碳含量對(duì)金屬注射成形17-4PH不銹鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響

張 翔，何 浩，李益民，劉 晨，滿(mǎn)露梅，胡幼華

(1.中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083;2.廣西冶金研究院，南寧 530023)

金屬注射成形(Metal injectionmolding，簡(jiǎn)稱(chēng)M IM)能夠以較低成本制備具有復(fù)雜形狀的高性能異形金屬零部件而越來(lái)越受到人們的重視[1]。17-4PH不銹鋼是一種應(yīng)用廣泛的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，通過(guò)粉末注射成形工藝制備17-4PH材質(zhì)零部件，可以較低成本成形復(fù)雜形狀零件,具有生產(chǎn)效率高、制品性能好等優(yōu)勢(shì)[2]。目前，關(guān)于M IM 17-4PH不銹鋼的研究主要集中在不同的脫脂工藝、燒結(jié)工藝和熱處理工藝對(duì)產(chǎn)品致密度、顯微組織和力學(xué)性能的影響[3?7]。但是，在M IM生產(chǎn)過(guò)程中，由于粘結(jié)劑的添加、脫脂和燒結(jié)等過(guò)程都會(huì)造成產(chǎn)品中碳含量的波動(dòng)，而碳含量的波動(dòng)對(duì)M IM不銹鋼的燒結(jié)密度、抗腐蝕性能和顯微組織有很大的影響[8]。脫碳對(duì)17-4PH不銹鋼的影響已有研究。KYOGOKU等[9]研究了發(fā)現(xiàn)隨著脫脂溫度的提高，殘余碳含量降低，燒結(jié)樣從奧氏體和馬氏體雙相組織變成了馬氏體和鐵素體雙相組織。WU等[10]研究了在較低碳含量時(shí)碳和燒結(jié)溫度對(duì)鐵素體的形成和試樣力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)較多的碳會(huì)使鐵素體發(fā)生轉(zhuǎn)變，含量減小。劉振寶等[11]發(fā)現(xiàn)，15-5PH中碳含量增高，使得鋼中逆轉(zhuǎn)變奧氏體組織的體積分?jǐn)?shù)增加，降低了鋼的強(qiáng)度。目前，技術(shù)條件中規(guī)定的C含量＜0.07%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，但是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中往往會(huì)由于脫脂不完全而殘余部分碳[12]，從而出現(xiàn)增碳的現(xiàn)象，而目前對(duì)增碳現(xiàn)象及其對(duì)產(chǎn)品的組織和性能的研究還比較少。在此，本文作者通過(guò)在喂料中添加石墨改變?cè)嚇拥奶己?，研究了在增碳條件下，M IM 17-4PH不銹鋼的燒結(jié)性能、顯微組織和力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用Osprey公司提供的氣霧化17-4PH不銹鋼粉末和石墨粉末為原料。其組成和性能如表1所列，粉末形貌如圖1所示。在17-4PH粉末中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%石墨粉末，試樣成分及實(shí)際測(cè)得碳含量情況如表2所列。

注射生坯采用溶劑脫脂+熱脫脂兩步脫脂法。溶劑脫脂所用的溶劑為二氯甲烷，脫脂溫度為36℃，拉伸樣溶劑脫脂時(shí)間為4 h，溶劑脫脂后干燥2 h，在900℃下進(jìn)行熱脫脂，之后在1340℃燒結(jié)，保溫90min；然后在1040℃固溶處理30min，在480℃時(shí)效處理240min。

采用阿基米德排水法測(cè)定燒結(jié)體的密度；采用LECO碳?氧分析儀測(cè)量燒結(jié)樣品的碳含量；采用Instron萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，拉伸速度為1.0mm/min。采用HDI?1875型布洛維硬度計(jì)上測(cè)量燒結(jié)樣品HRB和HRC硬度；采用Polyvarmet金相顯微鏡觀察腐蝕前后燒結(jié)樣品的微觀結(jié)構(gòu)及測(cè)量樣品的顯微硬度；采用JSM?6360掃描電鏡觀察試樣的拉伸斷面形貌。

表1 氣霧化17-4PH不銹鋼粉末的組成和粉末性能Table 1 Chem ical composition and properties of 17-4PH stain steelpowderby gasatom ization

圖1 17-4PH和石墨粉末的SEM形貌Fig.1 SEM micrographsof particles17-4PH(a)and graphite(b)powder

表2 不同石墨添加量試樣的實(shí)測(cè)碳含量Table 2 Actual carbon content in samples with different additionsof graphite

2 結(jié)果與討論

2.1 碳含量對(duì)17-4PH不銹鋼燒結(jié)性能和力學(xué)性能的影響

燒結(jié)獲得的試樣密度隨碳含量的變化曲線如圖2所示。從圖2可以看出，隨著碳含量從0.07%增加到0.25%，試樣致密度隨著碳含量的增加逐漸降低，而碳含量為0.25%～0.34%時(shí)，試樣致密度又有所回升。從試樣的顯微組織中也可以看出，燒結(jié)試樣密度的降低主要是由于孔隙率的增加。在碳含量0.07%～0.25%的范圍內(nèi)，隨著碳含量的增加，碳和其他元素更易形成碳化物，聚集在晶界處[13?14]，如DAVIS等[15]在高鉻不銹鋼中發(fā)現(xiàn)，晶界析出碳化鉻Cr23C6，這些晶界碳化物不利于燒結(jié)頸的形成。另一方面，在1340℃燒結(jié)時(shí)，17-4PH不銹鋼的組織中存在高溫鐵素體，高溫鐵素體的體積密度較小，有利于原子擴(kuò)散和孔隙的消除[16]，而碳含量的增加阻礙了奧氏體向高溫鐵素體的轉(zhuǎn)變，從而阻礙了燒結(jié)致密化過(guò)程，導(dǎo)致試樣致密度隨著碳含量的增加逐漸降低。由于碳含量降低了試樣的熔點(diǎn)，碳含量0.34%的試樣1340℃溫度下燒結(jié)時(shí)，產(chǎn)生了微量過(guò)燒，開(kāi)始出現(xiàn)液相，促進(jìn)了致密化，試樣密度又開(kāi)始有所回升。

圖2 燒結(jié)態(tài)試樣密度隨碳含量的變化曲線Fig.2 Changing curves of sintered specimen density with carbon contents

試樣的力學(xué)性能主要取決于孔隙率和顯微組織，M IM 17-4PH的顯微組織是由馬氏體、鐵素體以及殘留奧氏體組成。WU等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，孔隙率的增加會(huì)降低試樣的抗拉強(qiáng)度。從圖3可以看出，隨著碳含量的增加，燒結(jié)態(tài)和固溶時(shí)效態(tài)下M IM 17-4PH抗拉強(qiáng)度在碳含量為0.07%～0.09%范圍內(nèi)緩慢增加。在碳含量＞0.09%后，M IM 17-4PH抗拉強(qiáng)度明顯下降，且在碳含量0.1%～0.3%范圍內(nèi)變化時(shí)抗拉強(qiáng)度下降幅度最大。在這個(gè)碳含量范圍內(nèi)，孔隙率一直在增加，試樣的密度下降。密度下降會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度下降，因此可能是試樣的顯微組織的變化導(dǎo)致了抗拉強(qiáng)度的增加?？紫堵实脑黾右矔?huì)降低試樣的伸長(zhǎng)率，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，伸長(zhǎng)率先略微降低后升高到25%左右，超出了17-4PH技術(shù)規(guī)范伸長(zhǎng)率范圍(10%～16%)。這從另一個(gè)方面說(shuō)明試樣顯微組織產(chǎn)生了較大的變化。

表3所列為燒結(jié)態(tài)、固溶時(shí)效態(tài)試樣的硬度。從表3可以看出，碳含量在0.07%～0.25%范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著碳含量的升高，燒結(jié)態(tài)和固溶時(shí)效態(tài)試樣的硬度均下降，這主要是試樣致密度的降低以及顯微組織變化導(dǎo)致的，碳含量0.34%的試樣致密化程度提高，其硬度也有所升高。

圖3 燒結(jié)態(tài)(a)和固溶時(shí)效(b)試樣伸長(zhǎng)率和抗拉強(qiáng)度隨實(shí)際碳含量的變化曲線Fig.3 Changing curves of tensile strength and elongation of specimens with carbon contents:(a)Sintered specimens;(b)Specimen after solution and aging

表3 不同碳含量試樣在不同狀態(tài)下的硬度值Table3 Hardnessof specimensw ith different carbon contentsafter sintering and solution and aging

2.2 碳含量對(duì)17-4PH不銹鋼相轉(zhuǎn)變的影響

圖4 不同碳含量試樣燒結(jié)態(tài)和固溶時(shí)效后的顯微組織Fig.4 M icrostructuresof specimensw ith different carbon contents after sintering and solution and aging(1—As sintered;2—A fter solution and aging):(a)0.07%C;(b)0.09%C;(c)0.16%C;(d)0.25%C;(e)0.34%C

從圖4金相圖可以看出，在碳含量為0.07%和0.09%試樣中，燒結(jié)態(tài)基體主要是以馬氏體為主，在試樣固溶時(shí)效后的組織中，基體是由馬氏體和鐵素體組成，且隨著碳含量的升高，高溫鐵素體的轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)提高，組織中鐵素體的含量減少直至消失，馬氏體的量隨之增加。隨著碳含量的進(jìn)一步增加，冷卻過(guò)程中奧氏體未能完全轉(zhuǎn)變成馬氏體，開(kāi)始出現(xiàn)奧氏體組織。在碳含量0.16%燒結(jié)態(tài)和固溶時(shí)效態(tài)試樣中，都是馬氏體和奧氏體共同組成的雙相組織，且可以看到板條狀的馬氏體形成在原奧氏體晶粒的內(nèi)部。碳含量為0.25%試樣中，殘留奧氏體進(jìn)一步增加，而碳含量為0.34%試樣基本由奧氏體構(gòu)成。

在碳含量較低的(0.07%和0.09%)試樣中，高溫?zé)Y(jié)時(shí)組織是奧氏體相和少量高溫鐵素體，冷卻下來(lái)形成馬氏體和鐵素體。根據(jù)舍夫勒組織圖[17]可知(見(jiàn)圖5)，鐵素體的含量取決于鎳當(dāng)量(Nieq)和鉻當(dāng)量(Creq)的值。在17-4PH不銹鋼中，碳含量是鎳當(dāng)量中最大的組成。從舍夫勒組織圖中可以得到，隨著碳含量的升高，鐵素體含量逐漸降低。17%Cr、0.16%C試樣的鎳當(dāng)量達(dá)到了8.8%，此時(shí)相組成主要是馬氏體，從舍夫勒組織圖看出鐵素體含量在5%以下。碳含量再升高，鐵素體消失，出現(xiàn)部分殘留奧氏體。

圖5 舍夫勒組織圖[17]Fig.5 Schaeffler’s diagram[17]

由于碳是最主要的奧氏體穩(wěn)定元素，隨著碳含量的增加，擴(kuò)大了γ相區(qū)，降低了馬氏體相變溫度點(diǎn)Ms和Mf[18]。高溫下的奧氏體在冷卻過(guò)程中未能完全完成馬氏體轉(zhuǎn)變，試樣組織奧氏體相增多。鎳和銅等元素也會(huì)促進(jìn)奧氏體相(A)的形成。參考文獻(xiàn)[19]根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果得到的奧氏體鋼馬氏體相變點(diǎn)Ms定量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式，可得到碳含量0.25%試樣的碳當(dāng)量在4.08%，Ms為45.3℃，馬氏體轉(zhuǎn)變量很少，碳含量0.34%的試樣的Ms點(diǎn)為20.28℃，當(dāng)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)Ms小于常溫時(shí)，γ相區(qū)延伸到常溫區(qū)域，奧氏體在常溫下穩(wěn)定，不再發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，使得高碳含量0.34%試樣成為單相奧氏體不銹鋼。

因此，當(dāng)碳含量從0.07%增加到0.09%時(shí)，試樣中鐵素體含量減少，馬氏體含量增加，馬氏體是硬質(zhì)相，從而提高了試樣的抗拉強(qiáng)度和淬火態(tài)硬度，略微降低了伸長(zhǎng)率，而當(dāng)碳含量較高時(shí)，殘留奧氏體含量逐漸增多，與密度降低的共同作用下造成抗拉強(qiáng)度的明顯下降。對(duì)于試樣的伸長(zhǎng)率，殘留奧氏體相逐漸增多，由于奧氏體是塑性相，伸長(zhǎng)率又大幅提高。碳含量0.34%試樣燒結(jié)態(tài)出現(xiàn)了過(guò)燒現(xiàn)象，晶粒長(zhǎng)大，晶粒間結(jié)合力減弱，試樣的伸長(zhǎng)率相比0.25%試樣的下降。固溶處理使得合金元素溶入到奧氏體中，時(shí)效后奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，使得試樣的抗拉強(qiáng)度相比燒結(jié)態(tài)的有提高，而伸長(zhǎng)率的增長(zhǎng)變緩。

2.3 試樣的斷口形貌

圖6所示為5種碳含量燒結(jié)態(tài)試樣的斷口形貌。由圖6可以看出，碳含量0.07%～0.16%試樣的斷口形貌均出現(xiàn)典型的韌窩。這些韌窩大小均勻，反映出試樣都具有比較好的延性，隨著碳含量的增加，韌窩逐漸變淺，且延性逐漸變差。這主要是由于組織中鐵素體的含量逐漸減少，馬氏體增多。0.25%C試樣的斷口形貌如圖6(d)所示，基本呈韌窩狀，且韌窩較深，說(shuō)明其延性較好。這與相組織中的殘余奧氏體含量增加對(duì)應(yīng)，由于奧氏體延性較好，延性增加。0.34%C的試樣燒結(jié)過(guò)程中由于出現(xiàn)過(guò)燒，圖中端口形貌也呈現(xiàn)出過(guò)燒的特征，晶界變寬，延性下降。

圖6 不同碳含量燒結(jié)樣品的斷面形貌Fig.6 Fracture morphologies of specimens with different carbon contents after sintering:(a)0.07%C;(b)0.09%C;(c)0.16%C;(d)0.25%C;(e)0.34%C

圖7 不同碳含量固溶時(shí)效態(tài)樣品的斷面形貌Fig.7 Fracture morphologies of specimens with different carbon contents after solution and aging:(a)0.07%C;(b)0.09%C;(c)0.16%C;(d)0.25%C;(e)0.34%C

圖7 所示為5種不同碳含量試樣固溶時(shí)效態(tài)的斷口形貌。由圖7可知，0.07%C試樣的斷口形貌出現(xiàn)典型的韌窩。這些韌窩大小均勻，反映出此試樣具有較好的延性。0.09%C試樣由于鐵素體含量減少，馬氏體含量增多，延性略微下降，其斷口形貌為少部分韌窩和大部分河流花紋狀的解理形貌。0.16%C～0.34%C試樣中，隨著碳含量的提高，試樣中殘余奧氏體含量增多，且經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，試樣的延性逐漸提高，韌窩逐漸變多變深。

3 結(jié)論

1)碳含量對(duì)M IM 17-4PH的組織和性能有很大的影響。隨著碳含量的增加，組織中鐵素體含量減少直至消失，燒結(jié)致密度減小，馬氏體相變溫度點(diǎn)Ms和Mf降低。

2)當(dāng)碳含量低于0.16%，仍然能夠達(dá)到M IM 17-4PH不銹鋼的力學(xué)性能要求，但當(dāng)碳含量超過(guò)0.16%時(shí)，由于殘留奧氏體含量升高，甚至出現(xiàn)單相奧氏體相，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度降低，塑性增加，耐腐蝕能力大幅下降，完全偏離了17-4PH不銹鋼的使用要求。因此，M IM制備17-4PH不銹鋼時(shí)應(yīng)控制碳含量不超過(guò)0.16%。

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