CN113136531A - 一种粉末冶金不锈钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种粉末冶金不锈钢及其制备方法，不锈钢中的化学成份按质量百分比计为：C≤0.02％、Si：4.6％～4.9％、Mn：0.8％～1.5％、Cr：12.0％～14.0％、Ni：5.0％～8.0％、Cu：0.50％～1.5％、Mo：0.5％～1.0％、P≤0.005％，S≤0.003％，T.O≤0.006％，其余为铁和不可避免的杂质。本发明的粉末冶金不锈钢的制备方法，钢质非常洁净，能够形成非金属夹杂的磷、硫、氧等的含量极低。本发明制备的不锈钢产品，在抗拉强度超过1400MPa的前提下，保持了良好的伸长率和断面收缩率，从而扩大了产品的应用范围，满足更高强度的要求。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金不锈钢技术领域，具体涉及一种粉末冶金不锈钢及其制备方法。
背景技术
雾化合金铁粉是一种高性能铁基粉末材料，其主要采用优质废钢为原料，在冶炼过程中添加铜，镍，钼等合金元素，然后再经高压水、脱水、干燥、还原、破碎等工序制得；或者采用气雾化喷粉的方式制得。由于在冶炼过程中添加了合金元素，使粉末产品达到了完全合金化的效果，粉末颗粒中的合金成分均匀，无偏析，具有均匀的物理、化学特性，可用于生产组织均匀的材料。同时，由于所添加合金元素的特性和合金化作用，使其制造的材料具有高强度、高韧性、高耐磨、高耐蚀性等一系列优异的机械性能。
粉末冶金不锈钢是用粉末冶金方法制造的不锈钢，其优点是减少合金元素偏析，细化显微组织，改善性能，节约材料、节约能耗、降低成本，广泛应用汽车、家用电器、医疗器械等领域。
目前国内外粉末冶金生产厂家多使用铜，镍，钼，锰等作为合金元素，目的是使用其制造的零件具有高强度、高韧性、高耐磨、高耐蚀性、高硬度等特性，在制作不锈钢粉末时硅元素一直未被广泛使用。一般来讲不锈钢粉中添加一定量的硅元素后，在后续的烧结过程中会生成大量的硬脆相，使材料发脆，对一般的结构材料及零件来讲是不利的。只有通过合理的热处理才能降低不锈钢材料的脆性。
中国专利文件(申请号201810772094.2)公开了一种名称为“一种粉末冶金奥氏体不锈钢及其制备方法”，其特征是本发明提供了一种粉末冶金奥氏体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：将奥氏体不锈钢粉、氧化钇粉和润滑剂混合，得到混合粉体，然后依次经压制和烧结，得到粉末冶金奥氏体不锈钢；所述氧化钇粉的质量为混合粉体质量的0.2-0.4％。本发明以奥氏体不锈钢粉和氧化钇粉为原料，通过添加一定量的氧化钇粉作为稳定剂，可以在高温条件下减少析出相，同时可以弥散分布在基体内，实现基体晶粒细化，进而降低孔隙率，改善了夹杂物的形状尺寸，减少了钢中夹杂物的数量，有效的减少了点蚀诱发源的数量；同时，钢中稀土氧化物能有效地脱硫、降低钢中夹杂物数量并使夹杂物改性，从而增强了钢基体的耐蚀性。该专利的缺点是所选取的奥氏体不锈钢材质为316L或304，两者的抗拉强度只有500-800MPa的水平，无法应用于需要更高抗拉强度的场所。
中国专利文件(申请号202010662231.4)公开了一种名称为“一种高密度、高硬度真空烧结不锈钢材料及其加工工艺”，其特征是本发明涉及粉末冶金技术领域，具体涉及一种高密度、高硬度真空烧结不锈钢材料及其加工工艺，所述不锈钢材料包括18.0-2 0.0％的Cr，8.0％-12.0％的Ni、以及余量为Fe的微量元素。本发明通过将铜粉、镍粉和铁元素混合后制成不锈钢材料，并经过混合、压制成形、烧结、整形等工艺加工而成；经测试，烧结体的密度达到7.2g/cm3以上，硬度超过60HRB，其硬度达到客户要求，经用户试装，产品无变形，满足使用要求。该专利的缺点是所选取的材质为304L，其抗拉强度也是只有500-800MPa的水平，同样无法应用于需要更高抗拉强度的场所。
总之，现有技术的粉末冶金不锈钢强度级别比较低，不能承受更高强度的应用场所，不能充分发挥粉末冶金不锈钢的优势，因此，急需研发一种具有更高强度的粉末冶金不锈钢产品(且综合性能良好)，在烧结过程能够不留残余，充分保障泡沫钢性能，工艺简单，安全可靠，甚至对产品的质量有所提升的泡沫钢制取方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种粉末冶金不锈钢及其制备方法，通过合理的成分设计和热处理工艺，实现粉末冶金不锈钢具有良好的综合机械性能。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种粉末冶金不锈钢，所述不锈钢中的化学成份按质量百分比计为：C≤0.02％、Si：4.6％～4.9％、Mn：0.8％～1.5％、Cr：12.0％～14.0％、Ni：5.0％～8.0％、Cu：0.50％～1.5％、Mo：0.5％～1.0％、P≤0.005％，S≤0.003％，T.O≤0.006％，其余为铁和不可避免的杂质。
所述不锈钢屈服强度达到700-900MPa，抗拉强度达到1400-1600MPa，伸长率≥40％，断面收缩率≥60％，实现良好的综合性能。
一种粉末冶金不锈钢的制备方法，该方法的步骤包括电炉冶炼、真空气雾化、等静压成型、烧结和热处理，具体包括如下方法：
1)电炉冶炼：把高纯工业纯铁原料在真空感应炉内熔炼，在加入纯铁的同时，加入金属铬、电解镍、电解铜、钼铁、硅铁、锰铁等合金进行合金化，所有原料完全熔化后，调整钢水温度，当钢水温度达到1620-1650℃，冶炼结束；
2)真空气雾化：钢水在炉内冶炼结束后直接进行真空气雾化处理，采用氮气或氩气进行处理，雾化喷嘴气体压力：3-5MPa，金属液流率每分钟8Kg-12Kg，得到粉料；
3)等静压成型和烧结：将步骤2)得到的不锈钢粉压制成型，冷等静压压力为210-280MPa，保压时间为12-20分钟；采用热压烧结技术对压坯进行真空或惰性气氛下烧结，烧结时加热温度至1100-1140℃，保温时间为45-60分钟，烧结压力为20-40MPa，获得不锈钢坯料；
4)热处理：
淬火：不锈钢坯料在氩气保护炉中加热至淬火温度1020-1080℃，保温时间为1.8-2.2小时，油冷至室温；
回火：淬火的坯料放置在氩气保护炉内进行一次回火处理，温度为620-680℃，回火处理时间为0.8-1.2小时，得到不锈钢产品。
上述步骤1)中，纯铁中的磷≤0.0035wt％，硫≤0.0015wt％，T.O≤0.0020wt％。
上述步骤2)中，所述粉料的粒径为15μm-75μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明的粉末冶金不锈钢的制备方法，钢质非常洁净，能够形成非金属夹杂的磷、硫、氧等的含量极低，有利于提高不锈钢的塑性。
2)通过合理的热处理能够降低不锈钢材料的脆性，硅固溶于铁素体中，起到强化基体的作用，从而显著提高钢的强度。
3)本发明制备的不锈钢产品，在抗拉强度超过1400MPa的前提下，保持了良好的伸长率和断面收缩率，从而扩大了产品的应用范围，满足更高强度的要求。
4)本发明工艺简单，产品性能稳定，安全可靠。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。
实施例1：
一种粉末冶金不锈钢及其制备方法，本发明通过成分设计及相应的生产工艺，形成一种独特的不锈钢及其制备方法，实现不锈钢良好的综合性能。具体如下：
一种粉末冶金不锈钢，其化学成分(wt％)为：C：0.012％，Si：4.6％，Mn：0.8％，Cr：14.0％，Ni：5.0％，Cu：1.5％，Mo：0.5％，P：0.0047％，S：0.0026％，T.O：0.005％，其余为铁及不可避免的杂质。
一种粉末冶金不锈钢的制备方法，该方法的步骤包括电炉冶炼、真空气雾化、等静压成型、烧结和热处理。
(1)电炉冶炼：把高纯工业纯铁原料在真空感应炉内熔炼，纯铁中的磷：0.0031％，硫：0.0013％，T.O：0.0017％，在加入纯铁的同时，加入金属铬、电解镍、电解铜、钼铁、硅铁、锰铁等合金进行合金化，所有原料完全熔化后，调整钢水温度，当钢水温度达到1630℃，冶炼结束。
(2)真空气雾化：钢水在炉内冶炼结束后直接进行真空气雾化处理，采用氮气或氩气进行处理，雾化喷嘴气体压力：5MPa，金属液流率每分钟8Kg，得到粉料的粒径为15μm-75μm。
(3)等静压成型和烧结：将上述不锈钢粉压制成型，冷等静压压力为250MPa，保压时间为20分钟。采用热压烧结技术对压坯进行真空或惰性气氛下烧结，烧结时加热温度至1120℃，保温时间为55分钟，烧结压力为20MPa，获得不锈钢制品。
(4)热处理：淬火：不锈钢坯料在氩气保护炉中加热至淬火温度1080℃，保温时间为1.8小时，油冷至室温。回火：淬火的坯料放置在氩气保护炉内进行一次回火处理，温度为640℃，回火处理时间为0.8小时，得到不锈钢产品。
采用上述工艺生产的不锈钢产品，其屈服强度为706MPa，抗拉强度为1450MPa，伸长率为45％，断面收缩率为66％，实现良好的综合性能。
实施例2：
一种粉末冶金不锈钢及其制备方法其特征在于：本发明通过成分设计及相应的生产工艺，形成一种独特的不锈钢及其制备方法，实现不锈钢良好的综合性能。具体如下：
一种粉末冶金不锈钢，其化学成分为：C：0.015％，Si：4.9％，Mn：1.5％，Cr：13.0％，Ni：8.0％，Cu：1.5％，Mo：0.8％，P：0.0038％，S：0.0028％，T.O：0.006％，其余为铁及不可避免的杂质。
一种粉末冶金不锈钢的制备方法，该方法的步骤包括电炉冶炼、真空气雾化、等静压成型、烧结和热处理。
(1)电炉冶炼：把高纯工业纯铁原料在真空感应炉内熔炼，纯铁中的磷：0.0020％，硫：0.0015％，T.O：0.0020％，在加入纯铁的同时，加入金属铬、电解镍、电解铜、钼铁、硅铁、锰铁等合金进行合金化，所有原料完全熔化后，调整钢水温度，当钢水温度达到1620℃，冶炼结束。
(2)真空气雾化：钢水在炉内冶炼结束后直接进行真空气雾化处理，采用氮气或氩气进行处理，雾化喷嘴气体压力：3MPa，金属液流率每分钟10Kg，得到粉料的粒径为15μm-75μm。
(3)等静压成型和烧结：将上述不锈钢粉压制成型，冷等静压压力为210MPa，保压时间为16分钟。采用热压烧结技术对压坯进行真空或惰性气氛下烧结，烧结时加热温度至1100℃，保温时间为60分钟，烧结压力为30MPa，获得不锈钢制品。
(4)热处理：淬火：不锈钢坯料在氩气保护炉中加热至淬火温度1050℃，保温时间为2.0小时，油冷至室温。回火：淬火的坯料放置在氩气保护炉内进行一次回火处理，温度为620℃，回火处理时间为1.0小时，得到不锈钢产品。
采用上述工艺生产的不锈钢产品，其屈服强度为900MPa，抗拉强度为1600MPa，伸长率为41％，断面收缩率为62％，实现良好的综合性能。
实施例3：
一种粉末冶金不锈钢及其制备方法其特征在于：本发明通过成分设计及相应的生产工艺，形成一种独特的不锈钢及其制备方法，实现不锈钢良好的综合性能。具体如下：
一种粉末冶金不锈钢，其化学成分为：C：0.02％，Si：4.7％，Mn：1.1％，Cr：12.0％，Ni：6.0％，Cu：1.0％，Mo：1.0％，P：0.004％，S：0.002％，T.O：0.004％，其余为铁及不可避免的杂质。
一种粉末冶金不锈钢的制备方法，该方法的步骤包括电炉冶炼、真空气雾化、等静压成型、烧结和热处理。
(1)电炉冶炼：把高纯工业纯铁原料在真空感应炉内熔炼，纯铁中的磷：0.0025％，硫：0.0010％，T.O：0.0018％，在加入纯铁的同时，加入金属铬、电解镍、电解铜、钼铁、硅铁、锰铁等合金进行合金化，所有原料完全熔化后，调整钢水温度，当钢水温度达到1650℃，冶炼结束。
(2)真空气雾化：钢水在炉内冶炼结束后直接进行真空气雾化处理，采用氮气或氩气进行处理，雾化喷嘴气体压力：4MPa，金属液流率每分钟12Kg，得到粉料的粒径为15μm-75μm。
(3)等静压成型和烧结：将上述不锈钢粉压制成型，冷等静压压力为280MPa，保压时间为12分钟。采用热压烧结技术对压坯进行真空或惰性气氛下烧结，烧结时加热温度至1140℃，保温时间为45分钟，烧结压力为40MPa，获得不锈钢制品。
(4)热处理：淬火：不锈钢坯料在氩气保护炉中加热至淬火温度1020℃，保温时间为2.2小时，油冷至室温。回火：淬火的坯料放置在氩气保护炉内进行一次回火处理，温度为660℃，回火处理时间为1.2小时，得到不锈钢产品。
采用上述工艺生产的不锈钢产品，其屈服强度为810MPa，抗拉强度为1520MPa，伸长率为42％，断面收缩率为63％，实现良好的综合性能。
综上，本发明制备的粉末冶金不锈钢，解决了钢中硅含量超过4％时,轧制困难，在轧制时极易出现开裂的难题，实现了高硅不锈钢产品的顺利制作。本发明制备的不锈钢产品实现了产品的高强度，并且在抗拉强度超过1400MPa的前提下，保持良好的伸长率和断面收缩率，从而扩大了产品的应用范围，满足更高强度的要求。
Claims (5)
1.一种粉末冶金不锈钢，其特征在于，所述不锈钢中的化学成份按质量百分比计为：C≤0.02％、Si：4.6％～4.9％、Mn：0.8％～1.5％、Cr：12.0％～14.0％、Ni：5.0％～8.0％、Cu：0.50％～1.5％、Mo：0.5％～1.0％、P≤0.005％，S≤0.003％，T.O≤0.006％，其余为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种粉末冶金不锈钢，其特征在于，所述不锈钢屈服强度达到700-900MPa，抗拉强度达到1400-1600MPa，伸长率≥40％，断面收缩率≥60％。
3.一种如权利要求1-2其中任意一项所述的粉末冶金不锈钢的制备方法，其特征在于，该方法的步骤包括电炉冶炼、真空气雾化、等静压成型、烧结和热处理，具体包括如下方法：
1)电炉冶炼：把高纯工业纯铁原料在真空感应炉内熔炼，在加入纯铁的同时，加入合金进行合金化，所有原料完全熔化后，调整钢水温度，当钢水温度达到1620-1650℃，冶炼结束；
2)真空气雾化：钢水在炉内冶炼结束后直接进行真空气雾化处理，采用氮气或氩气进行处理，雾化喷嘴气体压力：3-5MPa，金属液流率每分钟8Kg-12Kg，得到粉料；
3)等静压成型和烧结：将步骤2)得到的不锈钢粉压制成型成为压坯，冷等静压压力为210-280MPa，保压时间为12-20分钟；采用热压烧结技术对压坯进行真空或惰性气氛下烧结，烧结时加热温度至1100-1140℃，保温时间为45-60分钟，烧结压力为20-40MPa，获得不锈钢坯料；
4)热处理：
淬火：不锈钢坯料在氩气保护炉中加热至淬火温度1020-1080℃，保温时间为1.8-2.2小时，油冷至室温；
回火：淬火的坯料放置在氩气保护炉内进行一次回火处理，温度为620-680℃，回火处理时间为0.8-1.2小时，得到不锈钢产品。
4.根据权利要求3所述的一种粉末冶金不锈钢的制备方法，其特征在于，上述步骤1)中，纯铁中的磷≤0.0035wt％，硫≤0.0015wt％，T.O≤0.0020wt％。
5.根据权利要求3所述的一种粉末冶金不锈钢的制备方法，其特征在于，上述步骤2)中，所述粉料的粒径为15μm-75μm。
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