金屬注射成形17-4PH不銹鋼時(shí)效性能的研究

翁 廷，朱 杰，李 志，羅 浩，曾克里

廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650

金屬注射成形17-4PH不銹鋼時(shí)效性能的研究

翁 廷，朱 杰，李 志，羅 浩，曾克里

廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650

用金屬注射成形技術(shù)制備了17-4PH不銹鋼的拉伸試樣，經(jīng)真空燒結(jié)及時(shí)效處理，測(cè)試了四種狀態(tài)下合金的金相組織、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度及延伸率．結(jié)果表明：在燒結(jié)狀態(tài)下17-4PH的組織為鐵素體和馬氏體兩相共存，抗拉強(qiáng)度為926 MPa、屈服強(qiáng)度為760 MPa、硬度為27HRC、延伸率為6%；通過(guò)固溶處理后合金組織為鐵素體、馬氏體及奧氏體共存，雖然強(qiáng)度和硬度有所下降，但延伸率升高；通過(guò)固溶及加低溫時(shí)效處理后，合金組織主要為回火馬氏體，同時(shí)隨著富銅相的析出，其強(qiáng)度及硬度均提高；在固溶及高溫時(shí)效后再經(jīng)150 ℃保溫10 min，得到塑性很好的17-4PH試樣，其金相組織以?shī)W氏體為主，抗拉強(qiáng)度為753 MPa、屈服強(qiáng)度為582 MPa、硬度為16HRC、延伸率為15%．

金屬注射成形；17-4PH；時(shí)效處理；機(jī)械性能；金相組織

17-4PH沉淀強(qiáng)化型不銹鋼由于具有優(yōu)異的機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、化學(xué)化工、汽車(chē)、武器軍工及航空航天等領(lǐng)域中[1]．沉淀強(qiáng)化造成的高硬度往往給機(jī)械加工帶來(lái)很大的困難，而金屬注射成形技術(shù)(MIM)[2]結(jié)合了塑料注塑復(fù)雜快速及粉末冶金零件高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，可以快速大批量的生產(chǎn)出復(fù)雜精密的零部件，很好地解決17-4PH加工難度大的問(wèn)題．作為在MIM技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的不銹鋼牌號(hào)之一[3]，17-4PH零部件的機(jī)械性能變化范圍很大，燒結(jié)工藝及時(shí)效對(duì)于零件最終的性能影響至關(guān)重要，最終的組織決定了零部件的機(jī)械性能．關(guān)于17-4PH不銹鋼熱處理已有學(xué)者進(jìn)行了一些研究[4-7]，但都是針對(duì)鑄造材料，對(duì)于金屬注射成形的17-4PH不銹鋼而言，其性能與鑄造塊體材料的不盡相同．

目前，對(duì)金屬注射成形17-4PH熱處理性能的研究均集中在沉淀強(qiáng)化方面，為了更好地理解時(shí)效工藝對(duì)金屬注射成形17-4PH不銹鋼性能的影響，本文研究了不同時(shí)效溫度下金屬注射成形17-4PH不銹鋼的金相組織及機(jī)械性能．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

實(shí)驗(yàn)選用自產(chǎn)的17-4PH不銹鋼粉末為原料，粉末的性能及成分分別列于表1和表2．

表1 原料粉末的性能

表2 原料粉末的化學(xué)成分

圖1為粉末形貌．從圖1可見(jiàn)，17-4PH不銹鋼粉末粒度細(xì)，形貌近球形，表明該粉末合金適合金屬注射成形使用．

圖1 17-4PH不銹鋼粉末的SEM形貌Fig.1 The SEM of 17-4PH stainless steel powder

1.2 方 法

首先在17-4PH不銹鋼粉末中加入塑基粘結(jié)劑，混煉成為喂料，粉末裝載量為63.25%，在注塑機(jī)上以90 MPa的壓力注射成形為拉伸試樣條(圖2)，然后將其在脫脂爐中進(jìn)行催化脫脂，脫脂率為7.9%．最后將脫脂后的試樣條在真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)真空度保持在10 Pa以?xún)?nèi)，從而得到燒結(jié)態(tài)17-4PH不銹鋼拉伸樣品(圖3)，其平均密度為7.72 g/cm3．燒結(jié)工藝如圖4所示．

圖2 17-4PH注射成形生坯Fig.2 Green part of MIM 17-4PH

圖3 17-4PH注射成形燒結(jié)件Fig.3 Sintering part of MIM 17-4PH

圖4 MIM 17-4PH不銹鋼的燒結(jié)工藝Fig.4 Sintering process of 17-4PH stainless steel

將燒結(jié)態(tài)試樣置于KTL1400-Ⅲ型管式爐內(nèi)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理工藝參數(shù)列于表3．

表3 17-4PH時(shí)效處理工藝參數(shù)表

1.3 性能表征

利用FA12004電子天平，采用排水法測(cè)量注射成形17-4PH不銹鋼樣品的密度；使用HR-150A洛氏硬度計(jì)，測(cè)量試樣的硬度；在Zwick-250KN型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上，測(cè)試試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率；使用DMI3000M金相顯微鏡，觀測(cè)試樣的金相組織．

2 結(jié)果及討論

2.1 金相組織

不同時(shí)效狀態(tài)下17-4PH不銹鋼的金相組織如圖5所示．試樣A(圖5(a))的金相組織為馬氏體與鐵素體兩相共存，這是由于粉末冶金燒結(jié)過(guò)程是粉末顆粒間發(fā)生擴(kuò)散及合金均勻化的過(guò)程，其燒結(jié)完成后的平衡相的組成與化學(xué)成分密切相關(guān)[8]．試樣B(圖5(b))的金相組織為鐵素體、馬氏體和奧氏體相共存，這是由于在1050 ℃下合金組織轉(zhuǎn)化成為奧氏體相，合金元素固溶在奧氏體相中，隨著淬火的急冷工藝，碳元素來(lái)不及析出，在α-Fe相中形成過(guò)飽和的固溶體，從而形成了馬氏體組織，同時(shí)一部分奧氏體轉(zhuǎn)化為了鐵素體，還有一部分奧氏體得以保留下來(lái)[9]．試樣C的金相組織(圖5(c))主要為回火馬氏體和少量殘余奧氏體，因?yàn)闀r(shí)效處理在480 ℃溫度下進(jìn)行，實(shí)際上也是一個(gè)回火的過(guò)程，淬火的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，殘余奧氏體來(lái)源于少量的淬火馬氏體逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體及淬火過(guò)程中殘留下來(lái)的少量奧氏體，同時(shí)過(guò)飽和的銅在基體中析出，起到沉淀強(qiáng)化的效果．試樣D的金相組織(圖5(d))主要為奧氏體相，這是因?yàn)楫a(chǎn)生了逆變奧氏體．在820 ℃高溫時(shí)效保溫后基體向奧氏體轉(zhuǎn)變，當(dāng)時(shí)效終了溫度為150 ℃時(shí)，殘余奧氏體的量為43.08%，同時(shí)在此溫度下保溫10 min，奧氏體進(jìn)一步熱穩(wěn)定化不再向馬氏體轉(zhuǎn)變[10-11]．因此，得到韌、塑性很好的注射成形17-4PH，可滿(mǎn)足高韌性工況要求．

圖5 不同時(shí)效下金屬注射成形17-4PH的金相組織Fig.5 Microstructural of MIM 17-4PH under different conditions

2.2 機(jī)械性能

圖6為不同時(shí)效下金屬注射成形17-4PH不銹鋼試樣的機(jī)械性能．從圖6(a)可見(jiàn)，試樣A的抗拉強(qiáng)度為926 MPa，屈服強(qiáng)度為760 MPa，硬度為27HRC，延伸率為6%，均達(dá)到或超過(guò)了MPIF-35標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于金屬注射成形燒結(jié)態(tài)17-4PH不銹鋼機(jī)械性能的標(biāo)準(zhǔn)(密度為7.6 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為900 MPa，屈服強(qiáng)度為730 MPa，硬度為27HRC，延伸率為6%)．這主要得益于所用的注射成形不銹鋼粉末粒度細(xì)小且分布合理，促進(jìn)了燒結(jié)過(guò)程中的致密化．

從圖6(b)可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)1050 ℃固溶處理后的試樣B，其抗拉強(qiáng)度為780 MPa，屈服強(qiáng)度為620 MPa，硬度為22HRC，延伸率為12%．與試樣A相比較，試樣B的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及硬度均下降，但延伸率提高．這主要是因?yàn)樵嚇又写嬖谏倭康膴W氏體相．

從圖6(c)可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)固溶及480 ℃時(shí)效處理的試樣C，其抗拉強(qiáng)度為1210 MPa，屈服強(qiáng)度為1100 MPa，硬度為43HRC，延伸率為6%．與試樣A相比較，試樣C擁有很高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及硬度，延伸率也在合理的范圍．這主要是過(guò)飽和的銅在試樣的晶界及晶粒內(nèi)析出，由于析出物為納米級(jí)，阻礙了位錯(cuò)的移動(dòng)，使試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度有了大幅度地提升[12]．因此，17-4PH稱(chēng)之為沉淀強(qiáng)化不銹鋼．

從圖6(d)可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)820 ℃高溫時(shí)效及150 ℃保溫的試樣D，其抗拉強(qiáng)度為753 MPa，屈服強(qiáng)度為582 MPa，硬度為16HRC，延伸率為15%．與試樣A相比較，試樣D的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度均大幅下降，但延伸率則有大幅度地提升，這主要是試樣中存在大量的奧氏體相．

圖6 不同時(shí)效下金屬注射成形17-4PH的機(jī)械性能 (a)抗拉強(qiáng)度；(b)屈服強(qiáng)度；(c)硬度；(d)延伸率Fig.6 Mechanical properties of MIM 17-4PH under different conditions (a) tensile strength；(b) yield strength；(c) hardness；(d) ductility

3 結(jié) 論

(1)在燒結(jié)狀態(tài)下17-4PH的組織為鐵素體和馬氏體兩相共存，抗拉強(qiáng)度為926 MPa，屈服強(qiáng)度為760 MPa，硬度為27HRC，延伸率為6%．

(2)通過(guò)固溶處理后17-4PH的組織為鐵素體、馬氏體和奧氏體共存，雖然強(qiáng)度及硬度有所下降抗，但延伸率升高，抗拉強(qiáng)度為780 MPa、屈服強(qiáng)度為620 MPa、硬度為22HRC、延伸率為12%．

(3)通過(guò)固溶處理加480 ℃時(shí)效處理后，17-4PH的組織主要為回火馬氏體，同時(shí)隨著富銅相的析出，其強(qiáng)度和硬度提高，抗拉強(qiáng)度為1210 MPa、屈服強(qiáng)度為1100 MPa、硬度為43HRC、延伸率為6%．

(4)在固溶和820 ℃高溫時(shí)效，然后再150 ℃保溫10 min，得到塑性很好的17-4PH試樣，其金相組織以?shī)W氏體為主，抗拉強(qiáng)度為753 MPa，屈服強(qiáng)度為582 MPa，硬度為16HRC， 延伸率為15%．高溫時(shí)效下的高塑性主要源于金相組織發(fā)生了奧氏體的逆轉(zhuǎn)變．

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Mechanical properties of MIM 17-4PH in aging processes

WENG Ting，ZHU Jie，LI Zhi，LUO Hao，ZENG Keli

GuangdongInstituteofMaterialsandProcessing，Guangzhou510650，China

The17-4PHstainlesssteeltensilesampleswerepreparedbymetalinjectionmolding(MIM)．Themicrostructural，tensilestrength，yieldstrength，hardnessandductilitywereevaluatedunderdifferentconditions．ThemicrostructureofMIM17-4PHisthecoexistencewiththetwo-phaseofferriteandmartensite，thetensilestrengthwas926MPa，theyieldstrengthwas760MPa，thehardnesswas27HRCandtheductilitywas6%undersinteringstate．Insolid-solutiontreatmentstate，themicrostructureofMIM17-4PHincludedferrite，martensiteandaustenitic，thestrengthandhardnessweredecreased，theductilitywasincreased．Aftersolidsolutiontreatmentandageingat480 ℃，themicrostructureofMIM17-4PHwasmainlytemperedmartensitewithfinecopper-richphaseprecipitating，thestrengthandhardnesswereincreased．Aftersolidsolutiontreatmentandageingat820 ℃andholdingat150 ℃for10min，themicrostructureofMIM17-4PHwasmainlyaustenitic，thetensilestrengthwas753MPa，theyieldstrengthwas582MPa，thehardnesswas16HRCandtheductilitywas15%．

metalinjectionmolding；17-4PH；aging；mechanicalproperties；metallographicstructure

2017-03-28

翁廷(1960-)，廣東惠來(lái)人，工程師，本科.

1673-9981(2017)02-0089-05

TF124

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