專利名稱：超硬度、韌性并具有優(yōu)良耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬，尤其是超硬度、韌性并具有優(yōu)良耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料(bulk material)及其制造方法。
背景技術(shù)：
金屬材料的強(qiáng)度、硬度，如Hall-Petch關(guān)系式所示，隨著晶體粒徑D的減小而增大，這種強(qiáng)度與晶體粒徑間的依存關(guān)系，即使是納米級(jí)的晶體粒徑，即D在50～100nm左右，仍然成立，因此將晶體粒徑超微細(xì)化到納米的尺度，是金屬材料強(qiáng)化的最重要的手段之一。此外，專業(yè)雜志也指出，若將D超微細(xì)化而達(dá)到幾個(gè)納米的程度，則顯現(xiàn)超塑性。
進(jìn)而，也有報(bào)道，鐵、鈷、鎳等磁性元素，與晶體粒徑D在微米級(jí)的范圍的情況不同，在納米級(jí)的晶粒范圍隨著D的變小，矯頑力下降，軟磁特性提高。
但是，以溶解法制造的多數(shù)金屬材料的晶體粒徑D，一般是幾個(gè)微米到數(shù)十微米，通過后處理很難使D達(dá)到納米級(jí)。例如，作為鋼的晶粒微細(xì)化的重要手段的控制軋制，能夠達(dá)到的晶體粒徑的下限是4～5μm左右而已。也就是說，使用通常的方法無(wú)法獲得粒徑微細(xì)化到納米級(jí)的材料。
例如，可以作為耐熱材料、超硬材料使用的Ni3Al、Co3Ti、Ni3(Si、Ti)、TiAl等金屬間化合物和Al2O3、ZrO2、TiC、Cr3C2、TiN、TiB2等氧化物或非氧化物系的陶瓷等，都是由于脆性，室溫下一般難于進(jìn)行塑性加工，利用其在較高的溫度區(qū)間的超塑性進(jìn)行加工成形就變得尤為重要。
然而，為了實(shí)現(xiàn)超塑性，有必要將晶體的粒徑微細(xì)化以達(dá)到納米級(jí)或者接近納米的數(shù)量級(jí)，但是能夠滿足這些成形加工的超微精細(xì)粉末還未見提供。
在與作為典型的奧氏體不銹鋼的SUS304的組成相當(dāng)?shù)你t鎳系奧氏體不銹鋼中，加入例如為0.9％(質(zhì)量)的氮而形成的高氮不銹鋼，其屈服強(qiáng)度約增加到SUS304不銹鋼的3倍，而且破壞韌性也未隨之降低，并且在耐腐蝕性方面，耐點(diǎn)蝕能力大幅提高、應(yīng)力腐蝕的敏感性也顯著下降。還有，由于氮是極強(qiáng)的奧氏體穩(wěn)定化元素，不僅可以取代價(jià)格昂貴的鎳而不損失上述強(qiáng)度、耐蝕性等性能，而且還具有能抑制在極冷加工條件下引起的馬氏體轉(zhuǎn)變等優(yōu)良特性。
氮的這種效果，同樣也表現(xiàn)在鉻錳系的奧氏體不銹鋼中。因此，高氮含量的鉻鎳和鉻錳奧氏體不銹鋼，近年來(lái)作為新一代的有希望的材料而深受關(guān)注。
過去，含氮達(dá)0.1～2％(質(zhì)量)左右的高N奧氏體鋼，一般通過氮?dú)鈿夥罩腥刍谭?、氮?dú)鈿夥罩懈邷毓腆w擴(kuò)散—燒結(jié)法等制造。這些方法中，由于為了達(dá)到目標(biāo)的氮的高濃度必須升高反應(yīng)氣氛中氮?dú)獾膲毫?，因而存在高溫高壓操作上和安全上的隱患。
一般的鋼鐵材料，包括奧氏體不銹鋼，與其他金屬一樣，晶粒細(xì)化可以極大地提高強(qiáng)度(硬度)。對(duì)于高含氮奧氏體鋼，各種旨在晶粒微細(xì)化的改善研究也在不斷地進(jìn)行中。但這些方法很難達(dá)到納米級(jí)的晶體粒徑，盡管可以得到數(shù)十微米的結(jié)晶粒組織的高含氮奧氏體鋼，仍未見滿足要求的結(jié)徑粒超細(xì)微化材料。
另一方面，就作為支持下一代大型技術(shù)(磁懸浮列車、超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)等周邊技術(shù))的鋼種而備受矚目的高錳奧氏體鋼而言，與鉻錳系、鉻鎳系奧氏體鋼一樣，也未見具有納米級(jí)的結(jié)晶粒組織的材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明，為了解決上述問題，進(jìn)行了如下的發(fā)明就基本來(lái)說，本發(fā)明中使用球磨機(jī)等對(duì)元素狀態(tài)的金屬粉末單體、或者在其中混合添加其他元素等而得到的混合粉末進(jìn)行機(jī)械研磨(MM)或者機(jī)械合金化(MA)處理，以及對(duì)由此得到的晶體粉末進(jìn)行固化成形處理，從而提供具有高強(qiáng)度和超硬度的基體材料，其強(qiáng)度和硬度接近于當(dāng)晶體粒徑微細(xì)化到納米級(jí)時(shí)所能達(dá)到的極限值。進(jìn)而，對(duì)于鐵、鈷、鎳等磁性元素，通過將其結(jié)晶粒細(xì)化到納米級(jí)，從而可以提供顯示更優(yōu)異軟磁性的新型材料。
本發(fā)明提供超硬度、高韌性并具有優(yōu)異耐蝕性(耐點(diǎn)蝕性)的非磁性高含氮納米晶體的奧氏體鋼材料的新型制造方法，其包括首先，使用球磨機(jī)等，對(duì)鐵、和鈷、鎳、錳或者碳等元素狀的混合粉末，連同作為氮源的物質(zhì)一起，進(jìn)行機(jī)械合金化(MA)處理，從而得到納米晶體奧氏體鋼的細(xì)微粉末；然后對(duì)上述納米晶體奧氏體鋼的細(xì)微粉末進(jìn)行固化成形處理，從而得到固溶型氮含量在0.1～2.0％(質(zhì)量)、優(yōu)選是在0.3～1.0％(質(zhì)量)，尤其優(yōu)選是0.4～0.9％(質(zhì)量)的非磁性高含氮納米晶體的奧氏體鋼材料。
此外，通過采用和上述一樣的MA處理—固化成形技術(shù)，本發(fā)明還提供具有納米級(jí)結(jié)晶組織的高錳奧氏體鋼材料。
本發(fā)明提供具有以下構(gòu)成的奧氏體鋼基體材料及其制造方法或用途(1)一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于是由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體鋼基體材料，在上述各納米晶粒的晶粒之間(晶粒和晶粒之間)或者晶粒內(nèi)部、或者晶粒之間和晶粒內(nèi)部存在作為抑制晶粒生長(zhǎng)的物質(zhì)的金屬或半金屬的氧化物。
(2)一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于是由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體鋼基體材料，在上述各納米晶體的晶粒之間(晶粒和晶粒之間)或者晶粒內(nèi)部、或者晶粒之間和晶粒內(nèi)部存在作為抑制晶粒生長(zhǎng)的物質(zhì)的金屬或半金屬的氮化物。
(3)一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于是由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體鋼基體材料，在上述各納米晶體的晶粒之間(晶粒和晶粒之間)或者晶粒內(nèi)部、或者晶粒之間和晶粒內(nèi)部存在作為抑制晶粒生長(zhǎng)的物質(zhì)的金屬或半金屬的碳化物。
(4)一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于是由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體鋼基體材料，在上述各納米晶體的晶粒之間(晶粒和晶粒之間)或者晶粒內(nèi)部、或者晶粒之間和晶粒內(nèi)部存在作為抑制晶粒生長(zhǎng)的物質(zhì)的金屬或半金屬的硅化物。
(5)一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于是由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體鋼基體材料，在上述各納米晶體的晶粒之間(晶粒和晶粒之間)或者晶粒內(nèi)部、或者晶粒之間和晶粒內(nèi)部存在作為抑制晶粒生長(zhǎng)的物質(zhì)的金屬或半金屬的硼化物。
(6)一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于是由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體鋼基體材料，在上述各納米晶體的晶粒之間(晶粒和晶粒之間)或者晶粒內(nèi)部、或者晶粒之間和晶粒內(nèi)部存在作為抑制晶粒生長(zhǎng)的物質(zhì)的選自(1)金屬或半金屬的氧化物、(2)金屬或半金屬的氮化物、(3)金屬或半金屬的碳化物、(4)金屬或半金屬的硅化物、(5)金屬或半金屬的硼化物中的兩種或兩種以上的物質(zhì)。
(7)根據(jù)上述(1)～(6)項(xiàng)中任一項(xiàng)中所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于在由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體基體材料的構(gòu)成組織中，鐵素體晶粒的含量不到50％。
(8)根據(jù)上述(1)～(7)項(xiàng)中任一項(xiàng)中所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于在由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體基體材料的構(gòu)成組織中，氮的含量為0.1～5.0％(質(zhì)量)。
對(duì)上述的納米晶體奧氏體鋼基體材料中氮的含量為0.1～5.0％(質(zhì)量)給予說明對(duì)于相同的基體材料而言，氮含量低于0.1％(質(zhì)量)時(shí)，其對(duì)硬度增加的作用很小，氮含量在0.1～5.0％(質(zhì)量)的范圍內(nèi)，硬度隨著氮含量的升高而上升。
但是，氮含量大于5.0％(質(zhì)量)時(shí)，不能再產(chǎn)生基體材料的硬度的大幅增加，反而韌性大幅下降。
對(duì)構(gòu)成納米晶體奧氏體鋼基體材料的奧氏體納米晶粒，固溶型氮的含量在0.1～2.0％(質(zhì)量)時(shí)的優(yōu)越性給予說明固溶型氮的含量在0.1～2.0％(質(zhì)量)范圍內(nèi)，大多數(shù)的氮有效固溶入奧氏體晶粒的基體(matrix)中，隨著氮的濃度增加，該材料不僅硬度、強(qiáng)度大幅增加，特別是后述的氮含量0.1～0.9％(質(zhì)量)的范圍內(nèi)時(shí)，可以得到極大韌性的納米奧氏體鋼基體材料。
(9)根據(jù)上述(1)、(6)或(7)項(xiàng)中任一項(xiàng)中所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體納米晶粒、或者該晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體基體材料，含有以金屬或半金屬的氧化物形式存在的0.01～1.0％(質(zhì)量)的氧。
(10)根據(jù)上述(2)、(6)、(7)或(8)項(xiàng)中任一項(xiàng)中所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體基體材料，含有1～30％(質(zhì)量)的氮化合物。
(11)根據(jù)上述(1)～(10)項(xiàng)中任一項(xiàng)中所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體基體材料，在其固化成形過程中，為了防止脫氮的發(fā)生，含有比鐵更具有和氮的化學(xué)親和力的鈮、鉭、錳、鉻等氮親和性金屬元素。
(12)根據(jù)上述(1)～(11)項(xiàng)中任一項(xiàng)中所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體基體材料的鋼形成成分和配合組成為Cr12～30％(質(zhì)量)，Ni0～20％(質(zhì)量)，Mn0～30％(質(zhì)量)，N0.1～5.0％(質(zhì)量)，C0.02～1.0％(質(zhì)量)，其余為Fe。
(13)根據(jù)上述(1)～(9)項(xiàng)中任一項(xiàng)中所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體鋼基體材料的鋼形成成分和配合組成為Cr12～30％(質(zhì)量)，Ni0～20％(質(zhì)量)，Mn0～30％(質(zhì)量)，N(化合物形式)小于等于30％(質(zhì)量)，C0.01～1.0％(質(zhì)量)，其余為Fe。
(14)根據(jù)上述(1)～(11)項(xiàng)中任一項(xiàng)中所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體基體材料的鋼形成成分和配合組成為Mn4～40％(質(zhì)量)，N0.1～5.0％(質(zhì)量)，C0.1～2.0％(質(zhì)量)，Cr3～10％(質(zhì)量)，其余為Fe。
(15)根據(jù)上述(1)～(11)項(xiàng)中任一項(xiàng)中所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體基體材料的鋼形成成分和配合組成為Mn4～40％(質(zhì)量)，N(化合物形式)小于等于30％(質(zhì)量)，C0.1～2.0％(質(zhì)量)，Cr3～10％(質(zhì)量)，其余為Fe。
(16)根據(jù)上述(1)～(15)項(xiàng)中任一項(xiàng)中所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體晶粒是通過使用球磨機(jī)等的機(jī)械合金化方法而制備。
(17)一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于上述(1)～(16)項(xiàng)中的任一項(xiàng)中所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料，由含有0.3～1.0％(質(zhì)量)的固溶型氮且晶體粒徑在50～1000nm的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成。
(18)一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于上述(1)～(16)項(xiàng)中的任一項(xiàng)中所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料，由含有0.4～0.9％(質(zhì)量)的固溶型氮且晶體粒徑在75～500nm的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成。
(19)一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于上述(1)～(16)項(xiàng)中的任一項(xiàng)中所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料，由含有0.4～0.9％(質(zhì)量)的固溶型氮且晶體粒徑在100～300nm的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成。
針對(duì)上述的構(gòu)成納米晶體奧氏體鋼基體材料的奧氏體納米晶粒優(yōu)選含有固溶型的氮0.3～1.0％(質(zhì)量)、尤其優(yōu)選0.4～0.9％(質(zhì)量)的優(yōu)點(diǎn)給與說明固溶型氮在低于0.3％的含量時(shí)，不能大幅度增加該材料的硬度；大于1.0％時(shí)，相同材料的硬度增加但韌性不增加，在0.3～1.0％(質(zhì)量)、特別在0.4～0.9％(質(zhì)量)時(shí)，可以同時(shí)具備非常高的硬度和非常高的韌性。
針對(duì)上述的構(gòu)成納米晶體奧氏體鋼基體材料的奧氏體納米晶粒，其納米晶粒的直徑為50～1000nm、更優(yōu)選為75～500nm、尤其優(yōu)選為100～300nm原因給與說明小于50nm時(shí)，在納米晶粒內(nèi)部作為塑性變形媒介的位錯(cuò)的密度變得非常低，基體材料的塑性加工難以進(jìn)行，用作實(shí)用材料的話就存在問題。另一方面，如果大于1000nm，位錯(cuò)密度大幅增加使得塑性加工非常容易，耐力(強(qiáng)度)的下降卻無(wú)法回避。如果構(gòu)成基體材料的納米奧氏體晶粒的直徑為50～1000nm，優(yōu)選為75～500nm，更優(yōu)選為100～300nm，則可以得到高強(qiáng)度、易于塑性加工的理想的奧氏體鋼基體材料。
如果不要求極端的高強(qiáng)度的話，將固化成型后的基體材料的退火溫度提高到1200～1250℃左右時(shí)，可以容易地在更短時(shí)間內(nèi)制造即使是熔融法也不易得到的晶粒尺寸在5000nm(5μm)左右、或者更大的晶粒的奧氏體鋼基體材料。
(20)一種納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于鐵和鉻、鎳、錳或者碳等奧氏體鋼形成成分的各自微粉末，和作為氮源的物質(zhì)相互混合，采用使用球磨機(jī)等的機(jī)械合金化(MA)的方法，在獲得高氮含量納米晶體奧氏體鋼的微粉末后，通過選自(1)軋制、(2)放電等離子燒結(jié)、(3)擠壓成型、(4)等壓熱燒結(jié)(HIP)、(5)等壓冷壓成形(CIP)、(6)冷壓成形、(7)熱壓、(8)鍛造或者(9)模鍛中的1種或2種或2種以上的組合的手段對(duì)該奧氏體鋼的微粉末進(jìn)行固化成形、或者爆炸成形等固化成形處理，從而形成由含有固溶型氮0.1～2.0％(質(zhì)量)的奧氏體納米晶粒的集合體所構(gòu)成的超硬度、高韌性并具有優(yōu)異耐蝕性的奧氏體鋼基體材料。
(21)一種納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于鐵和鉻、鎳、錳或者碳等奧氏體鋼形成成分的各自微粉末，和作為氮源的物質(zhì)相互混合，采用使用球磨機(jī)等的機(jī)械合金化(MA)的方法，在獲得高氮濃度的納米晶體的奧氏體鋼的微粉末后，在空氣中或者氧化抑制性氣氛中或者真空中，通過選自(1)軋制、(2)放電等離子燒結(jié)、(3)擠壓成型、(4)等壓熱燒結(jié)(HIP)、(5)熱壓、(6)鍛造或者(7)模鍛中的1種或2種或2種以上的組合的手段對(duì)該奧氏體鋼的微粉末進(jìn)行熱固化、或者爆炸成形等固化成形處理，然后驟冷，從而形成含有固溶型氮0.1～2.0％(質(zhì)量)的奧氏體納米晶粒的集合體所構(gòu)成的超硬度、高韌性并具有優(yōu)異耐蝕性的奧氏體鋼基體材料。
(22)一種納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于鐵和鉻、鎳、錳或者碳等奧氏體鋼形成成分的各自微粉末，和作為氮源的物質(zhì)相互混合，采用使用球磨機(jī)等的機(jī)械合金化(MA)的方法，在獲得高氮濃度的納米晶體的奧氏體鋼的微粉末后，在真空中或者氧化抑制性氣氛中，通過放電等離子燒結(jié)對(duì)該奧氏體鋼的微粉末進(jìn)行固化處理，得到由固溶型氮的含量為0.3～1.0％(質(zhì)量)、尤其優(yōu)選為0.4～0.9％(質(zhì)量)，納米晶粒的直徑為50～1000nm，優(yōu)選為75～500nm，特別優(yōu)選為100～300nm的奧氏體納米晶粒的集合體所構(gòu)成的超硬度、高韌性并具有優(yōu)異耐蝕性的奧氏體鋼基體材料。
(23)一種納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于鐵和鉻、鎳、錳或者碳等奧氏體鋼的形成成分的各自微粉末，和作為氮源的物質(zhì)相互混合，采用使用球磨機(jī)等的機(jī)械合金化(MA)的方法，在獲得高氮濃度的納米晶體的奧氏體鋼的微粉末后，在真空中或者氧化抑制性氣氛中，通過放電等離子燒結(jié)對(duì)該奧氏體鋼的微粉末進(jìn)行固化處理，然后進(jìn)行軋制加工處理，驟冷，從而得到固溶型的氮的含量為0.3～1.0％(質(zhì)量)、尤其優(yōu)選為0.4～0.9％(質(zhì)量)，納米晶粒的直徑為50～1000nm，優(yōu)選為75～500nm，尤其優(yōu)選為100～300nm的奧氏體納米晶粒的集合體所構(gòu)成的超硬度、高韌性并具有優(yōu)異耐蝕性的奧氏體鋼基體材料。
(24)一種納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于上述(20)或者(22)項(xiàng)中所記載的固化成形體，在800～1200C的溫度退火小于等于60分鐘，然后進(jìn)行驟冷處理。
(25)一種納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于上述(21)或者(23)項(xiàng)中所記載的驟冷后形成的成型體，在800～1200℃的溫度退火小于等于60分鐘，然后進(jìn)行驟冷處理。
(26)根據(jù)上述(20)～(25)項(xiàng)中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于成為氮源的物質(zhì)，選自N2氣、NH3氣、氮化鐵、氮化鉻或者氮化錳中1種或2種或2種以上。
(27)根據(jù)上述(20)～(26)項(xiàng)中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于實(shí)施機(jī)械合金化的氣氛為，(1)氬氣等的惰性氣體、(2)N2氣、(3)NH3氣中選擇的任意1種，或者(1)～(3)中選擇2種或2種以上的混合氣體的氣氛。
(28)根據(jù)上述(20)～(27)項(xiàng)中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于實(shí)施機(jī)械合金化的氣氛為，加入了一些還原性物質(zhì)，例如H2氣的氣氛。
(29)根據(jù)上述(20)～(26)項(xiàng)中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于實(shí)施機(jī)械合金化的氣氛為真空，或者其中加入了一些還原性氣體，例如H2氣的真空，或者還原性氣氛。
(30)根據(jù)上述(20)～(29)項(xiàng)中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于鐵和鉻、鎳、錳或者碳等奧氏體鋼的形成成分的各自微粉末，與1～10體積％的AlN、NbN、Cr2N等的金屬氮化物，或者0.5～10％(質(zhì)量)的與鐵相比與氮的化學(xué)親和力更大的鈮、鉭、錳、鉻、鎢、鉬等氮親和性金屬或鈷，與作為氮源的物質(zhì)一起混合，在機(jī)械合金化(MA)過程及機(jī)械合金化(MA)處理粉末的固化成形過程中，使上述添加的氮化物分散，使上述金屬元素或其氮化物、碳氮化物等析出、分散，從而得到超硬度、高韌性并具有優(yōu)異耐蝕性的奧氏體鋼基體材料。
(31)根據(jù)上述(20)～(30)項(xiàng)中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于鐵和鉻、鎳、錳、或者碳等奧氏體鋼的形成成分的各自微粉末，和AlN、NbN、TaN、Si3N4、TiN等金屬氮化物形成的粒子分散劑1～10體積％，與作為氮源的物質(zhì)一起混合，再通過在機(jī)械合金化過程(MA)中，促進(jìn)納米級(jí)的晶粒的進(jìn)一步微細(xì)化，以及抑制機(jī)械合金化處理的粉末在固化成形過程中晶粒的粗大化，從而得到超硬度、高韌性并具有優(yōu)異耐蝕性的奧氏體鋼基體材料。
(32)根據(jù)上述(20)～(29)項(xiàng)或者(31)中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于以鐵和錳以及碳為主體的高錳碳素鋼類型的奧氏體鋼的形成成分的各微粉末，與作為氮源的氮化鐵等金屬氮化物微粉末混合，在氬氣等惰性氣體中，或者真空中或者加入了一些H2氣等還原性物質(zhì)的真空中，或者還原性氣氛中，通過機(jī)械合金化，制得由Mn4～40％(質(zhì)量)、N0.1～5.0％(質(zhì)量)、C0.1～2.0％(質(zhì)量)、Cr3.0～10.0％(質(zhì)量)、其他為鐵所構(gòu)成的納米晶體奧氏體鋼的粉末之后，將該奧氏體鋼粉末進(jìn)行包套軋制、放電等離子燒結(jié)、擠壓成型等熱固化成形或者爆炸成形等固化處理，從而得到超硬度、高韌性并具有優(yōu)異耐蝕性的奧氏體鋼基體材料。
(33)根據(jù)上述(20)～(32)項(xiàng)中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于奧氏體鋼的形成成分及配合組成為Cr12～30％(質(zhì)量)，Ni0～20％(質(zhì)量)、Mn0～30％(質(zhì)量)、N0.1～5.0％(質(zhì)量)、C0.02～1.0％(質(zhì)量)，其余為Fe，固化成形的溫度為600～1250℃。
(34)根據(jù)上述(20)～(31)項(xiàng)中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于機(jī)械合金化(MA)處理時(shí)，來(lái)自處理容器、硬質(zhì)鋼球等向高氮含量納米晶體奧氏體鋼的粉末中混入的氧的量，被調(diào)整到0.01～1.0％(質(zhì)量)，這些氧以金屬氧化物或者半金屬氧化物的化合物形式，在機(jī)械合金化(MA)過程中，進(jìn)一步促進(jìn)納米晶粒的細(xì)微化，并抑制機(jī)械合金化處理的粉末在固化成形過程中的晶粒粗大化。
(35)由上述(1)～(19)項(xiàng)中的任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的高拉伸強(qiáng)度的螺栓和螺母等機(jī)械緊固材料，防彈鋼板、防彈背心等防彈材料，模具、鉆頭、彈簧和齒輪等機(jī)械工具和機(jī)械部件，人造骨頭、人造關(guān)節(jié)和人造牙根等人造醫(yī)療材料，注射器、外科手術(shù)刀、導(dǎo)管等醫(yī)療用機(jī)械器具，金屬模具，儲(chǔ)氫容器(因?yàn)榫哂刑貏e優(yōu)異的耐氫特性)，菜刀、剃刀、剪刀等有刃器具，渦輪機(jī)導(dǎo)向板和導(dǎo)向葉片等渦輪機(jī)部件，防衛(wèi)要塞、防彈墻、軍火和坦克等防護(hù)性武器，滑冰的部件、雪橇的部件等運(yùn)動(dòng)器材的材料，管、箱、閥和海水淡化裝置等化學(xué)設(shè)備用材料，化學(xué)反應(yīng)容器，核發(fā)電裝置用元件，火箭、噴氣式飛機(jī)、空間站等飛行物體的零件，個(gè)人計(jì)算機(jī)、手提公文包等日常輕型材料，或者汽車、船舶、磁懸浮列車、深水下船只等運(yùn)輸裝置的元件，其他的耐寒材料、船舶升降機(jī)、窗框、結(jié)構(gòu)材料、閘門等。
根據(jù)本發(fā)明，金屬元素的粉末材料通過機(jī)械研磨(MM)或者機(jī)械合金化(MA)處理，將形成具有超細(xì)晶粒的晶體組織的粉末，通過該粉末在900～1000℃附近的溫度進(jìn)行固化成形，從而更容易制造這種金屬的基體材料。
將碳、鈮、鈦等添加到鐵、鈷、鎳、鋁等的實(shí)用金屬元素的粉末中，混合粉末進(jìn)行金屬合金化處理，得到超細(xì)晶粒的晶體組織，通過上述的固化成形方式，很容易獲得具有納米晶體粒組織的基體材料，其強(qiáng)度、硬度與熔煉法得到的材料相比有大幅提高。
鐵、鈷等磁性元素，經(jīng)過MM處理，達(dá)到納米級(jí)的晶粒尺寸時(shí)，晶粒越小，軟磁性特性越強(qiáng)。
根據(jù)本發(fā)明，若將由鐵和鉻、鎳、錳、碳等組成的，例如，鉻鎳系列或者鉻錳系列的元素狀態(tài)的混合粉末，與作為氮源的Fe-N合金粉末等一起進(jìn)行機(jī)械合金化處理，不用經(jīng)過熔融過程，原料粉末中的各成份元素通過機(jī)械合金化(奧氏體化)就可得到用傳統(tǒng)的熔融方法無(wú)法得到的納米級(jí)的晶體粒組織。并且，氮在奧氏體相的固溶產(chǎn)生了極度的固溶強(qiáng)化的奧氏體鋼粉末，在之后的奧氏體鋼粉末的固化成形過程中，在機(jī)械合金化處理的粉末上存在的一些金屬或者金屬的氧化物等，將產(chǎn)生奧氏體晶粒晶界的釘扎效果，因而，盡管晶粒有一定程度的長(zhǎng)大，仍然保持納米級(jí)的晶粒組織。因此上述的氮的固溶強(qiáng)化和晶粒的微晶化強(qiáng)化效果疊加，再加上奧氏體相特有的韌性，可以容易制造具有超硬度、超強(qiáng)度、高韌性且優(yōu)異耐腐蝕性(耐點(diǎn)蝕性)性能的非磁性的高氮含量的納米晶粒奧氏體鋼(納米晶粒奧氏體不銹鋼)材料。
同樣，對(duì)于高錳奧氏體鋼，使用上述同樣的金屬合金化處理、固化成形的處理技術(shù)，也能容易制造擁有納米晶粒組織的高錳奧氏體鋼。


圖1，本發(fā)明實(shí)施例中使用的鐵、鈷、鎳各元素粉末中添加15原子％的其他元素(A)，經(jīng)過50小時(shí)的機(jī)械合金化(MA)處理后各元素的平均晶體粒徑。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例中使用的機(jī)械研磨處理后的鐵、鈷的平均直徑D(nm)與矯頑力Hc(kOe)的變化關(guān)系示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例使用的粉末樣品的擠壓成型加工的說明圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例中使用的機(jī)械合金化處理的粉末的X射線衍射(XRD)圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例中使用的機(jī)械合金化處理的粉末的X射線衍射(XRD)圖。
圖6是體現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例中使用的MA處理的粉末樣品的奧氏體化(非磁化)狀況的磁化Mmax(emu/g)隨MA處理時(shí)間(t)的變化關(guān)系示意圖。
圖7是本發(fā)明實(shí)施例中使用的放電等離子燒結(jié)(SPS)固化成形的過程說明圖。
圖8是本發(fā)明實(shí)施例中使用的包套軋制(SR)固化成形的過程說明圖。
圖9是本發(fā)明實(shí)施例中的900℃SPS固化成形前后的MA樣品的XRD圖。
圖10是本發(fā)明實(shí)施例中的900℃SPS成形后的MA樣品(約5mm厚)成形體的截面的掃描電鏡照片。
圖11是本發(fā)明實(shí)施例中的900℃SPS成形后的MA樣品中的氮的殘存率曲線圖。
圖12是本發(fā)明實(shí)施例中的900℃SPS成形后的MA樣品的XRD圖。
圖13是延遲斷裂試驗(yàn)使用的中央部分具有環(huán)狀切口的柱狀試驗(yàn)樣品的斜視圖。其中，1擠壓模具，2樣品，3擠壓墊，4容器， 5活塞， T成形溫度，t成形時(shí)間具體實(shí)施方式
在本發(fā)明中，在氬氣等氣體氛圍中，使用球磨機(jī)等對(duì)鐵和鉻、鎳、錳或者碳等的奧氏體鋼形成成分的各自微粉末在室溫進(jìn)行機(jī)械合金化處理。機(jī)械合金化處理后的粉末，在球磨機(jī)所賦加的機(jī)械能作用下，容易得到晶體粒徑約為15～25nm的微細(xì)化粉末。
接著，將這些MA處理后的粉末在真空中裝入內(nèi)徑約7mm的不銹鋼管(包套)中，在800～1000℃附近的溫度下通過軋制機(jī)進(jìn)行包套軋制，進(jìn)行固化成形處理，能夠得到厚度為1.5mm左右的(金屬)片。
進(jìn)而，如果使用球磨機(jī)等對(duì)鐵、鈷、鎳各自元素的單體粉末施以機(jī)械研磨處理，可得到納米級(jí)的超微細(xì)化的MM處理粉末，這些粉末在20納米附近的晶體粒徑D的臨界點(diǎn)之內(nèi)，矯頑力都隨著D的減少而降低，利用這一點(diǎn)，可以制造更為優(yōu)異的軟磁性材料。
本發(fā)明中，鐵、鉻、鎳、錳等元素粉末與作為氮源的氮化鐵之類的粉末，按照目標(biāo)組成進(jìn)行調(diào)配所得到的例如鉻鎳系或者鉻錳系材料的混合粉末，在氬氣等氣氛中，使用球磨機(jī)等進(jìn)行室溫的機(jī)械合金化處理。這樣，經(jīng)過機(jī)械合金化處理的粉末在球磨機(jī)等所附加的機(jī)械能作用下，不經(jīng)過熔融過程而進(jìn)行機(jī)械合金化，這樣機(jī)械合金化處理的合金粉末，超微細(xì)化到幾個(gè)nm到數(shù)十nm左右，成為鉻鎳系或者鉻錳系高氮含量的納米晶體奧氏體鋼粉末。
接著，將這樣的奧氏體鋼的粉末在真空中裝入內(nèi)徑約7mm的不銹鋼管(包套)中，再將其例如在900℃附近的溫度下通過軋制機(jī)進(jìn)行包套軋制，進(jìn)行固化成形處理，容易得到厚度為1.5mm左右、具有由30～80nm左右的晶粒構(gòu)成的納米晶體組織的高氮奧氏體鋼片。
此外，在前邊記載的機(jī)械合金化處理的粉末里，通常在MA的過程中，將以金屬或半金屬氧化物形態(tài)而不可避免地混入的氧的含量調(diào)整到0.5％(質(zhì)量)附近，可以抑制固化成形過程中晶粒的粗大化。為了增大這樣的抑制效果，在機(jī)械合金化處理后的粉末中添加AlN、NbN等的粒子分散劑，一般1～10體積％，最好是3～5體積％為佳。
如果前邊記載的鐵和鉻、鎳、錳或者碳等元素狀的混合粉末中，例如加入作為氮源的氮化鐵，然后在這種混合粉末中適當(dāng)新添加或增加最高可達(dá)10％(質(zhì)量)的比鐵更具有氮的化學(xué)親和力的元素例如鈮、鉭、鉻、錳等，進(jìn)行機(jī)械合金化處理，則可進(jìn)一步促進(jìn)機(jī)械合金化過程中的晶粒的微細(xì)化，進(jìn)而，在固化成形的過程中，由于這些元素可以提高N在基體(matrix)(奧氏體)中的溶解度，并顯著降低N的擴(kuò)散系數(shù)，因而通過調(diào)整固化成形的溫度和時(shí)間等，可以完全防止從基體中的脫氮。同時(shí)，鈮、鉭等高熔點(diǎn)元素的添加，也表現(xiàn)出抑制固化成形過程中的晶粒粗大化的效果。
但是，上述金屬元素的添加或者增量，由于除了錳以外都是鐵素體穩(wěn)定化元素，因而，若不是在不會(huì)損壞奧氏體母相的穩(wěn)定性的范圍內(nèi)添加或增量的話，將不會(huì)產(chǎn)生效果。
本發(fā)明中，使用球磨機(jī)等對(duì)含有20～30％左右錳的高錳奧氏體鋼的組成元素，鐵、錳、碳等元素態(tài)的混合粉末，在氬氣氣氛中室溫下，進(jìn)行機(jī)械合金化處理。這樣，經(jīng)MA處理得到的合金粉末，成為幾個(gè)nm到數(shù)十nm級(jí)的高錳納米晶體奧氏體鋼的微細(xì)粉末。通過與前邊相同的固化成形工藝，能夠容易地制造厚度為1.5mm、具有50～70nm左右的納米晶體粒組織的高錳奧氏體鋼。
在此高錳鋼中，若含有0.1～5.0％(質(zhì)量)的氮，則其將產(chǎn)生顯著的固溶強(qiáng)化的效果。
本發(fā)明中，對(duì)鐵和鉻、鎳、錳或者碳等元素粉末，例如鉻鎳系或鉻錳系材料的元素態(tài)混合粉末，與作為氮源的氮化鐵的粉末一起進(jìn)行機(jī)械合金化處理，原料中的組成元素之間進(jìn)行機(jī)械合金化，從而制造擁有納米級(jí)的晶體粒組織、并且由于氮向奧氏體相的固溶而極度地被固溶強(qiáng)化的高氮含量的奧氏體鋼的粉末，對(duì)此粉末進(jìn)行包套軋制、擠壓成型等固化成形加工，并將在機(jī)械合金化過程中必然會(huì)產(chǎn)生的一定量的金屬或者半金屬的氧化物調(diào)整到以氧含量計(jì)為0.5％(質(zhì)量)左右，由于這些氧化物等對(duì)晶粒的晶界有釘扎效果(pinning effect)，抑制了晶粒的粗大化，因此可以有效的制造高氮濃度的納米晶體奧氏體鋼材料。
進(jìn)而，對(duì)于高錳奧氏體鋼，應(yīng)用上述同樣的MA處理和固化成形處理技術(shù)，可以更有效地制造具有納米晶體粒組織的高錳奧氏體鋼。
實(shí)施例以下，參照附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。
實(shí)施例1圖1顯示的是，鐵、鈷、鎳的各元素粉末中添加15原子％的其他元素(A)，比如碳(C)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、磷(P)、硼(B)等元素(圖中，只有N在鐵中的相關(guān)數(shù)據(jù))，形成M85A15(原子％)(M＝鐵、鈷或者鎳)組成的元素形態(tài)的混合粉末，經(jīng)過50小時(shí)的機(jī)械合金化處理(MA)后，得到的處理完成后的鐵、鈷、鎳各元素的平均晶體粒徑的變化。
這里，DFe、DCo、DNi分別是處理后的鐵、鈷、鎳的平均晶體粒徑(nm)。由圖可知，鐵、鈷、鎳各元素的晶粒微細(xì)化，通過添加碳、鈮、鉭、鈦等元素，實(shí)施機(jī)械合金化處理，從而更有效促進(jìn)晶粒微細(xì)化，三種元素都達(dá)到數(shù)納米級(jí)的粒徑。
還有，銅、鋁、鈦的情況下，通過添加其他元素，也促進(jìn)晶粒的細(xì)微化，在這些元素之中，尤其是碳、磷、硼的效果最為明顯。
實(shí)施例2圖2是經(jīng)機(jī)械研磨處理后的鐵、鈷的平均晶體粒徑D(nm)與矯頑力Hc(kOe)之間的關(guān)系的示意圖。
由此可知，對(duì)于鐵和鈷，以20nm附近的晶體粒徑D為界，矯頑力隨D的減少而減小，其軟磁性特性升高。
實(shí)施例3圖3是TiC單體的(a)、(b)兩種粉末樣品在1000℃的擠壓成型加工(擠壓壓力98MPa)的說明圖。
將經(jīng)過100hMM處理后的樣品(a)和未進(jìn)行MM處理的樣品(b)進(jìn)行比較，樣品(a)從模具開孔處到樣品被擠壓成型的部分的長(zhǎng)度約為12mm，而樣品(b)僅約1～2mm。這種兩樣品的成形方式的差異，可以解釋為是MM處理后得到的超微細(xì)化的晶粒的樣品(a)所表現(xiàn)出的超塑性所致。
實(shí)施例4，圖4是，將Fe、Cr和Ni的元素態(tài)的粉末與Fe-N合金(含N5.85％(質(zhì)量))粉末，按照目標(biāo)組成進(jìn)行調(diào)配而得到Cr-Ni系粉末樣品(a)Fe81-yCr19Niy(y＝8～17)(質(zhì)量％)和(b)Fe80.1-yCr19NiyN0.9(y＝4～11)(質(zhì)量％)，在氬氣氣氛中分別將兩樣品填充于硬質(zhì)鋼制成的圓筒狀容器中(內(nèi)徑75mm×高度90mm)，使用通用流星式球磨機(jī)(裝有樣品容器4)在室溫下，進(jìn)行720Ks(200小時(shí))的機(jī)械合金化處理后，得到的機(jī)械合金化處理后的粉末中的生成相的X射線衍射(XRD，X射線Co的Kα線，波長(zhǎng)λ＝0.179021nm)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。其中實(shí)驗(yàn)容器的旋轉(zhuǎn)速度是385rpm，樣品的全部質(zhì)量為100g(每個(gè)樣品容器里填充25g)、鉻鋼的球的質(zhì)量對(duì)樣品的質(zhì)量的比例為11.27比1。
圖中，○表示生成相是奧氏體(γ)、●表示MA處理過程中因強(qiáng)加工產(chǎn)生的馬氏體(α’)。
從圖4看出，在沒有N的情況下的樣品(a)，如果要生成奧氏體單相，鎳的含量(y)必需大于等于14％(質(zhì)量)(見圖(a))，但是，如果含有0.9％(質(zhì)量)的N，鎳的含量大于等于6％(質(zhì)量)就可以得到全面的奧氏體相。因此可知，顯著促進(jìn)了奧氏體化的過程(見圖(b))，可大幅度減少用于使機(jī)械合金化的生成物形成奧氏體單相的價(jià)格昂貴的鎳的添加量。
圖5顯示，對(duì)Cr-Mn系的Fe63.1Cr18Mn15Mo3N0.9(質(zhì)量％)樣品，與Cr-Ni系的樣品(圖4)進(jìn)行同樣的機(jī)械合金化實(shí)驗(yàn)(MA處理時(shí)間200小時(shí)，X射線Co的Kα線，波長(zhǎng)λ＝0.179021nm)，N對(duì)機(jī)械合金化處理樣品的奧氏體的效果的結(jié)果。
此外，經(jīng)過機(jī)械合金化處理后的粉末，根據(jù)X射線(XRD)確定為奧氏體(圖中用○表示奧氏體相(γ))，對(duì)其的磁性能進(jìn)行考察(奧氏體相顯示非磁性)，所得結(jié)果如圖6所示。
圖6表示的是，采用樣品振動(dòng)型的磁力分析儀(VSM)，測(cè)定的Fe69.1Cr19Ni11N0.9和Fe63.1Cr18Mn15Mo3N0.9(質(zhì)量％)兩種機(jī)械合金化(MA)后的樣品室溫下進(jìn)行的磁化Mmax(emu/g)與機(jī)械合金化(MA)處理時(shí)間t(ks)的關(guān)系(磁場(chǎng)15kOe)。
圖中顯示，兩種機(jī)械合金化的樣品，在時(shí)間t為540ks附近(150小時(shí))，Mmax急劇下降，都形成了奧氏體(非磁性)。
由上述實(shí)施例4和圖4、圖5表明，根據(jù)本發(fā)明，鐵和鉻、鎳、錳等元素的混合粉末，與作為氮源的Fe-N合金的粉末一起進(jìn)行150～200小時(shí)的機(jī)械合金化處理，可以制造出含氮量在0.9％(質(zhì)量)左右的高氮奧氏體鋼粉末。
而且和本方法一樣，通過增加Fe-N合金粉末的加入量，可以容易制造出含氮量在5％(質(zhì)量)左右的高氮奧氏體鋼粉末。
此外，后面記載實(shí)施例5以后的用于固化成形的機(jī)械合金化處理樣品，都經(jīng)過XRD和VSM檢測(cè)，被確認(rèn)為奧氏體單相。
實(shí)施例5圖7是，使用放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，SPS)機(jī)(電源DC 3±1V、600±100A)對(duì)機(jī)械合金化處理的粉末進(jìn)行固化成形的過程說明圖。
將約3～5g的機(jī)械合金化處理的粉末樣品填裝入一個(gè)內(nèi)徑10mm×外徑40mm×高度40mm的石墨模具中，上下方向施加49Mpa的成形壓力(σ)，在真空中固化成形，得到直徑10mm、厚度約5mm的圓片狀成形體。固化成形的溫度(T)在650～1000℃(923～1273K)之間，各成形溫度下保溫時(shí)間(t)為300秒(5分鐘)。
實(shí)施例6
圖8是，機(jī)械合金化處理的粉末，通過包套軋制(SR)進(jìn)行固化成形的過程說明圖。在真空中，將約10g的機(jī)械合金化處理后的樣品粉末，封裝入內(nèi)徑約7mm的SUS316不銹鋼管中(包套)，然后使用軋制機(jī)在650～1000℃的溫度下(T)實(shí)施將其固化成形。包套軋制的溫度650～1000℃、第一次軋制前的設(shè)定的軋制溫度維持時(shí)間900秒(15分鐘)，第2次軋制前的設(shè)定的軋制溫度保持時(shí)間300秒(5分鐘)。
實(shí)施例7圖9，F(xiàn)e60.55Cr18Mn18Mo3N0.45(質(zhì)量％)機(jī)械合金化處理的樣品在900℃SPS成形前和成形后的XRD結(jié)果圖(X射線Co的Kα線，波長(zhǎng)λ＝0.179021nm)。可以看出，相同的材料經(jīng)過SPS成形之后仍保持奧氏體(γ)相。圖中，MAed表示SPS之前的樣品，SPSed表示SPS成形后的樣品。
圖10是上述樣品經(jīng)SPS成形后斷面的掃描電鏡(SEM)觀察圖。
Fe60.55Cr18Mn18Mo3N0.45(質(zhì)量％)機(jī)械合金化處理的樣品在900℃經(jīng)SPS成形前后的平均晶體粒徑(D)示于表1。
表1Fe60.55Cr18Mn18Mo3N0.45(質(zhì)量％_機(jī)械合金化處理的樣品在900℃經(jīng)SPS成形前后的平均晶體粒徑(D)

表1中的D值，由圖9的XRD圖利用Scherrer公式計(jì)算得到。成形后的值和由圖10的SEM圖觀察到的晶體粒徑幾乎完全對(duì)應(yīng)。
由以上的實(shí)施例7、圖9及表1可表明，根據(jù)本發(fā)明，盡管在SPS固化成形過程中看到大量晶粒的生長(zhǎng)，但成形后仍保持納米組織。
實(shí)施例8圖11是，以下(a)～(g)中的各種機(jī)械合金化處理得到的粉末樣品在900℃經(jīng)過SPS成形后，N的殘存率Re(％)的示意圖。
(a)Fe60.55Cr18Mn18Mo3N0.45(質(zhì)量％)(b)Fe60.6Cr18Mn17.5Mo3N0.9(質(zhì)量％)(c)Fe63.1Cr18Mn15Mo3N0.9(質(zhì)量％)(d)Fe72.1Cr19Ni8N0.9(質(zhì)量％)
(e)Fe67.1Cr19Ni8Mn5N0.9(質(zhì)量％)(f)Fe68.1Cr23Ni8N0.9(質(zhì)量％)(g)Fe64.1Cr20Ni8Mn5Nb2N0.9(質(zhì)量％)Re(％)(Ns/Nm)×100NmMA處理的樣品中的氮的含量(質(zhì)量％)NsSPS成形后的樣品中的氮的含量(質(zhì)量％)如圖，Cr-Mn系的樣品(a)、(b)、(c)中，Re均為100％；而Cr-Ni系的樣品(d)(與SUS304鋼相當(dāng)組成的高氮不銹鋼)中，Re約為85％，即機(jī)械合金化處理后的樣品中含有的氮，大約有15％在SPS成形過程中消失了。但是，在樣品(d)中加入錳(樣品(e))或者增加鉻的含量(樣品(f))，氮的殘存率大幅提高，并且，如果一起添加可提高Re的元素錳、鉻、鈮，則如樣品(g)一樣，其Re提高到100％，可完全抑制成形過程中的脫氮的發(fā)生。
圖12是SPS成形后的圖11中的樣品(d)和(g)的XRD結(jié)果(X射線Cu的Kα線，波長(zhǎng)λ＝0.154051nm)?？煽闯?，樣品(d)經(jīng)SPS成形后在奧氏體(γ)相上形成鐵素體(α)相、Cr2N相，而樣品(g)經(jīng)SPS成形后，依然為單一的奧氏體(γ)相結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例9Fe64.1Cr20Ni8Mn5Nb2N0.9(質(zhì)量％)機(jī)械合金化處理后的樣品經(jīng)過SPS或者SR成形為固化成形體(固化成形溫度900℃)、以及SR成形后再實(shí)施退火處理(1150℃×15分鐘)后的試驗(yàn)片(SR+退火的試驗(yàn)片)的平均晶體粒徑D，維氏硬度Hv、屈服強(qiáng)度σ0.2、拉伸強(qiáng)度σB、延長(zhǎng)率δ以及氧和氮的含量如表2所示。
表2Fe64.1Cr20Ni8Mn5Nb2N0.9(質(zhì)量％)機(jī)械合金化處理后的樣品經(jīng)過SPS或者SR成形為固化成形體、以及SR成形后再實(shí)施退火(1150℃×15分鐘)后的試驗(yàn)片(SR+退火的試驗(yàn)片)的平均晶體粒徑，維氏硬度Hv、屈服強(qiáng)度σ0.2、拉伸強(qiáng)度σB、延長(zhǎng)率δ以及氧和氮的含量(成形溫度900℃)

D的值由Scherrer公式計(jì)算得出*直徑10mm×5mm厚**拉伸試驗(yàn)片的切槽尺寸寬4.5mm×長(zhǎng)度(標(biāo)點(diǎn)距離)12mm×厚度1.3mm***在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行250小時(shí)MA處理得到的奧氏體鋼粉的SR成形。
實(shí)施例10(a)Fe63.1Cr18Mn15Mo3N0.9(質(zhì)量％)和(b)Fe65.55Cr25Ni5Mo4N0.45(質(zhì)量％)的機(jī)械合金化(MA)樣品的SR成形，以及SR成形后進(jìn)行退火后的固化成形體的平均晶體粒徑D、維氏硬度Hv、屈服強(qiáng)度σ0.2、拉伸強(qiáng)度σB、延長(zhǎng)率δ以及氧和氮的含量(SR固化成形溫度900℃、退火溫度1150℃，退火時(shí)間15分鐘)如表3所示。(a)、(b)分別是奧氏體鋼樣品和奧氏體-鐵素體鋼樣品。
表三(a)Fe63.1Cr18Mn15Mo3N0.9(質(zhì)量％)和(b)Fe65.55Cr25Ni5Mo4N0.45(質(zhì)量％)的機(jī)械合金化(MA)樣品的SR成形，以及SR成形后進(jìn)行退火后的固化成形體的平均晶體粒徑D、維氏硬度Hv、屈服強(qiáng)度σ0.2、拉伸強(qiáng)度σB、延長(zhǎng)率δ以及氧和氮的含量(SR固化成形溫度900℃、退火溫度1150℃，退火時(shí)間15分鐘)

a奧氏體鋼樣品b奧氏體-鐵素體鋼樣品實(shí)施例11(a)Fe69.2Mn30C0.9(質(zhì)量％)和(b)Fe64.1Mn30Cr5C0.8N0.1(質(zhì)量％)和(c)Fe64.2Mn30Al5C0.8(質(zhì)量％)的機(jī)械合金化(MA)樣品的SR成形，或者SP成形后進(jìn)行退火(1150℃×15分鐘)得到的的各試驗(yàn)片(固化成形溫度900℃)的平均晶體粒徑D、維氏硬度Hv、屈服強(qiáng)度σ0.2、拉伸強(qiáng)度σB、延長(zhǎng)率δ以及氧和氮的含量如表4所示。
表4(a)Fe69.2Mn30C0.9(質(zhì)量％)和(b)Fe64.1Mn30Cr5C0.8N0.1(質(zhì)量％)和(c)Fe64.2Mn30Al5C0.8(質(zhì)量％)的機(jī)械合金化(MA)樣品的SR成形，或者SP成形后進(jìn)行退火(1150℃×15分鐘)得到的的各試驗(yàn)片(固化成形溫度900℃)的平均晶體粒徑D、維氏硬度Hv、屈服強(qiáng)度σ0.2、拉伸強(qiáng)度σB、延長(zhǎng)率δ以及氧和氮的含量

*厚度1.3mm的試驗(yàn)片從上述實(shí)施例9及表2看出，根據(jù)本發(fā)明，以包套軋制固化成形與SUS304組成相當(dāng)?shù)母叩{米晶體奧氏體鋼(氮的濃度0.9質(zhì)量％)，與普通的熔煉法得到的SUS304不銹鋼相比，表現(xiàn)出硬度提高到約4倍(大于高碳馬氏體組織的硬度)、屈服強(qiáng)度約6倍(超級(jí)抗拉伸鋼的水平)的值，顯示了極高值，進(jìn)行退火后，還能得到高延伸率的材料。
從表2可知，在MA過程中，無(wú)論是使用氮?dú)膺€是使用氮化鐵作為氮源，均可以制造出拉伸性能完全一樣的固化成形體。
實(shí)施例10及表3(樣品a的結(jié)果)表明，對(duì)于Cr-Mn系的高氮含量的Fe63.1Cr18Mn15Mo3N0.9(質(zhì)量％)，經(jīng)過SR+退火處理，可以制造出與表2所示高氮含量Cr-Ni系材料相同的高強(qiáng)度、富于延展性的材料。
還有，由表3(樣品b的結(jié)果)可知，奧氏體-鐵素體系材料(鐵素體相約40％)，與奧氏體系材料(樣品a)相比，SR成形過程中的晶粒生長(zhǎng)被明顯抑制，其硬度、強(qiáng)度(σ0.2、σB)等機(jī)械性能，也與奧氏體鋼材料幾乎完全一致。
從實(shí)施例11、表4可知，高錳碳素鋼系列的Fe69.2Mn30C0.9(質(zhì)量％)及Fe64.1Mn30Cr5C0.8N0.1(質(zhì)量％)和Fe64.2Mn30Al5C0.8(質(zhì)量％)的機(jī)械合金化的奧氏體鋼的粉末，經(jīng)過固化成形后，與熔煉法制造的高錳奧氏體鋼(如SCMnH3鋼，Mn11～14％(質(zhì)量)、C0.9～1.2％(質(zhì)量)(從1000℃進(jìn)行水淬)相比，硬度表現(xiàn)出大約4倍的極高硬度值，且可以容易制造出高強(qiáng)度、富于延展性的材料。
實(shí)施例12Fe64.1Cr20Ni8Mn5Nb2N0.9(質(zhì)量％)的機(jī)械合金化的粉末樣品，對(duì)其進(jìn)行900℃下SPS成形，擠壓成型、鍛造、熱等壓燒結(jié)(HIP)、熱壓或者常溫冷壓之后，再在900℃進(jìn)行熱軋，之后進(jìn)行1150℃×15分鐘退火，再進(jìn)行驟冷(水中)處理，得到的固化成形體樣品(a)～(g)的平均晶體粒徑D、維氏硬度Hv、屈服強(qiáng)度σ0.2、拉伸強(qiáng)度σB、延長(zhǎng)率δ以及氧和氮的含量、夏比(charpy)沖擊值E如表5所示。
上述的固化成形處理的樣品，除了軋制以外，都在真空中進(jìn)行。拉伸試驗(yàn)中使用JIS6號(hào)試驗(yàn)片(寬5mm、厚2mm)，夏比沖擊試驗(yàn)片為V形切口(寬5mm、高5mm、長(zhǎng)55mm)的試驗(yàn)片。
表5對(duì)Fe64.1Cr20Ni8Mn5Nb2N0.9(質(zhì)量％)的機(jī)械合金化的粉末樣品實(shí)施各種固化處理，形成的基體材料樣品a～g的平均晶體粒徑D、維氏硬度Hv、屈服強(qiáng)度σ0.2、拉伸強(qiáng)度σB、延長(zhǎng)率δ以及氧和氮的含量，夏比沖擊值E

*軋制氣氛大氣SPS(成形壓力49MPa)HIP(成形壓力50MPa)擠壓(擠壓比3) 熱壓(成形壓力50MPa)鍛造(鍛造比2) 冷壓(成形壓力650MPa)對(duì)實(shí)施例12、表5的樣品a的結(jié)果與實(shí)施例9、表2的“SR+退火”材料的結(jié)果進(jìn)行比較，經(jīng)SPS成形加工的材料再進(jìn)行軋制處理后的機(jī)械性能大幅提高，并且表現(xiàn)出高韌性(高沖擊值)、軋制加工的效果明顯。
表5中的樣品c、d，在進(jìn)行軋制加工之前，如果經(jīng)過伴隨著擠壓、鍛造之類的剪切形變的成形過程，則其效果將更加顯著。
從上述實(shí)施例12、表5可知，根據(jù)本發(fā)明，通過如此表中所示的固化成形處理，固化成形體的晶體組織停留在90～200nm左右的納米級(jí)水平，特別通過樣品c和d中使用的固化成形處理法，可以容易的制造高硬度、高強(qiáng)度、強(qiáng)韌性的納米晶體奧氏體鋼基體材料。
實(shí)施列13圖13是破壞試驗(yàn)中使用的在中央有環(huán)狀切口的直徑為5mm的柱狀試驗(yàn)品的斜視圖，試驗(yàn)時(shí)從樣品的兩端持續(xù)施加拉伸負(fù)荷。
也就是說，上述試驗(yàn)品是，將Fe64.1Cr20Ni8Mn5Nb2N0.9(質(zhì)量％)的機(jī)械合金化的樣品，在900℃擠壓加工后進(jìn)行退火處理(1150℃×15分鐘/水冷)，得到的直徑5mm的固化成形體(屈服強(qiáng)度σ0.21690MPa、拉伸強(qiáng)度σB2880MPa、延長(zhǎng)率δ34％)。
本試驗(yàn)中，將上述樣品在水中(23℃)進(jìn)行1600MPa負(fù)荷的100小時(shí)的持續(xù)負(fù)荷拉伸，結(jié)果是，沒有觀察到延遲破壞。
實(shí)施例14高氮含量奧氏體鋼[Fe65-xCr20Ni8Mn5Nb2Nx(質(zhì)量％，X＝0.45，0.7，0.9)]的機(jī)械合金化樣品，經(jīng)SR成形而得到的固化成形體的氮濃度(含量)x和維氏硬度Hv之間的關(guān)系見表6。
表6Fe65-xCr20Ni8Mn5Nb2Nx(質(zhì)量％，X＝0.45，0.7，0.9)的機(jī)械合金化樣品，經(jīng)SR成形而得到的固化成形體的氮濃度(含量)x和維氏硬度Hv之間的關(guān)系(成形溫度900℃)

實(shí)施例15奧氏體鋼的含氮量與維氏硬度Hv之間的關(guān)系(氮的固溶效果)如表7所示。
表7奧氏體鋼的含氮量與維氏硬度Hv之間的關(guān)系(氮的固溶效果)

a對(duì)SUS304不銹鋼粉進(jìn)行10小時(shí)MA*處理，再在900℃SR成形后，退火(1150℃×15分鐘/水冷)形成的SR固化成形片。
b200小時(shí)MA處理得到的Fe64.1Cr20Ni8Mn5Nb2N0.9(質(zhì)量％)的樣品在900℃SR成形后的試驗(yàn)片。
*嚴(yán)格的機(jī)械研磨處理實(shí)施例16奧氏體鋼的平均晶體粒徑D與維氏硬度Hv的關(guān)系(MA的晶粒微細(xì)化的效果)如表8所示。
表8奧氏體鋼的平均晶體粒徑D與維氏硬度Hv的關(guān)系

ASUS304不銹鋼的熔煉制造的試驗(yàn)片(N約0.035質(zhì)量％)BSUS304不銹鋼粉，經(jīng)10小時(shí)MA處理，再在900℃SR成形后，退火(1150℃×15分鐘/水冷)形成的SR固化成形片。
從實(shí)施例15(表7)及16(表8)可知，經(jīng)機(jī)械合金化(MA)處理的奧氏體系列材料中，若氮濃度增加到0.9質(zhì)量％，則其硬度增加到熔煉的SUS304鋼片約8倍左右，不僅氮的固溶效果，而且MA產(chǎn)生的晶粒微細(xì)化效果對(duì)此貢獻(xiàn)也很大。
產(chǎn)業(yè)上應(yīng)用的可能性下面介紹有關(guān)上述根據(jù)本發(fā)明的奧氏體鋼基體材料的用途例。
關(guān)于高氮含量奧氏體鋼高氮含量奧氏體鋼的共性是超強(qiáng)度、韌性及良好的耐點(diǎn)蝕性能，而且是非磁性的，并且與馬氏體或者鐵素體的鋼鐵材料不同，升溫時(shí)從溫度200～300℃附近開始不會(huì)顯示出急劇的軟化，也很難表現(xiàn)出室溫附近以下的溫度下的低溫脆性。
更引人注目的是，與奧氏體不銹鋼SUS304的組成相當(dāng)?shù)暮?.9質(zhì)量％的高氮含量納米晶體不銹鋼，表現(xiàn)出非常高的值其強(qiáng)度是該304不銹鋼的約4倍(高碳素鋼馬氏體組織以上的硬度)、屈服強(qiáng)度是6倍(超級(jí)抗拉伸鋼的水平)，并且，即使是具有極端高的屈服強(qiáng)度的高氮含量納米晶體不銹鋼，也沒有觀察到馬氏體或者鐵素體系鋼鐵材料的延遲斷裂。
因此，根據(jù)本發(fā)明的高氮含量納米晶體奧氏體鋼，由于以上的特性，從高拉伸強(qiáng)度的螺栓、防彈材料等開始，可在以下所描述的機(jī)械類元器件、熱加工用各種超硬工具等各類適用場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。
(1)高拉伸強(qiáng)度的螺栓、螺母類(機(jī)械的緊固件材料)高拉伸強(qiáng)度的螺栓、螺母類，通常是使用馬氏體或者鐵素體系的鋼鐵材料較多的領(lǐng)域，但如果馬氏體或者鐵素體材料承受大于等于70～80kg/mm2的拉伸強(qiáng)度，則在低于屈服點(diǎn)(耐力)的靜態(tài)拉伸力的作用下，會(huì)發(fā)生延遲斷裂，所以，目前還未用于具有大于等于70～80kg/mm2的拉伸強(qiáng)度的鋼的高拉伸強(qiáng)度的螺栓、螺母類。
本發(fā)明中的高氮含量納米晶體奧氏體鋼，擁有極端的高強(qiáng)度，且組織形態(tài)由奧氏體構(gòu)成，不會(huì)發(fā)生前述的延遲斷裂。而且，根據(jù)納米奧氏體鋼的特性，本發(fā)明中的納米晶體奧氏體鋼基體材料不僅可以應(yīng)用于上述的高拉伸的螺栓類材料，而且還能應(yīng)用在要求材料輕量化的飛機(jī)、汽車等的構(gòu)成元件這些不可預(yù)測(cè)的需求。
(2)防彈鋼板、防彈衣目前軍用的防彈背心的重量，在投入使用時(shí)每個(gè)人大約重量在40～50公斤。而且作為其材料特性，還要求拉伸強(qiáng)度250kg/mm2，延伸率5～10％的極高性能，到目前為止，還沒有已開發(fā)出的材料能滿足這些要求。
本發(fā)明的高氮含量納米晶體奧氏體鋼基體材料，不僅十分滿足上述的高水平的性能要求，而且本發(fā)明的納米晶體奧氏體鋼在使用時(shí)可以實(shí)現(xiàn)大幅的輕量化。
(3)軸承類大量應(yīng)用于軸承材料的鋼鐵材料，其摩擦、磨損部位的基體(相組織)主要是馬氏體組織，因此，由于馬氏體相具有不穩(wěn)定的性質(zhì)，只能限定使用在比較窄的溫度范圍內(nèi)。本發(fā)明的高氮含量奧氏體鋼，例如即使在高溫區(qū)域，如直到600℃附近，都不發(fā)生硬度和強(qiáng)度的急劇下降，可以應(yīng)用于廣泛的溫度范圍。
本發(fā)明的高氮含量奧氏體鋼用于軸的旋轉(zhuǎn)部分，由于有上述的強(qiáng)度特征，可以大量降低材料的使用量，不僅可以節(jié)約材料，而且大大降低軸承旋轉(zhuǎn)部分的離心力，從而大幅降低軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的電力消耗。
(4)齒輪類大量應(yīng)用于齒輪材料的鋼鐵材料，由于在同一物件上要求其表面(齒的表面)有良好的耐磨性、且其內(nèi)部有良好的韌性這樣相互矛盾的性質(zhì)，因而，這種情況下，需要在齒面部進(jìn)行滲碳、淬火和退火等相互組合的、相當(dāng)尖端技術(shù)和熟練的表面處理，然而，根據(jù)本發(fā)明，如果使用擠壓成型加工的超硬度、韌性等特性的高含氮量的納米晶體奧氏體鋼，就不必再進(jìn)行上述的表面硬化處理等處理。
同時(shí)，高氮含量納米晶體奧氏體鋼在齒輪的齒面部位使用時(shí)，可以比以往使用的具有馬氏體(不穩(wěn)定相)組織的材料具有更廣泛的使用溫度范圍。
(5)熱加工用工具和擠壓工具例如，在高溫切削工具中使用比較多的如鉬系高速鋼等經(jīng)過淬火、退火的材料，由于其基體是由在升溫區(qū)域不穩(wěn)定的退火馬氏體相構(gòu)成，因而，在大于等于400℃附近溫度時(shí)，具有急劇軟化的性質(zhì)。本發(fā)明的高含氮量納米晶體奧氏體鋼，由于自身的基體是穩(wěn)定相，在上述的溫度范圍內(nèi)不發(fā)生急劇的軟化，因此可以作為優(yōu)良的材料適用于熱加工方向。
本發(fā)明的高含氮量納米晶體奧氏體鋼，由于基體相對(duì)穩(wěn)定，可以更有效應(yīng)用于使用時(shí)溫度變化激烈的擠壓工具方面。
(6)醫(yī)療器具及其他Cr-Ni系SUS304鋼之類的奧氏體不銹鋼，因?yàn)槭褂脮r(shí)析出的極其微量鎳離子在人體引起皮炎等問題，在歐美被禁止在人體上使用。在此背景下，高氮含量Cr-Mn系列奧氏體不銹鋼，因?yàn)槭遣缓琋i的奧氏體不銹鋼而引人注目。
根據(jù)本發(fā)明，非磁性的高氮含量納米晶體的Cr-Mn系奧氏體鋼，不僅具有超高強(qiáng)度、韌性和良好的耐蝕性(耐點(diǎn)蝕性)的特性，而且具有奧氏體相的性質(zhì)，在極低的溫度下也不產(chǎn)生脆性。
高氮含量納米晶體的Cr-Mn系奧氏體鋼，因?yàn)橐陨系奶匦?，這些鋼可以在例如外科醫(yī)用手術(shù)刀、醫(yī)療用低溫器具、其他的一般用刀、剪等利器，鉆頭等工具上有望使用。
權(quán)利要求
1.一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于是由含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體鋼基體材料，在上述各納米晶粒的晶粒之間和/或者晶粒內(nèi)部存在作為抑制晶粒生長(zhǎng)的物質(zhì)的金屬或半金屬的氧化物。
2.一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于是由含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體鋼基體材料，在上述各納米晶體的晶粒之間和/或者晶粒內(nèi)部存在作為抑制晶粒生長(zhǎng)的物質(zhì)的金屬或半金屬的氮化物。
3.一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于是由含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體鋼基體材料，在上述各納米晶體的晶粒之間和/或者晶粒內(nèi)部存在作為抑制晶粒生長(zhǎng)的物質(zhì)的金屬或半金屬的碳化物。
4.一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于是由含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體鋼基體材料，在上述各納米晶體的晶粒之間和/或者晶粒內(nèi)部存在作為抑制晶粒生長(zhǎng)的物質(zhì)的金屬或半金屬的硅化物。
5.一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于是由含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體鋼基體材料，在上述各納米晶體的晶粒之間和/或者晶粒內(nèi)部存在作為抑制晶粒生長(zhǎng)的物質(zhì)的金屬或半金屬的硼化物。
6.一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于是由含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體鋼基體材料，在上述各納米晶體的晶粒之間和/或者晶粒內(nèi)部存在選自(1)金屬或半金屬的氧化物、(2)金屬或半金屬的氮化物、(3)金屬或半金屬的碳化物、(4)金屬或半金屬的硅化物、(5)金屬或半金屬的硼化物中的2種或2種以上的起抑制晶粒生長(zhǎng)作用的物質(zhì)。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求1～6中任一項(xiàng)所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于在由含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體基體材料的構(gòu)成組織中，鐵素體晶粒的含量不到50％。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求1～7中任一項(xiàng)所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于在由含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體基體材料含有0.1～5.0質(zhì)量％的氮。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求1、6或7中任一項(xiàng)所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于由含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體納米晶?；蚱浼象w構(gòu)成的奧氏體基體材料，含有以金屬或半金屬的氧化物形式存在的0.01～1.0質(zhì)量％的氧。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求2、6、7或8中任一項(xiàng)所記載的高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于由含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體基體材料，含有1～30質(zhì)量％的氮化合物。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求1～10中任一項(xiàng)所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于由含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體基體材料，為了防止其固化成形過程中脫氮的發(fā)生，含有比鐵更具有和氮的化學(xué)親和力的鈮、鉭、錳、鉻等氮親和性金屬元素。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求1～11中任一項(xiàng)所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于由含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體基體材料的鋼形成成分和配合組成為Cr12～30質(zhì)量％，Ni0～20質(zhì)量％，Mn0～30質(zhì)量％，N0.1～5.0質(zhì)量％，C0.02～1.0質(zhì)量％，其余為Fe。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求1～9中任一項(xiàng)所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于由含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體鋼基體材料的鋼形成成分和配合組成為Cr12～30質(zhì)量％，Ni0～20質(zhì)量％，Mn0～30質(zhì)量％，化合物形式的N小于等于30質(zhì)量％，C0.01～1.0質(zhì)量％，其余為Fe。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求1～11中任一項(xiàng)所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于由含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體基體材料的鋼形成成分和配合組成為Mn4～40質(zhì)量％，N0.1～5.0質(zhì)量％，C0.1～2.0質(zhì)量％，Cr3～10質(zhì)量％，其余為Fe。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求1～11中任一項(xiàng)所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于由含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體晶粒的集合體構(gòu)成的奧氏體基體材料的鋼形成成分和配合組成為Mn4～40質(zhì)量％，化合物形式的N小于等于30質(zhì)量％，C0.1～2.0質(zhì)量％，Cr3～10質(zhì)量％，其余為Fe。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求1～15中任一項(xiàng)所記載的超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于含0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體晶粒是通過使用球磨機(jī)等的機(jī)械合金化處理而制得。
17.一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于上述權(quán)利要求1～16中的任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料，由含有0.3～1.0質(zhì)量％的固溶型氮且晶體粒徑在50～1000nm的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成。
18.一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于上述權(quán)利要求1～16中的任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料，由含有0.4～0.9質(zhì)量％的固溶型氮且晶體粒徑在75～500nm的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成。
19.一種超硬度、高韌性和具有優(yōu)異耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料，其特征在于上述權(quán)利要求1～16中的任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料，由含有0.4～0.9質(zhì)量％的固溶型氮且晶體粒徑在100～300nm的奧氏體納米晶粒的集合體構(gòu)成。
20.一種納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于鐵和鉻、鎳、錳或者碳等奧氏體鋼形成成分的各自微粉末，和作為氮源的物質(zhì)相互混合，采用使用球磨機(jī)等的機(jī)械合金化的方法，在獲得高氮含量納米晶體奧氏體鋼的微粉末后，通過選自(1)軋制、(2)放電等離子燒結(jié)、(3)擠壓成型、(4)等壓熱燒結(jié)、(5)等壓冷壓成形、(6)冷壓成形、(7)熱壓、(8)鍛造或者(9)模鍛中的1種或2種或2種以上的組合的方法對(duì)該奧氏體鋼的微粉末進(jìn)行固化成形、或者爆炸成形等固化成形處理，從而形成由含有0.1～2.0質(zhì)量％固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合體所構(gòu)成的超硬度、高韌性并具有優(yōu)異耐蝕性的奧氏體鋼基體材料。
21.一種納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于鐵和鉻、鎳、錳或者碳等奧氏體鋼形成成分的各自微粉末，和作為氮源的物質(zhì)相互混合，采用使用球磨機(jī)等的機(jī)械合金化(MA)的方法，在獲得高氮濃度的納米晶體的奧氏體鋼的微粉末后，在空氣中或者氧化抑制性氣氛中或者真空中，通過選自(1)軋制、(2)放電等離子燒結(jié)、(3)擠壓成型、(4)等壓熱燒結(jié)、(5)熱壓、(6)鍛造或者(7)模鍛中的1種或2種或2種以上的組合的方法對(duì)該奧氏體鋼的微粉末進(jìn)行熱固化、或者爆炸成形等固化成形處理，然后驟冷，從而形成含有固溶型氮0.1～2.0質(zhì)量％的奧氏體納米晶粒的集合體所構(gòu)成的超硬度、高韌性并具有優(yōu)異耐蝕性的奧氏體鋼基體材料。
22.一種納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于鐵和鉻、鎳、錳或者碳等奧氏體鋼形成成分的各自微粉末，和作為氮源的物質(zhì)一起混合，采用使用球磨機(jī)等的機(jī)械合金化的方法，在獲得高氮濃度的納米晶體的奧氏體鋼的微粉末后，在真空中或者氧化抑制性氣氛中，通過放電等離子燒結(jié)對(duì)該奧氏體鋼的微粉末進(jìn)行固化處理，從而得到含有固溶型氮為0.3～1.0質(zhì)量％且晶體粒徑為50～1000nm的奧氏體納米晶粒的集合體所構(gòu)成的超硬度、高韌性并具有優(yōu)異耐蝕性的奧氏體鋼基體材料。
23.一種納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于鐵和鉻、鎳、錳或者碳等奧氏體鋼形成成分的各自微粉末，和作為氮源的物質(zhì)一起混合，采用使用球磨機(jī)等的機(jī)械合金化的方法，在獲得高氮濃度的納米晶體的奧氏體鋼的微粉末后，在真空中或者氧化抑制性氣氛中，通過放電等離子燒結(jié)對(duì)該奧氏體鋼的微粉末進(jìn)行固化處理，然后進(jìn)行軋制加工處理，驟冷，從而得到含有固溶型氮為0.3～1.0質(zhì)量％且晶體粒徑為50～1000nm的奧氏體納米晶粒的集合體所構(gòu)成的超硬度、高韌性并具有優(yōu)異耐蝕性的奧氏體鋼基體材料。
24.一種納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于上述權(quán)利要求20或者22中所記載的固化成形體，在800～1250℃的溫度退火小于等于60分鐘，然后進(jìn)行驟冷處理。
25.一種納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于上述權(quán)利要求21或者23中所記載的驟冷后形成的成形體，在800～1250℃的溫度退火小于等于60分鐘后，再進(jìn)行驟冷處理。
26.根據(jù)上述權(quán)利要求20～25中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于選擇N2氣、NH3氣、氮化鐵、氮化鉻或者氮化錳中1種或者2種或2種以上作為氮源物質(zhì)。
27.根據(jù)上述權(quán)利要求20～26中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于實(shí)施機(jī)械合金化的氣氛為，(1)氬氣等惰性氣體、(2)N2氣、(3)NH3氣中選擇的任意1種，或者(1)～(3)中選擇2種或2種以上的混合氣體的氣氛。
28.根據(jù)上述權(quán)利要求20～27中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于實(shí)施機(jī)械合金化的氣氛為，加入了一些H2氣等還原性物質(zhì)的氣氛。
29.根據(jù)上述權(quán)利要求20～26中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于實(shí)施機(jī)械合金化的氣氛為真空，或者加入了一些H2氣等還原性物質(zhì)的真空，或者還原性氣氛。
30.根據(jù)上述權(quán)利要求20～29中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于鐵和鉻、鎳、錳或者碳等奧氏體鋼的形成成分的各自微粉末，與1～10體積％的AlN、NbN、Cr2N等的金屬氮化物，或者0.5～10質(zhì)量％的與鐵相比與氮的化學(xué)親和力更大的鈮、鉭、錳、鉻、鎢、鉬等氮親和性金屬或鈷，與作為氮源的物質(zhì)一起混合，在機(jī)械合金化過程及機(jī)械合金化處理粉末的固化成形過程中，使上述添加的氮化物分散，或使上述金屬元素或其氮化物、碳氮化物等析出、分散，從而得到超硬度、高韌性并具有優(yōu)異耐蝕性的奧氏體鋼基體材料。
31.根據(jù)上述權(quán)利要求20～30中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于鐵和鉻、鎳、錳、或者碳等奧氏體鋼的形成成分的各自微粉末，和AlN、NbN、TaN、Si3N4、TiN等金屬氮化物所形成的粒子分散劑1～10體積％，與作為氮源的物質(zhì)一起混合，再通過在機(jī)械合金化過程中，促進(jìn)納米級(jí)的晶粒的進(jìn)一步微細(xì)化，以及抑制機(jī)械合金化處理的粉末在固化成形過程中晶粒的粗大化，從而得到超硬度、高韌性并具有優(yōu)異耐蝕性的奧氏體鋼基體材料。
32.根據(jù)上述權(quán)利要求20～29或者31中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于以鐵和錳以及碳為主體的高錳碳鋼類型的奧氏體鋼形成成分的各微粉末，與作為氮源的氮化鐵等金屬氮化物微粉末混合，在氬氣等惰性氣體中，或者真空中，或者其中加入了一些H2氣等還原性物質(zhì)的真空中，或者還原性氣氛中，通過機(jī)械合金化，制得由Mn4～40質(zhì)量％、N0.1～5.0質(zhì)量％、C0.1～2.0質(zhì)量％、Cr3.0～10.0質(zhì)量％、其他為鐵所構(gòu)成的納米晶體奧氏體鋼的粉末之后，將該奧氏體鋼粉末進(jìn)行包套軋制、放電等離子燒結(jié)、擠壓成型等熱固化成形或者爆炸成形等固化處理，從而得到超硬度、高韌性并具有優(yōu)異耐蝕性的奧氏體鋼基體材料。
33.根據(jù)上述權(quán)利要求20～32中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于奧氏體鋼形成成分及配合組成為Cr12～30質(zhì)量％，Ni0～20質(zhì)量％、Mn0～30質(zhì)量％、N0.1～5.0質(zhì)量％、C0.02～1.0質(zhì)量％，其余為Fe，固化成形的溫度為600～1250℃。
34.根據(jù)上述權(quán)利要求20～31中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料的制造方法，其特征在于機(jī)械合金化處理時(shí)，來(lái)自處理容器、硬質(zhì)鋼球等向高氮含量納米晶體奧氏體鋼的粉末中混入的氧的量，被調(diào)整到0.01～1.0質(zhì)量％，這些氧以金屬氧化物或者半金屬氧化物的化合物形式，在機(jī)械合金化過程中，進(jìn)一步促進(jìn)納米晶粒的微細(xì)化，并抑制機(jī)械合金化處理的粉末在固化成形過程中的晶粒粗大化。
35.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的高拉伸強(qiáng)度的螺栓和螺母等機(jī)械緊固材料。
36.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的防彈鋼板、防彈背心等防彈材料。
37.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的模具、鉆頭、彈簧、齒輪、軸承等機(jī)械工具和機(jī)械部件。
38.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的人造骨、人造關(guān)節(jié)和人造牙根等人造醫(yī)療、人造牙科材料。
39.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的注射器、外科手術(shù)刀、導(dǎo)管等醫(yī)療用機(jī)械器具。
40.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的金屬模具。
41.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的儲(chǔ)氫容器。
42.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的菜刀、剃刀、剪刀等有刃器具。
43.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的渦輪機(jī)導(dǎo)向板和導(dǎo)向葉片等渦輪機(jī)部件。
44.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的防護(hù)性武器。
45.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的滑冰部件、雪橇部件等運(yùn)動(dòng)器材的材料。
46.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的配管、箱、閥等化學(xué)設(shè)備用材料。
47.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的核發(fā)電裝置用部件。
48.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的火箭、噴氣式飛機(jī)等飛行物體的部件。
49.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的個(gè)人計(jì)算機(jī)、手提公文包等日常輕型材料。
50.根據(jù)上述權(quán)利要求1～19中任一項(xiàng)所記載的納米晶體奧氏體鋼基體材料所制造的汽車、船舶、磁懸浮列車等運(yùn)輸裝置的部件。
全文摘要
本發(fā)明提供超硬度、高韌性且具有優(yōu)良耐蝕性的納米晶體奧氏體鋼基體材料及其制造方法。由含0.1～2.0％(質(zhì)量)固溶型氮的奧氏體納米晶粒的集合而成的奧氏體基體材料，在上述納米晶體的晶粒之間及/或晶粒內(nèi)部存在金屬或半金屬的氧化物、氮化物、碳化物、作為抑制晶粒生長(zhǎng)的物質(zhì)。這種材料的制造方法為，將鐵和鉻、鎳、錳或者碳等奧氏體鋼的組成成分的各自微粉末，和作為氮源的物質(zhì)相互混合，通過機(jī)械合金化(MA)的方法，在獲得高氮濃度的納米晶體的奧氏體鋼的微粉末后，對(duì)該奧氏體鋼粉末進(jìn)行放電等離子燒結(jié)、軋制等固化成形處理。
文檔編號(hào)B22F1/00GK1685070SQ03822909
公開日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2003年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月27日
發(fā)明者三浦春松, 宮尾信昭, 小川英典, 小田和生, 勝村宗英, 水谷勝 申請(qǐng)人:株式會(huì)社那諾技術(shù)研究所