一种高氮合金钢及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高氮合金钢及其制备方法，属于铁基合金的制造技术领域。本发明专利技术的高氮合金钢的制备方法，包括以下步骤：包括以下步骤：1)将混合原料粉体进行机械合金化处理，得到复合粉体；所述混合原料粉体包括氮化物粉体、碳源粉体和铁粉；所述碳源粉体为碳化物粉体、碳粉中的至少一种；2)将所得的复合粉体压制成型、烧结，冷却，即得。本发明专利技术的高氮合金钢的制备方法，将机械合金化、粉末冶金工艺有机结合，能够快速、高效地获得高氮合金钢，并有效降低生产成本；并且氮化物颗粒弥散分布，对位错、晶界起到钉扎作用，有效提高基体强度及硬度，控制晶粒长大，最终获得高性能的高氮合金钢。

【技术实现步骤摘要】
一种高氮合金钢及其制备方法
本专利技术涉及一种高氮合金钢及其制备方法，属于铁基合金的制造

技术介绍
传统观念认为，氮在钢中为有害元素，可能会导致钢的脆性断裂。到20世纪初，氮在钢中的有利作用才被发现，特别是在二战时期，由于金属镍的缺乏，科研人员将锰与氮元素相配合来代替昂贵的镍元素以达到稳定钢中的奥氏体的目的。近年来，随着人们对钢中氮元素研究的不断深入，氮元素在钢中的作用越来越受到重视。氮是强烈的奥氏体稳定元素，不仅如此，氮还可以大幅扩大奥氏体相区，氮的稳定奥氏体能力仅次于碳，约为镍的18倍。氮在钢中的强化作用与碳类似，均为固溶强化，但氮能够引起基体更高的畸变，因此，氮的强化作用要大于碳。此外，碳过高时容易在晶间析出碳化物，降低材料的韧性及抗腐蚀能力，氮则不存在这类问题。但是，氮在铁素体中的溶解度很小，在钢液凝固过程中必然会从基体中溢出，因此，很难通过传统的熔炼方法得到高氮钢，目前常见做法是通过提高钢中固氮元素如铬、锰、镍等的含量，或通过提高凝固过程中氮气分压来提高氮在钢中的溶解度。如授权公告号为CN104862447B的中国专利技术专利公开了一种高氮钢的制备方法，是将奥氏体不锈钢在真空下加热至熔化后，控制钢液的过热度，充入氮气，待金属液中氮达到饱和后开始冷却；将金属冷却到半固态温度区间内进行保温，保温结束后，随炉冷却至室温得到高氮钢。以上两种办法或需要加入较多的贵重合金元素，或需要特殊的加压熔炼装置，使得高氮钢的制造成本及制造工艺的复杂程度均高居不下。
技术实现思路
为了克服传统熔炼工艺制备高氮合金钢工艺难度大、生产成本高的问题，本专利技术提供了一种高氮合金钢的制备方法。本专利技术还提供了一种采用上述制备方法制得的高氮合金钢。为了实现以上目的，本专利技术的高氮合金钢的制备方法所采用的技术方案是：一种高氮合金钢的制备方法，包括以下步骤：1)将混合原料粉体进行机械合金化处理，得到复合粉体；所述混合原料粉体包括氮化物粉体、碳源粉体和铁粉；所述碳源粉体为碳化物粉体、碳粉中的至少一种；2)将所得的复合粉体压制成型、烧结，冷却，即得。本专利技术的高氮合金钢的制备方法，将机械合金化、粉末冶金工艺有机结合，通过机械合金化处理使混合原料粉体组织、成分均匀、粒径规则，然后再进行烧结能够快速、高效地获得高氮合金钢，并有效降低生产成本；将混合原料粉体进行机械合金化处理过程后，合金元素分布均匀，特别是氮元素作为合金元素加入低合金钢中，与基体形成固溶体，能够起到固溶强化的作用，有效提升低合金钢的强度；并且氮化物颗粒弥散分布，对位错、晶界起到钉扎作用，有效提高基体强度及硬度，控制晶粒长大，最终获得高性能的高氮合金钢；此外，还能大幅度提高低合金钢中的氮元素的含量，获得力学性能及耐腐蚀性能优异的高氮合金钢。本专利技术的高氮合金钢的制备方法不需要加入过多的Cr、Ni等贵重固氮合金元素便可有效提升钢中的氮元素含量，也不需要低合金钢母合金熔炼、雾化制粉等制作工艺，能够有效降低高氮钢生产成本。本专利技术的高氮合金钢的制备方法，适用于制备低合金高氮钢、中合金高氮钢和高合金高氮钢。所述低合金高氮钢是指总合金元素含量低于5％，氮元素含量为0.08～0.1％的钢。所述中合金高氮钢是指总合金元素含量不低于5％且不高于10％，氮元素含量为0.1～0.4％的钢。所述高合金高氮钢是指总合金元素含量高于10％，氮元素含量大于0.4％的钢。机械合金化处理在真空或气氛保护下进行。压制成型、烧结过程均在真空或气氛保护下进行。在气氛保护或真空下进行机械合金化处理、压制成型、烧结，能够防止了制备过程中合金元素因氧化等原因造成的损失，使得该方法对高氮合金钢的成分控制更加精准。优选的，所述混合原料粉体还包括合金元素的单质粉体和/或合金元素之间形成的化合物粉体。合金元素的单质粉体是指除碳元素和氮元素外的合金元素的单质粉体。合金元素之间形成的化合物的粉体是指除碳元素和氮元素外的合金元素之间的化合物粉体。混合原料粉体中同时含有合金元素的单质粉体和合金元素之间形成的化合物粉体时，组成单质粉体的合金元素可以为形成化合物的合金元素中的一种或多种，也可完全不同于形成化合物的合金元素。所述混合原料粉体的平均粒径为0.1～100μm。所述氮化物粉体为氮化铝、氮化硼、氮化硅、氮化钛、氮化锆、氮化铬、氮化锰、氮化钒、氮化锰铁、氮化铬铁、稀土氮化物中至少一种。所述碳化物粉体为碳化硅、碳化锰、碳化铬、碳化钼、碳化钨、碳化钒、碳化硼、碳化钛、碳化锆、碳化铌、碳化钽、高碳铬铁、高碳锰铁中至少一种。所述单质粉体为硅粉、锰粉、铬粉、镍粉、钼粉、钒粉、铝粉、铜粉、钛粉、钨粉、硼粉中的至少一种。所述压制成型、烧结为热压烧结。热压烧结可以提高高氮合金钢的致密度。压制成型、烧结除了可以采用热压烧结的工艺将压制成型和烧结的过程同时完成外，还可以先将复合粉体压制成型，然后再进行烧结。所述热压烧结是将复合粉体在1000～1280℃、5～70MPa下保温保压10～300min。优选的，热压烧结过程中进行保温保压的时间为20～120min。热压烧结前，先将复合粉体在800～1000℃保温10～120min。热压烧结前，将复合粉体在800～1000℃进行保温，有助于复合粉体中各元素的充分扩散，促进成分分布的均匀程度。所述机械合金化处理为球磨。球磨过程中，在球磨罐中充入保护气体。球磨罐中充入的保护气体为氩气或氮气。球磨罐中充入保护气体的压力为0.5～10MPa。所述球磨的料球比为1:5～10。所述球磨的时间为0.5～70h。所述球磨为高能球磨在将混合原料粉体进行球磨前，先将混合原料粉体进行混料。球磨前先将混合原料粉体中和组分充分混合，有助于提高所得高氮合金钢的基体强度和硬度。本专利技术的高氮合金钢所采用的技术方案为：一种采用上述的制备方法制得的高氮合金钢。本专利技术的高氮合金钢，氮化物颗粒弥散分布，对位错、晶界起到钉扎作用，能够有效提高基体强度及硬度，并且晶粒粒径小，具有较高的塑性和韧性。具体实施方式以下结合具体实施方式对本专利技术的技术方案做进一步的说明。实施例1本实施例的高氮合金钢为42CrMoN低合金高氮钢，主要由以下质量百分比的元素组成：C0.4％，Cr1.5％，Mn1.2％，Mo0.3％，Si0.3％，B0.004％，其余为Fe、N及少量不可避免的杂质；其制备方法包括以下步骤：1)按照表1中混合原料粉体的组成，取配方量的碳化铬粉体、氮化铝粉体、碳化硅粉体、氮化硼粉体、碳化钼粉体、氮化铬粉体、锰粉和铁粉，各粉体的平均粒径均为0.1μm，装入混料机中，以48r/min的转速混料2h，得到混合原料粉体；表1实施例1中每kg混合原料粉体的组成2)按照球料比为10:1的比例取混合原料粉体装入球磨罐中，加入磨球，在球磨罐中充氩气至2MPa；将球磨罐装到行星式球磨机上球磨30h，得到复合粉体；球磨过程中，每球磨满1h，停止10min(停止时间不计入球磨时间)，然后反向旋转继续球磨；3)将复合粉体装入热压模具中，然后装入真空热压烧结炉内，抽真空、加热，待温度升至1000℃时保温2h，然后升温至1100℃，加压，待压力升至40MPa，保温保压2h，冷却，取出，即得。本实施例的高氮合金钢采用本实施例的制备方法制得。实施例2本实施例的高氮合金钢为20CrMnTiN本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高氮合金钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将混合原料粉体进行机械合金化处理，得到复合粉体；所述混合原料粉体包括氮化物粉体、碳源粉体和铁粉；所述碳源粉体为碳化物粉体、碳粉中的至少一种；2)将所得的复合粉体压制成型、烧结，冷却，即得。

【技术特征摘要】
1.一种高氮合金钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将混合原料粉体进行机械合金化处理，得到复合粉体；所述混合原料粉体包括氮化物粉体、碳源粉体和铁粉；所述碳源粉体为碳化物粉体、碳粉中的至少一种；2)将所得的复合粉体压制成型、烧结，冷却，即得。2.根据权利要求1所述的高氮合金钢的制备方法，其特征在于：所述混合原料粉体还包括合金元素的单质粉体和/或合金元素之间形成的化合物粉体。3.根据权利要求1所述的高氮合金钢的制备方法，其特征在于：所述氮化物粉体为氮化铝、氮化硼、氮化硅、氮化钛、氮化锆、氮化铬、氮化锰、氮化钒、氮化锰铁、氮化铬铁、稀土氮化物中至少一种。4.根据权利要求1所述的高氮合金钢的制备方法，其特征在于：所述碳化物粉体为碳化硅、碳化锰、碳化铬、碳化钼、碳化钨、碳化钒、碳化硼、碳化钛、碳化锆、碳化铌、碳化钽、高碳铬...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏世忠，王晓东，徐流杰，张程，陈冲，毛丰，王长记，肖方闹，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南,41