一种提升粉末冶金不锈钢强度及硬度的方法[工艺流程]

　　专利名称：提升粉末冶金不锈钢强度及硬度的方法

　　技术领域：

　　本发明涉及一种提升粉末冶金不锈钢強度及硬度的方法，尤指ー种针对由粉末冶金制得的不锈钢制品，进行渗碳处理而改善其強度及硬度的方法。

　　背景技术：

　　粉末冶金工艺已广泛用来制作各种金属产品，其中又以各种机械构件为主，传统的粉末冶金工艺如美国专利第US 5，856，625号、第US 5，460，641号与第US 7，311，875号等所掲示的技术，是先使欲烧结的金属粉末均匀混合，再将其加压成形为胚体，然后，将胚体加热至高温，并持温一段时间进行烧结，借此，粉末之间可进行原子扩散而相互黏结，最终形成结构致密的烧结体。另除前述应用粉末加压成形的エ艺外，亦有提出ー种金属粉末射出成形(Metal injection molding,简称MIM)エ艺,其结合粉末冶金与塑料射出成形エ艺,适用于制作形状复杂度高且要求优异机械性质的机械构件，例如美国专利第US 4，708，741号、第US7，211，125号、第US 5，985，208号与第US 6，669，898号等所掲示的技术。此技术先将金属粉末与黏结剂均匀混合为射料(feedstock)，再使用射出成形机使射料成形为胚体，将胚体进行脱脂后，再施以高温烧结，即得到烧结体。针对由前述粉末冶金方式制造的不锈钢材料，其又可分为具致密结构无连通孔的高密度不锈钢材料或形成多孔结构的低密度不锈钢材料。以致密结构无连通孔的不锈钢材料而言，若欲提升其表面的硬度，一般可采用如轧延或冷加工等加工硬化的方式，改善其表面硬度，但是，因粉末冶金的烧结体的形状已接近最终产品，故不适合使用上述硬化方法。基于上述考虑，目前业界大多以镀铬或珠击的方式增加以粉末冶金工艺得到的不锈钢エ件的表面硬度。然，镀铬所形成的铬镀层的附着性不佳，故容易发生剥离；而以珠击处理来说，其可提升表面硬度的程度有限，且对于形状复杂或小尺寸的エ件，更将有部分区域无法受到撞击，故其提升表面硬度的均匀性不佳。此外，对多孔结构的不锈钢材料来说，现阶段则尚未发展出适合改善其強度及硬度的方法。

　　发明内容

　　本发明的主要目的，在于解决现有改善致密结构的粉末冶金不锈钢的強度及硬度的方法中，铬镀层的附着性不良而使其硬度无法获得有效改善，或因使用珠击所导致硬度均匀性不佳的问题。此外，本发明亦可用于强化多孔结构的粉末冶金不锈钢，改善其硬度及強度。为达上述目的，本发明提供一种提升粉末冶金不锈钢硬度及強度的方法，先将不锈钢粉末成形为ー胚体，再将该胚体保持在ー烧结温度下，使该胚体形成ー烧结体，然后，使该烧结体与ー含碳的气氛接触，并保持在ー低于600°C的渗碳温度,使碳得以于该烧结体内形成ー渗碳区域。根据本发明进ー步改进的技术方案，该还原环境为一真空环境或一含氢的气氛。

　　根据本发明进ー步改进的技术方案，该烧结温度介于1050°C与1400°C之间的范围内。根据本发明进ー步改进的技术方案，该渗碳温度介于400°C与580°C之间的范围内。根据本发明进ー步改进的技术方案，该烧结体的相对密度大于30%。根据本发明进ー步改进的技术方案，该胚体利用一金属粉末射出成形エ艺得到。根据本发明进ー步改进的技术方案，该胚体利用一粉末加压成形エ艺得到。根据本发明进ー步改进的技术方案，该含碳的气氛为选自由ー氧化碳、甲烷及丙烷所组成的群组。

　　根据本发明进ー步改进的技术方案，该不锈钢粉末以铁为主成分，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的锰、重量百分比介于12. O至19. O之间的铬、重量百分比低于15. O的镍、重量百分比低于6. O的钥以及重量百分比低于6. O的铜。经由上述技术方案，本发明提升粉末冶金不锈钢硬度及強度的方法相较于现有技术可达到的有益效果在于一、针对具致密结构的粉末冶金不锈钢，本发明可借由该渗碳区域具有高浓度的碳原子，而提供该烧结体表面呈现优异的硬度，由于碳原子可均匀地进入该烧结体形成该渗碳区域，使其表面硬度的提升较为一致，因此，并不会有附着性及均匀性不佳的问题；ニ、其次，针对具多孔结构的粉末冶金不锈钢，更可将该渗碳区域扩及该烧结体的心部，进而使该烧结体无论是表面硬度或是整体強度，均可获得显著的提升；三、再者，由于该渗碳区域是低于600°C的温度下形成，可避免铬与碳发生反应生成碳化铬Cr23C6，故可于提升強度及硬度的同时仍保有优良的抗腐蚀性。

　　图I为本发明的步骤流程示意图；图2为本发明实验例I的光学显微镜照片；图3为本发明实验例9的光学显微镜照片；图4为本发明实验例10的光学显微镜照片；图5为本发明实验例15的光学显微镜照片；图6为本发明实验例16的光学显微镜照片；图7为本发明实验例18的光学显微镜照片；以及图8为本发明实验例19的光学显微镜照片。

　　具体实施例方式有关本发明的提升粉末冶金不锈钢硬度及強度的方法的详细说明及技术内容，现就配合

　　如下请參阅“图1”，其为本发明提升粉末冶金不锈钢強度及硬度的方法一实施例的流程图，步骤SI先将不锈钢粉末成形为ー胚体，该不锈钢粉末以铁为主成分，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的锰、重量百分比介于12. O至19. O之间的铬、重量百分比低于15. O的镍、重量百分比低于6. O的钥以及重量百分比低于6. O的铜，于本发明的一实施例中，该不锈钢粉末较佳地为符合美国钢铁协会(American iron and steel institute,简称 AISI)编号 316L 不镑钢、编号 304L 不镑钢、编号440C不锈钢、编号17-4PH析出硬化型不锈钢或以上组合的化学組成。其中，该不锈钢粉末可进行ー金属粉末射出成形(Metal injection molding,简称MIM);或是ー粉末加压成形エ艺而成形为该胚体。然后，步骤S2是将该胚体置于ー还原环境内，并保持在ー烧结温度进行烧结，使该胚体形成ー烧结体，该还原环境可为一真空环境或ー含氢的气氛，其中，于该含氢的气氛，其氢的体积百分比较佳地大于5. O%，而该烧结温度较佳地介于1050°C与1400°C之间的范围内。此步骤可于气氛烧结炉或真空炉中进行，可将该胚体放入气氛烧结炉后，先通以氢气、氮氢混合气或裂解氨，并将气氛烧结炉升温至该烧结温度，持温ー烧结时间后，使该胚体成为该烧结体，接着，将气氛烧结炉降温至室温，取出该烧结体；或者，先将该胚体放入真空炉，使真空炉的内部达到ー预定真空度，将真空炉升温至该烧结温度，持温一烧结时间使该胚体成为该烧结体后，再将真空炉降温至室温，取出该烧结体，其中，该烧结时间可 选为30分钟至3小时之间。于本发明的一实施例中，可控制该烧结温度或时间使该烧结体达到高于95%的相对密度，使该烧结体的结构达致密化，而大部份的孔洞均不互相连通；或者，于本发明的另ー实施例中，亦可控制该烧结温度或时间使该烧结体达到介于30 %至95%之间的相对密度，让该烧结体的结构呈现多孔性，且较佳地为形成具连通孔的微结构。步骤S3则将该烧结体与ー含碳的气氛接触，且使该烧结体保持在ー渗碳温度，使该气氛中的碳进入该烧结体的表面形成ー渗碳区域，其中，该渗碳温度低于600°C，且较佳地介于400°C与580°C之间的范围内，于本发明中，该含碳的气氛可为含ー氧化碳、甲烷或丙烷的气氛。此步骤可将该烧结体放入渗碳炉中，升温至400°C与580°C之间的范围并通以该含碳的气氛，待持温ー渗碳时间后，将渗碳炉降温至室温，并取出该烧结体，其中，该渗碳时间较佳地设定为24小吋。此外，当该烧结体的相对密度大于95%，该渗碳区域将生成于该烧结体的表面，且具有介于ΙΟμπι至50μηι之间的厚度；当该烧结体的相对密度介于30 %至95 %之间，该渗碳区域则遍布于该烧结体内。此外，于本发明中，除可先在气氛烧结炉或真空炉中进行步骤S2，再于渗碳炉进行步骤S3タト，亦可在同一炉进行步骤S2与步骤S3，例如，于完成步骤S2后，不将该烧结体取出而直接于炉内改通入该含碳的气氛，以进行步骤S3。为进一歩具体说明本发明提升粉末冶金不锈钢強度及硬度的方法，请參阅以下依据本发明所进行的实验例，此仅为例举说明的目的提供，而不意欲来限制本发明的范围。表I所示为各实验例及比较例的化学组成，组成I为商用316L不锈钢粉末，其平均粒径为

　　12.Iym;组成2为商用17-4ΡΗ不锈钢粉末，其平均粒径为11. 5 μ m ;组成3为商用440C不锈钢粉末，其平均粒径为11. 3μ m ;组成4为商用316L不锈钢粉末，其平均粒径为39. 7 μ m ;组成5为商用304L不锈钢粉末，其平均粒径为40. 2 μ m。表2为实验例I至14选用的化学组成及其所进行的エ艺条件，表3为实验例15至25选用的化学组成及其所进行的エ艺条件；表4为比较例I至9选用的化学组成及其所进行的エ艺条件。在制备时，先分别将实验例与比较例的不锈钢粉末与一定比例的润滑剂及黏结剂均勻混合，再以金属粉末射出成形(Metal injection molding,简称MIM)或粉末加压成形的方式成形得到该胚体，接着对该胚体进行ー脱脂步骤，以去除该胚体内的润滑剂及黏结剂；或者，以松装烧结的方式，将不锈钢粉末直接放入一模具中而不进行加压，成形得到该胚体，再依照表2、表3与表4的エ艺条件进行烧结及渗碳，最后，针对该烧结体进行密度测量，并测试该烧结体的強度及硬度、抗腐蚀性以及该渗碳区域的厚度。此处仅以上述エ艺做为举例说明，然于实际应用上，本发明亦可以使用其它粉末冶金工艺制备该烧结体。此外，为得到该烧结体的相对密度，于烧结后以阿基米得法測量该烧结体的密度，再由该烧结体的密度配合计算推得的理论密度取得其相对密度。其中，实验例I至14与比较例I至3的烧结体达95%以上的相对密度；而实验例15至25与比较例4至9的烧结体则为低于95%的相对密度。上述強度及硬度的测试包含该烧结体的表面硬度与心部硬度，采用维氏硬度测试(Vickers hardness test),针对实验例I至21以及比较例I至5分别测量其表 面及心部的HV,而针对实验例15至25与比较例4至9,更进ー步采洛氏硬度测试(Rockwell hardnesstest)，測量其巨观硬度HRB或HRH，以及伸长率与拉伸强度等性质。另外，抗腐蚀性则采用美国粉末冶金协会(Metal Powder Industries Federation,简称MPIF)的标准测试方法(MPIF Standard 62)进行抗蚀测试以及エ业界中常用的盐雾测试法，前者是将各个进行渗碳后的エ件浸入重量百分比为2%的硫酸溶液内，待24小时后，測量其重量损失。当每平方公寸的重量损失小于O. 005克时，为合格的エ件，将其标示为O ;相反地，若超过O. 005克吋，则为不合格的エ件，将其标示为X。以下亦使用エ业界中常用的盐雾测试法，将各个进行渗碳后的エ件置于重量百分比为5%的氯化钠溶液中，以肉眼观察エ件经过多少时间后发生锈蚀。此外，亦通过观察各实验例与比较例的显微镜照片，測定该渗碳区域的厚度。实验例I至14的性质与抗腐蚀性的测试结果列于表5 ;实验例15至25的性质与抗腐蚀性列于表6 ;而比较例I至9的性质与抗腐蚀性列于表7。表I各实验例及比较例使用的化学组成(重量百分比)

　　编号[C 「Si J Mn "I Cr I Mo Γ Ni Cu 「Nb 「P 「S Γ Fe 组成 I 0.025 0.80' 0.85" 16.40 2. 10 12.62 0.03 O 0.015 0.008 余 组成 2 0.03 0.82' 0.82" 15.74 0.01 4.27 3.26 0.30 0.018 0.008 余 组成 3 1.020 0.84' 0.8l" 16.96 O. 11 O. 16 O I. 53 OO余

　　组成 4 0.025 0.43' 1.98_ 16.40 2.22 13.26 O O 0.018 0.008 余 组成 5 0.028 O. 52' 1.99_ 17. 52 O 8.85 O O 0.015 0.008 余表2实验例I至14的エ艺条件

　　权利要求

　　1.一种提升粉末冶金不锈钢強度及硬度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 由不锈钢粉末成形为ー胚体； 将所述胚体置于ー还原环境中且保持在ー烧结温度下，使所述胚体形成一烧结体；以及 再使所述烧结体与ー含碳的气氛接触并保持在ー低于600°C的渗碳温度，使碳得以于所述烧结体内形成ー渗碳区域。

　　2.根据权利要求I所述的提升粉末冶金不锈钢強度及硬度的方法，其特征在于，所述还原环境为一真空环境或一含氢的气氛。

　　3.根据权利要求I所述的提升粉末冶金不锈钢強度及硬度的方法，其特征在于，所述烧结温度介于1050°C与1400°C之间的范围内。

　　4.根据权利要求I所述的提升粉末冶金不锈钢強度及硬度的方法，其特征在于，所述渗碳温度介于400°C与580°C之间的范围内。

　　5.根据权利要求I所述的提升粉末冶金不锈钢強度及硬度的方法，其特征在于，所述烧结体的相对密度大于30%。

　　6.根据权利要求I所述的提升粉末冶金不锈钢強度及硬度的方法，其特征在于，所述胚体利用一金属粉末射出成形エ艺得到。

　　7.根据权利要求I所述的提升粉末冶金不锈钢強度及硬度的方法，其特征在于，所述胚体利用一粉末加压成形エ艺得到。

　　8.根据权利要求I所述的提升粉末冶金不锈钢強度及硬度的方法，其特征在于，所述含碳的气氛为选自由ー氧化碳、甲烷及丙烷所组成的群组。

　　9.根据权利要求I所述的提升粉末冶金不锈钢強度及硬度的方法，其特征在于，所述不锈钢粉末以铁为主成分，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的锰、重量百分比介于12. O至19. O之间的铬、重量百分比低于15.0的镍、重量百分比低于6. O的钥以及重量百分比低于6. O的铜。

　　全文摘要

　　本发明涉及一种提升粉末冶金不锈钢强度及硬度的方法，首先将不锈钢粉末成形为一坯体，再把该坯体置于一还原环境中，并保持在一烧结温度下，使该坯体形成一烧结体，接着，将该烧结体与一含碳的气氛接触，且保持在一低于600℃的渗碳温度，使碳得以于该烧结体表面及内部形成一渗碳区域。借此，可通过该渗碳区域改善粉末冶金不锈钢的硬度及强度，且由于其加热温度低于600℃，故可防止铬与碳发生反应，因此，亦可维持良好的抗腐蚀性。

　　文档编号C23C8/22GK102676979SQ20111006254

　　公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日

　　发明者郑礼辉, 陆永忠, 黄坤祥 申请人:台耀科技股份有限公司