокристалічної аустенітної сталі в аустенітних сталей, змішують з 1-10%(об.) таких процесі механічного сплавлення (МС), складає нітридів металів, як A1N, NbN, Cr2N, або з 0,50,01-1,0%(мас), а при механічному сплавленні 10% (мас.) металів, які мають хімічне споріднення (МС) порошків використовують оксиди металів с азотом більше, ніж залізо, наприклад, ніобій, або оксиди напівметалів, які є джерелом кисню, тантал, марганець, хром, вольфрам чи молібден для кращого подрібнення кристалічних зерен до 19 77107 20 нано-розміру і для запобігання збільшення їх роші, наприклад, хромонікелевої чи хромомарганзмірів в процесі формування спіканням. цевої сумішей, до складу яких входять залізо та 35. Високміцні болти, гайки або інші засоби хром, нікель, марганець, вуглець та ін., в той час, механічної фіксації, виготовлені з нанокристалічяк порошки сплаву Fe-N, чи подібного, викорисного матеріалу з структурою аустенітної сталі за товуються як джерело азоту, механічно сплавлябудь яким з пп.1-19. ють (аустенизують) без будь-яких процесів спла35. Вироби для механічної фіксації, напривлення і отримують порошки аустенітної сталі, які клад, болти та гайки з високою міцністю на розмають нанокристалічну структуру зерна, і які нерив; куленепробивні вироби типу куленепробивможливо було отримати відомими способами, які них листів і куленепробивних жилетів; механічні ще більше зміцнюються при з додаванні твердого інструменти та деталі такі, як матриці, свердла, розчину азоту в фазі аустенізації. Навіть у подапружини, зубчасті колеса; штучні медичні матерільшому процесі формування спіканням нанокриали типу штучних кісток, штучних суглобів, штучсталічна структура істотно не ушкоджується при них опор для зубів; медичні механічні інструменутворенні зв'язків між кристалічними зернами тів типу голок для ін'єкцій, хірургічних ножів і аустеніту з оксидами металів чи напівметалів, які катетерів; матриці для пресів, наприклад, для присутні в процесі механічного сплавлення (МС) глибокого витягнення, пресування порошків, порошків, хоча деяке збільшення розмірів крисштампування, пресформінгу, прокату дроту; реталічного зерна спостерігається. Таким чином, зервуари для збереження водню (які набагато синергічні ефекти збільшення міцності матеріалу краще відомих витримують водневий опір); інзавдяки присутності азоту і зменшення величини струменти з гострими краями, наприклад, кухонні зерна у стадії аустенізації полегшують виготовножі, бритви і ножиці; деталі турбін, наприклад, лення міцного надтвердого нано-крислалічного лопаті; оборонна зброя, наприклад, укріплення, матеріалу з структурою аустенітної сталі з високуленепробивні стіни, вогнепальна зброя, танки; ким вмістом азоту, який має покращені антикороспортивний інвентар такий, як ковзани, сані; визійні властивості (стійкість до точкової корозії). роби, що використовуються на хімічних підприємКрім того, аустенітна сталь з високим вмістом ствах, наприклад, труби, резервуари, клапани, марганцю, що має нанокристалічну структуру устаткування для опріснення води; посудини для зерна, також, може бути легко виготовлена метохімічних реакцій; деталі генераторів ядерної енедом МС та в процесі формування спіканням, про ргії; вироби, що можуть використовуватися в ліякі згадувалося вище. такобудуванні та ракетобудуванні, устаткування Коротке пояснення графічних матеріалів. космічних станцій; легкі частини для персональНа Фіг.1 показані діаметри зерна кожного них комп'ютерів і кейсів; частини для транспортелементу після 50-годинної обробки методом них засобів, як автомобілів, суден, рейкового механічного сплавленням (МС) порошку, до транспорту та глибоководних апаратів; холодоскладу якого входить залізо, кобальт і нікель, інші стійкі матеріали; деталі для механізмів для піделементи (А), що додаються у кількості 15%, за йому суден; частини для віконних рам; конструкодним з прикладів винаходу. ційні матеріали; і т.п. , виготовлені з На Фіг.2 показані зміна коерцитивної сили Нс нанокристалічного матеріалу з структурою аусте(kOе) у залежності від зміни діаметра D кристалінітної сталі за одним з пп.1-19. чних зерен заліза і кобальту, отриманих після Згідно з винаходом, у випадку застосування обробки механічним розмелюванням (МР), за обробки механічним розмелюванням (МР) чи одним з прикладів винаходу. механічним сплавленням (МС) отримують пороНа Фіг.3 показано процес витиснення зразка шковий матеріал окремого металу, що має ультпорошку, за одним з прикладів винаходу. ра-дрібну кристалічну структуру зерна. ФормуФіг.4 - рентгенівська діаграма (X-ray ванням спіканням таких порошків при diffraction-XRD ) механічно сплавлених (МС) потемпературі біля 900-1000°С можна легко виготорошків, за одним з прикладів винаходу. вити композиційний матеріал, про який йшлося Фіг.5 - діаграма XRD механічно сплавлених вище. (МС) порошків, за одним з прикладів винаходу. Якщо механічне сплавлення (МС) застосовуНа Фіг.6 показано процес аустенізації (розмавати для суміші порошків окремих металів таких, гнічування) механічно сплавлених (МС) порошків, як залізо, кобальт, нікель, алюміній з додаванням за одним з прикладів винаходу, а саме - зміна вуглецю, ніобію, танталу або ін., отримують більш величини намагнічування Мтах тонку ультра-дрібну кристалічну структуру зерна. (ел.магн.одиниць/г) у залежності від часу (t) проФормуванням спіканням таких порошків отримуцесу механічного сплавлення (МС). ють матеріал з нанокристалічною структурою На Фіг.7 показано процес формування спізерен, який має більшу міцність і твердість, ніж канням матеріалу методом електроплазменного отриманий в процесі сплавлення. спікання (ЕПС) за одним з прикладів винаходу. Крім того, при обробці механічним розмелюНа Фіг.8 показано процес формування співанням (МР) металів, що мають магнітні властиканням матеріалу методом прокату в оболонках, вості, наприклад, заліза та кобальту, діаметр за одним з прикладів винаходу. кристалічних зерен зменшується до рівня наноФіг.9 - діаграма XRD зразку, отриманого шлярозмірів, причому чим менший діаметр зерна, хом обробки МС до і після процесу електроплазтим більший прояв м'якого магнетизму. менного спікання (ЕПС) при температурі 900°С, Згідно з винаходом, в процесі механічного за одним з прикладів винаходу. сплавлення (МС) елементарної порошкової суміФіг.10 - фотографія SEM (Scanning Electron 21 77107 22 Microscope), на якій зображений зразок матеріаті подрібнювання кульовим млином або ін. мехалу, отриманого МС (товщиною приблизно 5мм), нізмом, в процесі якого порошок подрібнюється що був отриманий методом електроплазменного до рівня від декількох нм до декількох десятків спікання (ЕПС) при температурі 900°С, за одним нм, що призводить до одержання якісного нанокз прикладів винаходу. ристалічного аустенітного хромонікелевого чи Фіг. 11 - графік, що показує значення залишхромомарганецевого порошку з високим вмістом кової кількісні азоту Re в зразку МС після електазоту. роплазменного спікання (ЕПС) при температурі Потім порошки, виготовлені шляхом механіч900°С, за одним з прикладів винаходу. ного спілавлення (МС), поміщають вакуум в трубу Фіг.12 - діаграма XRD зразку, отриманого МС, з нержавіючої сталі (оболонку) з внутрішнім діапісля електроплазменного спікання (ЕПС) при метром біля 7мм, формують спіканням методом температурі 900°С, за одним з прикладів винахопрокату в оболонці з використанням прокатного ду. механізму при температурі 900°С. Після чого, На Фіг.13 показано випробувальний зразок у можна легко виготовити лист товщиною біля вигляді стовпчика, що має кільцеподібний виріз у 1,5мм з аустенітної сталі з високим вмістом азоту центрі, який випробовували при перевірці руйнуз якісною нанокристалічною структурою зерна вання з затримкою. Пояснення до нумерації розміром 30-80нм. 1: екструзійна матриця, Якщо кількість оксидів металів чи напівмета2: зразок, лів, які використовуються як джерело кисню, буде 3: прес-шайба, регулюватися на рівні приблизно 0,5% (мас), це 4: обойма, дасть можливість запобігти збільшенню розмірів 5: пуансон, кристалічного зерна в процесі формування спіТ: температура обробки, канням. Щоб збільшити ці ефекти бажано додати t: час обробки. 1-10% (об.) а краще 3-5% (об.) дисперсанту крисКращі варіанти виконання винаходу. талічних зерен, таких як AlN, NbN до суміші меЗа одним з варіантів здійснення винаходу ханічно сплавлених (МС) порошків. процес механічного сплавлення (МС) застосовуЯкщо процес механічного одержання сплаву ють для дрібнозернистих порошків - компонентів (МС) застосовують для суміші порошків заліза, аустенітної сталі до складу яких входить: залізо, хрому, нікелю, марганцю, вуглецю або ін., з джехром, нікель, марганець, а також вуглець та подірелом азоту, наприклад, нітридом заліза та добні елементи, які подрібнені за допомогою кульодаванням компоненту, який має більшу спорідневого млина чи подібного механізму, при кімнатній ність з азотом, ніж залізо, наприклад, ніобій, температурі в середовищі аргону чи іншого газу. тантал, хром або марганець, в кількості до 10% Діаметр зерен механічно сплавлених порош(мас), зменшення розміру кристалічного зерна в ків зменшують за допомогою механічної енергії процесі МС буде більш ефективним. кульового млина до рівня 15-25нм. Крім того, в процесі формування спіканням, Потім, механічно сплавлені порошки помівищезгадані додаткові компоненти сприяють збіщають під вакуумом в трубу з нержавіючої сталі льшенню розчинності N у структурі (аустеніту) зі (оболонку) з внутрішнім діаметром біля 7мм, фозначним зменшенням коефіцієнту дифузії азоту, рмують спіканням методом прокату в оболонці з так, що, якщо температура, час, та ін. у процесі використанням прокатного механізму при темпеформування спіканням регулюється, завдяки ратурі 800-1000°С. Потім з отриманого у процесі цьому можна майже повністю запобігти денітри(МС) порошку може бути легко виготовлений стафікації структурної фази. Зрозуміло, що додаванлевий лист товщиною 1,5мм шляхом прокату при ня таких елементів, що добре плавляться, як ніотемпературі 800-1000°С. бій чи тантал, також сприяє запобіганню Крім того, при застосуванні механічного роззбільшення розмірів зерна кристалів у процесі мелювання (МР) до окремих елементів таких, як формування спіканням. залізо, кобальт, нікель, можна виготовити пороОднак, використання вищезгаданих додаткошок з нано-розмірами зерна діаметром близько вих металів, крім марганцю, як елементів фери20нм, що дає можливість виготовляти матеріал з тової стабілізації, буде неефективним, якщо не властивістю м'якого магнетизму, оскільки зменце буде здійснюватися у діапазоні, що не наношення діаметра зерна веде до зменшення намасить шкоди стабільності структурі фази аустеніту. гнічування. Ще в одному прикладі використання винахоВ іншому прикладі використання винаходу, ду механічне одержання сплаву (МС) застосовамеханічне сплавлення (МС) застосовується до но до суміші порошків, що має склад аустенітної порошкової суміші, наприклад, хромонікелевого сталі з високим вмістом марганцю, приблизно 20чи хромомарганцевого матеріалу, де окремі по30% (мас), до складу якої входить залізо, маргарошки, наприклад, заліза, хрому, нікелю і марганець і вуглець. Процес проводять за допомогою нцю змішуються з джерелом азоту (N), наприкульового млина при кімнатній температурі в секлад, нітридом заліза, піддаються механічній редовищі аргону або іншого газу. обробці кульовим млином при кімнатній темпераПісля цього, у процесі МС можна отримати турі в середовищі аргону або ін. газу, з метою порошок аустенітної сталі з високим вмістом мародержання однорідної маси. ганцю та з нанокристалічним розміром зерна, Внаслідок цього отримані в процесі (МС) порівня від декількох нм до декількох десятків нм. рошки механічно сплавлені не методом плавленЯк у першому, так і другому прикладі використання, а за допомогою механічної енергії у результаня винаходу можна виготовити лист аустенітної 23 77107 24 сталі з високим вмістом марганцю товщиною зерна D до 20нм, що приводить до посилення 1,5мм, що має нанокристалічну структуру зерна ефекту м'якого магнетизму. величиною від 50 до 70нм. Приклад 3. Зміцнювання твердим розчином азоту сплаву На Фіг.3 показаний результат витиснення мацієї сталі з високим вмістом марганцю може бути теріалу при 1000°С (тиск - 98 МПа) порошкового більш ефективною при додаванні 0,1-5,0% зразка ТіС (а) і (b). (мас.)азоту. Таким чином, у винаході, метод меПри порівнянні зразка (а), який проходив 100ханічного одержання сплаву (МС), застосований годинну обробку (МР) із зразком (b), який таку до порошкової суміші такої, як, наприклад, хрообробку не проходив, видно, що частина зразка монікелева чи хромомарганцева, до складу яких (а) витиснутого з апертури має довжину приблизвходять такі елементи, як залізо з нікелем, хроно 12мм, тоді як зразок (b) має довжину приблизмом чи марганцем, а також вуглець і нітрид заліно 1-2мм. Така різниця між зразками відбуваютьза, що додається як джерело азоту (N). У такий ся ймовірно через надпластичність зразка (а), спосіб виготовляється порошок аустенітної сталі кристалічне зерно якого зменшене до ультра маз високою концентрацією азоту, який має нанолого рівня в процесі механічного розмелювання розмір кристалічної структури зерен, у якому змі(МР). цнення забезпечується введенням твердого розПриклад 4. чину в аустенітну фазу. Оскільки порошки аустеНа Фіг.4 показані результати дослідження за нітної сталі ущільнюються при спіканні, допомогою рентгенівської дифракції фази форнаприклад при прокаті в оболонках чи при екстмування двох порошкових зразків (XRD: випромірузії, кількість кисню у вигляді оксидів металів чи нення кобальту К , що має довжину хвилі напівметалів, що неминуче утворюється на про0,179021нм) після процесу механічного одержантязі процесу (МС), регулюється на рівні близько ня сплаву (МС). Механічне одержання сплаву 0,5% (мас), у результаті чого збільшення розмірів (МС) було застосовано до хромонікелевого базокристалічного зерна стримується ефектом закрівого зразка (a) Fe81-yCr19Niy (% мас), де у=8-17, і плення оксиду на границях зерен. Таким чином (b) Fe80.1-yCr19NiyN0.9 (% мас), де у=4-11, в якому можна ефективно виготовляти нанокристалічний порошки Fe, Cr і Ni були змішані разом у сплав матеріал з структурою аустенітної сталі з високим Fe-N (з вмістом азоту 5,85% мас). Зразки (а) і (b) вмістом азоту. були поміщені в сталевий циліндр із внутрішнім Також можливо ще більш ефективного вигодіаметром 75мм і висотою 90мм для обробки товляти аустенітну сталь, що має нанокристалічметодом механічного одержання сплаву протяну структуру зерна, з високим вмістом марганцю, гом 720кс (200 годин) при кімнатній температурі, застосовуючи процеси МС та формування співикористовуючи звичайний кульовий млин. А канням, про які йшлося вище. саме, циліндр обертався зі швидкістю 385 обертів Приклади. за хвилину, маса зразків складала 100 грамів (25 Нижче наводяться приклади винаходу з виграмів у кожному циліндрі), і відношення маси користанням графічних матеріалів. куль хромистої сталі до маси порошкового зразку Приклад 1. було 11,27:1. На Фіг.1 показані зміни діаметрів зерен елеНа Фіг.4, значком «О» показується формументів суміші після 50-годинної обробки методом вання стадії аустеніту ( ) і значком • показується, механічного сплавлення (МС) порошку, до складу рівень мартенситу ( '), що викликаний процесом якого входить залізо, кобальт і нікель у пропорції МС. М85А15 (%) (де М - залізо, кобальт чи нікель), з На Фіг.4, видно, що при обробці зразків, які не додаванням 15% вуглецю (С), ніобію (Nb), тантамістять азот (а), для одержання аустеніту вміст лу (Та), титану (Ті), фосфору (Р), бора (В), та іннікелю (у) повинен бути більше 14% (мас), (див. ших елементів (позначених «А»). Фіг.4 (а)); однак, додавання азоту (N) 0,9% (мас.) На Фіг.1 DFe, DCo, DNi - середній діаметр зедозволяє сформувати стадію аустеніту, коли рна (нм) механічно сплавлених елементів -заліза, вміст нікелю трохи більше 6% (мас). Це показує, кобальту і нікелю, відповідно. На Фіг.1, показано, що в цьому випадку процес аустенації значно що зменшення діаметру зерна таких елементів, прискорюється (див. Фіг.4 (b)), це дозволяє значяк залізо, кобальт і нікель у процесі (МС) може но зменшити кількість нікелю, який має високу бути більш ефективним при додаванні вуглецю, вартість і як правило використовується в процесі ніобію, танталу, титан та ін. елементів, при цьому механічного одержання сплаву (МС) при виготовможна досягти зменшення діаметру зерна на ленні аустеніту. кілька нано-порядків. На Фіг.5 показаний ефект застосування азоту Також з графічних матеріалів видно, що удопри виготовленні аустеніту методом механічного сконаленню кристалічного зерна міді, алюмінію, сплавлення (МС). В цьому прикладі, метод мехатитану, також сприяє застосування деяких еленічного одержання сплаву (МС) був застосований ментів, особливо таких, як вуглець, фосфор і бор. до хромомарганцевого зразку Fe63.1Cr18 Приклад 2. 18Mn15Mo3N0.9 (% маси) і при таких самих умовах На Фіг.2 показана зміна коерцитивної сили Не до хромонікелевого зразку (Фіг.4) (МС: протягом (кОе) у залежності від зміни діаметра D кристалі200 годин, XRD: випромінювання кобальту Ка, що чних зерен заліза і кобальту, отриманих після має довжину хвилі -0,179021нм). обробки механічним розмелюванням (МР). На Фіг. 6 подаються результати рентгенівсьНа Фіг.2 видно, коерцитивна сила заліза і кокої дифракції (XRD) зразка аустеніту (у), виготовбальту зменшується зі зменшенням діаметра леного в процесі МС, значок «О» показує рівень 25 77107 26 магнітних властивостей (відсутність магнітних лизно 5мм. Потім на матеріал знизу і зверху здійвластивостей в фазі аустенізації). снювався тиск ( ) 49МПа, процес формування На Фіг.6, показані результати вимірювання спіканням відбувався у вакуумі. Температура (Т) рівня намагнічування Мmах (емо/г) зразків матеформування спіканням була в межах 650°Сріалів Fe69.1Cr19Ni11N0.9 та Fe63.1Cr18Mn15Mo3N0.9 1000°С (923-1273°К), а час витримки в кожній (% маси), отриманих при застосуванні (МС) при температурній фазі формування був 300 секунд кімнатній температурі, для дослідження викорис(5 хвилин). товувався вібраційний аналізатор магнітних влаПриклад 6. стивостей (VSM), результати подаються як графік На Фіг.8 показаний приклад процесу формуфункції МС часу t (кс) (у магнітному полі 15кОе). вання спіканням механічно сплавлених (МС) поНа Фіг.6 видно, що обидва механічно сплаврошків методом ПО (прокату в оболонках). лені зразки набувають властивість аустеніту (анПриблизно 10гр. механічно сплавленого (МС) тимагнітну властивість) - значне зниження знапорошку поміщали у трубу (SUS 316) з нержавіючення Мmах коли значення t дорівнює або чої сталі (оболонку) із внутрішнім діаметром приблизьке до 450кс (150 годин). близно 7 мм для формування спіканням при темПриклад 4 та Фіг.4 і 5 показують, що для одепературі (Т) від 650 до 1000°С у вакуумі, і ржання порошку сталі аустеніту з високим вмісобробляли прокатною машиною. том азоту, приблизно 0,9% маси, згідно з винахоСлід зазначити, що що: дом, процес механічного сплавлення температура при прокаті в оболонці була в (МС) має здійснюватися протягом 50-200 гомежах від 650 до 1000°С; дин, при цьому матеріал виготовляється шляхом час витримки перед першим прокатом був змішування таких елементів, як залізо з хромом, 900 секунд (15 хвилин), нікелем, марганцем або ін. елементами разом з а час витримки перед другим прокатом був порошками сплаву Fe-N в якості джерела азоту. 300 секунд (5 хвилин). При збільшенні кількості сплаву Fe-N, можна Приклад 7 легко виготовити порошки сталі аустеніту з висоФіг.9 - діаграма XRD (XRD: випромінювання ким вмістом азоту, що мають концентрацію азоту кобальту К , що має довжину хвилі приблизно 5% маси. =0,179021нм) механічно сплавленого матеріалу Як зазначається, зразки, з якими проводилиFe60.55Cr18Mn18Mo3N0.45 (% маси) до і після іскрося XRD і VSM дослідження, є аустенітом, отривого плазменного спікання (ІПС) при температурі маним при використанні процесу (МС) для фор900°С, показує, що навіть після ІПС зразок знамування спіканням, як зазначається у Прикладах ходиться в стадії аустеніту ( ). На Фіг.9 «МС» і 5-16, наведених нижче. «ІПС» показники матеріалу до і після іскрового Приклад 5. плазменного спікання (ІПС). На Фіг.7 показаний процес формування маФіг.10 - фотографія зразка матеріалу, отритеріалу із зразків, виготовлених із застосуванням маного у процесі іскрового плазменного спікан(МС), методом іскрового плазменного спікання ня(ІПС), зроблена за допомогою електронного (ШС), використовуючи універсальну машину з мікроскопа (SEM). джерелом живлення (DC3±1 V, 600±100А). У Таблиці 1 наведені середні діаметри крисПриблизно 3-5 грамів механічно сплавленого талічного зерна (D) механічно сплавленого (МС) (МС) порошку поміщали в графітовий пуансон, матеріалу Fe60.55Cr18Mn18M03N0.45 (% маси) до і внутрішній діаметр якого 10мм, зовнішній діаметр після іскрового плазменного спікання (ІПС) при 40мм і висотою 40мм, так, щоб отримати дискову температурі 900°С. форму виробу діаметром 10мм і товщиною прибТаблиця 1 Середні діаметри кристалічного зерна (D) механічно сплавленого (МС) матеріалу Fe60.55Cr18Mn18M03N0.45 (% маси) до і після іскрового плазменного спікання (ІПС) при температурі 900°С. Кристалічне зерно Діаметр, нм До обробки ІПС (МС) Після обробки ІПС (ІПС) D 12 45 У Таблиці 1, діаметр зерна (D) був розрахований за допомогою рівняння Scherrer, на основі результатів випробування матеріалу у відповідності до діаграми XRD, яка показана на Фіг.9. Результати, отримані при цьому, відповідають діаметру зерна, що отриманні при дослідженні SEM, які показані на Фіг.10. Приклад 7, Фіг.9 і Таблиця 1 свідчить, що згідно з винаходом, нано-структура матеріалу зберігається навіть після формування матеріалу в процесі іскрового плазменного спікання (ІПС), хоча спостерігається незначне зростання розміру зерна. Приклад 8. На Фіг.11 у вигляді графіка показана залишкова норма азоту Re (%) після формування матеріалу при температурі 900°С із різних механічно сплавлених (МС) порошків (а) - (g). (a) Fe60.55Cr18Mn18Mо3N0.45 (%мас), (b) Fe60.6Cr18Mn17.5Mo3N0.9 (% мас), 27 77107 28 (c) Fe63.1Cr18Mn15Mo3N0.9 (% мас), К , що має довжину хвилі =0.154051нм). З прик(d) Fe72.1Cr19Ni8N0.9 (% мас), ладу видно, що зразок (d) має структуру з фаза(e) Fe67.1Cr19Ni8Mn5N0.9 (%мас), ми фериту( ) та Cr2N, які утворились в процесі (f) Fe68.1Cr23Ni8N0.9 (% мас), і ІПС обробки аустеніту ( ), в той час, як зразок (g) (g) Fe64.1Cr20Ni8Mn5Nb2N0.9 (% мас.) . зберігає однофазну структуру аустеніту, неушкоRe (%): (Ns/Nm)x100, де Nm - вміст азоту в джену навіть при обробці ІПС. механічно сплавлених зразках матеріалу (% маПриклад 9. си), і Ns - вміст азоту в зразках після (ІПС). У Таблиці 2 наводяться: середній розмір діаЗ Фіг.11 видно, що хромомарганцеві зразки метра зерна - D, величина твердості за Віккерсом (а), (b) і (с) мають значення Re, яке дорівнює - Hv, межа плинності при розтяганні - 0.2, межа 100%, тоді як хромонікелевий зразок (d) (нержаміцності при розтяганні - В, величина подовженвіюча сталь з високим вмістом азоту, щомає екня - , вміст кисню й азоту в механічно сплавлевівалент складу сталі SUS 304) має значення Re ному (МС) зразку Fe64.1Cr20Ni8Mn5Nb2N0.9 (% маприблизно 85; близько 15% азоту, який входив до си), обробленому методом ІПС чи ПО при складу механічно сплавленого (МС) зразку, був температурі 900°С, і тестового зразка, отримановтрачений у процесі (ІПС). Однак, залишкова го в процесі ПО з наступним відпалом (при темнорма азоту Re у зразку (e), де додається маргапературі 1500°С протягом 15 хвилин). нець, у зразках (d), і (f), де збільшено вміст хроТаблиця 2. му, збільшується. При комплексному застосуванСередній розмір діаметра зерна - D, величині таких елементів, як марганець, хром і ніобій, які на твердості за Вікерсом - Hv, межа плинності використовуються для збільшення рівня Re, як це при розтяганні - 0.2, межа міцності при розтяспостерігається у зразку (g), можна забезпечити ганні- В, величина подовження - , вміст кисню й підвищення Re до 100%, а денітрифікацію в проазоту в механічно сплавленому (МС) зразку цесі можна успішно стримувати. Fe64.1Cr20Ni8Mn5Nb2N0.9 (% маси), обробленому На Фіг.12 показані результати дифракції за методом ІПС чи ПО при температурі 900°С, і тесдопомогою рентгенівських променів зразків, тового зразка, отриманого в процесі ПО з наступотриманих методом електроплазменного спіканним відпалом (при температурі 1500°С протягом ня (ІПС) матеріалів (d) і (g), що наводяться на 15 хвилин). Фіг.11 (XRD: випромінювання радіоактивної міді Таблиця 2 Зразок Dнм Ην σ 0.2 МПа σΒ МПа δ% Рівень кисню 0,582 0,591 0,477 0,594 Рівень азоту 0,892 0,887 0,902 0,898 ІПС зразок* 27 690 — — — ПО зразок ** 29 750 1450 2810 4 ПО зразок *** 35 745 1400 2640 3 ПО+відпал 98 670 1600 2850 зо Сталь SUS 304 75000 160 280 590 Понад 40 Вміст кисню та азоту визначався в % (мас), лист сталі SUS 304 був виготовлений за допомогою технології твердих розчинів. Значення D були розраховані з використанням рівняння Scherrer. * - діаметр: 10мм, товщина: 5мм; ** - зразок, що піддавався розтяганню, мав ширину - 4,5мм, довжину - 12мм і товщину - 1,3мм. *** - оброблені методом ПО порошки аустенітної сталі, що були виготовлені методом механічного сплавлення (МС) протягом 250 годин в середовищі азоту. Приклад 10. У Таблиці 3 відображені: середній розмір діаметру зерна - D, величина твердості за Вікерсом - Hv, межа плинності при розтяганні - 0.2, межа міцності при розтяганні - В, величина подовження - , вміст кисню й азоту в механічно сплавлених (МА) зразків (a)Fe63.1Cr18Mn15Mo3N0.9 (% маси) і (b) Fe65.55Cr25Ni5Mo4N0.45 (% маси), оброблених методом ІПС чи ПО при температурі 900°С, а також тестового зразка, отриманого в процесі ПО з наступним відпал (при температурі 1150°С протягом 15 хвилин). Таблиця 3. Середній розмір діаметру зерна - D, величина твердості за Вікерсом- Hv, межа плинності при розтяганні - 0.2, межа міцності при розтяганні В, величина подовження - , вміст кисню й азоту в механічно сплавлених (МС) зразках (a) Fе63.1Сr18Мn15Мо3Н0.9 (% маси) і (b) Fe65.55Cr25Ni5Mo4N0.45 (% маси), оброблених методом ІПС чи ПО при температурі 900°С, і тестового зразка, отриманого в процесі ПО з наступним випалом (при температурі 1150°С протягом 15 хвилин). 29 77107 30 Таблиця 3 Зразок Процес а а b b ПО ПО+Відпал ПО ПО+Відпал D нм 110 153 82 90 Ην 830 760 850 810 σ 0.2 МРа 1510 1560 1450 1600 σΒ МРа 2680 2790 2820 2940 δ% % 3 24 2 20 Кисень % 0.598 0.604 0.443 0.448 Азот % 0.902 0.846 0.453 0.449 а: зразок аустенітної сталі b: зразок аустенітно-феритної сталі Приклад 11. У Таблиці 4 подаються: середній розмір діаметру зерна - D, величина твердості за ВікерсомHv, межа плинності при розтяганні0.2, межа міцності при розтяганні - В, величина подовження - , вміст кисню й азоту механічно сплавленого (МС) зразків матеріалу (a) Fe69.2Mn30C0.8 (% маси), (b) Fe64.1Mn30Сr5C0.8N0.1 (% маси), (с) Fe64.2Mn30 AI5C0.8 (% маси), оброблених методом ІПС чи ПО при температурі 900°С, а також тестового зразка, отриманого в процесі ПО з наступним відпалом (при температурі 1150°С протягом 15 хвилин). Таблиця 4 Середній розмір діаметру зерна - D, величина твердості за Вікерсом - Hv, межа плинності при розтяганні- 0.2, межа міцності при розтяганні - В, величина подовження - , вміст кисню й азоту зразків механічно сплавленого (МС) матеріалу (a) Fe69.2Mn30C0.8 (% маси), (b) Fe64.1Mn30Cr5 C0.8N0.1 (% маси), (с) Fe64.2Mn30 Al5C0.8 (% маси), оброблених методом ІПС чи ПО при температурі 900°С, а також тестового зразка, отриманого в процесі ПО з наступним відпалом (при температурі 1150°С протягом 15 хвилин). Таблиця 4 Зразок* Процес а b b с ПО ПО ПО+Відпал ПО D нм 14 10 105 13 Ην 690 810 705 740 σ 0.2 мПа 1530 1640 1800 1600 σΒ мПа 2520 2960 2870 2630 δ % 4 3 26 5 Кисень % 0.603 0.594 0.589 0.598 Азот % — 0.101 0 103 — * товщина листа сталі 1,3мм З Прикладу 9 і Таблиці 2, видно, що згідно з винаходом, коли нанокристалічна аустенітна сталь з високим вмістом азоту (концентрація азоту: 0,9% маси), що відповідає складу сталі SUS 304, формують спіканням, а саме, методом прокату в оболонках (ПО), твердість матеріалу підвищується в чотири рази (що вище твердості структури мартенситної сталі з високим вмістом вуглецю), а межа плинності при розтяганні збільшується приблизно в шість разів (що відповідає межі плинності при розтяганні спеціальної сталі) як у нержавіючої сталі SUS 304, що виробляється методом плавлення, а додатковий відпал дозволяє виготовляти матеріал, який краще розтягується. З Таблиці 2 видно, що, у процесі МС навіть коли N2 використовується як газ, можна отримати матеріал, що має властивості розтягання аналогічні сталі з високим вмістом азоту. З Прикладу 10 і Таблиці 3 (результати випробувань зразка (а)), стає зрозумілим, що навіть з матеріалу з високим вмістом азоту типу Сr-Мn зі складом таким, як Fe63.1Cr18Mn15Mo3N0.9 (% маси), у результаті процесу ПО та додаткового відпалу можна одержати матеріал високої міцності і пластичності, типу Сr-Ni, як це показано в Таблиці 2. З Таблиці 3 (результати випробувань зразку (b)), видно, що аустенітно-феритовий матеріал (з феритовою фазою приблизно 40%), через значне гальмування збільшення розмірів зерна у процесі ПО, може мати механічні властивості такі як твердість і міцність ( 0.2 і В) майже аналогічні аустенітним матеріалам. З Прикладу 11 і Таблиці 4, видно, що навіть при процесі формування спіканням матеріали, отримані із зразків Fe 69.2Mn30С 0.88 (%маси), Fe 64.1Mn 30Cr5C0.8N0.1 (% маси) і Fe 64.2 Мn 30АІ 5C 0.8 (% маси) з високим вмістом вуглецю і марганцю, може мати твердість приблизно в чотири рази більше, ніж аустенітна сталь з високим вмістом марганцю, яка виготовлена плавленням (наприклад, сталь SСМnН3, до складу якої входить 1114% мас. Мn та 0,9-1,2% мас. С (з температурою загартування від 1000°С), і високими показниками твердості і пластичності. Приклад 12 Іскрове плазменне спікання, екструзія, гаряче спікання під ізостатичним тиском (ГІТ) при температурі 900°С чи холодне пресування при звичайній температурі було застосовано до зразків порошків Fe64.1Cr20Ni8 Mn5 Nb2N0..9 (% маси) після процесу механічного одержання сплаву (МС), після цього слідував процес гарячого прокату при температурі 900°С, після цього відпал при темпе 31 77107 32 ратурі 1150°С протягом 15 хвилин, і нарешті зана розтягання, у той час як при перевірці Vгартування у воді. У Таблиці 5 наведені: Середній зазубрені зразки (розміри: ширина 5мм, висота розмір діаметру зерна - D, величина твердості за 5мм і довжина - 55мм) використовувалися для випробування впливу ударної в'язкості за Шарпі. Вікерсом - Hv, межа плинності при розтяганні Таблиця 5 0.2, межа міцності при розтяганні- В, величина Середній розмір діаметру зерна - D, величиподовження - , і ударна в'язкість за Шарпі Е зрана твердості за Вікерсом- Hv, межа плинності при зків (а)-(g), отриманих способом формування розтяганні- 0.2, межа міцності при розтяганні спіканням. В, величина подовження - , і ударна боязкість Відзначається, що процес формування спіза Шарпі Е зразків (а)-(g), отриманих способом канням зразку (b) проводився шляхом прокату у формування спіканням з порошку Fe64.1Cr20Ni8 вакуумі і що був застосований JIS (японський Мn5 Nb2N0..9 (% маси), виготовленого методом промисловий стандарт) №6 при випробуванні механічного сплавлення (МС). зразків (розміри: ширина - 5мм і товщина - 2мм) Таблиця 5 Зразки, виготовлені способом механічного сплавлення (МС) Зразок а b с d e f g Метод формування спіканням ІПС+Прокат+Відпал ІПС+Прокат*+Відпал ЕК+Прокат+Відпал КВ+Прокат+Відпал ГІТ+Прокат+В ідпал ГП+Прокат+Відпал ХП+Прокат+Відпал D нм Ην σ 2,0 МПа σΒ МПа δ% ΕМДж/м2 105 93 152 168 210 96 70 690 670 620 610 540 580 600 1650 1050 1870 1790 1520 1440 1020 2890 1360 3040 2830 2050 1980 1200 32 18 35 29 34 20 17 2,0 1,0 2,8 2,5 1,4 1,7 0,8 ЕК-екструзія KB-кування ГП-гаряче пресування ХП - холодне пресування * Середовище прокату: повітря ІПС: тиск 49МПа ГІП: тиск 50МПА Екструзія: коефіцієнт екструзії 3 Гаряче пресування: тиск 60МПа Кування: коефіцієнт кування 2 Холодне пресування: тиск 650МПа. Якщо порівнювати Приклад 12 і результати випробувань зразку (а), що зазначені в Таблиці 5 із Прикладом 9 і результатами випробувань зразку, отриманого в процесі "ПО плюс випал", зазначеними у Таблиці 2, зрозуміло, що додаткова обробка прокатом, застосована до матеріалу, отриманого за допомогою ІПС, сприяє значному підвищенню показників механічних властивостей, збільшенню міцності, тобто наявний вплив обробки поркатом. Ефект прокату стає більш очевидним, коли процеси формування, що призводять до деформації зсуву, наприклад, екструзія і кування, застосовуються перед прокатом до зразків, наприклад, (с) і (d), зазначених у Таблиці 5. З Прикладу 12 і Таблиці 5 видно, що навіть при застосуванні формування спіканням, як зазначено в Таблиці 5, кристалічна структура виробленого матеріалу залишається обмеженою нано-розмірами на рівні 90-200нм, і що при застосуванні формування спіканням до зразків (с) і (d) можна легко одержати міцний надтвердий нанокристалічний матеріал з структурою аустенітної сталі, що має високу концентрацію азоту, високу міцність і твердість. Приклад 13 На Фіг.13 показаний циліндричний зразок діаметром 5мм, що має кільцеподібний виріз у центрі, який випробовували при перевірці уповільненого руйнування. Випробування проводилося шляхом застосування сили розтягання з двох кінців зразка. А саме, вищезгаданий зразок був одержаний з використанням процесу екструзії з матеріалу Fe64.1Cr20Ni8Mn5Nb2N0.9 (% маси), виготовленого методом механічного сплавлення (МС) при температурі 900°С з наступним відпалом при температурі 1150°С протягом 15 хвилин, і загартуванням у воді. При випробуванні було визначено, що матеріал має межу плинності при розтяганні 0.2-1690МПА, межа міцності при розтяганні В2880 МПа, величину подовження - 34%. Дане випробування зразку проводилося у воді (23°С), навантаження розтягання величиною 1600МПа застосовувалося безупинно протягом 100 годин. При цьому руйнування не відбувалося взагалі. Приклад 14 Співвідношення між величиною вмісту азоту х і величиною твердості за Вікерсом Hv матеріа 33 77107 34 лу, отриманого методом ПО з аустенітної сталі з рмований методом ПО з порошку нержавіючої високим вмістом азоту (Fe65-xCr20Ni8Mn5Nb2Nx сталі SUS 304, оброблений МР (механічним роз(% мас, х=0,45, 0,7 і 0,9), виготовленої методом мелюванням) протягом 10 годин і відпалений механічного сплавлення (МС) наведені нижче у (1150°С X 15 хвилин/охолодження водою ). Таблиці 6. З Прикладу 15 (Таблиця 7) і Прикладу 16 Таблиця 6 (Таблиця 8) видно, що при збільшенні концентСпіввідношення між концентрацією (вмістом) рації азоту механічно сплавленого (МС) аустенітазоту і величиною твердості за Вікерсом Hv маного матеріалу до 0,9% маси, твердість матеріатеріалу, отриманого методом ПО з аустенітної лу стає приблизно в 8 разів вище, ніж сталі з високим вмістом азоту ((% мас, і х=0,45, нержавіючої сталі SUS 304, виготовленого плав0,7 і 0,9), виготовленої методом механічного ленням, чому сприяє не тільки ефект азоту в твесплавлення (МС), (температура: 900°С) рдому розчині, але також і ефект зменшення розмірів кристалічних зерен у процесі МС. Таблиця 6 Промислова придатність винаходу. Нижче наводяться приклади використання матеріалу з структурою аустенітної сталі, отриКонцентрація азоту (% мас.) 0,45 0,7 0,9 маного при використанні даного винаходу. Ην 500 600 750 Аустенітна сталь з високим вмістом азоту. Як зазначається нижче, матеріали з структуПриклад 15.Співвідношення між величиною рою аустенітної сталі з високим вмістом азоту вмісту азоту і величиною твердості за Вікерсом мають загальні властивості. Вони мають високу Hv аустенітної сталі (ефект азоту в твердому ротвердість, а також антикорозійну стійкість і антизчині) показані в Таблиці 7. магнітні властивості. Крім того, вони не стають Таблиця 7 істотно м'якше при підвищенні температури до Співвідношення між величиною вмісту азоту і 200-300°С, що спостерігається у сталевих матевеличиною твердості за Вікерсом Hv аустенітної ріалів мартенситного чи феритного типу, і вони сталі (ефект азоту в твердому розчині) менш крихкі при кімнатній температурі або при температурі нижчій за кімнатну. Таблиця 7 Іншою важливою особливістю є те, що зразки нанокристалічної аустенітної сталі з високим вміДіаметр стом азоту згідно з винаходом, що мають конценВміст азоту кристалічноЗразок Ην трацію азоту приблизно 0,9% мас, яка є еквіва%(мас.) го зерна лентною кількості азоту у складі нержавіючої D(нм) сталі SUS 304, мають твердість приблизно в чоа 0,035 400 35 тири рази вище твердості структури мартенситної b 0,9 750 30 сталі з високим вмістом вуглецю) і в шість разів вище силу міцності (що є еквівалентом межі міца: лист сталі, отриманий методом (МС), зфоності надтвердої сталі). Крім того, у матеріалі не рмований методом ПО з порошку нержавіючої спостерігається ефекту уповільненого руйнувансталі SUS 304, оброблений МР (механічним розня від впливу сили на відміну від сталевих матемелюванням) протягом 10 годин і відпалений ріалів, таких, як мартенсити чи ферити. (1150°С X 15 хвилин/охолодження водою). Таким чином, нанокристалічні аустенітні сталі b: лист стали, виготовлений при температурі з високим вмістом азоту згідно з винаходом, че900°С з порошку, отриманого в процесі 200 горез наявність таких особливостей, про які згададинної обробки суміші Fe64.1Cr20Ni8Mn5Nb2N0.9 (% но вище, можуть знайти широкий спектр застосумас.) способом (МС) вання,включаючи болти з високим ступенем Приклад 16 міцності при розтяганні або куленепробивні маСпіввідношення між середнім діаметром частеріали, або механічні частини деталей та інтки D величиною твердості за Вікерсом Hv аустеструментів та надтверді деталі для високотемпенітної сталі (ефект МС по зменшенню розмірів ратурних процесів. кристалічних зерен) наводиться в Таблиці 8. (1) Болти та гайки високої міцності при розтяТаблиця 8 ганні та (інструменти механічної фіксації) Співвідношення між середнім діаметром часЯк правило, мартенситні чи феритні сталеві тки D та величиною твердості за Вікерсом Hv матеріали часто використовуються для виготоваустенітної сталі (ефект МС по зменшенню крислення болтів високої міцності та інструментів металічних зерен) ханічної фіксації, але якщо на такі матеріали впливати силою понад 70-80кг/мм2, вони стають Таблиця 8 сприйнятливими до ефекту уповільненого руйнування навіть при впливі статичної сили розтяганЗразок D(hm) Ην ня нижче межі плинності. З цієї причини, такі маА 75 000 200 теріали не використовуються для виробництва В 35 400 болтів високої міцності і матеріалів механічної фіксації, які повинні мати межу плинності при А: лист нержавіючої сталі SUS 304, виготоврозтяганні вище 70-80кг/мм2, Однак, в аустенітній лений плавленням (N - приблизно 0,035% мас), і сталі з високим вмістом азоту, згідно з винахоВ: лист сталі, отриманий методом (МС), зфодом, через наявність високої твердості, у зв'язку з 35 77107 36 тим, що її структура складається з аустеніту, нанокристалічний матеріал з стуктурою аустенітефект уповільненого руйнування, як описано виної сталі за даним винаходом, виготовлений меще, не спостерігається. Отже, через наявність тодом екструзії, може бути використаний для цих властивостей, описаних вище, нанокристалічний цілей без додаткової спеціальної обробки. матеріал з структурою аустенітної сталі, згідно з Зубчаті передачі, виготовлені з нановинаходом, може бути використаний як для викристалічної аустенітної сталі, можуть використоробництва болтів високої міцності і матеріалів вуватися в більш широкому температурному діамеханічної фіксації, так і деталей літаків і автопазоні в порівнянні зі звичайними , поверхні яких мобілів, при цьому їх вага може бути значно змевиготовлені з мартенситу. ншена. (5) Інструменти для гарячої обробки і екстру(2) Куленепробивні сталеві листи і куленепзії. робивні жилети. Зміцнені та загартовані матеріали часто виЯк відомо, вага куленепробивного жилету, що користовуються для виготовлення високотемпевикористовується для військових , досягає 40ратурних ріжучих інструментів. Наприклад, висо50кг. Крім того, цей жилет повинен мати надзвикошвидкісні ріжучі сталеві інструменти на чайно високі експлуатаційні характеристики ; у молібденовій основі мають властивості ставати цифрах межа міцності повинна бути 250кг/мм2, і м'якшими при температурі вищій 400°С, внасліподовження 5-10%. Однак, жоден з матеріалів, док того, що структура такого матеріалу складащо зараз застосовуються, не має таких властиється з загартованої фази мартенситу, яка стає востей. нестабільною при підвищені температури. Однак, (3) Підшипники. нано-кристалічна аустенітна сталь з високим вміБільшість сталевих матеріалів, що викорисстом азоту згідно з винаходом може з успіхом товуються для виготовлення підшипників, мають використовуватися для виробництва інструментів відносно вузький температурний діапазон через для гарячої обробки, тому що її структура має нестійкість структури мартенситу, що формує стійку фазу. структуру фрикційних і несучих частин. Однак, Нано-кристалічна аустенітна сталь з високим аустенітна сталь згідно з винаходом може виковмістом азоту згідно з винаходом може також ристовуватися в більш широкому температурнобільш ефективно використовуватися для інструму діапазоні, наприклад, до температури близько ментів екструзії, які в процесі використання за600°С, ніж матеріали, які використовувалися разнають значних теплових навантажень. ніше, через відсутність різкого падіння міцності та (6) Медичні інструменти та ін. твердості в високотемпературному режимі. У Європі й Америці використання аустенітної Необхідно відзначити що, коли аустенітна сталі такої, як хромонікелева сталь SUS 304 у сталь з високою місткістю азоту даного винаходу, сфері, пов'язаною з людиною, заборонено, внавикористовується для частин підшипників, що слідок можливих проблем через утворення неверухаються, кількість використовуваного матеріаликої кількості іонів нікелю в процесі використанлу може бути значно зменшена через його власня, що може спричинити запалення шкіри. Тому з тивості міцності, при цьому може заощаджуватиаустенітних сталей, які не містять нікелю, привеся не тільки сам використовуваний матеріал, але ртає увагу нержавіюча хромомарганцева аустеній електроенергія у наслідок значного зниження тна сталь з високим вмістом азоту. відцентрової сили частин підшипників, що рухаНанокристалічна хромомарганцева аустенітються. на сталь згідно з винаходом, яка має антимагнітні (4) Зубчаті передачі властивості, має також високу твердість, міцність Сталеві матеріали, що використовуються для і покращені антикорозійні якості, а також вона не виготовлення більшості зубчатих передач повинкрихка навіть при низьких температурах завдяки ні мати суперечливі властивості: зносостійкість тому, що її основою є аустенітна фаза. поверхні (поверхні голівки зубця) і міцність всеЧерез такі властивості хромомарганцева аусредині. Тому необхідна обробка поверхні для тенітна сталь згідно з винаходом, про яку зазнанадання додаткової твердості і доводиться покчається вище, що має антимагнітні властивості, ладатися на складні технології, які включають, може стати перспективним матеріалом для вигонаприклад, цементацію поверхні голівки зубця та товлення хірургічних ножів , медичних низькотезміцнювання і відпуск. Тому такі матеріали підмпературних інструментів, інструментів з гостридаються спеціальній обробці, шляхом обробки ми краями таких, як універсальні ножі і ножиці, вуглецем поверхні інструменту, що посилює міцінструментів типу свердл тощо. ність і твердість. У той же час, міцний надтвердий 37 77107 38 39 Комп’ютерна верстка В. Мацело 77107 Підписне 40 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП ―Український інститут промислової власності‖, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601