喬 斌, 尚 峰, 丁 梅, 李化強(qiáng), 賀毅強(qiáng), 楊建明

(1.淮海工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,江蘇連云港 222005;2.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212003）

316L不銹鋼粗粉注射成形工藝的研究

喬 斌1, 尚 峰1, 丁 梅2, 李化強(qiáng)1, 賀毅強(qiáng)1, 楊建明1

(1.淮海工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,江蘇連云港 222005;2.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212003）

對平均粒度為 30μm的 316L不銹鋼粗粉進(jìn)行了注射成形。采用正交試驗(yàn)法,以生坯三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度和生坯密度作為依據(jù),研究了注射參數(shù)對生坯質(zhì)量的影響;優(yōu)選出適宜 316L不銹鋼粗粉的脫脂工藝及燒結(jié)工藝;燒結(jié)試件得到了理想的力學(xué)性能,抗拉強(qiáng)度 630MPa,屈服強(qiáng)度 280MPa,延伸率 52%,硬度 69.5HRB,并評價(jià)了其耐蝕性。

金屬注射成形;316L不銹鋼;粗粉;脫脂工藝;燒結(jié)工藝

金屬粉末注射成形(簡稱 MIM）是一種新型零部件近凈成形技術(shù),它將塑料注射成形技術(shù)與粉末冶金技術(shù)有機(jī)結(jié)合[1],其生產(chǎn)效率高、材料利用率高、成本低、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)作業(yè),因此大量應(yīng)用于制造幾何形狀復(fù)雜、組織結(jié)構(gòu)均勻、性能要求高的零部件[2～7]。進(jìn)一步通過各種適用于常規(guī)粉末冶金零件的后處理方法,可以提高零件的最佳性能。MIM工藝技術(shù)適合大批量生產(chǎn)小型、精密、三維形狀復(fù)雜以及具有特殊性能要求的金屬零部件。其燒結(jié)產(chǎn)品不僅具有與塑料注射成形法所得制品一樣的復(fù)雜形狀和高精度,而且具有與鍛件接近的物理、化學(xué)與力學(xué)性能。

316 L不銹鋼是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料,具有良好的綜合力學(xué)性能,應(yīng)用領(lǐng)域廣。用傳統(tǒng)的模壓燒結(jié)粉末冶金工藝獲得的316L不銹鋼零件,形狀較簡單,密度較低,存在孔隙,力學(xué)、耐蝕、表觀等性能降低。用MIM獲得的 316L不銹鋼產(chǎn)品密度可達(dá)到理論密度的95%以上,力學(xué)、耐蝕、表觀等性能均與熔鍛不銹鋼相當(dāng),尺寸精度可達(dá)到 ±(0.3～0.5%）,一般不需后續(xù)機(jī)加工。因此,不銹鋼零件(其中主要是 316L不銹鋼）日益成為 MIM的主要產(chǎn)品[8]。關(guān)于 316L不銹鋼細(xì)粉的注射成形工藝,一些機(jī)構(gòu)已進(jìn)行了大量的研究[9～12],但所用細(xì)粉本身成本較高;若采用粗粉可以大大降低成本,提高經(jīng)濟(jì)效益,但有關(guān) 316L不銹鋼粗粉的注射成形工藝的研究還不多[13～15],有待進(jìn)一步研究并推廣應(yīng)用。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

試驗(yàn)用粉末為水霧化 316L不銹鋼粉,粉末平均粒度為 30μm。試驗(yàn)用粘結(jié)劑為石蠟(PW）基多聚合物熱塑性粘結(jié)劑(65%PW+30%LDPE+5%SA）。粉末與粘結(jié)劑在自制混煉機(jī)[16]上混煉。在 SZL30-250g四柱立式塑料注射成形機(jī)上進(jìn)行注射成形,該注塑機(jī)的額定注射速度為56 g·s-1。在自制溶劑脫脂槽中溶劑脫脂,在 WZDS-20型真空燒結(jié)爐中繼續(xù)熱脫脂和燒結(jié)。

1.2 試驗(yàn)工藝

MIM工藝的關(guān)鍵是選擇合適的金屬粉末和粘結(jié)劑。各種成分組成的原料與粘結(jié)劑被均勻混合并經(jīng)制粒形成適于注射成形的注射料,將膠性的注射料注入金屬模具,成為模具的形狀(當(dāng)然比零件最終形狀要大）,迅速固化后脫出模腔,成為“生坯”,即注射工藝;原料中的有機(jī)成分在隨后的脫粘結(jié)劑過程中去除(根據(jù)所采用的不同粘結(jié)劑體系可以運(yùn)用不同的脫粘結(jié)劑的方法）,即脫脂工藝;脫除粘結(jié)劑后的零件通常先預(yù)燒結(jié),然后進(jìn)行燒結(jié),在燒結(jié)過程中,零件顯著收縮并達(dá)到最終致密化,即燒結(jié)工藝[1]。

1.3 分析檢測

采用排水法測量密度。采用 Instron力學(xué)測試機(jī)測量成形坯三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度和燒結(jié)件力學(xué)性能。采用JSM-6480掃描電鏡檢測脫脂坯形貌并對燒結(jié)件進(jìn)行能譜分析。采用浸泡法測量耐蝕性。

2 結(jié)果與討論

2.1 注射工藝

MIM注射過程中容易產(chǎn)生孔洞、裂紋、密度梯度等缺陷,而這些缺陷基本上不能在后續(xù)的工序中消除,且大部分缺陷只能在脫脂和燒結(jié)完成后才能被發(fā)現(xiàn),嚴(yán)重影響 MIM產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率。因此其注射工藝過程的控制格外重要。影響注射生坯質(zhì)量的因素很多,它不僅包括注射壓力、注射溫度、注射速率、模具溫度等可控因素,還包括環(huán)境溫度、濕度、注射機(jī)磨損等干擾因素。要獲得理想的注射生坯,除了盡量限制干擾因素的不利影響外,更重要的是對上述可控參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法,以生坯三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度和生坯密度為依據(jù),考查注射參數(shù)對尺寸為 54mm×11.5mm×7mm的長方體注射生坯質(zhì)量的影響,取得了注射參數(shù)的最佳值。圖 1c為注射參數(shù)與生坯抗彎強(qiáng)度、密度的關(guān)系。結(jié)果表明:隨著注射壓力增加,粉末之間的結(jié)合力明顯增強(qiáng),生坯密度增加,同時(shí)抗彎強(qiáng)度增高;隨注射溫度的增高,生坯密度降低,注射溫度在 155～160℃之間時(shí),生坯抗彎強(qiáng)度變化不大,高于 160℃時(shí)明顯下降;注射速率為60%時(shí),抗彎強(qiáng)度達(dá)到最高值,說明注射速率太快時(shí)粉末之間結(jié)合力欠佳,不利于改善生坯質(zhì)量。在注射壓力相近時(shí),粉末的粒度越粗,其粘流活化能值越大,流動(dòng)性越差,需要的注射溫度、模具溫度則越高。經(jīng)優(yōu)化,最佳注射參數(shù)為:注射壓力 8MPa,注射溫度155℃,注射速率 60%(注射速率用注塑機(jī)額定注射速度的百分?jǐn)?shù)表示）,模具溫度 30℃。從以上分析可知,316L不銹鋼粗粉的注射工藝參數(shù)與 Fe-Ni-Cu-C合金粗粉的注射工藝參數(shù)非常相似[17],也進(jìn)一步證明了所采用的注射工藝成熟可靠。

2.2 脫脂工藝

金屬粉末注射成形工藝是基于粉末冶金工藝而發(fā)展出來的,但粉末冶金工藝的缺點(diǎn)是成形時(shí)精度相當(dāng)受限制,原因是其粉末流動(dòng)性有限。注射成形工藝恰恰克服了其缺點(diǎn),其脫脂工藝的選擇與操作對其最終尺寸與性能影響很大,必須盡量防止和控制在脫脂過程中產(chǎn)生鼓泡、坍塌、開裂等缺陷。本試驗(yàn)根據(jù)所用粘結(jié)劑的裂解區(qū)間,選擇了溶劑 -熱二步脫脂工藝,采用 45℃的混合溶劑(正庚烷 +乙醇 +花生油）,提高溶劑的粘度,降低溶劑的擴(kuò)散速率,從而有效防止溶脹開裂的發(fā)生[18]。圖 4為熱脫脂后脫脂坯的形貌,脫脂坯的表面沒有產(chǎn)生缺陷,脫脂后坯體中留下大量的孔隙,顆粒間結(jié)合力小,連接處較疏松,此時(shí)注射坯強(qiáng)度較低。

2.3 燒結(jié)工藝

圖4 脫脂坯形貌 (a）脫脂坯外觀;(b）脫脂坯 SEMFig.4 Pattern of debinded part (a）appearance of debinded part;(b）SEM of debinded part

傳統(tǒng)粉末冶金零件經(jīng)壓制后直接燒結(jié),沒有脫脂過程,粉末結(jié)合力較強(qiáng),孔隙度較低,燒結(jié)容易進(jìn)行,但 MIM工藝成形坯脫脂后結(jié)合力較弱,強(qiáng)度較低,因此必須經(jīng)過燒結(jié)增強(qiáng)粉末結(jié)合力從而達(dá)到產(chǎn)品的性能要求。燒結(jié)工藝參數(shù)包括燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間、燒結(jié)氣氛等,這些參數(shù)對燒結(jié)件的性能都有不同程度的影響。本試驗(yàn)在真空下進(jìn)行燒結(jié),經(jīng)不同溫度燒結(jié)后保溫 1h的試件性能如表 1所示。由表 1可以看出,當(dāng)保溫時(shí)間相同時(shí),隨燒結(jié)溫度的逐漸升高,燒結(jié)件孔隙度降低,密度逐漸升高,燒結(jié)件的強(qiáng)度、硬度逐漸升高,在1350℃時(shí)達(dá)到最高值。而燒結(jié)溫度如果繼續(xù)升高,如 1375℃時(shí)由于燒結(jié)溫度過高,晶粒異常長大,力學(xué)性能會(huì)降低。因此,選擇最佳燒結(jié)溫度為1350℃[19]。

在 1350℃,選擇相同的升溫速率、保溫時(shí)間,對316L不銹鋼采用不同氣氛燒結(jié),其獲得的力學(xué)性能如表2所示。當(dāng)采用Ar,Ar+H2燒結(jié)時(shí)試件的密度都較高,且基本接近。而采用 N2燒結(jié)時(shí)試件除延伸率外,其它力學(xué)性能均優(yōu)于Ar,Ar+H2燒結(jié)時(shí)的試件[19]。因此Ar+H2燒結(jié)時(shí)的試件綜合力學(xué)性能較好。

表1 不同溫度燒結(jié)后試件的力學(xué)性能Table 1 Themechanics performance of Sintered part in different temperature

表2 不同氣氛燒結(jié)后試件的力學(xué)性能Table 2 Themechanics performance of Sintered part in different atmosphere

不同溫度下燒結(jié)試件的組織如圖 5所示。隨著燒結(jié)溫度的升高,晶粒尺寸逐漸變大,在 1375℃時(shí),由于晶粒的異常長大,導(dǎo)致力學(xué)性能降低[19]。

圖5 不同溫度下燒結(jié)件的金相組織Fig.5 Metallurgical structure of sintered parts in different tem perature(a）1300℃;(b）1325℃;(c）1350℃;(d）1375℃

316L不銹鋼粉末的化學(xué)成分如表 3所示,利用掃描電鏡對 316L不銹鋼燒結(jié)試件不同微區(qū)的元素進(jìn)行了能譜分析,不同微區(qū)的能譜如圖 6所示,不同微區(qū)的化學(xué)成分重量百分比如表 4所示,其顯示各元素成分與原料 316 L不銹鋼基本一致。而在不同微區(qū)對應(yīng)的元素 Fe,Ni和 Cr的分布是均勻的,說明試件成分均勻,并且力學(xué)性能均勻。

表3 316L不銹鋼粉末化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 3 Chemical constituents of 316L stain less steel power(mass fraction/%）

圖6 不同微區(qū)的能譜 (a）微區(qū) 1;(b）微區(qū)2;(c）微區(qū) 3Fig.6 The energy spectrum of the different site (a）site1;(b）site 2;(c）site 3

表4 不同微區(qū)的化學(xué)成分重量百分比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 4 Chemical composition of the sites(mass fraction/%）

2.4 M IM 316L不銹鋼的耐蝕性

注射成形不銹鋼耐蝕性是一項(xiàng)最重要的性能。本試驗(yàn)采用浸泡法對MIM不銹鋼的耐蝕性進(jìn)行了研究。

將在真空氣氛,經(jīng)過不同溫度燒結(jié)的316L不銹鋼試樣,置入 5%的 HCL溶液中浸泡 72h,中間分六段測量腐蝕率,結(jié)果如表 5所示。

表5 不同燒結(jié)溫度下 316L不銹鋼的耐蝕性Table 5 Corrosion resistance of 316L stain less steel sintered in different temperature

從表 5可以看出,隨著燒結(jié)溫度的不斷升高,試樣的腐蝕率逐漸下降,耐蝕性有了一定提高。說明在相同的燒結(jié)氣氛下,提高燒結(jié)溫度有利于耐蝕性的提高。隨著燒結(jié)溫度的升高,樣品的燒結(jié)密度增加,此時(shí)主導(dǎo)耐蝕性的是孔隙特性的影響。在高溫?zé)Y(jié)后試樣要比低溫?zé)Y(jié)試樣的孔隙尺寸小且球形度好,不易形成連通孔,產(chǎn)生孔蝕與晶間腐蝕的機(jī)會(huì)大大減小。從腐蝕機(jī)制看,高溫?zé)Y(jié)往往得到球化的孔隙,此孔隙一旦被侵蝕,四周產(chǎn)生的腐蝕物與孔隙的接觸面積較小,可有效的防止進(jìn)一步腐蝕;而低溫?zé)Y(jié)有許多連通孔,孔的面積較大,增大了與腐蝕介質(zhì)的接觸面積,此孔將成為新的孔蝕源,使得材料的耐蝕性大大降低[20]。

1350 ℃下不同氣氛中燒結(jié)的 316L不銹鋼試樣的耐蝕性測量結(jié)果如表 6所示。

從表 6可以看出,四種不同燒結(jié)氣氛中,腐蝕率都較低。相對而言,N2氣氛中燒結(jié)的試樣耐蝕性不好,這是因?yàn)榧兊獨(dú)夥諢Y(jié)時(shí),氮可以奪取鉻元素形成氮化鉻,使晶界貧鉻,降低了材料的耐蝕性。如氣氛中含有氫氣,將有助于氧化鉻等化合物的還原,從而減輕了貧鉻程度,有效的提高了不銹鋼的耐蝕性 能[20]。

表6 不同燒結(jié)氣氛中的 316L不銹鋼耐蝕性Table 6 Corrosion resistance of 316 L stainless steel sintered in different atmosphere

4 結(jié)論

(1）316L不銹鋼粗粉注射工藝與 Fe-Ni-Cu-C粗粉基本一致,推薦的注射工藝參數(shù)可靠,得到的試件成分均勻,力學(xué)性能達(dá)到使用要求。

(2）其脫脂工藝采用溶劑 -熱二步脫脂工藝,采用 45℃的混合溶劑(正庚烷 +乙醇 +花生油）,提高了溶劑的粘度,降低了溶劑的擴(kuò)散速率,從而有效的防止了溶脹開裂的發(fā)生。

(3）隨著試件燒結(jié)溫度的逐漸升高,密度逐漸升高,燒結(jié)件的強(qiáng)度、硬度表現(xiàn)為也逐漸升高,1350℃時(shí)達(dá)到最高值。燒結(jié)氣氛對 316L不銹鋼燒結(jié)試件的密度和力學(xué)性能有重要影響,經(jīng) Ar、Ar+H2燒結(jié)的密度較高,且基本接近;經(jīng) N2燒結(jié)的試件除延伸率外,其它力學(xué)性能均優(yōu)于經(jīng) Ar,Ar+H2燒結(jié)的試件。經(jīng) Ar+H2燒結(jié)的試件綜合力學(xué)性能較好。

(4）在真空氣氛中,隨著燒結(jié)溫度的不斷升高,試樣的腐蝕率逐漸下降,耐蝕性有了一定的提高。不同燒結(jié)氣氛中的不銹鋼腐蝕率都較低,但N2氣氛中燒結(jié)的試樣耐蝕性不好。

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Process of 316L stainless steel Coarse Powder by Injection Molding

QIAO Bin1,SHANG Feng1,DINGMei2,LIHua-qiang1,HE Yi-qiang1,YANG Jian-m ing1
(1.Schoolof Mechanical Engineering,Huaihai Institute of Technology,Lianyungang 222005,Jiangsu China;2.College of Material Science and Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,Jiangsu China）

316L stainless steel by in jectionmoldingusing coarser powder with particle size of 30um was studied.Theeffectof injection parameters to the quality ofgreen was studied by orthogonal arrays design and statistical analysismethod according to the density and strength of the green part.The right debinding and sintering processes weregot.The sintered part is provided with the idealmechanical property,tensile strength is 630MPa,yield strength is 280MPa,elongation is 52%,hardness is 69.5HRB,corrosion resisting property was evaluated.

metal injection molding;316L stainless steel;coarser powder;debinding process;sintering process

10.3969/j.issn.1005-5053.2010.1.006

TF124.3

A

1005-5053(2010）01-0030-06

2009-03-09;

2009-05-20

淮海工學(xué)院自然科學(xué)基金資助(Z2008006）

喬斌(1966—）,男,教授,主要從事材料成型及表面技術(shù)研究,(E-mail）Qiao6636@126.com。