一种高硬度不锈钢材料及其制备工艺的制作方法

本发明涉及不锈钢，具体为一种高硬度不锈钢材料及其制备工艺。

背景技术：

1、不锈钢是一种广泛应用于各种工业领域的材料，因其优异的耐腐蚀性能和机械强度而受到青睐。316l不锈钢因其良好的机械性能和优异的耐蚀性，被广泛应用于石材机床导轨、丝杠、防护挡板等关键部件。然而，在实际应用中，316l不锈钢材料的硬度和耐磨性仍然存在不足，尤其在高磨损工况下，如石材加工中面对石材碎屑产生的强磨损环境，316l不锈钢的使用寿命、力学性能和应用范围受到严重限制。单一的316l熔覆层难以满足这些严苛的工作条件。

2、因此，提高316l不锈钢的硬度和耐磨性，对于扩大其应用范围和延长使用寿命具有重要意义。现有技术通过调整成分配比和优化热处理工艺，尝试提升不锈钢材料的硬度和耐磨性，但效果仍然不尽理想。

3、因此，发明一种一种高硬度不锈钢材料具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高硬度不锈钢材料及其制备工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种高硬度不锈钢材料的制备工艺，包含以下步骤：

4、s1：增材制造：将不锈钢板材表面进行喷砂、烘干预处理；以预处理不锈钢板材为基板，混合金属粉末a为增材制造原料，在氩气氛围下，对不锈钢表面进行选择性激光融化增材制造，时效，空冷，得到增材制造不锈钢；

5、s2：等离子熔覆：将增材制造不锈钢表面进行打磨预处理；以打磨预处理增材制造不锈钢为基板，混合金属粉末b为等离子熔覆原料，在氩气氛围下，对不锈钢表面进行等离子熔覆，得到等离子熔覆不锈钢；

6、s3：离子渗氮：将等离子熔覆不锈钢表面进行打磨预处理，在氩气氛围下，对不锈钢表面进行离子脉冲渗氮，得到高硬度不锈钢材料。

7、进一步的，步骤s1中，所述混合金属粉末a的制备方法，包括以下步骤：

8、将不锈钢粉末与铌金属粉末依据配比加入球磨机中，球磨混粉，干燥，得到混合金属粉末a。

9、进一步的，所述低碳不锈钢粉末包括316l不锈钢粉末；

10、进一步的，所述316l不锈钢粉末组分包括cr16.35wt%、ni10.74wt%、mo2.51wt%、mn1.03wt%、c0.016wt%、si0.37wt%、fe余量。

11、进一步的，所述步骤s1中，作为基板的不锈钢板材其组分与混合金属粉末a中的金属粉末相一致。

12、进一步的，所述不锈钢粉末为低碳不锈钢粉末；所述混合金属粉末a中，不锈钢粉末与铌金属粉末的质量比为(96-99):(1-4)。

13、进一步的，步骤s1中，所述选择性激光融化增材制造的参数包括，激光功率为260-280w，扫描速度为960-1000mm/s，扫描间距为0.13-0.15mm，铺粉厚度为0.04-0.06mm。

14、进一步的，所述选择性激光融化增材制造过程中，激光沉积方向垂直于不锈钢基板，扫描方向平行于不锈钢基板。

15、进一步的，步骤s1中，所述时效温度为485-505℃，时效时间为4-5h。

16、进一步的，步骤s2中，所述混合金属粉末b的制备方法，包括以下步骤：

17、将金属粉末依据配比加入球磨机中，球磨混粉，干燥，得到混合金属粉末b；

18、进一步的，所述金属粉末包括铁、镍、铬、钴；所述金属粉末中，铁：镍：铬：钴的摩尔比为1:1:1:1。

19、进一步的，所述金属粉末中各金属粉末粒度为50-100μm。

20、进一步的，步骤s2中，所述等离子熔覆参数包括，熔覆速度为35-40mm/min，送粉速率16-20g/min，工作电流为110a，工作电压为35v，氩气气体流量为25-30l/min。

21、进一步的，步骤s3中，所述离子脉冲渗氮具体操作包括，将打磨预处理后等离子熔覆不锈钢置于真空室中，通过氩气，打开灯丝电源，第一次调节脉冲偏压，利用等离子体放电对不锈钢表面进行二次清洗；通入氮气，第二次调节脉冲偏压，控制压强和温度，进行离子渗氮。

22、进一步的，所述离子脉冲渗氮参数包括，脉冲偏压频率为60-65khz，占空比为80-82%；第一次调节脉冲偏压为-120v、-300v，二次清洗时间分别为15-20min、30-45min；氮气流量为200-220sccm；第二次调节脉冲偏压为500v-600v，压强为0.4-0.5pa，温度为510-520℃，渗氮时间为4-5h。

23、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

24、本发明利用选择性激光融化增材制造合金致密度高、精度高、性能优秀等优点，将铌金属粉末引入316l不锈钢粉末中，通过控制选择性激光融化增材制造过程中铌金属的占比、激光功率以及时效温度，对高硬度不锈钢基材的整体性能进行把控。将铌金属引入增材制造的过程中，利用铌元素与碳元素之间的亲和力，在制造过程中两种元素会首先发生相结合生成碳化铌，在凝固过程中阻碍了奥氏体边界处晶粒的生长，使得晶粒细化，提高了不锈钢材料的拉伸强度、伸缩率和硬度；同时，调节降低激光功率，使得增材制造的不锈钢表现出低取向度的立方组织结构，提高熔池冷却速率，进一步细化凝固组织，提高了不锈钢材料的硬度；最后通过直接时效的方式，析出具有面心立方体晶体结构的碳化铌析出相，为后续等离子熔覆做铺垫。

25、本发明通过配置钴铁镍铬系高熵合金对不锈钢表面进行等离子熔覆处理，一方面，316l熔覆层主要组成γ-fe，当碳化铌在熔覆过程中发生分解，分解的铌元素固溶在γ-fe中，导致γ-fe相发生晶格畸变，具有固溶强化作用；另一方面，由于铌的原子半径远大于镍、钴、铁、铬的原子半径，能够与高熵合金形成具有高硬度的laves相（通过控制铌元素的占比，避免过量铌元素导致laves相大量生成，韧性降低，涂层开裂；避免过少铌元素导致laves相无法生成），大大提升了不锈钢的硬度；同时，晶格畸变能够使得后续离子渗氮步骤中氮原子在渗氮过程中更容易的进入，提高了渗氮的深度和速度，促进渗氮作用。

26、本发明通过在渗氮过程中施加脉冲偏压的方式，能够将析出的铬原子扩散在不锈钢表面，避免出现铬贫化，同时控制碳氮化铌相的析出，将渗氮层由单层转变为双层结构，渗氮层厚度大大提高，进一步强化了不锈钢的硬度和力学性能。

技术特征：

1.一种高硬度不锈钢材料的制备工艺，其特征在于：包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高硬度不锈钢材料的制备工艺，其特征在于：步骤s1中，所述混合金属粉末a的制备方法，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种高硬度不锈钢材料的制备工艺，其特征在于：所述不锈钢粉末为低碳不锈钢粉末；所述混合金属粉末a中，不锈钢粉末与铌金属粉末的质量比为(96-99):(1-4)。

4.根据权利要求1所述的一种高硬度不锈钢材料的制备工艺，其特征在于：步骤s1中，所述选择性激光融化增材制造的参数包括，激光功率为260-280w，扫描速度为960-1000mm/s，扫描间距为0.13-0.15mm，铺粉厚度为0.04-0.06mm。

5.根据权利要求1所述的一种高硬度不锈钢材料的制备工艺，其特征在于：步骤s1中，所述时效温度为485-505℃，时效时间为4-5h。

6.根据权利要求1所述的一种高硬度不锈钢材料的制备工艺，其特征在于：步骤s2中，所述混合金属粉末b的制备方法，包括以下步骤：

7.根据权利要求1所述的一种高硬度不锈钢材料的制备工艺，其特征在于：步骤s2中，所述等离子熔覆参数包括，熔覆速度为35-40mm/min，送粉速率16-20g/min，工作电流为110a，工作电压为35v，氩气气体流量为25-30l/min。

8.根据权利要求1所述的一种高硬度不锈钢材料的制备工艺，其特征在于：步骤s3中，所述离子脉冲渗氮具体操作包括，将打磨预处理后等离子熔覆不锈钢置于真空室中，通过氩气，打开灯丝电源，第一次调节脉冲偏压，利用等离子体放电对不锈钢表面进行二次清洗；通入氮气，第二次调节脉冲偏压，控制压强和温度，进行离子渗氮。

9.根据权利要求8所述的一种高硬度不锈钢材料的制备工艺，其特征在于：所述离子脉冲渗氮参数包括，脉冲偏压频率为60-65khz，占空比为80-82%；第一次调节脉冲偏压为-120v、-300v，二次清洗时间分别为15-20min、30-45min；氮气流量为200-220sccm；第二次调节脉冲偏压为500v-600v，压强为0.4-0.5pa，温度为510-520℃，渗氮时间为4-5h。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种高硬度不锈钢材料的制备工艺制备得到的高硬度不锈钢。

技术总结
本发明涉及不锈钢技术领域，公开了一种高硬度不锈钢材料及其制备工艺。包括以下步骤：增材制造：将不锈钢板材表面进行喷砂、烘干预处理；以预处理不锈钢板材为基板，混合金属粉末A为增材制造原料，在氩气氛围下，对不锈钢表面进行选择性激光融化增材制造，时效，空冷，得到增材制造不锈钢；等离子熔覆：将增材制造不锈钢表面进行打磨预处理；以打磨预处理增材制造不锈钢为基板，混合金属粉末B为等离子熔覆原料，在氩气氛围下，对不锈钢表面进行等离子熔覆，得到等离子熔覆不锈钢；离子渗氮：将等离子熔覆不锈钢表面进行打磨预处理，在氩气氛围下，对不锈钢表面进行离子脉冲渗氮，得到高硬度不锈钢材料。

技术研发人员：王勇,张明政,张领,王津,季钰程,陈苏皖,王未,郭宇纬,王伟,茅爱飞
受保护的技术使用者：江苏甬金金属科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/11/18