CN109355547B

CN109355547B - 一种C70-TiC增强高品质不锈钢及其制备方法

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Publication number: CN109355547B
Application number: CN201811204086.4A
Authority: CN
Inventors: 刘和平; 高一波; 孙凤儿; 程少磊; 白利忠; 侯华; 裴海祥; 胡保全; 荆兴斌
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2038-10-16
Also published as: CN109355547A

Abstract

本发明公开了一种C70‑TiC增强高品质不锈钢及其制备方法，属于合金材料制造技术领域；解决了现有奥氏体不锈钢耐磨性较差、耐腐蚀性不足的问题；本发明所述不锈钢由以下质量百分含量的成分组成：Cr：18%～22%，Ni：8%～12%，N：1%～1.5%，TiC：3%～5%，C70：0.3%～1.2%，余量为Fe和不可避免的杂质；通过将Cr粉、Ni粉、氮化铬铁粉、TiC、C70和铁粉进行球磨后，再冷压制块、热压烧结，在经过反复升温降温变形处理得到；本发明所制得的超细组织不锈钢，具有高硬度、高塑韧性、高耐磨性和优异的耐腐蚀性，可以运用在塑料注射成型工业和食品工业等特殊环境下。

Description

一种C70-TiC增强高品质不锈钢及其制备方法

技术领域

本发明属于合金材料制造技术领域，特别涉及一种在特殊环境下工作的超细组织不锈钢的制备方法，所得超细组织不锈钢具有优异的耐磨性和耐腐蚀性。

背景技术

不锈钢自20世纪初被发明以来，由于其良好的性能被广泛的应用于工业化生产中，在国民经济中占有重要的地位，其中奥氏体不锈钢除了良好的耐腐蚀性能之外，其在液态空气低温下仍能保持很高的冲击韧度以及无磁性。因此，奥氏体不锈钢的应用更为广泛。随着工业化的进步，对奥氏体不锈钢的性能如强度、耐磨性和更高的耐腐蚀性提出了更高的要求。以应用在一些特殊环境下，如塑料注射成型工业和食品工业等。而通过细化晶粒的方法可以较大程度上改善奥氏体不锈钢的综合性能，目前主要采用锻造或轧制方法及随后的再结晶处理来实现晶粒的细化，但这种方法很难得到纳米或微米级的晶粒。

粉末冶金是金属及其它粉末通过加工压制成型、烧结和必要的后续处理制成机械零部件和金属制品的高新技术。由于粉末冶金可以生产通过传统铸造方法无法生产的具有特殊优异性能的材料，具有节能、高效、环保等诸多优点，近些年来已广泛应用到各个领域。并得到研究者的广泛关注。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利CN201510717109公开了一种高硬度、高塑韧性、耐点蚀的超细晶不锈钢及其制备方法，该不锈钢按质量分数计由以下组分组成：Fe：64％～70％、Cr：18～20％、Ni：7％～9％、Mo：1％～3％，其余为杂质。通过如下方法制得：1、两次机械合金化2、将机械合金化制备得到的固溶体粉末进行无气氛保护的中压烧结得到块状不锈钢；3、对得到的块材不锈钢热处理，最终得到高硬度、高塑韧性、耐点蚀的超细晶不锈钢。

专利CN201310732191公开了一种超细晶粒耐热不锈钢无缝钢管的生产工艺，各化学成分的质量比例为：C：0 .04～0 .01份；Si：≤0 .75份；Mn：≤2份；S：≤0 .015份；P：≤0.03；Ni：9～12份；Cr：17～19份；Nb：0 .8～1 .1份，然后依次通过冶炼、剥皮、热轧穿孔、冷加工变形、第一次酸洗、热固溶处理，第二次酸洗最终得到超细晶粒耐热不锈钢无缝钢管。

以上通过粉末冶金得到的超细晶不锈钢其耐摩擦性能较差，仍然不能用在一些特殊的工作环境下。通过传统铸造方法制得的超细晶不锈钢其晶粒很难达到纳米级，并且很难避免在铸造过程中所产生的缺陷如气孔、沙眼等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的奥氏体不锈钢耐磨性较差、且其耐腐蚀性不能满足在特殊环境下工作的问题，提供了一种超细组织奥氏体不锈钢的制备方法，具体为一种C70-TiC增强高品质不锈钢及其制备方法，是通过机械合金化结合粉末冶金技术的方法，最终获得超细组织奥氏体不锈钢，以改善现有奥氏体耐磨性不足的缺点，并提高其耐腐蚀性。

本发明是通过如下技术方案实现的。

一种C70-TiC增强高品质不锈钢，由以下质量百分含量的成分组成：Cr：18%～22%，Ni：8%～12%，N：1%～1.5%，TiC：3%～5%，C70：0.3%～1.2%，余量为Fe和不可避免的杂质。

一种C70-TiC增强高品质不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

a）将Cr粉、Ni粉、氮化铬铁粉、TiC和C70按以下质量百分含量称取得到原材料：Cr粉：18%～22%，Ni粉：8%～12%，氮化铬铁粉：12%～18%，TiC：3%～5%，C70：0.3%～1.2%；余量为Fe粉，使总质量达到100%。

b）将所述的原材料加入球磨罐中进行球磨得到混合粉末。

c）将所述的混合粉末冷压成预制块。

d）将预制块放入真空热压烧结炉内进行热压烧结得到不锈钢。

e）将所述的不锈钢加热至830～870℃保温0.5～1h，然后油冷，然后加热至580～620℃保温1～1.5h，冷却至室温。

f）将冷却后的不锈钢再次加热到780～880℃，进行回温慢速变形，升温速率为0.2～0.8℃/s，最终形变温度为1000～1100℃，应变量为20～50%，应变速率为0.5～2.5s^-1，然后保温1～1.5h后空冷至室温。

所述球磨的参数为：转速为300～350r/min，球料比为20:1～30:1，球磨时间为50～100h。

所述的球磨过程在氩气气氛下进行。

所述步骤c）中冷压压力为30～80Mpa。

所述的步骤d）的热压烧结温度为950～1100℃，烧结压力为40～150Mpa，烧结时间为40～60min。

所述的步骤e）中冷却至室温的方式为水冷或油冷。

本发明中，Cr是不锈钢中最基本的合金元素，具有钝化倾向，是提高钝化膜稳定性的必要元素，有助于提高耐高温耐腐蚀性、耐应力腐蚀开裂性和抗氧化性的能力。Ni作为奥氏体不锈钢的主要元素，可以细化晶粒、提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性，对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。因此在不锈钢中经常Ni与Cr配合提高抗氧化、热强性，和耐腐蚀性。N元素可以形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区，且作为固溶强化元素，在不显著改变钢的塑性和韧性的前提下提高奥氏体不锈钢的强度，并提高钢的耐腐蚀性能，尤其是抗局部腐蚀性能。TiC是非常稳定的间隙型化合物，具有类似金属的若干特性，如高的熔点、高硬度、高杨氏模量，硬度仅次于金刚石，有良好的导热和导电性、高化学稳定性、耐磨和耐腐蚀性，同时TiC与不锈钢之间具有较好的化学相容性，因此可作为不锈钢材料的增强相。富勒烯C70是一种新型的碳材料，是一种新发现的工业材质，富勒烯由于其独特的结构和化学物理性质，已对化学、物理、材料科学产生了深远的影响，在应用方面显示了诱人的前景。它的特性：硬度比钻石还硬，轫度(延展性)比钢强100倍，它能导电，导电性比铜强，重量只有铜的六分之一，它的成分是碳。

在本技术中，首次使用C70这种材料，在高能球磨过程中它能与TiC结合，生成一种固有的特殊复合结构C70-TiC，其具有类富勒烯结构的含Ti碳膜，具有类富勒烯结构特征的弯曲石墨平面均匀地镶嵌在含Ti无定型碳基体之中，这种结构具有较高的表面吉布斯自由能，能与Fe基体形成良好的结合。进而能进一步提高不锈钢的耐磨耐蚀性能。

与现有的技术相比，本发明描述了一种超细组织不锈钢及其制备方法，包括机械合金化和粉末冶金的步骤。其中N可以作为固溶强化元素可以提高基体的强度并进一步改善钢的耐蚀性。TiC除了可以改善基体的耐腐蚀性还可以改善耐磨性。通过较长时间的球磨，使得粒径足够小，即通过晶粒细化的方法改善钢的综合性能。C70在球磨过程中它能与TiC结合，生成一种固有的特殊的组合结构C70-TiC，能进一步提高不锈钢的耐磨性能。最后通过热压烧结的方法可以使组织更为致密。本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。

1）本发明采用机械合金化结合粉末冶金的方法，可以避免通过传统铸造方法所产生的气孔、沙眼等缺陷，组织更为致密。

2）本发明所制备的不锈钢中含有的特殊复合结构C70-TiC，其具有类富勒烯结构的含Ti碳膜，具有类富勒烯结构特征的弯曲石墨平面均匀地镶嵌在含Ti无定型碳基体之中，这种结构具有较高的表面吉布斯自由能，能与Fe基体形成良好的结合。进而能进一步提高不锈钢的耐磨耐蚀性能。

3）本发明所制得的超细组织不锈钢具有高硬度、高塑韧性、良好的耐磨损性能，同时具有良好的耐腐蚀性能。本发明的不锈钢晶粒细小，因此具有综合的力学性能。

4）本发明所制得的超细组织不锈钢，由于其具有上述的高硬度、高塑韧性、高耐磨性和优异的耐腐蚀性，因此所制备的不锈钢可以运用在特殊环境下，如塑料注射成型工业和食品工业等，可以减少工业生产中由于磨损和腐蚀带来的经济损失和危害。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

实施例1

第一步，将Cr粉、Ni粉、TiC、氮化铬铁、C70和Fe粉以按如下质量比例：Cr：Ni：FeNC:TiC：C70、Fe为20:10:14:3.5:0.5:52配制成原料。将原料加入球磨罐中进行球磨得到混合粉末，其中球磨参数如下：转速为300r/min，球料比为20:1。球磨时间为60h，球磨过程在氩气气氛下进行以防止被氧化。

第二步，将上述混合粉末放入压片机中冷压成预制块，其中冷压压力为40Mpa。

第三步，将冷压后制成的预制块放入真空热压烧结炉内进行热压烧结，其中烧结温为：1000℃，烧结压力为60Mpa。时间为45min。

第四步，热处理：将获得的不锈钢加热至840℃保温0.5h，然后油冷，然后加热至590℃保温1h，水冷至室温。

第五步，将钢加热到800℃，进行回温慢速变形，升温速率为0.3℃/s，最终形变温度为1000℃，应变量为45%，应变速率为2.0s^-1，然后保温1h后空冷至室温。

实施例2

第一步，将Cr粉、Ni粉、TiC、氮化铬铁、C70和Fe粉以按如下质量比例：Cr：Ni：FeNC:TiC：C70、Fe为22:10:12:4: 0.8:51.2配制成原料。将原料加入球磨罐中进行球磨得到混合粉末，其中球磨参数如下：转速为350r/min，球料比为30:1。球磨时间为80h，球磨过程在氩气气氛下进行以防止被氧化。

第二步，将上述粉末放入压片机中冷压成预制块，其中冷压压力为55Mpa。

第三步，将冷压后制成的预制块放入真空热压烧结炉内进行热压烧结，其中烧结温为：1100℃，烧结压力为120Mpa。时间为50min。

第四步，热处理：将获得的不锈钢加热至860℃保温1h，然后油冷，然后加热至600℃保温1.1h，水冷至室温。

第五步，将钢加热到880℃，进行回温慢速变形，升温速率为0.6℃/s，最终形变温度为1100℃，应变量为30%，应变速率为1.6s^-1，然后保温1.5h后空冷至室温。

实施例3

第一步，将Cr粉、Ni粉、TiC、氮化铬铁、C70、和Fe粉以按如下比例：Cr：Ni：FeNC:TiC：C70、Fe为22:10:12:4 :1.2:52。加入球磨罐中进行球磨，其中球磨参数如下：转速为320r/min，球料比为23:1。球磨时间为50h，球磨过程在氩气气氛下进行以防止被氧化。

第二步，将上述粉末放入压片机中冷压成预制块，其中冷压压力为60Mpa。

第三步，将冷压后制成的块状放入真空热压烧结炉内进行热压烧结，其中烧结温为：1050℃，烧结压力为140Mpa。时间为55min。

第四步，热处理：将获得的不锈钢加热至870℃保温0.8h，然后油冷，然后加热至610℃保温1h，水冷至室温。

第五步，将钢加热到780℃，进行回温慢速变形，升温速率为0.7℃/s，最终形变温度为1050℃，应变量为25%，应变速率为0.8s^-1，然后保温1.2h后空冷至室温。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims

1.一种C70-TiC增强高品质不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a）将Cr粉、Ni粉、氮化铬铁粉、TiC和C70按以下质量百分含量称取得到原材料：Cr粉：18%～22%，Ni粉：8%～12%，氮化铬铁粉：12%～18%，TiC：3%～5%，C70：0.3%～1.2%；余量为Fe粉，使总质量达到100%；

b）将所述的原材料加入球磨罐中进行球磨得到混合粉末；

c）将所述的混合粉末冷压成预制块；

d）将预制块放入真空热压烧结炉内进行热压烧结得到不锈钢；

e）将所述的不锈钢加热至830～870℃保温0.5～1h，然后油冷，然后加热至580～620℃保温1～1.5h，冷却至室温；

2.根据权利要求1所述的一种C70-TiC增强高品质不锈钢的制备方法，其特征在于，所述球磨的参数为：转速为300～350r/min，球料比为20:1～30:1，球磨时间为50～100h。

3.根据权利要求1或2所述的一种C70-TiC增强高品质不锈钢的制备方法，其特征在于，所述的球磨过程在氩气气氛下进行。

4.根据权利要求1所述的一种C70-TiC增强高品质不锈钢的制备方法，其特征在于，所述步骤c）中冷压压力为30～80Mpa。

5.根据权利要求1所述的一种C70-TiC增强高品质不锈钢的制备方法，其特征在于，所述的步骤d）的热压烧结温度为950～1100℃，烧结压力为40～150Mpa，烧结时间为40～60min。

6.根据权利要求1所述的一种C70-TiC增强高品质不锈钢的制备方法，其特征在于，所述的步骤e）中冷却至室温的方式为水冷或油冷。