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用粉末冶金工艺制备高氮奥氏体钢

    高氮奥氏体钢用廉价的氮代替贵金属镍来稳定钢中奥氏体，能够在不损害塑性和韧性的情况下，显著提高钢的强度，因而在许多领域都获得了十分广阔的发展和应用前景。高氮钢现有的制备方法主要是熔炼法和粉末冶金法。由于高压冶炼高氮钢制备技术存在能耗高、设备复杂等不足，而粉末冶金生产高氮钢的优势在于能够细化晶粒，可以通过非平衡方法获得过饱和的含氮固溶体和细小沉淀相，能较为容易地获得更高的氮含量，并可实现近终成形，另外它工艺灵活、资金投入低，因此成为当前高氮钢制备中最有潜力的研究方向之一。
　　我国潍坊学院采用机械合金化、渗氮以及粉末冶金压制-烧结工艺制备了 0Cr18Mn12Mo3N 高氮奥氏体钢。结果表明，用机械合金化和渗氮相结合工艺获得的近球形高氮钢粉末，具有良好的压缩性和成形性，在 650 MPa 压制力下压坯的相对密度高达 76.2%。在1250℃烧结温度下烧结2 h可使粉末致密化过程完成，获得相对密度为 97.2%，氮含量高达0.80wt%的烧结体，烧结体经 1150℃×1.5 h 固溶处理水淬冷却后获得全部奥氏体组织，且奥氏体晶粒细小，其屈服强度和抗拉强度分别达到 598 MPa 和 882 MPa，显著优于传统粉末冶金高氮奥氏体钢。
　　他们采用的工艺路线如下：首先将适量 Cr-Fe 粉、Mo 粉和 Mn 粉混合，进行 2 h 球磨，目的是细化粉末颗粒，使得在随后渗氮时氮在粉末中的扩散距离得以缩短，并增加氮的固溶度。检测表明：绝大部分颗粒尺寸降至 20～40μm 之间，同时原始粉末中许多细小颗粒在球磨后消失，说明球磨使得锰、钼等元素固溶进了 Fe-Cr 中，实现了部分合金化。然后将上述粉末在 1000℃下流动氮气中渗氮 1 h，获得氮含量很高的 Cr-Mo-Mn-Fe-N 复合粉末。检测表明，所获粉末的氮含量很高，这是因为粉末渗氮后形成了大量的氮化物，这些硬脆氮化物的存在使得粉末具有很大脆性，容易破碎成很多细小颗粒。随后将此高氮复合粉末添加纯 Fe 粉配置到合金名义成分，并继续球磨3 h，在此过程中较软的Fe 粉会比较均匀地包覆在较硬的 Cr-Mo-Mn-Fe-N 粉末表面，形成近球形的包覆粉末，这种粉末具有良好的流动性和塑性，有利于压制成形。检测表明，在此球磨过程中，硬脆的氮化物颗粒发生细化破碎，而延性好的铁粉颗粒在机械力作用下发生变形、加工硬化、断裂，最后比较均匀地冷焊在较硬的氮化物颗粒的表面，形成较细的多层状近球形的复合包覆粉末。上述试验在振动型高能球磨机上进行，球磨前抽真空充氮气保护以防氧化；在球磨粉末中加入 1% 的硬脂酸锌润滑剂。球磨结束后在一定压力下冷压，然后在流动氮气下烧结致密化，最后对烧结试样进行 1150℃×1.5 h 固溶处理后水淬冷却。试验表明，最佳烧结工艺条件为流动氮气下1250 ℃烧结2 h，烧结方式以液相烧结为主，烧结体相对密度达97.2%，组织由单一的奥氏体晶粒组成，没有脆性氮化物析出，氮含量高达0.80wt%。