一种基于放电等离子烧结的12Cr不锈钢表面强化方法

摘要

本发明公开一种基于放电等离子烧结的12Cr不锈钢表面强化方法。以铁基预合金粉末为原料，配置碳含量不同，其余成分都相同的两种粉末。在Ar气保护下，将高碳和无碳的两种粉末分别进行机械球磨合金化；将得到的无碳预烧结粉末预压制，再在表面均匀撒上高碳预烧结粉末后压制；将压实后的粉末经放电等离子真空烧结，将样品加热淬火再进行低温回火。即可得到表面碳含量多、硬度高；芯部低碳、塑性好的12Cr不锈钢。本发明通过放电等离子烧结的方法，可以在短时间内获得表面硬化的12Cr不锈钢，免去了传统渗碳法费时、工艺繁琐的缺点，同时实现对渗碳层碳含量的精准控制，极大提高了12Cr不锈钢的表面强化效率和对成分的调控程度。

说明书

技术领域

本发明属于粉末冶金材料领域，具体涉及一种基于放电等离子烧结的12Cr不锈钢表面强化方法。

背景技术

不锈钢是社会上应用广泛的绿色环保金属材料，有良好的耐腐蚀性能和耐久性，具有极佳的应用前景。随着工业科技的快速发展，对不锈钢构件的综合性能提出了新的要求，很多关键构件除要求韧性强之外，还对其表面硬度、耐磨性、抗辐照性等指标提出了新的要求。当前研究中，表面渗碳工艺能在保持材料基体韧性的同时，提高材料表面硬度和耐磨性，具有广泛的应用前景。但其存在渗碳过程耗时长的缺点，以固体渗碳为例，低碳钢及低碳合金钢，渗碳层深1.2mm，需要在920℃下保温3~4h才能完成渗碳。且表面渗碳层碳含量难以控制。如何在控制表面渗碳层碳含量的同时，还能在短时间内获得组织均匀且表面强度高的不锈钢材料是当前急需解决的问题。本发明利用放电等离子烧结技术，在制样的同时完成表面渗碳过程，大幅缩短制备时间；通过表层高碳预烧结粉末碳含量的配比，一定程度上实现表层碳含量的调控；且性能优异，新工艺相比传统渗碳法，表面平均硬度提升12~45%。

目前，基于放电等离子烧结技术的应用越来越广。有论文介绍了利用放电等离子烧结技术制备耐腐蚀性能好的W-Cr-C梯度涂层[蒋燕.散裂靶材钨块体上碳化钨基梯度涂层的制备及耐腐蚀机理研究[D].中国科学院大学,2015.]。这种方法制备工艺简单，但存在烧结过程中存在样品内应力没有去除缺点，且样品涂层表面性能还有继续改进空间。本发明通过添加后续热处理，消除样品内应力的同时大幅提升了表面渗碳层的硬度。传统的表面渗碳工艺，表面硬度可达到650~780HV，本发明经烧结完经热处理后表面硬度达到940HV。与传统方法相比，硬度提升明显。氧化物弥散强化钢在退火过程中，氧化物纳米粒子进一步析出，Y

发明内容

本发明提供了一种基于放电等离子烧结的12Cr不锈钢表面强化方法。该方法能较好地控制渗碳层的碳含量，同时在较短时间内实现12Cr不锈钢表面强化，包括步骤：配置Fe-Cr-W-Mn-V-Ta-Ti-Y

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

（1）粉末配置和机械合金化：配置Fe-Cr-W-Mn-V-Ta-Ti-Y

（2）烧结胚的制备：将球磨好后的无碳粉末，置入内腔为圆柱形的石墨模具中，在室温下进行预压成形，保压时间1min，压力10MPa；再将球磨好后的高碳粉末均匀撒在不含碳的烧结胚上下两圆面上，烧结胚圆柱体的底部直径为30mm，每一圆面撒上1.75g高碳预烧结粉末。覆盖均匀后，再次保压时间1min，压力10MPa；

（3）放电等离子烧结：将制备好的烧结胚放入放电等离子烧结制备中进行固化烧结，烧结环境为真空，烧结温度950~1000℃，烧结时间4~6min，烧结压力40~50MPa，烧结后待烧结设备冷却，将模具取出。钢的硬度与基体内碳化物的含量有关，随着含碳量的增加，渗碳体含量逐渐增加，所以含碳量越高，钢的强度和硬度就会越高。

（4）一次淬火和低温回火：样品随放电等离子烧结炉冷却至室温，从模具取出后重新加热淬火。淬火温度选择Ac

本发明显著优点在于：

一、渗碳过程耗时短，本发明利用放电等离子烧结技术，在制样的同时完成表面渗碳过程，大幅缩短制备时间。

二、性能优异，表面平均硬度达到940HV，比传统的表面渗碳工艺硬度提升21~45%。

附图说明

图1为硬度测量点位置示意图，①为表层硬度测定线，②为芯部硬度测定线，③为垂直方向测定线；

图2为实施例1制得的产品的硬度分布图。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明。本发明的方法如无特殊说明，均为本领域常规方法。

实施例一：

将碳含量不同的两粉末Fe-12Cr-1.1W-1.0Mn-0.2V-0.15Ta-0.3Ti-0.3Y

实施例二：

将碳含量不同的两种粉末Fe-12Cr-1.5W-0.4Mn-0.2V-0.1Ta-0.3Ti-0.3Y

实施例三：

将碳含量不同的两粉末Fe-12Cr-1.1W-1.0Mn-0.2V-0.15Ta-0.3Ti-0.3Y

对比例一：

将碳含量不同的两粉末Fe-12Cr-1.1W-1.0Mn-0.2V-0.15Ta-0.3Ti-0.3Y

对比例二：

先将Fe-12Cr-1.5W-0.4Mn-0.2V-0.1Ta-0.3Ti-0.3Y

对比例三：

先将Fe-12Cr-1.5W-0.4Mn-0.2V-0.1Ta-0.3Ti-0.3Y

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。