專利名稱：用機(jī)械合金化法制備含氮ods無鎳奧氏體合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氧化物彌散強(qiáng)化(Oxide Dispersion Strengthened,0DS)合金制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種通過高能球磨實(shí)現(xiàn)氧化物、氮元素、純金屬粉末或預(yù)合金粉末的機(jī)械合金化，獲得近球形含氮ODS無鎳合金粉末，經(jīng)熱等靜壓燒結(jié)獲得其致密的用機(jī)械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體合金的方法。
背景技術(shù)：
奧氏體不銹鋼以其良好的綜合力學(xué)性能、優(yōu)良的抗蝕性能、抗氧化性能、易加工成型等 優(yōu)點(diǎn)成為第四代核能反應(yīng)堆，如超臨界水冷堆燃料包殼的候選材料之一。但是，奧氏體不銹鋼的高溫力學(xué)性能、抗高溫蠕變能力不能滿足其使用要求。氧化物顆粒彌散強(qiáng)化是提高合金鋼高溫力學(xué)性能、抗輻照能力的有效手段，氧化物彌散強(qiáng)化的鐵素體/馬氏體鋼成為研究熱點(diǎn)(見L. K. Mansur, A. F. Rowcliffe, R. K. Nanstad, S. J. Zinkle, ff. R. Corwin,R.E. Stoller. Journal of Nuclear Materials 329 - 333 (2004) 166 - 172)。但是在奧氏體不銹鋼中的應(yīng)用還剛剛起步。與傳統(tǒng)合金中的強(qiáng)化相如碳化物、晶間相相比，氧化物彌散顆粒在高溫下的性能要穩(wěn)定的多；這些彌散分布在基體中的氧化物顆粒作為位錯(cuò)移動(dòng)的阻力可以有效改善合金的抗蠕變能力和高溫強(qiáng)度，另外，彌散分布在基體中的氧化物顆?？梢宰璧K再結(jié)晶過程的進(jìn)行，容易獲得穩(wěn)定的晶粒尺寸。不銹鋼中的氧化物彌散相通常通過機(jī)械合金化的方法引入。機(jī)械合金化主要通過高能球磨的方式實(shí)現(xiàn)。與其它合金化方法相比，機(jī)械合金化具有成本低、易操作、常溫下即可實(shí)現(xiàn)合金化等優(yōu)點(diǎn)，而且在球磨罐中可以充入不同的氣氛，除惰性氣體外，在球磨過程中可以使氣體的原子參與被球磨物質(zhì)發(fā)生的固相反應(yīng)；另外，在原料粉中加入氧化物顆粒，在球磨過程中，混合的原料粉末在球與球、球與壁、球與粉末之間的高速、反復(fù)撞擊下承受沖擊、剪切、摩擦和壓縮多種力的作用，經(jīng)歷反復(fù)的擠壓、冷焊及粉碎過程進(jìn)而實(shí)現(xiàn)合金化，使得細(xì)小氧化物顆粒的彌散分布在基體合金中。普通的奧氏體不銹鋼含有較多的Ni，而Ni是常見的致敏性金屬，做為醫(yī)用及生物材料使用時(shí)容易引起生物體過敏，使用Mn代Ni是這類材料的發(fā)展方向之一。同時(shí)鎳還是高活化元素，使得其不能使用于對(duì)材料組成元素的活性有限制要求的場合，比如聚變堆面向等離子體結(jié)構(gòu)材料中，這時(shí)可以使用低活化元素Mn來代替Ni，用W來代替Mo。在奧氏體不銹鋼中引入氮，可以穩(wěn)定奧氏體組織、有效的提高鋼的強(qiáng)度、韌性、加工硬化能力，使鋼達(dá)到很好的強(qiáng)韌性配合，并且提高耐腐蝕性能，特別是耐局部腐蝕性能，如耐晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕等。含氮奧氏體不銹鋼以其優(yōu)越的力學(xué)性能和耐蝕性能獲得了各國科研工作者的青睞。自20世紀(jì)80年代以來，掀起了研究含氮奧氏體不銹鋼的熱潮。含氮奧氏體不銹鋼根據(jù)含氮量可分為控氮型(N含量為0. 05-0. 10wt%)、中氮型(N含量為0. 10-0. 40wt%)和高氮型(N含量高于0. 40wt%)。國內(nèi)外制備含氮奧氏體不銹鋼的主要方法有加壓感應(yīng)熔煉、加壓等離子熔煉、加壓電渣熔煉、反壓鑄造等。這些方法的普遍缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜、工藝控制困難、成本過高。近年來粉末冶金方法開始被應(yīng)用于含氮不銹鋼的研究。與用熔煉的方法制備含氮不銹鋼相比，粉末冶金方法具有設(shè)備簡單、成本低、安全性好、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。其中機(jī)械合金化是較為常用的粉末冶金方法之一。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用機(jī)械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體合金的方法，機(jī)械合金化粉末成分均勻，在1100°c退火后室溫下獲得完全奧氏體組織。這種方法能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)無鎳奧氏體不銹鋼的氮元素固溶強(qiáng)化和氧化物彌散強(qiáng)化(0DS)。本發(fā)明的技術(shù)方案是用機(jī)械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體合金的方法，具體包括以下步驟
用機(jī)械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體合金的方法，其特征在于，具體包括以下步驟步驟I :將Fe、Cr、Mn、W、Al、Ti的純金屬元素粉與純度大于99. 9 %，平均粒度為30 nm 的納米 Y2O3 按質(zhì)量分?jǐn)?shù) Cr :17-20%, Mn 18-22%, W I. 5-2. 5%, Al 2-4%, Ti 0. 5-1. 0%, Y2O3
O.3-0. 6%，余量為Fe的配比稱重混合均勻，按照球料比為10 I配比后裝入臥式行星式高能球磨機(jī)的球磨罐中抽真空后充入高純氮?dú)?，控制壓力在O. I-Iatm,球磨轉(zhuǎn)速為380r/min,球磨30-90h，球磨過程中每轉(zhuǎn)5h停機(jī)lh，避免球磨過程中溫度過高，獲得含氮量為
O.1-0. 8%的ODS無鎳奧氏體合金粉末;其中，F(xiàn)e、Cr、Mn、Ti、Al粉末的粒度為-200目，W粉的平均粒度為2 μ m, Y2O3粉末的平均粒度為30 nm ；
步驟2:將上述步驟得到的ODS無鎳奧氏體合金粉末經(jīng)熱等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)條件為IlOO0C -1200°C，壓力120MPa-180MPa，保溫3h，燒結(jié)后制得含氮ODS無鎳奧氏體合金。進(jìn)一步，本發(fā)明另一種用機(jī)械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼的方法，具體步驟如下
2.用機(jī)械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼的方法，其特征在于，具體步驟如
下
步驟I :將預(yù)合金粉末與Y2O3按質(zhì)量分?jǐn)?shù)99. 7-99. 4 :0. 3-0. 6%的配比稱重混合均勻，按照球料比為10 I比例后裝入臥式行星式高能球磨機(jī)的球磨罐中抽真空后充入高純氮?dú)猓刂茐毫υ贠. I-Iatm,球磨轉(zhuǎn)速為380r/min,球磨30_90h,球磨過程中每轉(zhuǎn)5h停機(jī)Ih,避免球磨過程中溫度過高，獲得含氮量為O. 1-0. 8%的ODS無鎳奧氏體合金粉末；
步驟2:將上述步驟得到的ODS無鎳奧氏體合金粉末經(jīng)熱等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)條件為IlOO0C -1200°C，壓力120MPa-180MPa，保溫3h，燒結(jié)后制得含氮ODS無鎳奧氏體合金。其中，所述預(yù)合金粉末的成分為Fe、Cr、Mn、W、Al、Ti，各組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Cr 17-20%, Mn :18-22%, W 1. 5-2. 5%, Al :2_4%，Ti 0. 5-1. 0%，余量為 Fe ;預(yù)合金粉末的粒度為-200目，Y2O3粉末的平均粒度為30 nm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
I.以錳代替鎳，同時(shí)添加適量W、Al、Ti及Y2O3采用機(jī)械合金化和熱等靜壓方法制備出具有較高力學(xué)性能和抗氧化性能的無鎳ODS奧氏體合金。2. 通過控制機(jī)械合金化過程中保護(hù)氣氛氮?dú)獾膲毫芍苽洳煌康腛DS無鎳奧氏體不銹鋼粉末，其成分均勻，含氮量可在O. 1-0.8 %之間變化。通過機(jī)械合金化這一過程，可以在無鎳奧氏體不銹鋼中同時(shí)實(shí)現(xiàn)氮的固溶強(qiáng)化和氧化物彌散強(qiáng)化(0DS)，提高無鎳奧氏體不銹鋼的高溫力學(xué)性能和耐蝕性能。
3. 制備的含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼粉末粒度細(xì)小(5-25μπι)，粒度分布范圍窄，所得粉末顆粒具有較高的球形度，利于在燒結(jié)時(shí)獲得較高密度。4. 采用熱等靜壓燒結(jié)制備得到的含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼具有亞微米細(xì)晶組織，晶粒內(nèi)彌散分布大量尺寸小于IOOnm的氧化物彌散粒子，具有較高的高溫力學(xué)性能。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。實(shí)施例I
實(shí)驗(yàn)所用原料為Fe、Cr、Mn、W、Ti、Al的純金屬粉末和納米Y2O3粉末，所用粉末的純度均大于99.9 %。其中，F(xiàn)e、Cr、Mn、Ti、Al粉末的粒度為-200目，W粉的平均粒度為2 μ m， Y2O3粉末的平均粒度為30 nm。上述粉末按成分配比(Cr :18%，Mn :20%，W :1. 5%，Al :2. 5%，Ti :0. 5%, Y2O3 :0. 4%，余量為Fe)分別稱量混合后放入球磨罐中，抽真空后充入氮?dú)?，充入氮?dú)獾膲毫镺. 5atm。球磨時(shí)間控制為60h。采用墮氣脈沖紅外導(dǎo)熱法(ASTME1019-2003)測得粉末的實(shí)際含氮量為O. 52% ;將機(jī)械合金化的粉末熱等靜壓燒結(jié)后得到含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼。燒結(jié)條件為1150°C，150MPa，保溫3h。所得無鎳含氮ODS奧氏體不銹鋼相對(duì)密度為97. 5%，其室溫抗拉強(qiáng)度為730MPa，延伸率為6% ；700°C時(shí)抗拉強(qiáng)度為230MPa，延伸率為9%。實(shí)施例2
實(shí)驗(yàn)所用原料為Fe、Cr、Mn、W、Ti、Al的純金屬粉末和納米Y2O3粉末，所用粉末的純度均大于99.9 %。其中，F(xiàn)e、Cr、Mn、Ti、Al粉末的粒度為-200目，W粉的平均粒度為2 μ m，Y2O3粉末的平均粒度為30 nm。上述粉末按成分配比(Cr :17%，Mn :22%，W :2%，Al :4%，Ti
0.75%, Y2O3 :0. 6%，余量為Fe)分別稱量混合后放入球磨罐中，抽真空后充入氮?dú)?，充入氮?dú)獾膲毫閘atm。球磨時(shí)間控制為30h。采用墮氣脈沖紅外導(dǎo)熱法(ASTME1019-2003)測得粉末的實(shí)際含氮量為O. 35% ;將機(jī)械合金化的粉末熱等靜壓燒結(jié)后得到含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼。燒結(jié)條件為12001，12010^，保溫311。所得無鎳含氮ODS奧氏體不銹鋼相對(duì)密度為98%，其室溫抗拉強(qiáng)度為750MPa，延伸率為5% ;700°C時(shí)抗拉強(qiáng)度為260MPa，延伸率為9%
O實(shí)施例3
實(shí)驗(yàn)所用原料為Fe、Cr、Mn、W、Ti、Al的純金屬粉末和納米Y2O3粉末，所用粉末的純度均大于99.9 %。其中，F(xiàn)e、Cr、Mn、Ti、Al粉末的粒度為-200目，W粉的平均粒度為2 μ m，Y2O3粉末的平均粒度為30 nm。上述粉末按成分配比(Cr :19%，Mn 21%,ff 1. 75%, Al :3%，Ti
1.0%, Y2O3 0. 0. 35%，余量為Fe)分別稱量混合后放入球磨罐中，抽真空后充入氮?dú)?，充入氮?dú)獾膲毫镺. 75atm。球磨時(shí)間控制為90h。采用墮氣脈沖紅外導(dǎo)熱法(ASTME1019-2003)測得粉末的實(shí)際含氮量為O. 78% ;將機(jī)械合金化的粉末熱等靜壓燒結(jié)后得到含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼。燒結(jié)條件為1100°C，120MPa，保溫3h。所得無鎳含氮ODS奧氏體不銹鋼相對(duì)密度為97%，其室溫抗拉強(qiáng)度為710MPa，延伸率為5% ；700°C時(shí)抗拉強(qiáng)度為215MPa，延伸率為7%。實(shí)施例4
實(shí)驗(yàn)所用原料為預(yù)合金粉末(成分配比為Cr 19 %，Mn :21%，W :2. 2%，Al :3. 5%，Ti O.55%，余量為Fe)和納米Y2O3粉末(純度大于99. 9 %，平均粒度為30 nm)按成分配比(預(yù)合金粉末99. 5%，Y2O3 :0. 5%)分別稱量混合后放入球磨罐中，抽真空后充入氮?dú)猓淙氲獨(dú)獾膲毫镺. 2 atm。球磨時(shí)間控制為40h。采用墮氣脈沖紅外導(dǎo)熱法(ASTME1019-2003)測得粉末的實(shí)際含氮量為O. 21% ;將機(jī)械合金化的粉末熱等靜壓燒結(jié)后得到含氮ODS無鎳奧氏體合金。燒結(jié)條件為12001，18010^，保溫311。所得無鎳含氮ODS奧氏體合金相對(duì)密度為98. 5%，其室溫抗拉強(qiáng)度為850MPa，延伸率為11 % ;700°C時(shí)抗拉強(qiáng)度為325MPa，延伸率為14. 5%ο實(shí)施例5
實(shí)驗(yàn)所用原料為預(yù)合金粉末(成分配比為Cr 17 %，Mn :18%，W :1. 5%，Al :2%，Ti :0. 5%，余量為Fe)和納米Y2O3粉末(純度大于99. 9 %，平均粒度為30 nm)按成分配比(預(yù)合金粉末99. 6%，Y2O3 :0. 4%)分別稱量混合后放入球磨罐中，抽真空后充入氮?dú)?，充入氮?dú)獾膲毫镺. 9 atm ο球磨時(shí)間控制為70h。采用墮氣脈沖紅外導(dǎo)熱法(ASTME1019-2003)測得粉末的實(shí)際含氮量為O. 75 % ;將機(jī)械合金化的粉末熱等靜壓燒結(jié)后得到含氮ODS無鎳奧氏體合 金。燒結(jié)條件為1200°C，180MPa,保溫3h。所得無鎳含氮ODS奧氏體合金相對(duì)密度為98. 5%，其室溫抗拉強(qiáng)度為860MPa，延伸率為12 % ;700°C時(shí)抗拉強(qiáng)度為330MPa，延伸率為15%。
權(quán)利要求
1.用機(jī)械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體合金的方法，其特征在于，具體包括以下步驟步驟I :將Fe、Cr、Mn、W、Al、Ti的純金屬元素粉與純度大于99. 9 %，平均粒度為30nm 的納米 Y2O3 按質(zhì)量分?jǐn)?shù) Cr : 17-20%，Mn : 18-22%，W 1. 5-2. 5%, Al :2_4%，Ti 0. 5-1. 0%,Y2O3 :0. 3-0. 6%，余量為Fe的配比稱重混合均勻，按照球料比為10 I配比后裝入臥式行星式高能球磨機(jī)的球磨罐中抽真空后充入高純氮?dú)?，控制壓力在O. I-Iatm,球磨轉(zhuǎn)速為380r/min,球磨30_90h，球磨過程中每轉(zhuǎn)5h停機(jī)lh，避免球磨過程中溫度過高，獲得含氮量為O. 1-0. 8%的ODS無鎳奧氏體合金粉末；其中，F(xiàn)e、Cr、Mn、Ti、Al粉末的粒度為-200目，W粉的平均粒度為2 μ m, Y2O3粉末的平均粒度為30 nm ； 步驟2:將上述步驟得到的ODS無鎳奧氏體合金粉末采用等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)條件為IlOO0C -1200°C，壓力120MPa-180MPa，保溫3h，燒結(jié)后制得含氮ODS無鎳奧氏體合金。
2.用機(jī)械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體不銹鋼的方法，其特征在于，具體步驟如下 步驟I :將預(yù)合金粉末與Y2O3按質(zhì)量分?jǐn)?shù)99. 7-99. 4 :0. 3-0. 6%的配比稱重混合均勻，按照球料比為10 I比例后裝入臥式行星式高能球磨機(jī)的球磨罐中抽真空后充入高純氮?dú)?，控制壓力在O. I-Iatm,球磨轉(zhuǎn)速為380r/min,球磨30_90h,球磨過程中每轉(zhuǎn)5h停機(jī)Ih,避免球磨過程中溫度過高，獲得含氮量為O. 1-0. 8%的ODS無鎳奧氏體合金粉末； 步驟2:將上述步驟得到的ODS無鎳奧氏體合金粉末采用等靜壓燒結(jié)，燒結(jié)條件為IlOO0C -1200°C，壓力120MPa-180MPa，保溫3h，燒結(jié)后制得含氮ODS無鎳奧氏體合金；其中，所述預(yù)合金粉末的成分為Fe、Cr、Mn、W、Al、Ti，各組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Cr =17-20%, Mn 18-22%, W I. 5-2. 5%, Al :2_4%，Ti :0. 5-1. 0%，余量為 Fe ;預(yù)合金粉末的粒度為-200 目，Y2O3粉末的平均粒度為30 nm。
全文摘要
本發(fā)明用機(jī)械合金化法制備含氮ODS無鎳奧氏體合金的方法，以Fe、Cr、Mn、W、Ti、Al的純金屬元素粉末與納米Y2O3粉末按Cr17-20%，Mn18-22%，W1.5-2.5%，Al2-4%，Ti0.5-1.0%，Y2O30.3-0.6%，余量為Fe混合，裝入臥式行星式高能球磨機(jī)的球磨罐中，抽真空后充入高純氮?dú)?，控制壓?.1-1atm，球磨30-90h，每球磨5h，停機(jī)1h，獲得含氮量為0.1-0.8%的ODS無鎳奧氏體合金粉末，燒結(jié)后制得含氮ODS無鎳奧氏體合金。該無鎳奧氏體合金可同時(shí)實(shí)現(xiàn)氮的固溶強(qiáng)化和氧化物彌散強(qiáng)化，在很大程度上改善無鎳奧氏體不銹鋼在高溫環(huán)境下的服役能力。
文檔編號(hào)C22C33/02GK102828097SQ20121034119
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月16日
發(fā)明者周張健, 許迎利, 王曼, 陳萬華 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)