CN103820730A - 一种高性能粉末冶金不锈钢及其制备方法 - Google Patents

一种高性能粉末冶金不锈钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能粉末冶金不锈钢，以重量百分比计的组成成分为：316L奥氏体不锈钢92.5-97.0%、FeB0.5-1.5%、FeMo601-3%、TiC1-3%，制备方法为将原料进行混料、球磨、压制成型、脱脂、真空烧结，得到高性能粉末冶金不锈钢。通过上述方式，本发明的高性能粉末冶金不锈钢及其制备方法，加入烧结助剂和强化相，使致密度得到极大的提高，具有极佳的耐腐蚀性、抗氧化性、较佳的综合力学性能，能用于制造承受一定负荷及对耐腐蚀性和抗氧化性有较高要求的设备或部件，在机械、化工、石油、海洋、轻工等多种领域广泛应用。

Description

一种高性能粉末冶金不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种高性能粉末冶金不锈钢及其制备方法。 
背景技术
不锈钢是一种耐腐蚀介质腐蚀的钢，能够抗氧化，具有较高的强度、韧性、抗冲击性等力学性能和无磁性、淬硬性等特点，因而在汽车、水利、环保和建筑等工业部门及日常生活中得到了广泛应用，为近代工业的发展和科技进步奠定了重要物质技术基础。不锈钢一般采用熔炼法生产，但由其制造的零件切削加工困难、尺寸精度差、表面粗糙，且形状上受一定限制，易产生元素偏析，有缩孔、砂眼等缺点。在20世纪70年代，人们开始采用雾化法制取不锈钢预合金粉末，进而利用粉末冶金技术制备出高性能的不锈钢。粉末冶金不锈钢具有良好的力学、物理和化学性能，与传统熔炼技术生产的不锈钢相比，因具有烧结温度低、接近净成型、尺寸精度高、材料利用率高、组织结构均匀等优点，使其在生产应用中具有较大优势，已广泛应用于机械、化工、船舶、汽车、仪器仪表等行业。 
但同时由于粉末冶金不锈钢内部存在孔隙，其力学性能和耐腐蚀性都不及致密不锈钢，从而较大地限制了其应用。下表列出了典型粉末冶金不锈钢的化学成分，其中化学成分为重量百分比： 
Figure 2013105540497100002DEST_PATH_IMAGE002
下表列出了典型粉末冶金不锈钢的物理和力学性能，其中L代表较低，M代表中等，H代表较高：
下表列出了典型粉末冶金不锈钢的耐腐蚀性能，其中耐蚀性是粉末冶金不锈钢在水中浸泡24h的生锈情况表示的：
Figure 2013105540497100002DEST_PATH_IMAGE006
。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种高性能粉末冶金不锈钢及其制备方法，能得到具有极佳的耐腐蚀性、抗氧化性、较佳的综合力学性能的高性能粉末冶金不锈钢。 
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种高性能粉末冶金不锈钢，以重量百分比计的组成成分为：316L奥氏体不锈钢 92.5-97.0%、FeB 0.5-1.5%、FeMo60 1-3%、TiC 1-3%。 
在本发明一个较佳实施例中，所述的高性能粉末冶金不锈钢以重量百分比计的组成成分为：316L奥氏体不锈钢 95.5%、FeB 1%、FeMo60 2%、TiC 1.5%。 
在本发明一个较佳实施例中，所述FeMo60中Mo的重量百分比为59-61%。 
在本发明一个较佳实施例中，所述高性能粉末冶金不锈钢的制备方法包括步骤为：将原料316L奥氏体不锈钢、FeB、FeMo60和TiC进行混料、球磨、压制成型、脱脂、真空烧结，得到高性能粉末冶金不锈钢。 
在本发明一个较佳实施例中，所述混料和球磨在球磨机中进行，所述球磨机的转速为160-200 rpm，所述球磨时间为3-6小时。 
在本发明一个较佳实施例中，所述原料还包括硬脂酸锌，所述硬脂酸锌和所述316L奥氏体不锈钢、FeB、FeMo60、TiC总质量的质量比为0.6:100。 
在本发明一个较佳实施例中，所述压制的压力为600-750MPa。 
在本发明一个较佳实施例中，所述脱脂的过程是在真空度高于10Pa的真空炉中进行的，升温过程为在室温到400℃之间的升温速度为0.7-1.0℃/min，在400℃-550℃之间的升温速度为1.5-2.0℃/min，在550℃下保温60-80min。 
在本发明一个较佳实施例中，所述真空烧结的过程是在真空度高于0.1Pa的真空烧结炉中进行的，升温过程为在室温到1120℃之间的升温速度为10℃/min，在1120℃下保温60min，在1120℃到终烧温度的升温速率为5℃/min，在所述终烧温度下保温50-80min，所述终烧温度为1230-1270℃，所述真空烧结后的降温过程中的降温速度大于5℃/min。 
在本发明一个较佳实施例中，所述终烧温度为1250℃，在1250℃下保温时间为60min。 
本发明的有益效果是：本发明的高性能粉末冶金不锈钢及其制备方法，加入烧结助剂和强化相，使致密度得到极大的提高，在保持其优良的耐腐蚀性的同时，力学性能得到明显的改善，可以用于制造承受一定负荷及对耐腐蚀性和抗氧化性有较高要求的设备或部件，在机械、化工、石油、海洋、轻工等多种领域都具有广泛的应用前景。 
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。 
实施例一： 
提供一种高性能粉末冶金不锈钢，以重量百分比计的组成成分为：316L奥氏体不锈钢 92.5%、FeB 1.5%、FeMo60 3%、TiC 3%。
实施例二： 
提供一种高性能粉末冶金不锈钢，以重量百分比计的组成成分为：316L奥氏体不锈钢 94.5%、FeB 1.5%、FeMo60 3%、TiC 1%。
实施例三： 
提供一种高性能粉末冶金不锈钢，以重量百分比计的组成成分为：316L奥氏体不锈钢 95.5%、FeB 1%、FeMo60 2%、TiC 1.5%。
实施例四： 
提供一种高性能粉末冶金不锈钢，以重量百分比计的组成成分为：316L奥氏体不锈钢 97%、FeB 0.5%、FeMo60 1%、TiC 1.5%。
实施例五： 
提供一种高性能粉末冶金不锈钢的制备方法，包括步骤为：
（1）分别按照实施例一至四中的组成成分以粉末的形式配制混料，混料工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为160rpm，时间为6h，且在每100g混合粉末中加入0.6g硬脂酸锌作润滑剂，其中硬脂酸锌作为润滑剂，能减缓压制过程中粉末之间及粉末与模壁之间的摩擦，减小脱模压力和提高压坯密度；
（2）将粉末压制成型，压制成型时所用的压力为600MPa；
（3）脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在室温～400℃之间的升温速度为0.7℃/min，在400～550℃之间的升温速度为2.0℃/min，在550℃保温80min；
（4）在真空烧结炉中进行真空烧结，真空度高于0.1Pa，室温到1120℃的加热速率为10℃/min，在1120℃保温60min，1120℃～终烧温度的加热速率为5℃/min，终烧温度为1230℃，保温时间为80min，降温过程中的降温速率最好大于5℃/min。
在上述制备工艺条件下，不同成分配比的烧结不锈钢的主要性能见下表： 
实施例六：
提供一种高性能粉末冶金不锈钢的制备方法，包括步骤为：
（1）分别按照实施例一至四中的组成成分以粉末的形式配制混料，混料工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为180 rpm，时间为5 h，且在每100g混合粉末中加入0.6g硬脂酸锌作润滑剂；
（2）将粉末压制成型，压制成型时所用的压力为650MPa；
（3）脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在室温～400℃之间的升温速度为0.8℃/min，在400～550℃之间的升温速度为1.8℃/min，在550℃保温70min；
（4）在真空烧结炉中进行真空烧结，真空度高于0.1Pa，室温到1120℃的加热速率为10℃/min，在1120℃保温60min，1120℃～终烧温度的加热速率为5℃/min，终烧温度为1250℃，保温时间为70min，降温过程中的降温速率最好大于5℃/min。
在上述制备工艺条件下，不同成分配比的烧结不锈钢的主要性能见下表： 
实施例七：
提供一种高性能粉末冶金不锈钢的制备方法，包括步骤为：
（1）分别按照实施例一至四中的组成成分以粉末的形式配制混料，混料工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为200 rpm，时间为4h，且在每100g混合粉末中加入0.6g硬脂酸锌作润滑剂；
（2）将粉末压制成型，压制成型时所用的压力为700MPa；
（3）脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在室温～400℃之间的升温速度为0.9℃/min，在400～550℃之间的升温速度为1.5℃/min，在550℃保温60min；
（4）在真空烧结炉中进行真空烧结，真空度高于0.1 Pa；室温到1120℃的加热速率为10℃/min，在1120℃保温60min，1120℃～终烧温度的加热速率为5℃/min，终烧温度为1270℃，保温时间为60min，降温过程中的降温速率最好大于5℃/min。
在上述制备工艺条件下，不同成分配比的烧结不锈钢的主要性能见下表： 
实施例八：
提供一种高性能粉末冶金不锈钢的制备方法，包括步骤为：
（1）分别按照实施例一至四中的组成成分以粉末的形式配制混料，混料工序在行星式球磨机中进行，球磨机转速为200 rpm，时间为3 h，且在每100g混合粉末中加入0.6g硬脂酸锌作润滑剂；
（2）将粉末压制成型，压制成型时所用的压力为750MPa；
（3）脱脂工序在真空度高于10Pa的条件下进行，在室温～400℃之间的升温速度为1.0℃/min，在200～550℃之间的升温速度为1.5℃/min，在550℃保温60min；
（4）在真空烧结炉中进行真空烧结，真空度高于0.1 Pa，室温到1120℃的加热速率为10℃/min；在1120℃保温60min，1120℃～终烧温度的加热速率为5℃/min，终烧温度为1270℃，保温时间为50min，降温过程中的降温速率最好大于5℃/min。
在上述制备工艺条件下，不同成分配比的烧结不锈钢的主要性能见下表： 
Figure 4
研究表明，几乎所有的粉末冶金不锈钢的性能都随着密度的增大而提高，并且适量强化相的加入和形成还会进一步提高材料的力学性能。在粉末冶金316L不锈钢的基础上，加入烧结助剂和强化相，使致密度得到极大的提高，保持其优良的耐腐蚀性的同时，力学性能得到明显的改善。 
所述高性能粉末冶金不锈钢中加入了适量的的FeB和FeMo。FeB和FeMo的加入使材料在升温过程中顺序发生如下反应： 
Fe+FeB→Fe2B；
FeMo+FeB→Mo2FeB2+Fe；
FeMo+Fe2B→Mo2FeB2+3Fe；
γ-Fe+Fe2B→液相(L1)；
γ-Fe+L1+Mo2FeB2→液相（L2）+Mo2FeB2。
经过上述反应，材料在较低的烧结温度下就产生了液相，该液相会偏聚在颗粒接触区和颗粒内的晶界处。该液相对固相颗粒有较好的润湿性，使颗粒发生重排，从而使得烧结体的致密化速率快速提高。同时在晶界处原位生成了弥散分布的Mo2FeB2三元硼化物，可抑制不锈钢烧结过程中晶粒的长大，同时也起到了弥散强化的作用，因而明显提高了烧结不锈钢的致密度和力学性能。另一方面，适量TiC的加入也起到了弥散强化和抑制晶粒长大的作用，使该烧结不锈钢的力学性能进一步得以提高。 
本发明的提高烧结不锈钢性能的方法，使改性后的烧结不锈钢的致密度≥97.0%，抗拉强度σb≥470MPa，硬度HV≥200，延伸率δ10≥18%，冲击韧性αK≥55J/cm2，自腐蚀电位Ecorr≥-0.3V，测试过程中试验介质采用0.5mol/L的硫酸溶液。它具有极佳的耐腐蚀性、抗氧化性、较佳的综合力学性能，可以用于制造承受一定负荷及对耐腐蚀性和抗氧化性有较高要求的设备或部件，在机械、化工、石油、海洋、轻工等多种领域都具有广泛的应用前景。 
当高性能粉末冶金不锈钢中FeB的加入量为1.0wt.％，FeMo60加入量为2.0wt.％，TiC为1.5wt.％时，材料的致密度相对较高，材料的强化作用也相对较强，材料的抗拉强度、延伸率和冲击韧性也相对较高，其自腐蚀电位也相对较高。在制备工艺参数中，烧结温度和保温时间对性能的影响相对较大，当烧结温度为1250℃，保温时间为60min时，材料的综合力学性能和耐蚀性均相对较高。 
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。 

Claims (10)

1.一种高性能粉末冶金不锈钢，其特征在于，以重量百分比计的组成成分为：316L奥氏体不锈钢 92.5-97.0%、FeB 0.5-1.5%、FeMo60 1-3%、TiC 1-3%。
2.根据权利要求1所述的高性能粉末冶金不锈钢，其特征在于，以重量百分比计的组成成分为：316L奥氏体不锈钢 95.5%、FeB 1%、FeMo60 2%、TiC 1.5%。
3.根据权利要求1或2所述的高性能粉末冶金不锈钢，其特征在于，所述FeMo60中Mo的重量百分比为59-61%。
4.根据权利要求1所述的高性能粉末冶金不锈钢的制备方法，其特征在于，包括步骤为：将原料316L奥氏体不锈钢、FeB、FeMo60和TiC进行混料、球磨、压制成型、脱脂、真空烧结，得到高性能粉末冶金不锈钢。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述混料和球磨在球磨机中进行，所述球磨机的转速为160-200 rpm，所述球磨时间为3-6小时。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述原料还包括硬脂酸锌，所述硬脂酸锌和所述316L奥氏体不锈钢、FeB、FeMo60、TiC总质量的质量比为0.6:100。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述压制的压力为600-750MPa。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述脱脂的过程是在真空度高于10Pa的真空炉中进行的，升温过程为在室温到400℃之间的升温速度为0.7-1.0℃/min，在400℃-550℃之间的升温速度为1.5-2.0℃/min，在550℃下保温60-80min。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述真空烧结的过程是在真空度高于0.1Pa的真空烧结炉中进行的，升温过程为在室温到1120℃之间的升温速度为10℃/min，在1120℃下保温60min，在1120℃到终烧温度的升温速率为5℃/min，在所述终烧温度下保温50-80min，所述终烧温度为1230-1270℃，所述真空烧结后的降温过程中的降温速度大于5℃/min。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述终烧温度为1250℃，在1250℃下保温时间为60min。
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