高硬度和高防锈的不锈钢316L及其烧结工艺的制作方法

高硬度和高防锈的不锈钢316l及其烧结工艺
技术领域
1.本发明涉及不锈钢的技术领域，尤其涉及高硬度和高防锈的不锈钢316l及其烧结工艺。


背景技术：

2.不锈钢316l(sus 316l)是日本牌号惯称的3系列不锈钢，在我国称其为gb022cr17ni12mo2，其中022代表探含量低于0.03wt％以下，是一种工业上重要的耐腐蚀性材料，也是商业用途上用来装饰外观的高级金属，它的抗晶间腐蚀性效果很好，具有耐高温、易加工、高强度等优点，但它不能经过热处理的硬化，因此在硬度不高的状态下非常容易被刮伤导致其表面磨损。不锈钢316l成分中的镍和铬是造成此系列不锈钢的抗锈防蚀两大元素，尤其是镍的含量往往左右316l的耐锈蚀能力。
3.不锈钢316l具有超强的耐腐蚀性来源另外添加的钼(mo)元素，钼使得不锈钢316l可以在更为苛酷的腐蚀条件下使用，而且具有加工硬化性优以及无磁性，2～3％的钼赋予了不锈钢316l耐点蚀能力更是出名的特点，钼容易分散在晶粒的边界阻挡氧化侵入晶体中。不锈钢316l在各种有机酸、无机酸、碱、盐类、海水中均有适宜的耐蚀性，在酸性介质中其耐蚀性远优于304和304l。
4.对于使用金属粉末注射成形的方式来制作不锈钢316l制品，有硬度过低和不好抛光的缺点，这是因为粉末冶金的烧结制程后不能够增加锻打或是二次机械强化，因此需使用另外的手段来改善粉末注射成形不锈钢316l的硬度和高防锈的特性。


技术实现要素：

5.本发明的第一个目的是提供高硬度和高防锈的不锈钢316l。
6.本发明的第二个目的是提供高硬度和高防锈的不锈钢316l的烧结工艺。
7.为实现本发明的第一个目的，采用如下技术方案：
8.高硬度和高防锈的不锈钢316l，按质量分数百分比计，所述不锈钢316l包括以下化学元素成分：
9.碳c＜0.03％；锰mn＜1％；磷p＜0.045％；硫s＜0.03％；硅si＜1.5％；铬cr：16～18％；镍ni：14～15％；钼mo：3～4％；氮n：0.1％；余量为铁fe。
10.优选的，按质量分数百分比计，所述不锈钢316l包括以下化学元素成分：
11.碳c＜0.03％；锰mn＜1％；磷p＜0.045％；硫s＜0.03％；硅si＜1.5％；铬cr：17％；镍ni：14.5％；钼mo：3.5％；氮n：0.1％；余量为铁fe。
12.在本发明中，镍和氮作为奥氏体安定元素有助于得到更多的奥氏体结构的不锈钢316l，可以提高不锈钢316l的硬度和高抛旋旋光性，此外，提高镍的含量减少在烧结工艺中镍在高温烧结过程中的汽化损失，同时，提高镍的含量可以增强不锈钢316l的耐腐蚀能力即防锈能力。
13.在本发明中，化学元素“n”成分在不锈钢316l中以氮化铬和氮化铁的形式存在，氮
n与铬cr反应生成氮化铬crn，氮n与铁fe反应生成氮化铁fe6n2。
14.为实现本发明的第二个目的，采用如下技术方案：
15.高硬度和高防锈的不锈钢316l的烧结工艺，所述烧结工艺包括以下步骤：
16.第一步：将不锈钢316l粉末经mim工艺制成mim生坯；
17.第二步：将所述mim生坯放置在含有气体的真空炉内经酸催化负压加热脱脂后得mim脱脂坯；
18.第三步：将所述mim脱脂坯放置在所述真空炉内进行真空烧结；
19.第四步：真空烧结结束后，导入与第二步相同的气体提高所述真空炉内的压力，所述mim脱脂坯致密化形成奥氏体结晶相；
20.第五步：在氮气氛围下对所述奥氏体结晶相进行奥氏体安定化烧结，得不锈钢316l烧结体；
21.第六步：将所述不锈钢316l烧结体冷却至室温，得不锈钢316l成品。
22.在本发明的高硬度和高防锈的不锈钢316l的烧结工艺步骤中，第一步为mim生坯的制作，第二步为负压脱脂步骤，第三步为真空烧结也叫下抽烧结步骤，第四步为分压烧结步骤，第五步为奥氏体安定化烧结步骤，第六步为冷却步骤；在第六步的冷却步骤中，真空炉内的压力需回升到86kpa才可以打开风扇以避免真空状态下的电器短路，冷却风扇是设置在与真空炉内相同的压力环境下，因此需谨慎设定此安全压力。
23.优选的，在第二步中，所述加热温度为150℃～800℃，在第二步的负压加热脱脂后，会对mim脱脂坯中残留的粘结剂进行脱除，因此，温度不能过低和过高，优选为150℃～800℃。
24.优选的，在第二步中，所述真空炉内的压力为20～50kpa、气体的流量为5～50l/min。
25.优选的，所述气体为氮气、氩气或氮气与氩气以任意比例混合的气体，在第二步和第四步中，真空炉内需导入惰性气体，在本发明中，使用的惰性气体为氮气或氩气或氮气和氩气按任意比例混合的混合气体。
26.优选的，按体积百分比计，所述氮气与所述氩气的比例为100％:0％、75％:25％、50％:50％、25％:75％或0％:100％。
27.优选的，所述真空烧结的温度为1000～1050℃、真空度为1
×
10-2
～1
×
10-4
pa、烧结时间为30min。在本发明中，高温下石墨碳发生反应生成一氧化碳，为了在较低温度时将金属氧化物被一氧化碳还原成金属，同时为除去残余的粘结剂，需保持真空炉的真空度为最佳状态，在本发明中，优选的真空度为1
×
10-2
～1
×
10-4
pa，对应的真空烧结的温度优选为1000～1050℃，烧结时间为30min，在本发明中，前一阶段的负压脱脂步骤结束后，真空炉内的温度会有所降低，而在此阶段的真空烧结步骤中，需将真空炉内的温度在2h内提高，以达到真空烧结步骤的温度要求。
28.优选的，在第四步中，所述真空炉内的压力为5～60kpa，在第四步中，导入氮气或氩气或氮气和氩气按任意比例混合的混合气体还用于控制真空炉内的压力变化，且导入的气体的流量随着压力的变化而变化，在本发明的第四步中，优选的真空炉内的压力为5～60kpa。
29.优选的，在第五步中，所述氮气的压力为5～50kpa、流量为5～50l/min。在本发明
中，氮元素是奥氏体稳定的重要依据，因此，第五步的奥氏体安定化烧结是在氮气氛围下相进行的，同时，在氮气氛围下可以是烧结后的不锈钢316l的表面可以致密化且硬度可以提高，在此过程，氮气与铬反应生成氮化铬crn，为了达到这种效果，优选的氮气的压力为5～50kpa、流量为5～50l/min。
30.本发明的有益效果：
31.(1)在本发明中，通过提高镍的含量减少在烧结工艺中镍在高温烧结过程中的汽化损失，同时，提高镍的含量可以增强不锈钢316l的耐腐蚀能力即防锈能力。
32.(2)在本发明烧结工艺的第五步中在氮气氛围下对奥氏体结晶相进行奥氏体安定化烧结，可保留不锈钢316l烧结体的高温奥氏体结构，冷却后获得的不锈钢316l成品具有高硬度、高防锈的性能。
33.(3)在本发明中，镍和氮作为奥氏体安定元素有助于得到更多的奥氏体结构的不锈钢316l，可以提高不锈钢316l的硬度和高抛旋旋光性。
附图说明
34.图1:盐雾测试前的不锈钢316l表面图。
35.图2:盐雾测试后的不锈钢316l表面图。
具体实施方式
36.通过下面给出的本发明的具体实施例可以进一步清楚地了解本发明，但它们不是对本发明的限定。
37.实施例一
38.高硬度和高防锈的不锈钢316l，按质量分数百分比计，不锈钢316l包括以下化学元素成分：
39.碳c＜0.03％；锰mn＜1％；磷p＜0.045％；硫s＜0.03％；硅si＜1.5％；铬cr：17％；镍ni：14.5％；钼mo：3.5％；氮n：0.1％；余量为铁fe。
40.高硬度和高防锈的不锈钢316l的烧结工艺包括以下步骤：
41.第一步：将不锈钢316l粉末经mim工艺制成mim生坯；
42.第二步：将mim生坯放置在含有氮气且氮气的压力为30kpa、流量为25l/min的真空炉内经酸催化负压加热温度为600℃的条件下脱脂后得mim脱脂坯；
43.第三步：将mim脱脂坯放置在温度为1000℃、真空度为1
×
10-2
～1
×
10-4
pa的真空炉内进行真空烧结且持续30min；
44.第四步：真空烧结结束后，导入与第二步相同的氮气提高真空炉内的压力为5～60kpa，mim脱脂坯致密化形成奥氏体结晶相；
45.第五步：在压力为15kpa、流量为10l/min的氮气氛围下对奥氏体结晶相进行奥氏体安定化烧结，得不锈钢316l烧结体；
46.第六步：将不锈钢316l烧结体冷却至室温，得不锈钢316l成品。
47.实施例二
48.高硬度和高防锈的不锈钢316l，按质量分数百分比计，不锈钢316l包括以下化学元素成分：
49.碳c＜0.03％；锰mn＜1％；磷p＜0.045％；硫s＜0.03％；硅si＜1.5％；铬cr：16％；镍ni：14％；钼mo：3％；氮n：0.1％；余量为铁fe。
50.高硬度和高防锈的不锈钢316l的烧结工艺包括以下步骤：
51.第一步：将不锈钢316l粉末经mim工艺制成mim生坯；
52.第二步：将mim生坯放置在含有由按体积百分比计的75％的氮气和25％的氩气混合成的混合气体且混合气体的压力为20kpa、流量为5l/min的真空炉内经酸催化负压加热温度为150℃的条件下脱脂后得mim脱脂坯；
53.第三步：将mim脱脂坯放置在温度为1050℃、真空度为1
×
10-2
～1
×
10-4
pa的真空炉内进行真空烧结且持续30min；
54.第四步：真空烧结结束后，导入与第二步相同的混合气体提高真空炉内的压力为5～60kpa，mim脱脂坯致密化形成奥氏体结晶相；
55.第五步：在压力为30kpa、流量为20l/min的氮气氛围下对奥氏体结晶相进行奥氏体安定化烧结，得不锈钢316l烧结体；
56.第六步：将不锈钢316l烧结体冷却至室温，得不锈钢316l成品。
57.实施例三
58.高硬度和高防锈的不锈钢316l，按质量分数百分比计，不锈钢316l包括以下化学元素成分：
59.碳c＜0.03％；锰mn＜1％；磷p＜0.045％；硫s＜0.03％；硅si＜1.5％；铬cr：18％；镍ni：15％；钼mo：4％；氮n：0.1％；余量为铁fe。
60.高硬度和高防锈的不锈钢316l的烧结工艺包括以下步骤：
61.第一步：将不锈钢316l粉末经mim工艺制成mim生坯；
62.第二步：将mim生坯放置在含有由按体积百分比计的50％的氮气和50％的氩气混合成的混合气体且混合气体的压力为50kpa、流量为25l/min的真空炉内经酸催化负压加热温度为800℃的条件下脱脂后得mim脱脂坯；
63.第三步：将mim脱脂坯放置在温度为1030℃、真空度为1
×
10-2
～1
×
10-4
pa的真空炉内进行真空烧结且持续30min；
64.第四步：真空烧结结束后，导入与第二步相同的混合气体提高真空炉内的压力为5～60kpa，mim脱脂坯致密化形成奥氏体结晶相；
65.第五步：在压力为5kpa、流量为15l/min的氮气氛围下对奥氏体结晶相进行奥氏体安定化烧结，得不锈钢316l烧结体；
66.第六步：将不锈钢316l烧结体冷却至室温，得不锈钢316l成品。
67.实施例四
68.高硬度和高防锈的不锈钢316l，按质量分数百分比计，不锈钢316l包括以下化学元素成分：
69.碳c＜0.03％；锰mn＜1％；磷p＜0.045％；硫s＜0.03％；硅si＜1.5％；铬cr：16.5％；镍ni：14.2％；钼mo：3.8％；氮n：0.1％；余量为铁fe。
70.高硬度和高防锈的不锈钢316l的烧结工艺包括以下步骤：
71.第一步：将不锈钢316l粉末经mim工艺制成mim生坯；
72.第二步：将mim生坯放置在含有由按体积百分比计的25％的氮气和75％的氩气混
合成的混合气体且混合气体的压力为25kpa、流量为25l/min的真空炉内经酸催化负压加热温度为300℃的条件下脱脂后得mim脱脂坯；
73.第三步：将mim脱脂坯放置在温度为1010℃、真空度为1
×
10-2
～1
×
10-4
pa的真空炉内进行真空烧结且持续30min；
74.第四步：真空烧结结束后，导入与第二步相同的混合气体提高真空炉内的压力为5～60kpa，mim脱脂坯致密化形成奥氏体结晶相；
75.第五步：在压力为10kpa、流量为30l/min的氮气氛围下对奥氏体结晶相进行奥氏体安定化烧结，得不锈钢316l烧结体；
76.第六步：将不锈钢316l烧结体冷却至室温，得不锈钢316l成品。
77.实施例五
78.高硬度和高防锈的不锈钢316l，按质量分数百分比计，不锈钢316l包括以下化学元素成分：
79.碳c＜0.03％；锰mn＜1％；磷p＜0.045％；硫s＜0.03％；硅si＜1.5％；铬cr：17.5％；镍ni：14.8％；钼mo：3.2％；氮n：0.1％；余量为铁fe。
80.高硬度和高防锈的不锈钢316l的烧结工艺包括以下步骤：
81.第一步：将不锈钢316l粉末经mim工艺制成mim生坯；
82.第二步：将mim生坯放置在含有氩气且氩气的压力为30kpa、流量为25l/min的真空炉内经酸催化负压加热温度为450℃的条件下脱脂后得mim脱脂坯；
83.第三步：将mim脱脂坯放置在温度为1040℃、真空度为1
×
10-2
～1
×
10-4
pa的真空炉内进行真空烧结且持续30min；
84.第四步：真空烧结结束后，导入与第二步相同的氩气提高真空炉内的压力为5～60kpa，mim脱脂坯致密化形成奥氏体结晶相；
85.第五步：在压力为50kpa、流量为40l/min的氮气氛围下对奥氏体结晶相进行奥氏体安定化烧结，得不锈钢316l烧结体；
86.第六步：将不锈钢316l烧结体冷却至室温，得不锈钢316l成品。
87.在本发明中，用hv(维克氏)和hr(洛克氏)作为硬度的评价和耐盐雾测试作为防锈的评价，其中hv使用500g的附载重量作为压痕压力；未采取本发明的烧结工艺的不锈钢316l的硬度很低需使用hrb刻度(100kg附载重量/1/8”硬质钢球压痕器)，但hrb＞100时需改用hrc刻度(150kg附载重量/136度钻石锥)。
88.在本发明中，以实施例一的不锈钢316l及其采用本发明烧结工艺后的效果与未采取本发明烧结工艺的现有的不锈钢316l进行硬度测试对比，其中，硬度对比结果见表1。
89.表1硬度对比结果表
90.硬度对照组hv
500ghrb
/h
rc
现有的不锈钢316l110～120h
rb
88～89实施例一的不锈钢316l195～205h
rc
19.5～20
91.由表1的结果可知，本发明的实施例一不锈钢316l采用本发明烧结工艺后的硬度明显优于现有的不锈钢316l且未采用本发明烧结工艺的硬度。
92.在本发明中，取5份以实施例一的不锈钢316l及其采用本发明烧结工艺后的效果进行盐雾测试，将实施例一烧结后的不锈钢316l放置在盐雾测验机中进行测试，其中盐雾
测试的试验条件为：
93.盐水浓度：5％(质量比)，盐水ph值：6.5～7.2，喷雾时间：48h，样品倾斜角度：0
°
，喷雾沉降速度：1～2ml/h/80cm2，压力阀1kg/cm2，喷雾方式：连续喷雾，试验箱温度：35
±
2℃，压力桶温度：47
±
2℃。
94.盐雾测试前后的对比结果如图1、图2所示，经过144h盐雾测试，显示不锈钢316l的表面无锈蚀、无变色且无其它的变化，说明采用本发明的烧结工艺后的不锈钢316l的防锈性能好。
95.以上所述仅是本发明的实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。