專利名稱：提升粉末冶金不銹鋼強(qiáng)度及硬度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提升粉末冶金不銹鋼強(qiáng)度及硬度的方法，尤指ー種針對(duì)由粉末冶金制得的不銹鋼制品，進(jìn)行滲碳處理而改善其強(qiáng)度及硬度的方法。
背景技術(shù)：
粉末冶金工藝已廣泛用來(lái)制作各種金屬產(chǎn)品，其中又以各種機(jī)械構(gòu)件為主，傳統(tǒng)的粉末冶金工藝如美國(guó)專利第US 5，856，625號(hào)、第US 5，460，641號(hào)與第US 7，311，875號(hào)等所掲示的技術(shù)，是先使欲燒結(jié)的金屬粉末均勻混合，再將其加壓成形為胚體，然后，將胚體加熱至高溫，并持溫一段時(shí)間進(jìn)行燒結(jié)，借此，粉末之間可進(jìn)行原子擴(kuò)散而相互黏結(jié)，最終形成結(jié)構(gòu)致密的燒結(jié)體。另除前述應(yīng)用粉末加壓成形的エ藝外，亦有提出ー種金屬粉末射出成形(Metal injection molding,簡(jiǎn)稱MIM)エ藝,其結(jié)合粉末冶金與塑料射出成形エ藝,適用于制作形狀復(fù)雜度高且要求優(yōu)異機(jī)械性質(zhì)的機(jī)械構(gòu)件，例如美國(guó)專利第US 4，708，741號(hào)、第US7，211，125號(hào)、第US 5，985，208號(hào)與第US 6，669，898號(hào)等所掲示的技術(shù)。此技術(shù)先將金屬粉末與黏結(jié)劑均勻混合為射料(feedstock)，再使用射出成形機(jī)使射料成形為胚體，將胚體進(jìn)行脫脂后，再施以高溫?zé)Y(jié)，即得到燒結(jié)體。針對(duì)由前述粉末冶金方式制造的不銹鋼材料，其又可分為具致密結(jié)構(gòu)無(wú)連通孔的高密度不銹鋼材料或形成多孔結(jié)構(gòu)的低密度不銹鋼材料。以致密結(jié)構(gòu)無(wú)連通孔的不銹鋼材料而言，若欲提升其表面的硬度，一般可采用如軋延或冷加工等加工硬化的方式，改善其表面硬度，但是，因粉末冶金的燒結(jié)體的形狀已接近最終產(chǎn)品，故不適合使用上述硬化方法?；谏鲜隹紤]，目前業(yè)界大多以鍍鉻或珠擊的方式增加以粉末冶金工藝得到的不銹鋼エ件的表面硬度。然，鍍鉻所形成的鉻鍍層的附著性不佳，故容易發(fā)生剝離；而以珠擊處理來(lái)說(shuō)，其可提升表面硬度的程度有限，且對(duì)于形狀復(fù)雜或小尺寸的エ件，更將有部分區(qū)域無(wú)法受到撞擊，故其提升表面硬度的均勻性不佳。此外，對(duì)多孔結(jié)構(gòu)的不銹鋼材料來(lái)說(shuō)，現(xiàn)階段則尚未發(fā)展出適合改善其強(qiáng)度及硬度的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的，在于解決現(xiàn)有改善致密結(jié)構(gòu)的粉末冶金不銹鋼的強(qiáng)度及硬度的方法中，鉻鍍層的附著性不良而使其硬度無(wú)法獲得有效改善，或因使用珠擊所導(dǎo)致硬度均勻性不佳的問(wèn)題。此外，本發(fā)明亦可用于強(qiáng)化多孔結(jié)構(gòu)的粉末冶金不銹鋼，改善其硬度及強(qiáng)度。為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供一種提升粉末冶金不銹鋼硬度及強(qiáng)度的方法，先將不銹鋼粉末成形為ー胚體，再將該胚體保持在ー燒結(jié)溫度下，使該胚體形成ー燒結(jié)體，然后，使該燒結(jié)體與ー含碳的氣氛接觸，并保持在ー低于600°C的滲碳溫度,使碳得以于該燒結(jié)體內(nèi)形成ー滲碳區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)ー步改進(jìn)的技術(shù)方案，該還原環(huán)境為一真空環(huán)境或一含氫的氣氛。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)ー步改進(jìn)的技術(shù)方案，該燒結(jié)溫度介于1050°C與1400°C之間的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)ー步改進(jìn)的技術(shù)方案，該滲碳溫度介于400°C與580°C之間的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)ー步改進(jìn)的技術(shù)方案，該燒結(jié)體的相對(duì)密度大于30%。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)ー步改進(jìn)的技術(shù)方案，該胚體利用一金屬粉末射出成形エ藝得到。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)ー步改進(jìn)的技術(shù)方案，該胚體利用一粉末加壓成形エ藝得到。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)ー步改進(jìn)的技術(shù)方案，該含碳的氣氛為選自由ー氧化碳、甲烷及丙烷所組成的群組。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)ー步改進(jìn)的技術(shù)方案，該不銹鋼粉末以鐵為主成分，其包含有重量百分比低于2. O的碳、重量百分比低于I. O的硅、重量百分比低于2. O的錳、重量百分比介于12. O至19. O之間的鉻、重量百分比低于15. O的鎳、重量百分比低于6. O的鑰以及重量百分比低于6. O的銅。經(jīng)由上述技術(shù)方案，本發(fā)明提升粉末冶金不銹鋼硬度及強(qiáng)度的方法相較于現(xiàn)有技術(shù)可達(dá)到的有益效果在于一、針對(duì)具致密結(jié)構(gòu)的粉末冶金不銹鋼，本發(fā)明可借由該滲碳區(qū)域具有高濃度的碳原子，而提供該燒結(jié)體表面呈現(xiàn)優(yōu)異的硬度，由于碳原子可均勻地進(jìn)入該燒結(jié)體形成該滲碳區(qū)域，使其表面硬度的提升較為一致，因此，并不會(huì)有附著性及均勻性不佳的問(wèn)題；ニ、其次，針對(duì)具多孔結(jié)構(gòu)的粉末冶金不銹鋼，更可將該滲碳區(qū)域擴(kuò)及該燒結(jié)體的心部，進(jìn)而使該燒結(jié)體無(wú)論是表面硬度或是整體強(qiáng)度，均可獲得顯著的提升；三、再者，由于該滲碳區(qū)域是低于600°C的溫度下形成，可避免鉻與碳發(fā)生反應(yīng)生成碳化鉻Cr23C6，故可于提升強(qiáng)度及硬度的同時(shí)仍保有優(yōu)良的抗腐蝕性。


圖I為本發(fā)明的步驟流程示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)例I的光學(xué)顯微鏡照片；圖3為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)例9的光學(xué)顯微鏡照片；圖4為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)例10的光學(xué)顯微鏡照片；圖5為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)例15的光學(xué)顯微鏡照片；圖6為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)例16的光學(xué)顯微鏡照片；圖7為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)例18的光學(xué)顯微鏡照片；以及圖8為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)例19的光學(xué)顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式有關(guān)本發(fā)明的提升粉末冶金不銹鋼硬度及強(qiáng)度的方法的詳細(xì)說(shuō)明及技術(shù)內(nèi)容，現(xiàn)就配合

如下請(qǐng)參閱“圖1”，其為本發(fā)明提升粉末冶金不銹鋼強(qiáng)度及硬度的方法一實(shí)施例的流程圖，步驟SI先將不銹鋼粉末成形為ー胚體，該不銹鋼粉末以鐵為主成分，且包含有重量百分比低于2. O的碳、重量百分比低于I. O的硅、重量百分比低于2. O的錳、重量百分比介于12. O至19. O之間的鉻、重量百分比低于15. O的鎳、重量百分比低于6. O的鑰以及重量百分比低于6. O的銅，于本發(fā)明的一實(shí)施例中，該不銹鋼粉末較佳地為符合美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)(American iron and steel institute,簡(jiǎn)稱 AISI)編號(hào) 316L 不鎊鋼、編號(hào) 304L 不鎊鋼、編號(hào)440C不銹鋼、編號(hào)17-4PH析出硬化型不銹鋼或以上組合的化學(xué)組成。其中，該不銹鋼粉末可進(jìn)行ー金屬粉末射出成形(Metal injection molding,簡(jiǎn)稱MIM);或是ー粉末加壓成形エ藝而成形為該胚體。然后，步驟S2是將該胚體置于ー還原環(huán)境內(nèi)，并保持在ー燒結(jié)溫度進(jìn)行燒結(jié)，使該胚體形成ー燒結(jié)體，該還原環(huán)境可為一真空環(huán)境或ー含氫的氣氛，其中，于該含氫的氣氛，其氫的體積百分比較佳地大于5. O%，而該燒結(jié)溫度較佳地介于1050°C與1400°C之間的范圍內(nèi)。此步驟可于氣氛燒結(jié)爐或真空爐中進(jìn)行，可將該胚體放入氣氛燒結(jié)爐后，先通以氫氣、氮?dú)浠旌蠚饣蛄呀獍?，并將氣氛燒結(jié)爐升溫至該燒結(jié)溫度，持溫ー燒結(jié)時(shí)間后，使該胚體成為該燒結(jié)體，接著，將氣氛燒結(jié)爐降溫至室溫，取出該燒結(jié)體；或者，先將該胚體放入真空爐，使真空爐的內(nèi)部達(dá)到ー預(yù)定真空度，將真空爐升溫至該燒結(jié)溫度，持溫一燒結(jié)時(shí)間使該胚體成為該燒結(jié)體后，再將真空爐降溫至室溫，取出該燒結(jié)體，其中，該燒結(jié)時(shí)間可 選為30分鐘至3小時(shí)之間。于本發(fā)明的一實(shí)施例中，可控制該燒結(jié)溫度或時(shí)間使該燒結(jié)體達(dá)到高于95%的相對(duì)密度，使該燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)達(dá)致密化，而大部份的孔洞均不互相連通；或者，于本發(fā)明的另ー實(shí)施例中，亦可控制該燒結(jié)溫度或時(shí)間使該燒結(jié)體達(dá)到介于30 %至95%之間的相對(duì)密度，讓該燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多孔性，且較佳地為形成具連通孔的微結(jié)構(gòu)。步驟S3則將該燒結(jié)體與ー含碳的氣氛接觸，且使該燒結(jié)體保持在ー滲碳溫度，使該氣氛中的碳進(jìn)入該燒結(jié)體的表面形成ー滲碳區(qū)域，其中，該滲碳溫度低于600°C，且較佳地介于400°C與580°C之間的范圍內(nèi)，于本發(fā)明中，該含碳的氣氛可為含ー氧化碳、甲烷或丙烷的氣氛。此步驟可將該燒結(jié)體放入滲碳爐中，升溫至400°C與580°C之間的范圍并通以該含碳的氣氛，待持溫ー滲碳時(shí)間后，將滲碳爐降溫至室溫，并取出該燒結(jié)體，其中，該滲碳時(shí)間較佳地設(shè)定為24小吋。此外，當(dāng)該燒結(jié)體的相對(duì)密度大于95%，該滲碳區(qū)域?qū)⑸捎谠摕Y(jié)體的表面，且具有介于ΙΟμπι至50μηι之間的厚度；當(dāng)該燒結(jié)體的相對(duì)密度介于30 %至95 %之間，該滲碳區(qū)域則遍布于該燒結(jié)體內(nèi)。此外，于本發(fā)明中，除可先在氣氛燒結(jié)爐或真空爐中進(jìn)行步驟S2，再于滲碳爐進(jìn)行步驟S3タト，亦可在同一爐進(jìn)行步驟S2與步驟S3，例如，于完成步驟S2后，不將該燒結(jié)體取出而直接于爐內(nèi)改通入該含碳的氣氛，以進(jìn)行步驟S3。為進(jìn)一歩具體說(shuō)明本發(fā)明提升粉末冶金不銹鋼強(qiáng)度及硬度的方法，請(qǐng)參閱以下依據(jù)本發(fā)明所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)例，此僅為例舉說(shuō)明的目的提供，而不意欲來(lái)限制本發(fā)明的范圍。表I所示為各實(shí)驗(yàn)例及比較例的化學(xué)組成，組成I為商用316L不銹鋼粉末，其平均粒徑為
12.Iym;組成2為商用17-4ΡΗ不銹鋼粉末，其平均粒徑為11. 5 μ m ;組成3為商用440C不銹鋼粉末，其平均粒徑為11. 3μ m ;組成4為商用316L不銹鋼粉末，其平均粒徑為39. 7 μ m ;組成5為商用304L不銹鋼粉末，其平均粒徑為40. 2 μ m。表2為實(shí)驗(yàn)例I至14選用的化學(xué)組成及其所進(jìn)行的エ藝條件，表3為實(shí)驗(yàn)例15至25選用的化學(xué)組成及其所進(jìn)行的エ藝條件；表4為比較例I至9選用的化學(xué)組成及其所進(jìn)行的エ藝條件。在制備時(shí)，先分別將實(shí)驗(yàn)例與比較例的不銹鋼粉末與一定比例的潤(rùn)滑劑及黏結(jié)劑均勻混合，再以金屬粉末射出成形(Metal injection molding,簡(jiǎn)稱MIM)或粉末加壓成形的方式成形得到該胚體，接著對(duì)該胚體進(jìn)行ー脫脂步驟，以去除該胚體內(nèi)的潤(rùn)滑劑及黏結(jié)劑；或者，以松裝燒結(jié)的方式，將不銹鋼粉末直接放入一模具中而不進(jìn)行加壓，成形得到該胚體，再依照表2、表3與表4的エ藝條件進(jìn)行燒結(jié)及滲碳，最后，針對(duì)該燒結(jié)體進(jìn)行密度測(cè)量，并測(cè)試該燒結(jié)體的強(qiáng)度及硬度、抗腐蝕性以及該滲碳區(qū)域的厚度。此處僅以上述エ藝做為舉例說(shuō)明，然于實(shí)際應(yīng)用上，本發(fā)明亦可以使用其它粉末冶金工藝制備該燒結(jié)體。此外，為得到該燒結(jié)體的相對(duì)密度，于燒結(jié)后以阿基米得法測(cè)量該燒結(jié)體的密度，再由該燒結(jié)體的密度配合計(jì)算推得的理論密度取得其相對(duì)密度。其中，實(shí)驗(yàn)例I至14與比較例I至3的燒結(jié)體達(dá)95%以上的相對(duì)密度；而實(shí)驗(yàn)例15至25與比較例4至9的燒結(jié)體則為低于95%的相對(duì)密度。上述強(qiáng)度及硬度的測(cè)試包含該燒結(jié)體的表面硬度與心部硬度，采用維氏硬度測(cè)試(Vickers hardness test),針對(duì)實(shí)驗(yàn)例I至21以及比較例I至5分別測(cè)量其表 面及心部的HV,而針對(duì)實(shí)驗(yàn)例15至25與比較例4至9,更進(jìn)ー步采洛氏硬度測(cè)試(Rockwell hardnesstest)，測(cè)量其巨觀硬度HRB或HRH，以及伸長(zhǎng)率與拉伸強(qiáng)度等性質(zhì)。另外，抗腐蝕性則采用美國(guó)粉末冶金協(xié)會(huì)(Metal Powder Industries Federation,簡(jiǎn)稱MPIF)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法(MPIF Standard 62)進(jìn)行抗蝕測(cè)試以及エ業(yè)界中常用的鹽霧測(cè)試法，前者是將各個(gè)進(jìn)行滲碳后的エ件浸入重量百分比為2%的硫酸溶液內(nèi)，待24小時(shí)后，測(cè)量其重量損失。當(dāng)每平方公寸的重量損失小于O. 005克時(shí)，為合格的エ件，將其標(biāo)示為O ;相反地，若超過(guò)O. 005克吋，則為不合格的エ件，將其標(biāo)示為X。以下亦使用エ業(yè)界中常用的鹽霧測(cè)試法，將各個(gè)進(jìn)行滲碳后的エ件置于重量百分比為5%的氯化鈉溶液中，以肉眼觀察エ件經(jīng)過(guò)多少時(shí)間后發(fā)生銹蝕。此外，亦通過(guò)觀察各實(shí)驗(yàn)例與比較例的顯微鏡照片，測(cè)定該滲碳區(qū)域的厚度。實(shí)驗(yàn)例I至14的性質(zhì)與抗腐蝕性的測(cè)試結(jié)果列于表5 ;實(shí)驗(yàn)例15至25的性質(zhì)與抗腐蝕性列于表6 ;而比較例I至9的性質(zhì)與抗腐蝕性列于表7。表I各實(shí)驗(yàn)例及比較例使用的化學(xué)組成(重量百分比)
編號(hào)[C 「Si J Mn "I Cr I Mo Γ Ni Cu 「Nb 「P 「S Γ Fe 組成 I 0.025 0.80' 0.85" 16.40 2. 10 12.62 0.03 O 0.015 0.008 余 組成 2 0.03 0.82' 0.82" 15.74 0.01 4.27 3.26 0.30 0.018 0.008 余 組成 3 1.020 0.84' 0.8l" 16.96 O. 11 O. 16 O I. 53 OO余
組成 4 0.025 0.43' 1.98_ 16.40 2.22 13.26 O O 0.018 0.008 余 組成 5 0.028 O. 52' 1.99_ 17. 52 O 8.85 O O 0.015 0.008 余表2實(shí)驗(yàn)例I至14的エ藝條件
權(quán)利要求
1.一種提升粉末冶金不銹鋼強(qiáng)度及硬度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 由不銹鋼粉末成形為ー胚體； 將所述胚體置于ー還原環(huán)境中且保持在ー燒結(jié)溫度下，使所述胚體形成一燒結(jié)體；以及 再使所述燒結(jié)體與ー含碳的氣氛接觸并保持在ー低于600°C的滲碳溫度，使碳得以于所述燒結(jié)體內(nèi)形成ー滲碳區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提升粉末冶金不銹鋼強(qiáng)度及硬度的方法，其特征在于，所述還原環(huán)境為一真空環(huán)境或一含氫的氣氛。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提升粉末冶金不銹鋼強(qiáng)度及硬度的方法，其特征在于，所述燒結(jié)溫度介于1050°C與1400°C之間的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提升粉末冶金不銹鋼強(qiáng)度及硬度的方法，其特征在于，所述滲碳溫度介于400°C與580°C之間的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提升粉末冶金不銹鋼強(qiáng)度及硬度的方法，其特征在于，所述燒結(jié)體的相對(duì)密度大于30%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提升粉末冶金不銹鋼強(qiáng)度及硬度的方法，其特征在于，所述胚體利用一金屬粉末射出成形エ藝得到。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提升粉末冶金不銹鋼強(qiáng)度及硬度的方法，其特征在于，所述胚體利用一粉末加壓成形エ藝得到。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提升粉末冶金不銹鋼強(qiáng)度及硬度的方法，其特征在于，所述含碳的氣氛為選自由ー氧化碳、甲烷及丙烷所組成的群組。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提升粉末冶金不銹鋼強(qiáng)度及硬度的方法，其特征在于，所述不銹鋼粉末以鐵為主成分，其包含有重量百分比低于2. O的碳、重量百分比低于I. O的硅、重量百分比低于2. O的錳、重量百分比介于12. O至19. O之間的鉻、重量百分比低于15.0的鎳、重量百分比低于6. O的鑰以及重量百分比低于6. O的銅。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提升粉末冶金不銹鋼強(qiáng)度及硬度的方法，首先將不銹鋼粉末成形為一坯體，再把該坯體置于一還原環(huán)境中，并保持在一燒結(jié)溫度下，使該坯體形成一燒結(jié)體，接著，將該燒結(jié)體與一含碳的氣氛接觸，且保持在一低于600℃的滲碳溫度，使碳得以于該燒結(jié)體表面及內(nèi)部形成一滲碳區(qū)域。借此，可通過(guò)該滲碳區(qū)域改善粉末冶金不銹鋼的硬度及強(qiáng)度，且由于其加熱溫度低于600℃，故可防止鉻與碳發(fā)生反應(yīng)，因此，亦可維持良好的抗腐蝕性。
文檔編號(hào)C23C8/22GK102676979SQ20111006254
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者鄭禮輝, 陸永忠, 黃坤祥 申請(qǐng)人:臺(tái)耀科技股份有限公司