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用粉末冶金工藝製備高氮奧氏體鋼

時間:2015-3-5 15:58:43

   高氮奧氏體鋼用廉價的氮代替貴金屬鎳來穩定鋼中奧氏體,能夠在不損害塑性和韌性的情況下,顯著提高鋼的強度,因而在許多領域都獲得了十分廣闊的發展和應用前景。高氮鋼現有的製備方法主要是熔煉法和粉末冶金法。由於高壓冶煉高氮鋼製備技術存在能耗高、設備複雜等不足,而粉末冶金生產高氮鋼的優勢在於能夠細化晶粒,可以通過非平衡方法獲得過飽和的含氮固溶體和細小沉澱相,能較為容易地獲得更高的氮含量,並可實現近終成形,另外它工藝靈活、資金投入低,因此成為當前高氮鋼製備中最有潛力的研究方向之一。 

  我國濰坊學院采用機械合金化、滲氮以及粉末冶金壓製-燒結工藝製備了 0Cr18Mn12Mo3N 高氮奧氏體鋼。結果表明,用機械合金化和滲氮相結合工藝獲得的近球形高氮鋼粉末,具有良好的壓縮性和成形性,在 650 MPa 壓製力下壓坯的相對密度高達 76.2%。在1250℃燒結溫度下燒結2 h可使粉末致密化過程完成,獲得相對密度為 97.2%,氮含量高達 0.80wt%的燒結體,燒結體經 1150℃×1.5 h 固溶處理水淬冷卻後獲得全部奧氏體組織,且奧氏體晶粒細小,其屈服強度和抗拉強度分別達到 598 MPa 和 882 MPa,顯著優於傳統粉末冶金高氮奧氏體鋼。
  他們采用的工藝路線如下:首先將適量 Cr-Fe 粉、Mo 粉和 Mn 粉混合,進行 2 h 球磨,目的是細化粉末顆粒,使得在隨後滲氮時氮在粉末中的擴散距離得以縮短,並增加氮的固溶度。檢測表明:絕大部分顆粒尺寸降至 20~40μm 之間,同時原始粉末中許多細小顆粒在球磨後消失,說明球磨使得錳、鉬等元素固溶進了 Fe-Cr 中,實現了部分合金化。然後將上述粉末在 1000℃下流動氮氣中滲氮 1 h,獲得氮含量很高的 Cr-Mo-Mn-Fe-N 複合粉末。檢測表明,所獲粉末的氮含量很高,這是因為粉末滲氮後形成了大量的氮化物,這些硬脆氮化物的存在使得粉末具有很大脆性,容易破碎成很多細小顆粒。隨後將此高氮複合粉末添加純 Fe 粉配置到合金名義成分,並繼續球磨3 h,在此過程中較軟的Fe 粉會比較均勻地包覆在較硬的 Cr-Mo-Mn-Fe-N 粉末表麵,形成近球形的包覆粉末,這種粉末具有良好的流動性和塑性,有利於壓製成形。檢測表明,在此球磨過程中,硬脆的氮化物顆粒發生細化破碎,而延性好的鐵粉顆粒在機械力作用下發生變形、加工硬化、斷裂,最後比較均勻地冷焊在較硬的氮化物顆粒的表麵,形成較細的多層狀近球形的複合包覆粉末。上述試驗在振動型高能球磨機上進行,球磨前抽真空充氮氣保護以防氧化;在球磨粉末中加入 1% 的硬脂酸鋅潤滑劑。球磨結束後在一定壓力下冷壓,然後在流動氮氣下燒結致密化,最後對燒結試樣進行 1150℃×1.5 h 固溶處理後水淬冷卻。試驗表明,最佳燒結工藝條件為流動氮氣下1250 ℃燒結2 h,燒結方式以液相燒結為主,燒結體相對密度達97.2%,組織由單一的奧氏體晶粒組成,沒有脆性氮化物析出,低鈦磷鐵含量高達0.80wt%。