CN110527895B - 一种不锈钢材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及不锈钢餐具技术领域，更具体地说它涉及一种不锈钢材料及其制备方法和应用。所述不锈钢材料由以下重量百分比的组分组成：Cr 23‑25%、Mn 15‑17%、N 0.4‑0.6%、Ti 0.1‑0.3%、Al 0.1‑0.2%、Si 0.005‑0.01%、C 0.06‑0.09%、余量为Fe及不可避免的杂质。本申请的不锈钢材料在制备过程中采用湿磨获得粒径均匀的合金粉末，再用由氨气和氩气组成的混合气体实现气态氮合金化，以此获得含氮量在0.4‑0.6%的高氮钢，其制备方法具有工序简单、操作方便的优点，制得的不锈钢材料具有优异的耐腐蚀性和机械强度。

Description

一种不锈钢材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及不锈钢餐具技术领域，更具体地说它涉及一种不锈钢材料及其制备方法和应用。

背景技术

日常生活中，人们饮食都离不开餐具，不锈钢餐具因利于清洗、方便而深受人们的喜爱。

现有的不锈钢餐具选用的不锈钢牌号主要为SUS304(06Cr₁₉Ni₁₀)和SUS316L(022Cr₁₇Ni₁₂Mo₂)，但是这两类材料镍含量均超过8％。近年来的研究表明，镍在长期接触人体时会发生溶出而对人体造成危害，由此各国对金属材料中的镍含量限制越来越严格，标准规定中所允许的最好镍含量也越来越低。

为此，国际公布号为WO 2013/159669A1的发明专利公开了一种不锈钢材料及其制造方法，该不锈钢材料是以氮取代镍的Cr-Mn-N奥氏体不锈钢，减少了其对人体的危害，同时具有优异的强度和韧性。

然而，由于镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，而氮无法达到镍的效果，上述不锈钢材料中的镍被氮完全取代之后，虽然能够降低对人体的危害，但也缩短了由该不锈钢材料制成的餐具的使用寿命。

因此，研发一种无镍且耐腐蚀的不锈钢材料是目前急需解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种不锈钢材料，其用氮取代镍，并用Ti、Al和Si加以配合，使得制得的不锈钢材料在无镍的条件下仍具有优异的耐腐蚀性。

本发明的第二个目的在于提供一种不锈钢材料的制备方法，其便于批量冶炼含氮量为0.4-0.6％的高氮钢，具有工序简单、操作方便的优点。

本发明的第三个目的在于提供一种不锈钢材料的应用，能够较好的应用于餐勺、餐叉、餐刀等餐具的制备，具有良好的加工性能。

为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：

一种不锈钢材料，由以下重量百分比的组分组成：Cr 23-25％、Mn 15-17％、N0.4-0.6％、Ti 0.1-0.3％、Al 0.1-0.2％、Si 0.005-0.01％、C 0.06-0.09％、余量为Fe及不可避免的杂质。

通过采用上述技术方案，本申请用氮取代镍的添加，人们在使用该材料制成的产品时，能够有效避免人们发生镍过敏的状况；在此基础上，高含量的Cr再配合Ti、Al和Si的复合添加，其产生的协同作用会促使不锈钢材料的耐腐蚀性显著提高，同时还能增加不锈钢材料的机械强度。

以下，针对本申请的不锈钢材料的组分及含量进行说明。

Cr，作为不锈钢材料的主要元素，高含量的Cr有助于耐高温耐腐蚀性和耐应力腐蚀开裂性的提高。如果Cr量低于23％，则无法得到充分的耐高温腐食性和耐应力腐蚀开裂性。如果Cr量超过25％，则会生成西格玛相等脆化相，高温强度、韧性、加工性以及焊接性降低，因此Cr的添加量设定为23-25％。

Mn，是与杂质元素S形成MnS而将S无害化、有助于热加工性的提高并且有助于高温下金属组织的稳定化的元素。另外，在本申请不锈钢材料中，在添加对于确保强度不可缺少的N时，Mn的添加对N的强度改善能显著提高。若Mn量低于15％则无法充分得到添加效果；若Mn量超过17％，则加工性和焊接性降低，因此Mn设定为15-17％。

N，是在高Cr含量的不锈钢材料中与Mn等一起为对脆化相的抑制、金属组织的稳定化不可缺少的元素。在本申请的不锈钢材料中，若N量低于0.4％则无法充分地得到添加效果，若N量超过0.6％，则会在钢中形成气孔缺陷、还会在高温下析出块状的氮化物、耐应力腐蚀开裂性降低，因此，N量设定为0.4-0.6％。

Ti，为强脱氧剂，其能使不锈钢材料的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能。本申请的不锈钢材料中添加0.1-0.3％的Ti可以有效减少晶间腐蚀。

Al，在制不锈钢材料时同样作为脱氧剂，可细化晶粒，提高冲击韧性，有助于促使不锈钢材料具有优异的抗氧化性和抗腐蚀性能。Al与Cr、Si合用，可显著提高不锈钢材料的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。在本申请的不锈钢材料中，若Al量低于0.1％则无法充分达到不锈钢材料的清洁化，若Al量超过0.2％，则会产生大量的非金属夹杂物、耐应力腐蚀开裂性、高温强度、加工性、韧性以及高温下的金属组织的稳定性降低，因此Al量设定为0.1-0.2％。

Si，在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，能显著提高不锈钢材料的抗腐蚀性和抗氧化的作用。在本申请的不锈钢材料中，若Si量低于0.005％则无法充分得到添加效果，若Si量超过0.01％，则加工性降低并且高温下的西格玛相等脆化相会析出。因此。Si量设定为0.005-0.01％。

C，是对于碳化物的生成、奥氏体组织的稳定化、进而高温强度的提高以及高温下的金属组织的稳定化不可缺少的必要元素。在本申请的不锈钢材料中，若C量低于0.06％，高Cr含量的不锈钢材料很难维持高温蠕变强度以及高温下的健全的金属组织；若C量超过0.09％，则不锈钢材料中粗大的Cr系炭化物就会析出至晶界，成为应力腐蚀开裂、焊接开裂的原因，同时还会导致韧性的降低。因此，C量设定为0.06-0.09％。

综上，本申请严格控制了不锈钢材料的组分及组分含量，需要不同组分配合使用形成一个完整的技术方案，以此获得无镍、耐腐蚀性能、高机械强度兼具的不锈钢材料。

为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：

一种不锈钢材料的制备方法，包括以下步骤：

①、混料：按重量百分比称取Cr、Mn、Ti、Al、Si、C和Fe的粉体进行混合，得到的混合粉体在氩气保护下进行湿磨，经干燥后粉碎过筛，得到合金粉体；

②、熔炼：将合金粉体置于熔炼炉中，对熔炼炉进行抽真空，真空度≤10Pa时开始送电加热熔炼，起始功率为35kW，以1kW/min的速度逐步增大功率至45-50kW，待粉体完全熔化后，控制在45-50kW的功率下维持2-3min，得到粗熔体；

③、气态氮合金化：往熔炼炉的精熔体中充入由氨气与氩气组成的混合气体，至熔炼炉内的气压达到250-300MPa，保压2-3min，得到含氮的合金熔体；

④、浇注成型：将合金熔体浇入锭模中，降温至合金熔体完全凝固，放气破空，得到合金锭；

⑤、烧结：将合金锭高温烧结，得到最终的不锈钢材料。

通过采用上述技术方案，本申请在混料时进行湿磨，有助于促使各组分的粒径相近且分散均匀，随后经过湿磨粉碎后的合金粉体在熔炼过程中按照上述熔炼过程能够实现各组分的快速熔化，提高了不锈钢材料的熔炼效率。

本申请的气态氮由氨气提供，按照上述气态合金化操作，氨气在氩气保护氛围中能够有效分解产生氮气和氢气，氮气在压强的作用下能够较好的溶解于合金熔体中，实现合金熔体的充氮，制成含氮量为0.4-0.6％的高氮钢。与此同时，氮的溶入还有助于合金熔体中少量碳元素的析出，降低因碳元素过高而影响不锈钢材料的耐腐蚀性。另外，氨气分解产生的氢气还能对与合金熔体中的氧元素、硫元素等结合，起到一定的还原效果，减少氧、硫等杂质元素对合金熔体中的金属元素造成干扰。

最后再将合金熔体浇注成型和烧结，使得制得的不锈钢材料具有无镍、耐腐蚀性和机械强度优异的特点，便于批量冶炼含氮量为0.4-0.6％的高氮钢，具有工序简单、操作方便的优点。

进一步地，步骤①中，所述湿磨的过程为：将混合粉体投入球磨罐中，加入占混合粉体重量1.5-2.0％的无水乙醇，将球磨罐抽真空后填充氩气，球料重量比为(15-20):1，球磨转速为200-300r/min，球磨时间为6-8h。

进一步地，步骤①中，所述合金粉体过100-150目筛网。

通过采用上述技术方案，不锈钢材料中的各组分对无水乙醇具有良好的化学稳定性，在氩气的保护下，有助于各组分充分球磨，得到粒径均匀的合金粉末。其操作简单方便，制得的合金粉末在下一道熔炼工序中便于快速熔化，提高了不锈钢材料的制备效率，同时还有助于提高不锈钢材料的机械强度。

进一步地，步骤①中，所述干燥的过程为：采用旋转蒸发仪烘干，烘干温度为75-80℃，真空度为0.1-0.12MPa，烘干20-30min。

通过采用上述技术方案，本申请在较高的温度对经过湿磨的混合粉体加以干燥，有助于无水乙醇快速有效的进行挥发，降低乙醇在合金粉体中的残留。

进一步地，步骤③中，所述混合气体由氨气和氩气按3:1的体积比混合而成。

通过采用上述技术方案，经过大量实验验证，当混合气体由氨气和氩气按3:1的体积比混合时，不锈钢材料的含氮量在0.45-0.5％之间，提高了不锈钢材料在气态氮合金化操作时氮元素添加的稳定性。

进一步地，步骤④中，所述浇注成型的过程为：在300-350MPa压力下保压30-60s。

通过采用上述技术方案，合金熔体在300-350MPa压力下保压30-60s，有助于合金熔体中的杂质气体排出，以此形成耐腐蚀、机械强度优异的不锈钢材料。

进一步地，步骤⑤中，所述高温烧结时的真空度为5-10Pa。

进一步地，步骤⑤中，所述高温烧结的过程为：以20℃/min的速度升温至1200℃，再以8℃/min的速度升温至1600℃，在1600℃的温度下保温15-20min，以30℃/min的速度降温至600℃，在600℃的温度下保温2-3min，以10℃/min的速度降温至室温。

通过采用上述技术方案，在烧结过程中，真空环境有助于提高合金锭的烧结效果，按照上述烧结过程处理合金锭，能够减少合金锭中的晶间腐蚀，同时获得优异的机械性能，使得制得的不锈钢材料具有优异的耐腐蚀性和机械强度。

为实现上述第三个目的，本发明提供了如下技术方案：

一种餐具，由上述不锈钢材料制成，由于该不锈钢材料中未添加镍，由此避免了该餐具与人体接触时产生镍过敏的状况，同时具备优异的耐腐蚀性能。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本申请采用氮取代镍，无镍的设置避免人们的镍过敏，再通过高含量的Cr配合Ti、Al和Si的复合添加，其产生的协同作用促使制得的不锈钢材料具有优异的耐腐蚀性和机械强度；

2、本申请的不锈钢材料在制备过程中采用湿磨获得粒径均匀的合金粉末，再用由氨气和氩气组成的混合气体实现气态氮合金化，以此获得含氮量在0.4-0.6％的高氮钢，具有工序简单、操作方便的优点；

3、本申请制得的不锈钢材料能够较好的应用于餐具的制备，由于该不锈钢材料中未添加镍，由此避免了该餐具与人体接触时产生镍过敏的状况，同时具备优异的耐腐蚀性能。

具体实施方式

1、实施例

1.1、实施例1

一种不锈钢材料的制备方法，包括以下步骤：

①、混料：

A1、按重量百分比称取24kg的Cr粉、16kg的Mn粉、0.2kg的Ti粉、0.1kg的Al粉、0.008kg的Si粉、0.08kg的C粉和59.112kg的Fe粉进行混合，得到混合粉体；

B1、混合粉体在氩气保护下进行湿磨，湿磨的过程为：将混合粉体投入球磨罐中，加入占混合粉体重量1.8％的无水乙醇，将球磨罐抽真空后填充氩气，球料重量比为16:1，球磨转速为250r/min，球磨时间为8h；

C1、将湿磨后的混合粉体采用旋转蒸发仪烘干，烘干温度为75℃，真空度为0.1MPa，烘干25min后粉碎，过100目筛筛网，得到合金粉体；

②、熔炼：将合金粉体置于熔炼炉中，对熔炼炉进行抽真空，真空度为10Pa时开始送电加热熔炼，起始功率为35kW，以1kW/min的速度逐步增大功率至45kW，待粉体完全熔化后，控制在45kW的功率下维持3min，得到粗熔体；

③、气态氮合金化：往熔炼炉的精熔体中充入由氨气与氩气按3:1的体积比混合而成的混合气体，至熔炼炉内的气压达到280MPa，保压2.5min，得到含氮的合金熔体；

④、浇注成型：将合金熔体浇入锭模中，在320MPa压力下保压45s，降温至合金熔体完全凝固，放气破空，得到合金锭；

⑤、烧结：在真空度为8Pa的环境中对合金锭进行高温烧结，高温烧结的过程为：以20℃/min的速度升温至1200℃，再以8℃/min的速度升温至1600℃，在1600℃的温度下保温20min，以30℃/min的速度降温至600℃，在600℃的温度下保温2min，以10℃/min的速度降温至室温，得到最终的不锈钢材料，其中的氮含量为0.5％。

1.2、实施例2-4

实施例2-4在实施例1的方法基础上，对不锈钢材料的组分及组分含量进行调整，具体调整情况参见下表一。

表一 实施例1-4的不锈钢材料的组分及组分含量参数表(单位：kg)

1.3、实施例5-8

实施例5-8在实施例1的方法基础上，对不锈钢材料的制备参数进行调整，具体调整情况参见下表二。

表二 实施例1、5-8的不锈钢材料的制备参数表

1.4、实施例9

本实施例在实施例1的方法基础上，将步骤③中的混合气体改为纯的氨气。

1.5、实施例10

本实施例在实施例1的方法基础上，将步骤③中的混合气体改为氮气。

1.6、实施例11

本实施例在实施例1的方法基础上，更改步骤⑤中高温烧结的过程为：以8℃/min的速度升温至1000℃，再以4℃/min的速度升温至1500℃，在1500℃的温度下保温0.5h，以30℃/min的速度降温至600℃后自然降温至室温。

2、对比例

2.1、对比例1

本对比例在实施例1的方法基础上，未添加有Ti。

2.2、对比例2

本对比例在实施例1的方法基础上，未添加有Al。

2.3、对比例3

本对比例在实施例1的方法基础上，未添加有Si。

3、性能测试

3.1、抗腐蚀性按照GB/T 4334中A法(不锈钢10％草酸浸蚀试验方法)的检测标准进行测定。

其中，一类表示晶界无腐蚀沟，晶粒间呈台阶状；二类表示晶界有腐蚀沟，但没有一个晶粒被腐蚀沟包围；三类表示晶界有腐蚀沟，个别或全部晶粒被腐蚀沟包围。

3.2、拉伸试验按照GB/T 228.1的检测标准进行测定。

3.4、洛氏硬度按照GB/T 230.1的检测标准进行测定。

表三 实施例1-11及对比例1-3的不锈钢材料的检测结果

结合表三，由实施例1-6的检测结果可以看出，按本申请设定的组分配合有本申请的制备方法，其对应制得的不锈钢材料具有优异的耐腐性和机械强度，本申请的不锈钢材料能够较好的应用于餐叉、餐勺、餐刀等餐具的制备中，由于该不锈钢材料中未添加镍，由此避免了该餐具与人体接触时产生镍过敏的状况，同时具备优异的耐腐蚀性能和机械强度。

将实施例1与对比例1-3的检测结果进行比较，可以得到，本申请的不锈钢材料通过高含量的Cr配合Ti、Al和Si的复合添加，其产生的协同作用促使制得的不锈钢材料具有优异的耐腐蚀性和机械强度。

将实施例1与实施例7、9-10的检测结果进行比较，可以得到，在气态氮合金化时，使用由氨气与氩气按体积比为3:1组成的混合气体，其对应制得的不锈钢材料具有更为优异的耐腐蚀性和机械强度，因此将其作为优选。

将实施例1、5-6与实施例11的检测结果进行比较，可以得到，当“高温烧结的过程为：以20℃/min的速度升温至1200℃，再以8℃/min的速度升温至1600℃，在1600℃的温度下保温15-20min，以30℃/min的速度降温至600℃，在600℃的温度下保温2-3min，以10℃/min的速度降温至室温。”时，其对应制得的不锈钢材料具有更为优异的耐腐蚀性和机械强度，因此将其作为优选。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的设计构思之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种不锈钢材料，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：Cr23-25%、Mn15-17%、N0.4-0.6%、Ti0.1-0.3%、Al0.1-0.2%、Si0.005-0.01%、C0.06-0.09%、余量为Fe及不可避免的杂质；其通过以下步骤制备而得：

①、混料：按重量百分比称取Cr、Mn、Ti、Al、Si、C和Fe的粉体进行混合，得到的混合粉体在氩气保护下进行湿磨，经干燥后粉碎过筛，得到合金粉体；

②、熔炼：将合金粉体置于熔炼炉中，对熔炼炉进行抽真空，真空度≤10Pa时开始送电加热熔炼，起始功率为35kW，以1kW/min的速度逐步增大功率至45-50kW，待粉体完全熔化后，控制在45-50kW的功率下维持2-3min；

③、气态氮合金化：往熔炼炉中充入由氨气与氩气组成的混合气体，所述混合气体由氨气和氩气按3:1的体积比混合而成，至熔炼炉内的气压达到250-300MPa，保压2-3min，得到含氮的合金熔体；

④、浇注成型：将合金熔体浇入锭模中，降温至合金熔体完全凝固，放气破空，得到合金锭；

⑤、烧结：将合金锭高温烧结，高温烧结的过程为：以20℃/min的速度升温至1200℃，再以8℃/min的速度升温至1600℃，在1600℃的温度下保温15-20min，以30℃/min的速度降温至600℃，在600℃的温度下保温2-3min，以10℃/min的速度降温至室温得到最终的不锈钢材料。

2.根据权利要求1所述的一种不锈钢材料，其特征在于：步骤①中，所述湿磨的过程为：将混合粉体投入球磨罐中，加入占混合粉体重量1.5-2.0%的无水乙醇，将球磨罐抽真空后填充氩气，球料重量比为（15-20）:1，球磨转速为200-300r/min，球磨时间为6-8h。

3.根据权利要求2所述的一种不锈钢材料，其特征在于：步骤①中，所述合金粉体过100-150目筛网。

4.根据权利要求2所述的一种不锈钢材料，其特征在于：步骤①中，所述干燥的过程为：采用旋转蒸发仪烘干，烘干温度为75-80℃，真空度为0.1-0.12MPa，烘干20-30min。

5.根据权利要求2所述的一种不锈钢材料，其特征在于：步骤④中，所述浇注成型的过程为：在300-350MPa压力下保压30-60s。

6.根据权利要求2所述的一种不锈钢材料，其特征在于：步骤⑤中，所述高温烧结时的真空度为5-10Pa。

7.一种餐具，由权利要求1所述的不锈钢材料制成。