一种节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法，通过将200目、纯度≥99.0％的铁粉、铬粉、锰粉、钼粉作为原料与200目石墨粉按照质量份比(66～72)∶(16～18)∶(10～12)∶(2.0～3.5)∶(0.1～0.3)混合后，在氮气环境下研磨，然后再通过与黏结剂混合后进行混炼注射成形、催化脱脂、残余黏结剂脱除、烧结致密化以及固溶热处理后得到节镍高氮奥氏体不锈钢制品。本发明的节镍高氮奥氏体不锈钢制品具有较高的烧结密度、氮含量和尺寸精度，优良的力学性能、耐腐蚀性能等特点，适于大规模产业化制造。
【专利说明】一种节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于不锈钢制造【技术领域】，尤其涉及一种节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法。
【背景技术】
[0002]目前节镍型高氮不锈钢的制备方法主要有高压熔炼法和粉末冶金法。高压熔炼包括热等静压熔炼、加压感应熔炼、加压等离子熔炼、加压电渣重熔等工艺，虽能获得高的氮含量和强韧性，但所需设备复杂、投资巨大，工艺控制较困难，阻碍了它们的工业化发展和应用。与高压熔炼相比，粉末冶金生产高氮钢具有很多优势，如设备简单，成本低，细晶强化、弥散物强化等强化了材料性能，另外氮在固态奥氏体不锈钢中的固溶度远大于在液态中的溶解度，因而粉末冶金固态渗氮工艺已成为当前高氮钢制备领域的热点之一。但传统的粉末冶金模压-烧结工艺只能压制形状比较简单的不锈钢零部件，且其密度、力学和耐蚀性能都不高，因而并不适合形状复杂的高性能节镍高氮不锈钢制品的制备。
[0003]金属注射成形作为当今最先进的粉末冶金近终成形技术，在低成本、大批量生产具有三维复杂几何形状、高性能、高精度的产品方面具有独特的优势，还可以完全实现自动化连续作业，被认为是未来最具发展潜力的高氮钢工业化制备技术之一。目前金属注射成形制备高氮节镍不锈钢的一般工艺路线为:首先通过惰性气体雾化技术获得球形的不锈钢原料粉末，然后将不锈钢粉末与粘结剂混合制成喂料并进行注射成形得到预成形坯，经脱脂后在氮气氛中进行烧结和氮化得到高氮不锈钢制品。然而上述工艺的缺点在于气雾化制粉的成本较高，细粉产出率低，粉末的粒度难以准确控制，此外烧结氮化过程中由于受到氮原子扩散动力学的影响，氮的分布往往不够均匀，且难以获得很高的烧结密度，从而影响不锈钢的组织和性能。
[0004]球磨技术是制备高氮节镍不锈钢粉末的一个有效途径，通过原始粉末与含氮介质(如氮气，氨水、氮化物等)之间发生固-气、固-液或固-固反应，形成非平衡态的高氮过饱和固溶体超细粉末甚至纳米晶粉末，由于粉末内部存在大量的晶格畸变和晶体缺陷，烧结活性较高，容易获得高的烧结致密度和性能。近年来，利用球磨技术制备出了多种超细、超饱和氮的高氮钢粉末，然而其颗粒形状多为不规则片状或多角形，表层氧含量及硬度高，粉末流动性和摇实密度很低，成形性较差，不能满足后续金属注射成形的工艺需要，只能采用热等静压、热挤压、粉末锻轧等复杂昂贵的工艺进行成形，难以实现工业化大规模生产。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法，旨在解决现有节镍型高氮不锈钢的制备方法存在设备要求高、氮分布不均匀、成形较差等问题。
[0006]本发明是这样实现的，一种节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法，包括以下步骤:
[0007](I)将原材料在氮气环境下用Φ7?Φ9ι?πι的钢球以400?500r/min转速球磨12~72h，得到球形粉末，其中，所述原材料与钢球的球料比为(10: I)~(14: I)；
[0008](2)将步骤⑴得到的高氮节镍不锈钢球形粉末与黏结剂按体积比(54~60): (40~46)混合后在混炼机中混炼得到注射喂料，其中，混炼温度为175~185°C，混炼时间为60~90min ;将所述注射喂料在注塑机中进行注射成形，得到形状无缺陷的成形坯，其中，注射温度为180~190°C，注射压力为80~120MPa ；
[0009](3)将步骤(2)得到的成形坯在催化脱脂炉中且在氮气和HNO3气体环境下进行脱月旨，得到脱脂坯体，其中，脱脂温度为120°C~130°C，脱脂时间为4~6h;
[0010](4)将步骤(3)得到的脱脂坯体置于真空管式炉中顺序进行残余黏结剂的脱除处理，烧结致密化处理，以及固溶热处理，得到节镍高氮奥氏体不锈钢制品。
[0011]优选地，在步骤(1)中，所述原材料为铁粉、铬粉、锰粉、钥粉和石墨粉按质量比(66 ~72) (16 ~18): (10 ~12): (2.0 ~3.5): (0.1 ~0.3)混合均匀后得到。
[0012]优选地，所述铁粉、铬粉、锰粉、钥粉和石墨粉的粒度均为200目。
[0013]优选地，在步骤(1)中，所述球料比为10: I ;在步骤(1)中，所述铁粉、铬粉、锰粉以及钥粉的纯度均不小于99.0% ;在步骤(1)中，所述氮气流量为1.0~1.5L/min。
[0014]优选地，在步骤(2)中，所述黏结剂包括以下按质量份计各组分:
[0015]
聚曱醛85 ~ 90份
聚乙烯5~8份
乙烯-乙酸乙烯酯共聚物2~5份
硬脂酸1~3份。
[0016]优选地，在步骤(3)中，所述氮气的通入速度为400~500mL/min，所述HNO3气体通入速度为0.05~0.10mT,/mi η。
[0017]优选地，所述残余黏结剂的脱除处理包括以下步骤: [0018]在真空度≥IOPa下，从室温开始以5°C/min速率升温到350°C时保温30min后，继续以2V /min速率升温至420°C保温时40min后，继续以2°C /min升温速率加热至500°C时保温40min后，继续以2V /min速率升温到550°C保温60min。
[0019]优选地，所述烧结致密化处理包括以下步骤:
[0020]在所述残余黏结剂的脱除步骤之后，调整真空度≥1.0X10_2Pa，继续以8°C /min速率升温到1150°C保温30min后，继续以5°C /min的速度升温到1270°C时关闭真空并在氮气流量为1.0~1.2L/min环境下烧结90min后随炉冷却得到烧结制品。
[0021]优选地，所述固溶热处理包括以下步骤:将所述烧结制品重新加热至1100°C保温60min,而后水淬冷却。
[0022]本发明克服现有技术的不足，提供一种节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法，针对以往球磨技术制备的高氮节镍不锈钢粉末通常为不规则片状，流动性和摇实密度低，无法满足后续金属注射成形工艺要求这一缺点，本发明以纯元素粉末为主要原料，探索了最佳的搅拌球磨工艺路线来制备出球形度好、氮含量高、颗粒细小，能较好满足后续注射成形要求的高氮不锈钢粉末，随后利用金属注射成形获得了具有较高的烧结密度和氮含量，优良的力学性能、耐腐蚀性能和尺寸精度高的高氮节镍奥氏体不锈钢制品，从而实现了球磨与粉末注射成形两种制备技术的有机结合。
[0023]此外，针对以往注射成形高氮不锈钢主要采用溶剂脱脂+热脱脂两步脱脂工艺，存在工序复杂、脱脂速度慢、产生缺陷多、耗能高、污染环境等缺点，本发明还提供了一种催化脱脂型的黏结剂，施行先进的催化脱脂工艺，大大缩短脱脂时间，提高了生产效率，降低了注射成形产品的生产成本，而且使用的脱脂温度低，脱脂时不出现液相，避免了产品发生变形和尺寸精度控制困难等弱点，脱脂坯质量良好，没有明显缺陷。
[0024]最后，针对以往球磨高氮不锈钢粉末的氧含量高，导致其注射烧结制品中氧化物多且难以还原，从而影响烧结性能的问题，本发明采用在球磨原料粉末中加入适量的石墨碳作为内还原剂，在高 真空条件下对注射成形脱脂坯进行预烧结，利用真空烧结的碳热还原反应来脱氧，有效地减少烧结体中的氧化物，全面提高了烧结制品的各项使用性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明实施例中搅拌球磨制备的球形粉末SM形貌图；
[0026]图2是本发明实施例中注射生坯实物照片及内部断口的SEM形貌图；
[0027]图3是本发明实施例中残余黏结剂的脱除处理及致密化处理工艺曲线图；
[0028]图4为本发明实施例中节镍高氮奥氏体不锈钢烧结制品的实物照片；
[0029]图5为本发明实施例中节镍高氮奥氏体不锈钢固溶处理后的SEM照片。
【具体实施方式】
[0030]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
[0031]实施例
[0032]一种节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法，包括以下步骤:
[0033](I)搅拌球磨制备高氮节镍不锈钢球形粉末
[0034]选用粒度为200目，纯度≥99.0%的(66~72)质量份铁粉、(16~18)质量份铬粉、(10~12)质量份锰粉、(2.0~3.5)质量份钥粉作为原料，并加入(0.1~0.3)质量份的200目石墨粉作为润滑剂及脱氧还原剂，将所有粉末混合均匀后与磨球一起置于高能搅拌式球磨机的球磨筒内，在流通的高纯氮气氛下球磨12~72h，球筒容积为10L，磨球选用Φ7~Φ9ι?πι的轴承钢球，转速为400~500r/min，球料比为10:1~14: 1，氮气流量为1.0~1.5L/min。为了减少其它杂质的不利影响，球磨过程中不使用过程控制剂。
[0035]在转速为400r/min,球料比10:1,磨球直径Φ7mm条件下,球磨不同时间粉末的主要特性如表1所示:
[0036]表1球磨不同时间粉末的特性
[0037]
【权利要求】
1.一种节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法，其特征在于包括以下步骤: (1)将原材料在氮气环境下用Φ7~C>9mm的钢球以400~500r/min转速球磨12~72h，得到球形粉末，其中，所述原材料与钢球的球料比为(10: I)~(14: I)； (2)将步骤(1)得到的高氮节镍不锈钢球形粉末与黏结剂按体积比(54~60): (40~46)混合后在混炼机中混炼得到注射喂料，其中，混炼温度为175~185°C，混炼时间为60~90min ;将所述注射喂料在注塑机中进行注射成形，得到形状无缺陷的成形坯，其中，注射温度为180~190°C，注射压力为80~120MPa ； (3)将步骤(2)得到的成形坯在催化脱脂炉中且在氮气和HNO3气体环境下进行脱脂，得到脱脂坯体，其 中，脱脂温度为120°C~130°C，脱脂时间为4~6h ; (4)将步骤(3)得到的脱脂坯体置于真空管式炉中顺序进行残余黏结剂的脱除处理，烧结致密化处理，以及固溶热处理，得到节镍高氮奥氏体不锈钢制品。
2.如权利要求1所述的节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法，其特征在于，在步骤(I)中，所述原材料为铁粉、铬粉、锰粉、钥粉和石墨粉按质量比(66~72): (16~18): (10~12): (2.0~3.5): (0.1~0.3)混合均匀后得到。
3.如权利要求2所述的节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法，其特征在于，所述铁粉、铬粉、锰粉、钥粉和石墨粉的粒度均为200目。
4.如权利要求3所述的节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述球料比为10:1 ; 在步骤(1)中，所述铁粉、铬粉、锰粉以及钥粉的纯度均不小于99.0% ； 在步骤(1)中，所述氮气流量为1.0~1.5L/min。
5.如权利要求4所述的节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述黏结剂包括以下按质量份计各组分: 聚曱醛85~90份 聚乙烯5~8份 乙烯-乙酸乙烯酯共聚物2~5份 硬脂酸I~3份。
6.如权利要求5所述的节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述氮气的通入速度为400~500mL/min，所述HNO3气体通入速度为0.05~0.10mT ,/mi η η
7.如权利要求6所述的节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法，其特征在于，所述残余黏结剂的脱除处理包括以下步骤: 在真空度≥IOPa下，从室温开始以5°C /min速率升温到350°C时保温30min后，继续以2°C /min速率升温至420°C保温时40min后，继续以2°C /min升温速率加热至500°C时保温40min后,继续以2 V /min速率升温到550°C保温60min。
8.如权利要求7所述的节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法，其特征在于，所述烧结致密化处理包括以下步骤: 在所述残余黏结剂的脱除步骤之后，调整真空度≥1.0X 10_2Pa，继续以8 V /min速率升温到11501:保温301^11后，继续以5°C /min的速度升温到1270°C时关闭真空并在氮气流量为1.0~1.2L/min环境下烧结90min后随炉冷却得到烧结制品。
9.如权利要求8所述的节镍高氮奥氏体不锈钢制品的制备方法，其特征在于，所述固溶热处理包括以下步骤:将·所述烧结制品重新加热至1100°c保温60min，而后水淬冷却。
【文档编号】B22F3/115GK103706793SQ201310692084
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】崔大伟, 王金龙, 姜军生, 刘炳强, 魏文庆, 刘均波, 王伟章 申请人:潍坊学院