[发明专利]一种用高能球磨制备近球形高氮不锈钢粉末的方法

说明书

技术领域：

本发明属于合金粉末制备技术领域，特别是提供了一种用高能球磨制备近球形高氮不锈钢粉末的方法。

背景技术：

高氮不锈钢是一类资源节约型先进材料，它以氮代镍，可以有效节约镍资源，其高氮含量(≥0.4wt％)在显著提高不锈钢强度的同时并不明显损害其延性，而且能够有效提高不锈钢的耐局部腐蚀能力(如晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等)。此外，这类不锈钢无镍或低镍的成分特点也降低了当前含镍不锈钢用作生物医用材料(如人体植入体、牙齿矫形托槽等)时对人体器官造成的“镍过敏”危害，因此开展高氮不锈钢的研究在工业和医学外科领域都有十分重要的意义。(Uggowitzer PJ，et al.ISIJ International，1996，36(7)：901-908)

高氮不锈钢的传统制备工艺是高压熔炼法，如热等静压熔炼、加压感应熔炼、加压电渣重熔等，这些工艺虽然可以获得1.0wt％以上的高氮含量，但设备复杂、投资大限制了它们的发展。粉末冶金技术生产高氮不锈钢由于可以细化晶粒、均匀组织，能较为容易地获得更高氮含量，并且可以实现复杂形状零件的近终成形，已成为当前高氮钢研究领域的热点之一。(钟海林，等.粉末冶金工业，2007，17(3)：44-47)粉末冶金高氮不锈钢的研究主要包括两方面内容，即高氮不锈钢粉末的制备方法及其致密化技术，而其中能否经济地获得成形性好、烧结密度高的高氮不锈钢粉末更是能否成功制备出高氮不锈钢的关键。高氮不锈钢粉末的生产方法主要有钢水渗氮后雾化(如高压气体雾化、离心雾化等)、粉末流化床渗氮、高能球磨等方法。前两种方法虽可获得高氮含量的粉末，但工艺成本较高、粉末粒度和氮含量很难精确控制。高能球磨制备高氮不锈钢粉末是一个很有效的方法，它主要是利用粉末在球磨过程中不断与含氮介质(如氮气，氨水、氮化物等)发生固-气、固-液或固-固反应从而最终形成高氮不锈钢粉末，但目前研究中高能球磨制得的高氮不锈钢粉末一般为不规则片状，流动性和摇实密度较低，成形性较差，不利于注射成形，只能采用热等静压、热挤压、放电等离子烧结等复杂昂贵成形工艺，难于实现生产的规模化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用高能球磨制备近球形高氮不锈钢粉末的方法，解决高氮不锈钢生产过程中设备复杂、成本高、粉末成形性差等问题。

本发明的制备工艺为：将Fe、Cr、Mn、Mo元素粉末按照质量分数的配比称重，其中Cr：16～17，Mn：10～11，Mo：3.0～3.5，余量为Fe，混合均匀后，在搅拌式高能球磨机上球磨12～96小时，球磨机转速为400r/min，球料比为10∶1，球磨气氛为流动的高纯氮气。采用每球磨12小时停机2小时的球磨工艺，以取样检测并冷却球磨罐。球磨过程中为了尽可能的减少氧的有害影响，每次球磨前应将球磨罐密封好后抽真空30分钟再充入高纯氮气。在高能球磨过程中各元素粉末随着时间的延长可发生机械合金化，形成过饱和的固溶体，同时实现氮的溶入，最终获得高氮不锈钢粉末。

本发明的优点在于：

1.制备的高氮不锈钢粉末氮含量很高(最高达1.98wt％)，粒度细小(5～20μm)，成分均匀且无镍。粉末高氮含量的获得一方面是由于Cr、Mn、Mo元素均提高氮的固溶度；另一方面高能球磨增加了粉末表面活性也促进氮的渗入。

2.制备的高氮不锈钢粉末球形度较高，具有良好的流动性和较高的摇实密度，适于后续注射成形工艺，可实现规模化生产，同时高能球磨粉末内部形成的大量晶格畸变和晶体缺陷在烧结时容易获得更高密度。

3.本发明设备简单、工艺参数易控制、成本低。

附图说明

图1是本发明制备的不锈钢粉末氮含量与球磨时间的关系曲线，可以看出，本发明可得到高氮不锈钢粉末，且氮含量随球磨时间的延长近似呈线性增加。

图2是高能球磨96小时粉末的扫描电镜(SEM)

图3是未经球磨的原始粉末的扫描电镜(SEM)

图2与图3比较，可以看出，高能球磨96小时粉末颗粒细小均匀，形状接近球形，而原始粉末的颗粒形状很不规则，大多呈粗大的块状或长条状，且颗粒大小不均匀，这表明高能球磨显著改善了粉末的形状及粒度。

具体实施方式

原料：Fe粉(-300目)685克，Cr粉(-300目)170克，Mn粉(-300目)110克，Mo粉(-300目)35克。

将上述原料粉末混合后与Φ7mm的淬火钢球一起装入搅拌式高能球磨机的球磨罐内，球料比为10∶1，将球罐抽真空后30分钟通入高纯氮气，开机球磨，球磨机转速为400r/min。为了观察高能球磨过程中粉末的变化规律及防止球罐内温度过高，采用每球磨12小时停机冷却2小时的球磨工艺，每球磨特定时间后打开球磨罐取粉10～20克进行氮含量检测及形貌观察，球磨所得粉末氮含量与时间的关系如图1所示，两者近似呈线性关系，这使得球磨过程中精确控制粉末氮含量成为可能；球磨96小时粉末的氮含量高达1.98wt％，粉末的形状接近球形，颗粒尺寸在5～20μm之间，如图2所示。