CN101338385A

CN101338385A - 一种含氮/高氮不锈钢制品及其制备方法

Info

Publication number: CN101338385A
Application number: CNA200810119092XA
Authority: CN
Inventors: 况春江; 李泉; 钟海林; 匡星; 程东凯; 麻宏秋; 王学兵; 曹勇家
Original assignee: Advanced Technology and Materials Co Ltd
Current assignee: Advanced Technology and Materials Co Ltd
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2009-01-07

Abstract

本发明属于粉末冶金领域，特别是涉及一种含氮/高氮不锈钢制品及其制备方法。本发明采用热等静压工艺，包括以下步骤：称取含氮/高氮不锈钢粉末、不锈钢粉末装入包套、脱气、热等静压，其中：含氮/高氮不锈钢粉末的颗粒小于或等于250μm；脱气至最终包套内真空度≥10^－3Pa；将脱气焊封的包套冷装入热等静压缸体内进行热等静压，烧结温度为1135～1400℃，烧结压力为110～190MPa，保温时间为0.5～3h；该含氮/高氮不锈钢粉末的化学成分按照质量百分比为：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，其余为Fe和不可避免的杂质。采用上述方法制备的不锈钢制品晶粒细小，且消除了材料内部颗粒间的缺陷和孔隙，提高了材料的致密度和强度。

Description

一种含氮/高氮不锈钢制品及其制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金领域，特别涉及一种粉末冶金含氮/高氮不锈钢制品及其制备方法。

背景技术

20世纪30年代及40年代后期，镍资源的紧缺刺激了以氮代镍制备不锈钢的研究。研究者发现，氮不仅能提高钢材料的强度，而且对提高材料的耐蚀性，尤其是耐氯离子点腐蚀方面也有重要影响。高氮不锈钢的制备工艺主要有：加压感应熔炼、热等静压熔炼、高压等离子熔炼、加压电渣熔炼、反压铸造、电渣加热-高压渗氮、粉末冶金等。同熔炼高氮不锈钢相比，粉末冶金法制备高氮不锈钢具有众多优点，例如获得均匀化学成分及微观结构，可以在不同阶段添加氮，具有达到很高氮含量的可能性、工艺灵活等优点。因此，此方法正被广泛应用于含氮/高氮不锈钢的研究。

目前，粉末冶金制备含氮/高氮不锈钢粉末的主要方法有：高压氮气熔炼-氮气雾化法；流化床渗氮法；机械合金化法等。在获得含氮/高氮不锈钢后，关键的一步是粉末的成形，由于高氮不锈钢粉末表面覆盖有硬度较大的氮化物，阻碍了压制过程中粉末颗粒的变形，从而使含氮/高氮不锈钢粉末的成形性和烧结性变差。

在制备粉末冶金含氮/高氮不锈钢中所使用的粉末成形方法主要包括：

(1)注射成形法：例如，Rawers等运用粉末注射成形技术制出含氮的316L不锈钢(Rawers J.，Croydon F.，Krabbe R.，Duttinger N.TensileCharacteristics of N itrogen Enhanced Powder Injection Moulded 316LStainless Steel.Powder Metallurgy，1996，39：125-129)。

(2)热挤压法：Simmons等人将一定量的含氮粉末装在一定尺寸的碳钢钢管内压实、干燥，然后把钢管加热到与高氮钢固溶热处理相应的温度。保温一段时间后，在一定挤压力下热挤压到所需要尺寸，结束后进行热处理(Simmons J.W.，Kemp W.E.，Dunning J.S.The P/MProcessing of High-Nitrogen Stainless Steel.JOM，1996(4)：20)。

(3)粉末锻轧法：瑞典ASP公司利用粉末锻轧技术制成性能十分优异的高氮高速钢，并投入生产(瑞典ASP公司内部资料)。

(4)爆炸成形法：周灿栋等利用爆炸成形法制备含氮35CrMoV钢(周灿栋.高氮35CrMoV钢的制备和研究[D].上海：上海大学出版社，2002：52.)。

(5)热等静压法：美国Crucible公司采用此法生产了粉末冶金高氮不锈钢材料，其所采用的工艺参数为1130℃，100MPa，保温4小时(G.O.Rhodes，W.B.Eisen.“High Nitrogen Corrosion Resistant AusteniticStainless Steels Produced by HIP P/M Processing，”Materials Science Forum1999：635-648.)。

上述方法对于高氮不锈钢粉末的成形，均存在一些缺点。注射成形法缺点是：对粉末的流动性、颗粒尺寸要求严格，粉末中氮含量不易控制，容易引起渗氮或脱氮，样品致密性差；热挤压缺点是能耗高、样品尺寸小，无法制备含有凹形、空心等复杂形状的制品；粉末锻轧法缺点是一般只用于生产板带材且带材厚度一般不超过10mm，无法生产大尺寸、形状复杂样品；爆炸成形法缺点是产业化困难。

热等静压法便于大规模工业化生产，但不同的热等静压工艺参数将对高氮不锈钢的性能及组织产生影响，其中工艺参数主要包括烧结温度、烧结压力及保温时间。美国Crucible公司采用热等静压法制备高氮不锈钢材料时存在烧结温度低、烧结压力低和保温时间长等问题。

因此，适合的热等静压工艺参数既能使高氮不锈钢获得良好的力学及微观组织，同时也能提高生产效率，降低生产成本，从而使高氮不锈钢产品更具竞争力；但是，在现有技术中还没有公开这样一种热等静压法制备高氮不锈钢的工艺。

发明内容

本发明的一个目的是得到一种粉末冶金含氮/高氮不锈钢制品的制备方法，采用热等静压工艺，可以解决含氮/高氮不锈钢粉末成形困难、氮含量不易控制、制品致密性差、尺寸小、产业化困难、生产效率低的缺点。

本发明的另一目的在于得到上述方法制备的粉末冶金含氮/高氮不锈钢制品。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

本发明的一个方面是得到一种含氮/高氮不锈钢制品的制备方法，采用热等静压工艺，包括以下步骤：称取含氮/高氮不锈钢粉末、不锈钢粉末装入包套、脱气、热等静压，其中：

含氮/高氮不锈钢粉末的颗粒小于或等于250μm；

脱气至最终包套内真空度≥10^-3Pa；

将脱气焊封的包套冷装入热等静压缸体内进行热等静压，烧结温度为1135～1400℃，烧结压力为110～190MPa，保温时间为0.5～3h；

该含氮/高氮不锈钢粉末的化学成分按照质量百分比为：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，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述不锈钢制品至少具有以下性能之一：氮含量为0.76％，致密度≥99.9％，抗拉强度为980～1040MPa，屈服强度为625～675MPa，延伸率为28.5～49.0％，断面收缩率为27.5～60.0％，冲击功为24～89J。

所述脱气分二步进行：第一步，将包套置于室温脱气，真空度＞10pa；第二步，脱气温度为100～800℃，真空度≥10^-3Pa。

热等静压中的压力介质为氦气或氩气。

所述不锈钢粉末的颗粒小于或等于178μm。

金属包套采用的金属是低碳钢、不锈钢、镍或钼。

本发明的另一方面是得到一种含氮/高氮不锈钢制品，采用热等静压工艺制备，包括称取含氮/高氮不锈钢粉末、不锈钢粉末装入包套、脱气、热等静压步骤，其中：

含氮/高氮不锈钢粉末的颗粒小于或等于250μm；

脱气至最终包套内真空度≥10^-3Pa；

将脱气焊封的包套冷装入热等静压缸体内进行热等静压，温度为1135～1400℃，压力为110～190MPa，保温时间为0.5～3h；

所述脱气分二步进行：第一步，将包套置于室温脱气，真空度＞10pa；第二步，将包套加热至100～800℃脱气，真空度≥10^-3Pa。

热等静压中的压力介质为氦气或氩气。

所述不锈钢粉末的颗粒小于或等于178μm。

金属包套采用的金属是低碳钢、不锈钢、镍或钼。

本发明原理是：以含氮/高氮不锈钢粉末为原材料，粉末体在等静压高压容器内同一时间经受高温和高压的联合作用，强化了压制与烧结过程，降低了制品的烧结温度，改善了制品的晶粒结构，消除了材料内部颗粒间的缺陷和孔隙，提高了材料的致密度和强度。

具体操作工艺是：计算含氮/高氮不锈钢的理论密度，选取小于等于250μm的含氮/高氮不锈钢粉末，计算震实密度，根据理论密度、震实密度、最终制品尺寸设计包套尺寸，包套采用金属包套，包括低碳钢、不锈钢、镍、钼等，往包套中装入含氮/高氮不锈钢粉末并震实，焊接包套并脱气，最终包套真空度≥10^-3Pa。

为了使包套内真空度达到上述要求同时避免包套中粉末被氧化，整个脱气分两步进行：第一步，将包套置于室温脱气，真空度＞10pa，因为在室温下脱气，包套中粉末不易被氧化，而当包套内真空度＞10pa时，氧含量已很少，可避免后续包套加热脱气中粉末被氧化；第二步，将包套置于温度100～800℃脱气，最终包套内真空度≥10^-3Pa，因为包套被加热后，内部残余气体发生膨胀，同时进行脱气可使包套内残余气体含量进一步降低，最终达到生产要求，真空度≥10^-3Pa。

经脱气焊封的包套冷装入热等静压缸体内，升温进行致密化，压力介质为氦气或氩气，工艺参数为：温度1135～1400℃，温度低于1135℃材料的烧结致密度下降，高于1400℃则晶粒异常长大，同时使加工成本提高；压力110～190MPa，低于110MPa，材料的烧结致密度下降，高于190MPa，对提高材料致密度是有利的，但压力越高，设备的要求也越高，材料制造成本大幅提高；保温时间0.5～3h，烧结时间小于0.5h，材料不能达到完全致密，而超过3h，则使材料晶粒长大，同时增加了能耗降低了生产效率。经热等静压致密化的产品随炉冷却，出炉去包套并进行后续加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.可制得致密度≥99.9％的含氮/高氮不锈钢制品；

2.与现有热等静压工艺相比，通过提高烧结温度及烧结压力，缩短烧结时间，从而在获得高性能高氮不锈钢制品的同时提高了工作效率。

具体实施方式

以下实施例用于进一步说明本发明，而非限定其范围。

实施例1

称取颗粒尺寸小于或等于178μm高氮超级奥氏体不锈钢粉末，成分按照质量百分比为：28.15Cr，6.22Mn，2.11Mo，0.5Si，0.76N，10.12Ni，其余为Fe和不可避免的杂质，装入低碳钢包套并震实，焊接包套，分两步脱气：第一步，将包套置于室温脱气，至真空度为8pa；第二步，将包套加热至650℃脱气，至真空度10^-3Pa，经脱气焊封的包套冷装入热等静压缸体内，升温进行致密化，压力介质为氩气，工艺参数为：温度1135℃，压力130MPa，保温时间3h，随炉冷却，出炉去包套并进行后续加工，经检测氮含量为0.76％，抗拉强度为980MPa，屈服强度为675MPa，延伸率28.5％，断面收缩率27.5％，冲击功24J。

实施例2

粉末的准备、包套制备及脱气同实例1，成分按照质量百分比为：25.00Cr，5.00Mn，2.10Mo，0.5Si，0.76N，10.00Ni，其余为Fe和不可避免的杂质，工艺参数为：温度1135℃，压力190MPa，保温时间3h，随炉冷却，出炉去包套并进行后续加工，经检测氮含量为0.76％，抗拉强度为1040MPa，屈服强度为670MPa，延伸率47.5％，断面收缩率50.0％，冲击功67J。

实施例3

粉末的准备、包套制备及脱气同实例1，成分按照质量百分比为：20.10Cr，5.50Mn，1.80Mo，0.5Si，0.76N，9.00Ni，其余为Fe和不可避免的杂质，工艺参数为：温度1160℃，压力190MPa，保温时间3h，随炉冷却，出炉去包套并进行后续加工，经检测氮含量为0.76％，抗拉强度为1030MPa，屈服强度为660MPa，延伸率49.0％，断面收缩率50.5％，冲击功78J。

实施例4

粉末的准备、包套制备及脱气同实例1，成分按照质量百分比为：22.00Cr，5.20Mn，1.75Mo，0.5Si，0.76N，9.5Ni，其余为Fe和不可避免的杂质，工艺参数为：温度1190℃，压力190MPa，保温时间3h，随炉冷却，出炉去包套并进行后续加工，经检测氮含量为0.76％，抗拉强度为985MPa，屈服强度为625MPa，延伸率46.5％，断面收缩率60.0％，冲击功89J。

Claims

1.一种含氮/高氮不锈钢制品的制备方法，采用热等静压工艺，包括以下步骤：称取含氮/高氮不锈钢粉末、不锈钢粉末装入包套、脱气、热等静压，其特征在于：

含氮/高氮不锈钢粉末的颗粒小于或等于250μm；

脱气至最终包套内真空度≥10^-3Pa；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述不锈钢制品至少具有以下性能之一：氮含量为0.76％，致密度≥99.9％，抗拉强度为980～1040MPa，屈服强度为625～675MPa，延伸率为28.5～49.0％，断面收缩率为27.5～60.0％，冲击功为24～89J。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述脱气分二步进行：第一步，将包套置于室温脱气，真空度＞10pa；第二步，脱气温度为100～800℃，真空度≥10^-3Pa。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：热等静压中的压力介质为氦气或氩气。

5.根据权利要求1至4任一所述的制备方法，其特征在于：所述不锈钢粉末的颗粒小于或等于178μm。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：金属包套采用的金属是低碳钢、不锈钢、镍或钼。

7.一种含氮/高氮不锈钢制品，采用热等静压工艺制备，包括称取含氮/高氮不锈钢粉末、不锈钢粉末装入包套、脱气、热等静压步骤，其特征在于：

含氮/高氮不锈钢粉末的颗粒小于或等于250μm；

脱气至最终包套内真空度≥10^-3Pa；

8.根据权利要求7所述的不锈钢制品，所述不锈钢制品至少具有以下性能之一：氮含量为0.76％，致密度≥99.9％，抗拉强度为980～1040MPa，屈服强度为625～675MPa，延伸率为28.5～49.0％，断面收缩率为27.5～60.0％，冲击功为24～89J。

9.根据权利要求7所述的不锈钢制品，，其特征在于：所述脱气分二步进行：第一步，将包套置于室温脱气，真空度＞10pa；第二步，将包套加热至100～800℃脱气，真空度≥10^-3Pa。

10.根据权利要求7所述的不锈钢制品，其特征在于：热等静压中的压力介质为氦气或氩气。

11.根据权利要求7所述的不锈钢制品，其特征在于：所述不锈钢粉末的颗粒小于或等于178μm。

12.根据权利要求7所述的不锈钢制品，其特征在于：金属包套采用的金属是低碳钢、不锈钢、镍或钼。