一種粉末冶金高氮不銹鋼材料的研究

陳 強(qiáng)，李丹丹，羅 鍇，蔡一湘

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東廣州 510650

一種粉末冶金高氮不銹鋼材料的研究

陳 強(qiáng)，李丹丹，羅 鍇，蔡一湘

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東廣州 510650

采用水霧化304不銹鋼粉末與氮?dú)忪F化的高錳不銹鋼粉末為原料，經(jīng)混合、成形和高溫真空燒結(jié)后，在不同溫度下進(jìn)行滲氮.結(jié)果表明:隨著滲氮溫度的升高，氮含量增加，抗彎強(qiáng)度增加.當(dāng)w(N)＞0.6%時(shí)，抗彎強(qiáng)度略有降低.材料的鹽霧腐蝕等級(jí)隨氮含量的增加而降低，硬度隨氮含量的增加而增加.

含錳不銹鋼；氮化；組織；性能

在過去的一百年中，不銹鋼獲得了迅速發(fā)展，我國的不銹鋼需求也逐年遞增，2004年的消費(fèi)量居世界第一.不銹鋼的快速發(fā)展使鎳資源嚴(yán)重緊缺，價(jià)格猛增，另外，鎳離子還是一種潛在的致敏因子.所以，生產(chǎn)低鎳或無鎳不銹鋼產(chǎn)品是不銹鋼產(chǎn)業(yè)發(fā)展一個(gè)重要方向.

氮是強(qiáng)烈的奧氏體形成和穩(wěn)定化的元素，在奧氏體鋼中用氮來部分取代或與錳元素結(jié)合來完全取代鎳元素，可以更加穩(wěn)定奧氏體組織，在顯著提高強(qiáng)度的同時(shí)，不損害其延性[1].然而，由于錳在水霧化過程中極易氧化，因而只能采用氮?dú)忪F化制粉，這不但提高了粉末原料的成本，還惡化了后續(xù)的成形工藝的條件.為此，擬采用將氮?dú)忪F化的高錳含量母合金加入到水霧化的牌號(hào)為304的不銹鋼粉中，這樣既可提高合金中錳元素的含量，又使原料粉末的成本增加不多，適合批量化生產(chǎn).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

304牌號(hào)不銹鋼粉末原料，采用邯鄲埃斯?fàn)柟舅F化生產(chǎn)的304標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的不銹鋼粉末（1號(hào)粉），其性能列于表1.高錳含量母合金粉，采用北京安泰公司氮?dú)忪F化的高錳合金粉末（2號(hào)粉），其性能列表2.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

按m（1號(hào)粉）:m（2號(hào)粉）=1000:350的比例稱料并加入0.75%的潤滑劑，在雙錐型混料機(jī)中進(jìn)行混合，混料時(shí)間為2.5～4.0 h.將混合料取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果列于表3.

表1 304不銹鋼粉末的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 304 stainless steel powder

表2 氣霧化合金粉的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of gas atomization alloy powder

將上述混合料在600～700 MPa壓力下成形為30.96×12.47×6.43 mm的試樣.試樣密度為(6.15±0.05)g/cm3.經(jīng)真空1320℃，2 h保溫?zé)Y(jié)后，在不同的溫度下進(jìn)行20 min氣體滲氮處理.

材料的化學(xué)成分按標(biāo)準(zhǔn)方法分析，密度、硬度和抗彎強(qiáng)度檢驗(yàn)分別按ISO2738，ISO6508和ISO 3325標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)儀器為TG328光學(xué)分析天平、HDI-1875型布洛維硬度計(jì)和電子拉伸試驗(yàn)機(jī).

鹽霧腐蝕性能試驗(yàn)參照ISO9227標(biāo)準(zhǔn)確定相對比較等級(jí)，試驗(yàn)條件為:鹽水濃度5%，連續(xù)噴霧，試驗(yàn)箱溫度35℃，相對濕度大于98%，試驗(yàn)時(shí)間24 h.

材料顯微組織分析采用OMNIMENT-3圖象分析儀.

表3 混合料的化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of mixture

2 結(jié)果與分析

2.1 滲氮溫度對氮含量的影響

滲氮溫度與氮含量的關(guān)系列于表4.

表4 滲氮溫度與氮含量的關(guān)系Table 4 Relationship between nitriding temperature and nitrogen content

由表4可見，在常壓下，隨著滲氮溫度的升高，氮含量在950℃以上有較大的增幅.從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來看[2]，在奧氏體相中氮的溶解度比在液相中要高得多，鋼液在凝固過程中，通過氮溶解度較低的鐵素體（δ）相變區(qū)，氮的溶解度急劇下降，導(dǎo)致氮的偏析和氣孔.采用用固態(tài)粉末冶金氮化技術(shù)，可避免氮的偏析和氣孔.升高滲氮溫度，氮含量大幅提高，降溫時(shí)也不會(huì)有氮的析出.由于粉末冶金制品中含有大量的孔隙，在高溫氮化處理時(shí)，存在的孔隙增加了制品與氮?dú)獾慕佑|面積，因而氮化過程很快，且零件內(nèi)外的氮含量基本一致.控制各溫度點(diǎn)的保溫時(shí)間，就可控制氮含量，從而做到精確滲氮.

2.2 氮含量對金相組織的影響

不同氮含量試樣的金相組織如圖1所示.由圖1可見，氮含量隨滲氮溫度的升高而增加，晶界處的氮化物逐漸增多.由圖1(a)和圖1(b)可見，晶界光滑、細(xì)致.隨氮含量的增加，晶界明顯變粗，但未見到明顯的顆粒（圖1(c)）；由圖1(d)可見，晶界明顯長大，并且有少量的顆粒存在；由圖1(e)可見，隨著滲氮溫度的提高，氮含量進(jìn)一步增加，晶界更為粗大，晶界上的顆粒物進(jìn)一步增多；在圖1(f)上可見，晶界上的顆粒物基本上連成了一線.然而就整體組織來看，試樣的金相組織仍是均勻的奧氏體.由此可見，采用此種工藝滲氮，絕大多數(shù)的氮集中在晶界處，其強(qiáng)化機(jī)理主要是晶界強(qiáng)化.因此，氮含量并不是越多越好，必須精確控制滲氮量，才能達(dá)到最佳強(qiáng)化效果.由圖1分析來看，900～950℃是較適宜的滲氮溫度.

圖1 不同滲氮溫度下的金相組織(a)600℃滲氮；(b)850℃滲氮；(c)900℃滲氮；(d)950℃滲氮；(e)1000℃滲氮；(f)1050℃滲氮Fig.1 Metallographic organization at different nitrogen filling temperature(a)600℃ nitrogen filling；(b)850℃ nitrogen filling；(c)900℃ nitrogen filling；(d)950 ℃ nitrogen filling；(e)1000 ℃ nitrogen filling；(f)1050 ℃ nitrogen filling

2.3 氮含量的變化對材料性能的影響

表5為不同氮含量材料的性能測試數(shù)據(jù).由表5可知，氮含量越高材料的硬度越大，抗彎強(qiáng)度也隨氮含量的增加而提高，但當(dāng)w(N)＞0.6%后，材料的強(qiáng)度有所下降，這可能是過量的氮在晶界析出形成了氮化物相，易造成應(yīng)力集中，從而促進(jìn)裂紋的誘發(fā)和擴(kuò)展，由表5還可知，氮含量越低，試樣的耐蝕性越好，當(dāng)w(N)＜0.26%時(shí)，鹽霧腐蝕的保護(hù)等級(jí)可達(dá)到10級(jí).

從表5數(shù)據(jù)可見，氮含量增加，硬度也增加，這與圖1中合金組織由純奧氏體組成是一致的.氮在晶界上的固溶，形成氮化物質(zhì)點(diǎn)，因而極大地提高了材料的硬度，氮含量越多，硬質(zhì)相越多，硬度也就隨之增加.抗彎強(qiáng)度隨氮含量的增加達(dá)到一峰值后，有所下降.這是由于氮原子間隙固溶在奧氏體面心立方晶格中而導(dǎo)致晶界強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化[3]，且晶界強(qiáng)化效果遠(yuǎn)大于固溶強(qiáng)化.由于是固態(tài)滲氮，氮在奧氏體中擴(kuò)散時(shí)，往晶界處擴(kuò)散遠(yuǎn)比往晶粒中擴(kuò)散要容易得多.當(dāng)晶界處的氮濃度達(dá)到一定時(shí)，就會(huì)形成氮化物在晶界析出，析出的氮化物多到一定程度后，氮對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)就走向反面，材料的強(qiáng)度不增反降.由于滲進(jìn)去的氮主要集中在晶界上，過量的氮會(huì)在晶界處與鉻形成氮化鉻析出，使晶界周圍的奧氏體區(qū)的鉻含量降低，形成貧鉻區(qū).貧鉻區(qū)與氮化鉻和其余奧氏體區(qū)會(huì)建立起微電池，造成晶間腐蝕，降低材料的耐腐蝕性能.因此，隨著氮含量的增加，鹽霧腐蝕的等級(jí)會(huì)相應(yīng)地降低.

表5 氮含量對材料性能的影響Table 5 Influence of nitrogen content on material properties

3 結(jié) 論

（1）材料的含氮量隨滲氮時(shí)爐溫的升高而增加，當(dāng)爐溫高于900℃后，氮含量的增幅較大，950℃時(shí)，材料中的氮含量w(N)=0.6%.

（2）滲進(jìn)的氮基本上都聚集在晶界上，主要的強(qiáng)化機(jī)理是晶界強(qiáng)化.當(dāng)材料中的w(N)＞0.43%后，在晶界上有氮化物顆粒析出.

（3）材料的硬度隨氮含量的增加而增加.當(dāng)w(N)=1.01%時(shí)，材料的硬度達(dá)到HRB90，比不含氮的材料提高了近50%.材料的抗彎強(qiáng)度隨氮含量的增加而增加，當(dāng)w(N)達(dá)到0.6%后，抗彎強(qiáng)度達(dá)到1430 MPa；當(dāng)w(N)＞0.6%后，材料的抗彎強(qiáng)度開始下降.鹽霧腐蝕等級(jí)隨氮含量的增加而降低.

綜上所述，滲氮溫度在900～950℃，氮含量w(N)為0.4%～0.6%時(shí)，所制備的高氮不銹鋼材料的綜合性能最好.

[1]崔大偉，曲選輝，李科.高氮奧氏體不銹鋼的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2005，19(12):64-71.

[2]曹陽，姜周華，李花兵，等.高氮不銹鋼粉末冶金制備技術(shù)的研究進(jìn)展[J].中國冶金，2007，17（10）:4-7.

[3]李長勝，戴起勛，陳康敏.新型奧氏體不銹鋼室溫拉伸性能研究[J].熱加工工藝，2006，35（20）:6-18.

Akind of stainless steel material with high nitrogen prepared by metallurgy

CHEN Qiang，LI Dandan，LUO Kai，CAI Yixiang
Guangdong General Research Institute of Industrial Technology(Guangzhou Research Institute of Nonferrous Metals),Guangzhou510650,China

Using water atomized 304 stainless steel powders,and nitrogen atomized high manganese stainless steel powder as raw materials,a kind of stainless steel material with high nitrogen was prepared by mixing,forming and vacuum sintering at high temperature,and was further treated with nitrogen at different temperatures.The results showed that when the content of nitrogen was less than 0.6%wt,the bending strength of the material was increased with the increasing of nitriding temperature when the content of nitrogen was more than 0.6%wt,the bending strength was decreased slightly.The salt spray corrosion level was decreased,and the hardness was increased with the increase of the nitrogen content.

manganese content stainless steel；nitriding treatment；organization；performance

TG142.71

A

1673-9981(2012)03-0165-05

2012-07-30

陳強(qiáng)（1956-），男，重慶人，高級(jí)工程師，學(xué)士.