一種含氮/高氮不銹鋼制品及其制備方法

專利名稱：一種含氮/高氮不銹鋼制品及其制備方法
技術領域：
本發明屬于粉末冶金領域，特別涉及一種粉末冶金含氮/高氮不銹鋼 制品及其制備方法。
背景技術：
20世紀30年代及40年代后期，鎳資源的緊缺刺激了以氮代鎳制備 不銹鋼的研究。研究者發現，氮不僅能提高鋼材料的強度，而且對提高 材料的耐蝕性，尤其是耐氯離子點腐蝕方面也有重要影響。高氮不銹鋼 的制備工藝主要有加壓感應熔煉、熱等靜壓熔煉、高壓等離子熔煉、 加壓電渣熔煉、反壓鑄造、電渣加熱-高壓滲氮、粉末冶金等。同熔煉 高氮不銹鋼相比，粉末冶金法制備高氮不銹鋼具有眾多優點，例如獲得 均勻化學成分及微觀結構，可以在不同階段添加氮，具有達到很高氮含 量的可能性、工藝靈活等優點。因此，此方法正被廣泛應用于含氮/高氮 不銹鋼的研究。
目前，粉末冶金制備含氮/高氮不銹鋼粉末的主要方法有高壓氮氣 熔煉-氮氣霧化法；流化床滲氮法；機械合金化法等。在獲得舍氮/高氮 不銹鋼后，關鍵的一步是粉末的成形，由于高氮不銹鋼粉末表面覆蓋有 硬度較大的氮化物，阻礙了壓制過程中粉末顆粒的變形，從而使含氮/高
氮不銹鋼粉末的成形性和燒結性變差。
在制備粉末冶金舍氮/高氮不銹鋼中所使用的粉末成形方法主要包
括
(1) 注射成形法例如，Rawers等運用粉末注射成形技術制出含 氮的316L不4秀鋼(Rawers J.， Croydon F., KrabbeR.， Duttinger N. Tensile Characteristics of Nitrogen Enhanced Powder injection Moulded 316L Stainless Steel. Powder Metallurgy, 1996,39:125-129)。
(2) 熱擠壓法Simmons等人將一定量的含氮粉末裝在一定尺寸 的碳鋼鋼管內壓實、干燥，然后把鋼管加熱到與高氮鋼固溶熱處理相應 的溫度。保溫一段時間后，在一定擠壓力下熱擠壓到所需要尺寸，結束 后進行熱處理(Simmons J.W., Kemp W.E.， Dunning J.S. The P/M Processing of High-Nitrogen Stainless Steel. JOM, 1996(4):20 )。
(3) 粉末鍛軋法瑞典ASP公司利用粉末鍛軋技術制成性能十分 優異的高氮高速鋼，并投入生產(瑞典ASP公司內部資料)。
(4) 爆炸成形法周杣棟等利用爆炸成形法制M氮35CrMoV鋼 (周燦棟.高氮35CrMoV鋼的制備和研究[D].上海上海大學出版社，
2002: 52.)。
(5) 熱等靜壓法:美國Crucible公司采用此法生產了粉末冶金高氮 不銹鋼材料，其所采用的工藝參數為1130°C, 100MPa,保溫4小時
(G.O.Rhodes, W.B.Eisen. "High Nitrogen Corrosion Resistant Austenitic Stainless Steels Produced by HIP P/M Processing," Materials Science Forum 1999: 635-648.)。
上述方法對于高氮不銹鋼粉末的成形，均存在一些缺點。注射成形
法缺點是對粉末的流動性、顆粒尺寸要求嚴格，粉末中氮含量不易控 制，容易引起滲氮或脫氮，樣品致密性差；熱擠壓缺點是能耗高、樣品 尺寸小，無法制備含有凹形、空心等復雜形狀的制品；粉末鍛軋法缺點 是一般只用于生產板帶材且帶材厚度一般不超過10mm,無法生產大尺 寸、形狀復雜樣品；爆炸成形法缺點是產業化困難。
熱等靜壓法便于大規模工業化生產，但不同的熱等靜壓工藝參數將
對高氮不銹鋼的性能及組織產生影響，其中工藝參數主要包括燒結溫度、 燒結壓力及保溫時間。美國Crucible公司采用熱等靜壓法制備高氮不銹 鋼材料時存在燒結溫度低、燒結壓力低和保溫時間長等問題。
因此，適合的熱等靜壓工藝參數既能使高氮不銹鋼獲得良好的力學 及微觀組織，同時也能提高生產效率，降低生產成本，從而使高氮不銹 鋼產品更具竟爭力；但是，在現有技術中還沒有公開這樣一種熱等靜壓 法制備高氮不銹鋼的工藝。

發明內容
本發明的一個目的是得到一種粉末冶金含氮/高氮不銹鋼制品的制備 方法，采用熱等靜壓工藝，可以解決含氮/高氮不銹鋼粉末成形困難、氮 含量不易控制、制品致密性差、尺寸小、產業化困難、生產效率低的缺 點。
本發明的另一目的在于得到上述方法制備的粉末冶金含氮/高氮不銹 鋼制品。
為了達到上述目的，本發明是這樣實現的
本發明的一個方面是得到一種含氮/高氮不銹鋼制品的制備方法， 采用熱等靜壓工藝，包括以下步驟稱取含氮/高氮不銹鋼粉末、不銹 鋼粉末裝入包套、脫氣、熱等靜壓，其中
含氮/高氮不銹鋼粉末的顆粒小于或等于250(xm;
脫氣至最終包套內真空度>10—3Pa;
將脫氣焊封的包套冷裝入熱等靜壓缸體內進行熱等靜壓，燒結溫度 為1135- 1400°C,燒結壓力為110-190MPa，保溫時間為0.5 3h;
該含氮/高氮不銹鋼粉末的化學成分按照質量百分比為Cr 20.0 ~ 30, Mn 0.1 — 10, Mo 0.1—6, Si0.1~1.0， N 0.4 — 1.5， Ni5~25,其余為Fe 和不可避免的雜質。
所述不銹鋼制品至少具有以下性能之一氮含量為0.76%，致密度 299.9%,抗拉強度為980~ 1040MPa,屈服強度為625 -675 MPa,延 伸率為28.5-49.0%,斷面收縮率為27.5-60.0%,沖擊功為24 89J。
所述脫氣分二步進行第一步，將包套置于室溫脫氣,真空度》Opa; 第二步，脫氣溫度為100~800°C,真空度210-3pa。
熱等靜壓中的壓力介質為氦氣或氬氣。
所述不銹鋼粉末的顆粒小于或等于178fim。
金屬包套采用的金屬是低碳鋼、不銹鋼、鎳或鉬。
本發明的另 一方面是得到一種含氮/高氮不銹鋼制品，采用熱等靜 壓工藝制備，包括稱取含氮/高氮不銹鋼粉末、不銹鋼粉末裝入包套、
脫氣、熱等靜壓步驟，其中
含氮/高氮不《秀鋼粉末的顆粒小于或等于25(Him; 脫氣至最終包套內真空度210-￥3;
將脫氣焊封的包套冷裝入熱等靜壓缸體內進行熱等靜壓，溫度為 1135~ 1400°C,壓力為110~ 190MPa,保溫時間為0.5-3h;
該含氮/高氮不銹鋼粉末的化學成分按照質量百分比為Cr 20.0 ~ 30， Mn0.1~10, Mo 0.1 ~6, Si 0.1-1.0, N 0.4—1.5, Ni5~25,其余為Fe 和不可避免的雜質。
所述不銹鋼制品至少具有以下性能之一氮含量為0.76%,致密度 299.9%,抗拉強度為980- 1040MPa,屈服強度為625 ~ 675 MPa，延 伸率為28.5-49.0%，斷面收縮率為27.5 ~ 60.0%,沖擊功為24 89J。
所述脫氣分二步進行第一步，將包套置于室溫脫氣,真空度:KOpa; 第二步，將包套加熱至100 800。C脫氣，真空度^10-spa。
熱等靜壓中的壓力介質為氦氣或氬氣。
所述不銹鋼粉末的顆粒小于或等于178(am。
金屬包套采用的金屬是低碳鋼、不銹鋼、鎳或鉬。
本發明原理是以含氮/高氮不銹鋼粉末為原材料，粉末體在等靜壓 高壓容器內同一時間經受高溫和高壓的聯合作用，強化了壓制與燒結過 程，降低了制品的燒結溫度，改善了制品的晶粒結構，消除了材料內部 顆粒間的缺陷和孔隙，提高了材料的致密度和強度。
具體操作工藝是計算含氮/高氮不銹鋼的理論密度，選取小于等于
250nm的含氮/高氮不銹鋼粉末，計算震實密度，根據理論密度、震實密 度、最終制品尺寸設計包套尺寸，包套采用金屬包套，包括低碳鋼、不 銹鋼、鎳、鉬等，往包套中裝入含氮/高氮不銹鋼粉末并震實，焊接包套 并脫氣，最終包套真空度2l(^Pa。
為了使包套內真空度達到上述要求同時避免包套中粉末被氧化，整 個脫氣分兩步進行第一步，將包套置于室溫脫氣，真空度〉10pa,因為 在室溫下脫氣，包套中粉末不易被氧化，而當包套內真空度〉10pa時，氧 含量已很少，可避免后續包套加熱脫氣中粉末被氧化；第二步，將包套 置于溫度100-800。C脫氣，最終包套內真空度^l(^Pa，因為包套被加熱 后，內部殘余氣體發生膨脹，同時進行脫氣可使包套內殘余氣體含量進 一步降低，最終達到生產要求，真空度^10-spa。
經脫氣焊封的包套冷裝入熱等靜壓缸體內，升溫進行致密化，壓力 介質為氦氣或氬氣，工藝參數為溫度1135- 1400。C，溫度低于U35。C 材料的燒結致密度下降，高于1400。C則晶粒異常長大，同時使加工成本 提高；壓力110 190MPa，低于110MPa,材料的燒結致密度下降，高 于190MPa,對提高材料致密度是有利的，但壓力越高，設備的要求也越 高，材料制造成本大幅提高；保溫時間0.5 3h,燒結時間小于0.5h,材 料不能達到完全致密，而超過3h，則使材料晶粒長大，同時增加了能耗 降低了生產效率。經熱等靜壓致密化的產品隨爐冷卻，出爐去包套并進 行后續加工。
該含氮/高氮不銹鋼粉末的化學成分按照質量百分比為Cr 20.0 ~ 30, Mn 0.1 — 10, MoO.1—6, Si 0.1 — 1.0, N 0.4—1.5， Ni5~25,其余
為Fe和不可避免的雜質。
與現有技術相比，本發明的有益效果在于
1. 可制得致密度299.9%的含氮/高氮不銹鋼制品；
2. 與現有熱等靜壓工藝相比，通過提高燒結溫度及燒結壓力，縮短 燒結時間，從而在獲得高性能高氮不銹鋼制品的同時提高了工作效率。
具體實施例方式
以下實施例用于進一步說明本發明，而非限定其范圍。 實施例1
稱取顆粒尺寸小于或等于178拜高氮超級奧氏體不銹鋼粉末，成分 按照質量百分比為28.15Cr， 6.22Mn, 2.11Mo， 0.5Si, 0.76N, 10.12Ni, 其余為Fe和不可避免的雜質，裝入低碳鋼包套并震實，焊接包套，分兩 步脫氣第一步，將包套置于室溫脫氣，至真空度為8pa;第二步，將包 套加熱至650。C脫氣，至真空度10-spa，經脫氣焊封的包套冷裝入熱等靜 壓缸體內，升溫進行致密化，壓力介質為氬氣，工藝參數為溫度1135。C, 壓力130MPa，保溫時間3h，隨爐冷卻，出爐去包套并進行后續加工， 經檢測氮含量為0.76%，抗4立強度為980MPa,屈服強度為675MPa,延 伸率28.5%,斷面收縮率27.5%,沖擊功24J。
實施例2
粉末的準備、包套制備及脫氣同實例1,成分按照質量百分比為
25.00Cr， 5.00Mn, 2.畫o， 0.5Si， 0.76N, 10.00Ni,其余為Fe和不可 避免的雜質，工藝參數為溫度1135""C，壓力l卯MPa，保溫時間3h, 隨爐冷卻，出爐去包套并進行后續加工，經檢測氮含量為0.76%,抗拉 強度為1040MPa,屈服強度為670 MPa,延伸率47.5%,斷面收縮率50.0%， 沖擊功67J。
實施例3
粉末的準備、包套制備及脫氣同實例1，成分按照質量百分比為 20.10Cr, 5.50Mn, 1.80Mo, 0.5Si， 0.76N, 9.00Ni,其余為Fe和不可避 免的雜質，工藝參數為溫度1160。C，壓力190MPa,保溫時間3h,隨 爐冷卻，出爐去包套并進行后續加工，經檢測氮含量為0.76%,抗拉強 度為1030MPa,屈服強度為660MPa,延伸率49.0%,斷面收縮率50.5%, 沖擊功78J。
實施例4
粉末的準備、包套制備及脫氣同實例1,成分按照質量百分比為 22.00Cr, 5.20Mn, L75Mo， 0.5Si， 0.76N， 9.5Ni,其余為Fe和不可避 免的雜質，工藝參lt為溫度119(TC,壓力190MPa,保溫時間3h,隨 爐冷卻，出爐去包套并進行后續加工，經檢測氮含量為0.76%,抗拉強 度為985MPa，屈服強度為625MPa，延伸率46.5%,斷面收縮率60.0%， 沖擊功89J。
權利要求
1.一種含氮/高氮不銹鋼制品的制備方法，采用熱等靜壓工藝，包括以下步驟稱取含氮/高氮不銹鋼粉末、不銹鋼粉末裝入包套、脫氣、熱等靜壓，其特征在于含氮/高氮不銹鋼粉末的顆粒小于或等于250μm；脫氣至最終包套內真空度≥10-3Pa；將脫氣焊封的包套冷裝入熱等靜壓缸體內進行熱等靜壓，燒結溫度為1135～1400℃，燒結壓力為110～190MPa，保溫時間為0.5～3h；該含氮/高氮不銹鋼粉末的化學成分按照質量百分比為Cr 20.0～30，Mn 0.1～10，Mo 0.1～6，Si 0.1～1.0，N 0.4～1.5，Ni 5～25，其余為Fe和不可避免的雜質。
2. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述不銹鋼制 品至少具有以下性能之一氮含量為0.76%,致密度^99.9%，抗拉強 度為980- 1040MPa，屈服強度為625 -675 MPa,延伸率為28.5-49.0%，斷面收縮率為27.5 ~ 60.0%,沖擊功為24 ~ 89J。
3. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述脫氣分二 步進行第一步，將包套置于室溫脫氣，真空度M0pa;第二步，脫氣 溫度為100~800°C,真空度^10'3pa。
4. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于熱等靜壓中的 壓力介質為氦氣或氬氣。
5. 根據權利要求1至4任一所述的制備方法，其特征在于所述 不銹鋼粉末的顆粒小于或等于178阿。
6. 根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于金屬包套采用 的金屬是低碳鋼、不銹鋼、鎳或鉬。
7. —種含氮/高氮不銹鋼制品，采用熱等靜壓工藝制備，包括稱取 含氮/高氮不銹鋼粉末、不銹鋼粉末裝入包套、脫氣、熱等靜壓步驟， 其特征在于含氮/高氮不銹鋼粉末的顆粒小于或等于250pm; 脫氣至最終包套內真空度^l(^Pa;將脫氣焊封的包套冷裝入熱等靜壓缸體內進行熱等靜壓，溫度為 1135~ 1400°C,壓力為110-190MPa,保溫時間為0.5 3h;該含氮/高氮不銹鋼粉末的化學成分按照質量百分比為Cr 20.0-30， Mn0.1~10, Mo 0.1 ~ 6, Si 0.1 ~ 1.0, N 0.4 ~ 1.5, Ni5~25，其余 為Fe和不可避免的雜質。
8. 根據權利要求7所述的不銹鋼制品，所述不銹鋼制品至少具有 以下性能之一氮含量為0.76%,致密度^99.9%,抗拉強度為980~1040MPa，屈服強度為625 ~675 MPa，延伸率為28.5 ~49.0%,斷面收 縮率為27.5 ~ 60.0%，沖擊功為24 ~ 89J。
9. 根據權利要求7所述的不銹鋼制品，，其特征在于所述脫氣分 二步進行第一步，將包套置于室溫脫氣，真空度MOpa;第二步，將 包套加熱至100 80(TC脫氣，真空度^10-spa。
10. 根據權利要求7所述的不銹鋼制品，其特征在于熱等靜壓中 的壓力介質為氦氣或氬氣。
11. 根據權利要求7所述的不銹鋼制品，其特征在于所述不銹鋼 粉末的顆粒小于或等于17^m。
12. 根據權利要求7所述的不銹鋼制品，其特征在于金屬包套采 用的金屬是低碳鋼、不銹鋼、鎳或鉬。
全文摘要
本發明屬于粉末冶金領域，特別是涉及一種含氮/高氮不銹鋼制品及其制備方法。本發明采用熱等靜壓工藝，包括以下步驟稱取含氮/高氮不銹鋼粉末、不銹鋼粉末裝入包套、脫氣、熱等靜壓，其中含氮/高氮不銹鋼粉末的顆粒小于或等于250μm；脫氣至最終包套內真空度≥10^-3Pa；將脫氣焊封的包套冷裝入熱等靜壓缸體內進行熱等靜壓，燒結溫度為1135～1400℃，燒結壓力為110～190MPa，保溫時間為0.5～3h；該含氮/高氮不銹鋼粉末的化學成分按照質量百分比為Cr 20.0～30，Mn 0.1～10，Mo 0.1～6，Si 0.1～1.0，N 0.4～1.5，Ni 5～25，其余為Fe和不可避免的雜質。采用上述方法制備的不銹鋼制品晶粒細小，且消除了材料內部顆粒間的缺陷和孔隙，提高了材料的致密度和強度。
文檔編號C22C1/04GK101338385SQ20081011909
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月29日 優先權日2008年8月29日
發明者況春江, 星 匡, 曹勇家, 泉 李, 王學兵, 程東凱, 鐘海林, 麻宏秋 申請人:安泰科技股份有限公司