一种在氢气气氛下对殷瓦钢热处理的方法
【专利摘要】一种在氢气气氛下对殷瓦钢热处理的方法。本发明通过应用粉末冶金制备的方法将复合粉体在真空环境下等离子烧结所获得的殷瓦钢合金晶粒细小、结构均匀且无大颗粒第二相，然后在氢气气氛下面对殷瓦钢进行退火热处理，制备出来的高强度高耐蚀性的殷瓦钢孔洞及裂纹明显减少，结构致密均匀，且在空气中不易腐蚀，具有良好的耐蚀性。在殷瓦钢的制备与热处理过程中，本发明将粉末冶金技术及热处理加工技术有效有序的结合，通过粉末冶金制备晶粒细小，结构均一的殷瓦钢，利用在氢气环境下去除殷瓦钢中的有害物质、消除其制备时残留的内应力并细化其晶粒等特性有效减少殷瓦钢中的孔洞及裂纹，提高钢体的致密性及均匀性。
【专利说明】
-种在氨气气氛下对殷瓦钢热处理的方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种在氨气气氛下对殷瓦钢热处理的方法，是属于粉末冶金技术及热 处理加工技术领域。
【背景技术】
[0002] 粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作 为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料W及各种类型制品的工艺技术。粉末冶 金法与生产陶瓷有相似的地方，均属于粉末烧结技术，因此，一系列粉末冶金新技术也可用 于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料 的发展中起着举足轻重的作用。自Benjamin将高能球磨用于制备弥散强化合金W来，机械 合金化已发展成为一种合成材料的有效方法，成功地用于合成晶体材料、微晶材料、纳米材 料、金属间化合物、准晶材料W及非晶合金等多种类型的材料，机械合金化是一个非平衡的 固态合金化过程，它的突出优点在于能使一些合金系在快速固溶的过程中增加固溶度、细 化晶粒尺寸，W及使合金系扩散均匀，得到良好的力学性能。
[0003] 在保护性气氛下热处理金属合金已经是比较成熟的技术方法，对殷瓦钢进行保护 性气氛下的热处理，能够得到更为优良的化学性质和机械性能。而通过氨气气氛下对殷瓦 钢进行热处理，相比较其他气氛下热处理具有能够大幅度提高其强度、硬度和耐腐蚀性能 等优势，所W在氨气气氛下热处理殷瓦钢可W说是一个全新的并具有创新的新技术，目前 国内外已有大量的科研人员级科研机构开始对殷瓦钢的制备及后处理技术进行探索和研 究，但在运方面研究较多的还主要是殷瓦钢制备技术，而在耐腐蚀性及强度方面研究仍然 较少。
[0004] 本发明通过应用粉末冶金制备的方法将复合粉体在真空环境下等离子烧结所获 得的殷瓦钢合金晶粒细小、结构均匀且无大颗粒第二相，然后在氨气气氛下面对殷瓦钢进 行退火热处理，制备出来的高强度高耐蚀性的殷瓦钢孔桐及裂纹明显减少，结构致密均匀， 且在空气中不易腐蚀，具有良好的耐蚀性。在殷瓦钢的制备与热处理过程中，本发明将粉末 冶金技术及热处理加工技术有效有序的结合，通过粉末冶金制备晶粒细小，结构均一的殷 瓦钢，利用在氨气环境下去除殷瓦钢中的有害物质、消除其制备时残留的内应力并细化其 晶粒等特性有效减少殷瓦钢中的孔桐及裂纹，提高钢体的致密性及均匀性。
【发明内容】
[0005] 本发明提出一种应用粉末冶金制备的方法将复合粉体在真空环境下等离子烧结 所获得的殷瓦钢合金，然后在氨气气氛下面对殷瓦钢进行退火热处理，从而大幅度提高殷 瓦钢的化学性能及机械性能，由于粉末冶金制备的殷瓦钢本身强度、硬度不高，所W后序我 们需对殷瓦钢进行高溫退火，消除殷瓦钢刚体内制备时所残留的内应力，并且也能细化钢 体本身晶粒的大小，从而提升其强度与硬度。
[0006] -种通过对殷瓦钢进行粉体制备且在氨气气氛下热处理的方法，其特征在于具有 如下的过程和步骤： a) 纳米复合粉体的制备 采用机械球磨法，将市售化学纯铁粉与化学纯儀粉按一定质量比均匀混合后放入不诱 钢球磨罐中，通Ar气保护，加少量的酒精，用高能球磨机球磨数小时;具体工艺参数如下： Ni:化=1:(2~3)(质量比）； 球:粉体=(6~10):1(质量比）； 球磨时间=10~40 h; 球磨转速=200~400r/min 酒精含量:50-80ml 试验中采用的不诱钢球直径为3~5mm，球磨制得纳米级化-Ni复合粉体； b) 球磨后的粉末放入模具中在真空放电等离子烧结机上进行烧结;烧结过程中W20~ 200°C/min的速度升溫至烧结溫度后保溫1~20min，同时施加压力300~500MPa，真空度为3 ~5Pa，然后冷却至室溫，其工艺参数如下： 烧结溫度:900 °C~1100 °C; 保溫时间：1~20min; 施加压力:300~500MPa 降溫梯度:快速冷却； 最大直流脉冲电流强度:300 A C)将烧结成型的殷瓦钢置于高溫双管式炉的上管中部并关闭官腔，利用离子累对管式 炉进行抽真空5-10分钟，抽完真空后通入氨气，氨气流出的管道通过氨氧化钢溶液后再进 入空气，管式炉参数设置如下： 管式炉升溫速度:5 °C/min-10 °C/min， 氨气流量:60血/min-100血/min， 退火热处理溫度:700°C-950°C 保溫时间：l〇-25min。
[0007] d)当保溫结束时，对样品进行高压氨气吹冷或者随炉冷却，当炉内溫度低于300°C W后，关掉氨气，取出样品进行测试。
[0008] 即缓慢加热到高于相变溫度区间不多的溫度，保溫适当时间，使合金转变为0相的 细小晶粒;然后缓慢冷却下来，使e相再转变为a相或a+e两相的细小晶粒。
[0009] 本发明具有如下特点： 1、本发明通过将殷瓦钢纳米复合粉体制备及氨气热处理工艺技术有效有序的结合，并 充分利用其各自的优势。机械合金化是一个非平衡的固态合金化过程，它的突出优点在于 能使一些合金系在快速固溶的过程中增加固溶度、细化晶粒尺寸，W及使合金系扩散均匀， 得到良好的力学性能。氨气热处理具有消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向，细 化晶粒，调整组织，消除组织缺陷，均匀材料组织和成分，改善材料性能或为W后热处理做 组织准备。从而颗粒之间结合更为紧密，分布更为均匀，从而有效减少殷瓦钢钢体中的孔桐 和裂纹，使内部结构发生微变形，钢体结构变得更为致密。在氨气状态下对样品进行热处 理，在对样品进行充分还原的情况下使合金中原子进行相互渗透，从而使钢体结构更加均 匀。
[0010] 2、本发明通过一系列连贯的工艺，可生产出孔桐及裂纹少，结构致密成分均匀的 殷瓦钢合金材料。该发明可通过参数的调整，亦适宜其他金属合金元素的制备。
[0011] 3、本发明工艺连贯，效果明显，对环境无污染，又因目前氨气热处理技术的进步， 安全系数也大大提高，所W本发明很适宜工业化扩大生产。
【具体实施方式】 [001^ 实施例1 采用机械球磨法，将市售化学纯铁粉与化学纯儀粉按1:2质量比均匀混合后放入不诱 钢球磨罐中，通Ar气保护，采用直径为3mm的不诱钢球，球粉比为6:1，加少量的酒精，在高能 球磨机采用转速为2(K)r/min，球磨20小时； 球磨后的粉末放入模具中在真空放电等离子烧结机上进行烧结;烧结过程中W2(TC/ min的速度升溫至900°C后，保溫20min，真空度为3Pa，同时施加压力300MPa，然后冷却至室 溫，直流脉冲电流强度为300 A。
[0013] 将烧结成型的殷瓦钢置于高溫双管式炉中抽真空后，再通入氨气进行退火热处 理。将样品置于高溫双管式炉的上管中部并关闭官腔，利用离子累对管式炉进行抽真空5分 钟，使真空度达到10化。抽完真空后通入氨气，氨气流出的管道通过氨氧化钢溶液后通入空 气。管式炉升溫速度为5°C/min，氨气流量为60血/min,退火热处理溫度为700°C，达到退火 溫度后，保溫时间lOmin。当保溫结束时，对样品进行高压氨气吹冷或者随炉冷却，当炉内溫 度低于300°C W后，关掉氨气，取出样品进行测试。
[0014] 实施例2 采用机械球磨法，将市售化学纯铁粉与化学纯儀粉按1:2质量比均匀混合后放入不诱 钢球磨罐中，通Ar气保护，采用直径为3mm的不诱钢球，球粉比为6:1，加少量的酒精，在高能 球磨机采用转速为3(K)r/min，球磨20小时； 球磨后的粉末放入模具中在真空放电等离子烧结机上进行烧结;烧结过程中W2(TC/ min的速度升溫至900°C后，保溫20min，真空度为5Pa，同时施加压力300MPa，然后冷却至室 溫，直流脉冲电流强度为300 A。
[0015] 将烧结成型的殷瓦钢置于高溫双管式炉中抽真空后，再通入氨气进行退火热处 理。将样品置于高溫双管式炉的上管中部并关闭官腔，利用离子累对管式炉进行抽真空6分 钟，使真空度达到9Pa。抽完真空后通入氨气，氨气流出的管道通过氨氧化钢溶液后通入空 气。管式炉升溫速度为6°C/min，氨气流量为70血/min,退火热处理溫度为750°C，达到退火 溫度后，保溫时间15min。当保溫结束时，对样品进行高压氨气吹冷或者随炉冷却，当炉内溫 度低于300°C W后，关掉氨气，取出样品进行测试。
[0016] 实施例3 采用机械球磨法，将市售化学纯铁粉与化学纯儀粉按1:2质量比均匀混合后放入不诱 钢球磨罐中，通Ar气保护，采用直径为3mm的不诱钢球，球粉比为6:1，加少量的酒精，在高能 球磨机采用转速为4(K)r/min，球磨20小时； 球磨后的粉末放入模具中在真空放电等离子烧结机上进行烧结;烧结过程中W2(TC/ min的速度升溫至900°C后，保溫20min，真空度为3Pa，同时施加压力500MPa，然后冷却至室 溫，直流脉冲电流强度为300 A。
[0017]将烧结成型的殷瓦钢置于高溫双管式炉中抽真空后，再通入氨气进行退火热处 理。将样品置于高溫双管式炉的上管中部并关闭官腔，利用离子累对管式炉进行抽真空7分 钟，使真空度达到8Pa。抽完真空后通入氨气，氨气流出的管道通过氨氧化钢溶液后通入空 气。管式炉升溫速度为rC/min，氨气流量为80血/min,退火热处理溫度为800°C，达到退火 溫度后，保溫时间20min。当保溫结束时，对样品进行高压氨气吹冷或者随炉冷却，当炉内溫 度低于300°C W后，关掉氨气，取出样品进行测试。
[001引实施例4 采用机械球磨法，将市售化学纯铁粉与化学纯儀粉按1:3质量比均匀混合后放入不诱 钢球磨罐中，通Ar气保护，采用直径为3mm的不诱钢球，球粉比为6:1，加少量的酒精，在高能 球磨机采用转速为4(K)r/min，球磨20小时； 球磨后的粉末放入模具中在真空放电等离子烧结机上进行烧结;烧结过程中W2(TC/ min的速度升溫至900°C后，保溫20min，真空度为5Pa，同时施加压力300MPa，然后冷却至室 溫，直流脉冲电流强度为300 A。
[0019] 将烧结成型的殷瓦钢置于高溫双管式炉中抽真空后，再通入氨气进行退火热处 理。将样品置于高溫双管式炉的上管中部并关闭官腔，利用离子累对管式炉进行抽真空8分 钟，使真空度达到7Pa。抽完真空后通入氨气，氨气流出的管道通过氨氧化钢溶液后通入空 气。管式炉升溫速度为8°C/min，氨气流量为90血/min,退火热处理溫度为850°C，达到退火 溫度后，保溫时间25min。当保溫结束时，对样品进行高压氨气吹冷或者随炉冷却，当炉内溫 度低于300°C W后，关掉氨气，取出样品进行测试。
[0020] 实施例5 采用机械球磨法，将市售化学纯铁粉与化学纯儀粉按1:3质量比均匀混合后放入不诱 钢球磨罐中，通Ar气保护，采用直径为3mm的不诱钢球，球粉比为6:1，加少量的酒精，在高能 球磨机采用转速为4(K)r/min，球磨20小时； 球磨后的粉末放入模具中在真空放电等离子烧结机上进行烧结;烧结过程中W2(TC/ min的速度升溫至1100°C后，保溫20min，真空度为3Pa，同时施加压力500MPa，然后冷却至室 溫，直流脉冲电流强度为300 A。
[0021] 将烧结成型的殷瓦钢置于高溫双管式炉中抽真空后，再通入氨气进行退火热处 理。将样品置于高溫双管式炉的上管中部并关闭官腔，利用离子累对管式炉进行抽真空10 分钟，使真空度达到6Pa。抽完真空后通入氨气，氨气流出的管道通过氨氧化钢溶液后通入 空气。管式炉升溫速度为lOr/min，氨气流量为100 mL/min，退火热处理溫度为950°C，达到 退火溫度后，保溫时间25min。当保溫结束时，对样品进行高压氨气吹冷或者随炉冷却，当炉 内溫度低于300°CW后，关掉氨气，取出样品进行测试。
[0022] 对各个实施例经处理后的样品进行表面宏观及耐蚀性能进行测试，结果如表1所 示：
由实施例测试情况来看，通过本发明所制备的殷瓦钢具有致密均匀的微观结构及很强 的耐蚀性能，且原料成本低廉，可W实现工业生产。
【主权项】
1.本发明提出一种应用粉末冶金制备的方法将复合粉体在真空环境下等离子烧结所 获得的殷瓦钢合金，然后在氢气气氛下面对殷瓦钢进行退火热处理，从而大幅度提高殷瓦 钢的化学性能及机械性能，由于殷瓦钢本身强度、硬度不高，本发明的步骤是首先对殷瓦钢 进行高温退火，然后循环退火逐渐提高退火温度，消除殷瓦钢刚体内制备时所残留的内应 力，并且也能细化钢体本身晶粒的大小，从而提升其强度与硬度，一种通过对殷瓦钢进行粉 体制备且在氢气气氛下热处理的方法，其特征在于具有如下的过程和步骤： a) 纳米复合粉体的制备 采用机械球磨法，将市售化学纯铁粉与化学纯镍粉按一定质量比均匀混合后放入不锈 钢球磨罐中，通Ar气保护，加少量的酒精，用高能球磨机球磨数小时;具体工艺参数如下： Ni:Fe = 1:(2~3)(质量比）； 球:粉体=(6~10):1(质量比）； 球磨时间=10~40 h; 球磨转速=200~400r/min 酒精含量:50-80ml 试验中采用的不锈钢球直径为3~5mm，球磨制得纳米级Fe-Ni复合粉体； b) 球磨后的粉末放入模具中在真空放电等离子烧结机上进行烧结;烧结过程中以20~ 200°(：/11^11的速度升温至烧结温度后保温1~2〇1^11，同时施加压力300~50010^，真空度为3 ~5Pa，然后冷却至室温，其工艺参数如下： 烧结温度:900 °C ~ 1100 °C; 保温时间：1~20min; 施加压力:300~500MPa 降温梯度:快速冷却； 最大直流脉冲电流强度:300 A; c) 将烧结成型的殷瓦钢置于高温双管式炉的上管中部并关闭官腔，利用离子栗对管式 炉进行抽真空5-10分钟，抽完真空后通入氢气，氢气流出的管道通过氢氧化钠后再进入空 气，管式炉参数设置如下： 管式炉升温速度:5°C/min-10°C/min, 氢气流量:60 mL/min一100 mL/min， 退火热处理温度:700 °C -950 °C 保温时间：l〇-25min; d) 当保温结束时，对样品进行高压氢气吹冷或者随炉冷却，当炉内温度低于300°C以 后，关掉氢气，取出样品进行测试，即缓慢加热到高于相变温度区间不多的温度，保温适当 时间，使合金转变为β相的细小晶粒;然后缓慢冷却下来，使β相再转变为α相或α+β两相的细 小晶粒。
【文档编号】B22F3/24GK106048437SQ201610536451
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月10日
【发明人】钟庆东, 肖晨, 黄哲瑞, 李育林, 孙金虎, 李辉
【申请人】上海大学