鐵－氮系塊狀納米合金的等溫工藝的製作方法
2023-06-03 09:28:51
專利名稱：鐵－氮系塊狀納米合金的等溫工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種納米合金的等溫工藝，特別是一種鐵－氮系塊狀納米合金的等溫工藝，屬於納米材料製備工藝領域。
納米固體材料一般是粒度小於100nm的晶粒所組成的單相或多相混合的多晶材料。納米材料的製備研究是從80年代德國科學家H.V.Gleiter成功地採用惰性氣體凝聚原位加壓法製得平均晶粒度為6-10nm的Fe和Pd固體材料開始的，當今已經成為世界上最熱門的研究方向。現有的納米材料製備方法很多，幾乎所有的方法都有涉及。李洪曉、趙剛、郝士明發表在《中國有色金屬學報》(1998.9，Vol.8增刊)上提出「失穩分解法製備雙相納米晶合金」。該方法的原始相限定在48Cu30Ni22Fe過飽和置換固溶體，應用的是固溶處理和時效的方法，利用原始相的調幅分解，使原始相在時效時同時分解成兩相組織，該文並沒有進一步介紹所得納米材料的機械性能。經過對現有技術的檢索，至今尚未發現利用等溫淬火的熱處理方法得到塊狀多相納米合金工藝的文獻報導。
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種鐵－氮系塊狀多相納米合金的等溫工藝。
本發明的技術方案如下利用熱處理手段將含有2.4-2.8wt％N的鐵合金從單相的穩定的奧氏體(γ-Fe)冷卻到馬氏體點以下進行等溫停留，成為高過飽和度的不穩定奧氏體(γ-Fe)，在隨後的等溫停留過程中，過飽和氮原子的鐵合金奧氏體基體內部形成穩定的高密度納米級穩定析出相γ′-Fe4N，將基體同時分割成納米級區域並發生γ-Fe向體心立方的α′-Fe轉變的相變強化，最終形成三維的塊狀多相(α′-Fe、Fe4N、殘餘奧氏體)納米合金的工藝方法。本發明是在利用析出相Fe4N與奧氏體母相之間的晶格類型相同且晶格常數很接近的特點，造成析出相的臨界晶核小，不易長大，並且不經過中間過渡階段直接獲得穩定的析出相，在低溫處理終結時仍然可以保持在納米級，同時由於含氮量在2.4-2.8wt％之間可實現高密度鈉米析出相將基體分割成納米級區域，隨後基體由於脫氮而轉變成α′-Fe，最終形成三維塊狀多相納米合金。這種納米合金的相組成和比例還可以通過工藝參數的控制得到不同的搭配組成，滿足不同的性能的需要。
本發明所涉及的含有2.4-2.8wt％N的奧氏體鐵合金基體必須具備以下五個條件1)必須是間隙固溶體，在臨界點以上是穩定單相組織母相，母相可以過冷到遠低於臨界共析溫度，成為不穩定的間隙固溶體；2)這種固溶體在低溫時析出的穩定相與母相晶體結構相同，晶格常數相近，二者的錯配度小於5％；3)在低溫下Fe等置換型合金原子不能擴散，而間隙原子只能作短程擴散；4)基於上述特徵使析出相能夠保持在納米級；5)對其中間隙原子的平衡溶解度隨溫度發生劇烈的變化，即高溫與低溫時平衡溶解度相差很大，這種差異以低溫時析出穩定相將基體分割成納米級區域為標準。
本發明的工藝步驟具體為第一步是將含氮量為2.4-2.8wt％的鐵合金加熱到600——650℃，使之整體奧氏體化；第二步是將該合金從加熱狀態移至225±10℃等溫槽中進行等溫處理，保溫時間為2-6小時。
本發明實施例如下1．將含氮量為2.4％wt鐵合金加熱到600℃使之奧氏體化後，移至225+10℃保溫處理6小時，就可以得到晶粒度在10-150nm之間的納米化組織，由穩定的氮化物Fe4N和過飽和鐵素體以及一定量的殘餘奧氏體組成，其顯微硬度可以達到900HV以上。
2．將含氮量為2.6％wt鐵合金加熱到625℃使之奧氏體化後，移至225℃保溫處理4小時，就可以得到晶粒度在10-150nm之間的納米化組織，由穩定的氮化物Fe4N、過飽和鐵素體以及極少量的殘餘奧氏體組成，其顯微硬度可以達到1000HV以上。
3．將含氮量為2.8％wt鐵合金加熱到650℃使之奧氏體化後，移至225-10℃保溫處理2小時，就可以得到晶粒度在10-150nm之間的納米化組織，由穩定的氮化物Fe4N、馬氏體以及20％的殘餘奧氏體組成，其顯微硬度可以達到800HV以上。
其中涉及到的參數列表如下
本發明具有實質性特點和顯著進步，在合金基體中直接形成的多相納米組織無孔洞、無汙染，界面潔淨，工藝實施簡單，成本低廉，這樣得到的納米材料具有納米強化與相變強化結合的特點，顯示出優良的機械性能，並且其相組成比例可以通過工藝參數加以調節以滿足不同強韌性的需要。另外，本方法加熱溫度低，並採用的直接等溫方式，減小了熱處理變形和工藝實現的難度。
權利要求
1.一種鐵－氮系塊狀納米合金的等溫工藝，其特徵在於利用熱處理手段將含有2.4-2.8wt％N的鐵合金從單相的穩定的奧氏體(γ-Fe)冷卻到馬氏體點以下進行等溫停留，成為高過飽和度的不穩定奧氏體(γ-Fe)，在隨後的等溫停留過程中，過飽和氮原子的鐵合金奧氏體基體內部形成穩定的高密度納米級穩定析出相γ′-Fe4N，將基體同時分割成納米級區域並發生γ-Fe向體心立方的α′-Fe轉變的相變強化，最終形成三維的塊狀多相(α′-Fe、Fe4N、殘餘奧氏體)納米合金的工藝方法。
2.根據權利要求1所述的這種鐵－氮系塊狀納米合金的等溫工藝，其特徵還在於含有2.4-2.8wt％N的奧氏體鐵合金基體必須具備以下五個條件1)必須是間隙固溶體，在臨界點以上是穩定單相組織母相，母相可以過冷到遠低於臨界共析溫度成為不穩定的間隙固溶體；2)這種固溶體在低溫時析出的穩定相與基體晶體結構相同，晶格常數相近，二者的錯配度小於5％；3)在低溫下Fe等置換型合金原子不能擴散，而間隙原子只能作短程擴散；4)基於上述特徵使析出相能夠保持在納米級；5)對其中間隙原子的平衡溶解度隨溫度發生劇烈的變化，即高溫與低溫時平衡溶解度相差很大，這種差異以低溫時析出穩定相將基體分割成納米級區域為標準。
3.根據權利要求1所述的這種鐵－氮系塊狀納米合金的等溫工藝，其特徵還在於工藝步驟具體為第一步是將含氮量為2.4-2.8wt％的鐵合金加熱到600——650℃，使之整體奧氏體化；第二步是將該合金從加熱狀態移至225±10℃等溫槽中進行等溫處理，保溫時間為2-6小時。
全文摘要
鐵－氮系塊狀納米合金的等溫工藝利用熱處理手段將含有2.4—2.8wt%N的鐵合金從單相的穩定的奧氏體冷卻到馬氏體點以下進行等溫停留,成為高過飽和度的不穩定奧氏體,在隨後的等溫停留過程中，過飽和氮原子的鐵合金奧氏體基體內部形成穩定的高密度納米級穩定析出相γ'－Fe
文檔編號C21D6/00GK1299882SQ0012796
公開日2001年6月20日 申請日期2000年12月21日 優先權日2000年12月21日
發明者胡明娟, 潘健生, 卑多慧, 邱春城 申請人:上海交通大學