[发明专利]通过等离子体渗氮用于生产增强合金的方法

说明书

技术领域

本发明涉及增强合金的生产方法。本发明更具体地涉及由金属氮化物纳米粒子增强合金的生产方法。

背景技术

由氮化物粒子增强的合金（称为“NDS”，代表“氮化物分散增强的”），与母体合金（中间铁合金，master alloy）相比具有改善的机械性能，尤其是更好的机械拉伸强度、蠕变强度、压缩强度或疲劳强度。

通过减小分散粒子的尺寸可以进一步改善这些性能。

因此大量的研究旨在开发具有减小的尺寸的粒子的NDS合金的生产方法。

在这些方法之中，经常使用气体渗氮。文献“Johansson et al.,Nitrogen alloyed stainless steel produced by nitridation of powder,Metal Powder Report,1991,46(5),pp.65-68”描述了一种方法，其中在纯二氮（N₂）气氛下将含钛的奥氏体钢粉末加热至约1000°C以便形成中间体氮化物的析出物，氮化铬Cr₂N。在1200°C下，在辅助热处理的作用下，随后溶解这些析出物以便产生由氮化钛分散体增强的合金。

然而，此渗氮方法的辅助热处理具有产生平均尺寸大至300nm的分散体的缺点。此大尺寸的分散体具有使增强合金的机械性能劣化的倾向。

用于NDS合金的另一类型的生产方法包括粉末冶金。在文献US4,708,742中，将氮供体化合物（如Cr₂N）的粉末与意在形成增强合金的金属基体的粉末共同研磨。将获得的粉末混合物经受热处理以便分解氮供体以使得因此可获得的二氮与金属基体的一种元素形成氮化物。在固结（熔凝，consolidation）粉末混合物之后，获得了由氮化物分散体增强的合金。

意在通过分解氮供体产生二氮的热处理意味着可以将此粉末冶金方法吸收（融合）至渗氮方法。

对于在形成最终金属氮化物之前具有可获得的中间体氮化物如Cr₂N的需要，因此也对分散的纳米粒子的尺寸具有不利的影响，分散的纳米粒子的尺寸最好是一微米左右。

前述的现有技术的方法因此具有特定的缺点，它们不可能生产在增强合金中纳米粒子基本上具有减小的平均尺寸，通常是小于50nm的增强合金。

此外，对于进行中间体氮化物的需要意味着这些方法经受使得难以控制存在于所获得的增强合金中的粒子的组分和数量的寄生反应。

发明内容

因此，本发明的一个目的是实现包含纳米粒子的NDS合金的生产方法，其中至少80%的纳米粒子具有小于50nm的平均尺寸，这种方法能够提供对于在合金中的这些纳米粒子的组分和数量的更好的控制。

因此，本发明涉及包含金属基体的增强合金的生产方法，其中纳米粒子被分散在金属基体的体积中，至少80%的纳米粒子具有1nm至50nm的平均尺寸，纳米粒子包含选自属于由Ti、Zr、Hf和Ta所组成的组中的至少一种金属元素M的氮化物的至少一种氮化物。

此方法包括以下的连续步骤：

a）在200°C至700°C的温度下进行基体合金的等离子体渗氮以便在其中插入填隙（间隙，interstitial）氮，基体合金结合了按重量计0.1%至1%的金属元素M，并且基体合金选自奥氏体基合金、铁素体基合金、铁素体-马氏体基合金或镍-基合金；

b）在350°C至650°C的温度下在基体合金中扩散填隙氮；以及

c）在600°C至900°C的温度下和10分钟至10小时的期间析出氮化物，以便形成分散在增强合金中的纳米粒子。

有利地，本发明的方法不进行旨在形成组成全部或部分分散的纳米粒子的金属氮化物的中间体氮化物。

借助于包括分开的步骤的本发明的生产方法使其成为可能。

因此，在随后是扩散步骤的等离子体渗氮步骤期间，将意在形成氮化物的氮以填隙的形式（即作为基体合金中的固溶体中的氮而不是以N₂分子形式）引入基体合金。

在扩散和/或析出温度的影响下（通常在500°C至650°C之间的温度的影响下），通过其与金属元素M的优先化学亲和力，填隙氮随后直接地与该元素的全部或部分化合，以便形成氮化物。其中在可应用的温度下，尤其是对于在600°C至650°C之间的常见范围内的温度下，扩散步骤和析出步骤可以因此全部或部分地重叠。

在步骤c）中，借助于萌芽-晶体生长现象（germination-growth phenomenon）析出氮化物以便形成分散在增强合金中的纳米粒子。