B元素對(duì)粉末注射成形304L不銹鋼粉末的影響

李 聰，翁 廷，李 志，周晚珠，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(Metal Injection Molding，MIM)是一種近凈成形的粉末冶金技術(shù)，該技術(shù)特點(diǎn)是適用材料范圍寬、產(chǎn)品性能優(yōu)異、可連續(xù)生產(chǎn)復(fù)雜形狀的精密部件，已廣泛應(yīng)用于不銹鋼、硬質(zhì)合金、鈦合金、Kovar合金及磁性材料等多種材料體系[1-4]．304L不銹鋼是一種典型的奧氏體不銹鋼，因其具有良好的綜合力學(xué)性能及比316L相對(duì)便宜的特性，且能生產(chǎn)形狀復(fù)雜、尺寸精度高的MIM不銹鋼產(chǎn)品，在化工、石油、海洋等領(lǐng)域中都有廣闊的應(yīng)用前景[5-6]．然而由于304L燒結(jié)溫度較高(高于1365 ℃)，以及致密度和硬度偏低，不宜用于制作承受較重負(fù)荷及對(duì)硬度有較高要求的設(shè)備或部件，從而在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍．

為了提高不銹鋼致密度和改善物理性能，通常在不銹鋼的制備過程中添加某些低熔點(diǎn)的燒結(jié)助劑，如銅、硼、硅、鋁、鉬和鎳等助劑，通過其在燒結(jié)時(shí)形成的液相，可以使不銹鋼的孔隙度大大地降低，從而提高不銹鋼的致密度和力學(xué)性能[7-9]．硼作為燒結(jié)助劑已廣泛應(yīng)用于不銹鋼的液相燒結(jié)改性中，其化合物FeB，NiB，CrB2，Cr3B2和BN等與不銹鋼均有較好的潤濕性，可降低表面能，且燒結(jié)產(chǎn)生的液相可提高質(zhì)量傳遞速率、活化燒結(jié)[10]．FeCrBSi是一種添加有B和Si等元素的鐵基預(yù)合金粉末，其自熔性和潤濕性能好，具有優(yōu)良的耐磨性和堅(jiān)韌性，生產(chǎn)成本低廉，在燒結(jié)時(shí)易形成液相而填充不銹鋼顆粒間的孔隙，從而提高不銹鋼的致密度和硬度，使得其有很大的應(yīng)用優(yōu)勢[11]．因此，本實(shí)驗(yàn)在304L不銹鋼基體中添加一定量的FeCrBSi鐵基預(yù)合金粉末作為燒結(jié)助劑，利用燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生的液相來改善MIM法制備的304L不銹鋼(MIM 304L)的燒結(jié)性能，降低MIM 304L不銹鋼的生產(chǎn)成本．

1 試驗(yàn)部分

1.1 粉末性能與形貌

實(shí)驗(yàn)原料為普通304L不銹鋼粉末和FeCrBSi預(yù)合金粉末．FeCrBSi預(yù)合金粉末采用高壓水霧化法生產(chǎn)，其作為燒結(jié)助劑，硬度為44 HRC、熔融溫度為1200 ℃，成分列于表1．

表1 FeCrBSi預(yù)合金粉末組成成分

用BT-9300S型激光粒度分析儀測試原料粉末的粒徑及粒徑分布、HY-100型粉體密度儀測量振實(shí)密度、ON-1000型氧氮分析儀分析氧含量、用JXA-8100型掃描電子顯微鏡觀察表面形貌．304L與FeCrBSi的粉末物理性能列于表2，表面形貌如圖1所示．

表2 304L與FeCrBSi粉末的物理性能

圖1 304L (a)與FeCrBSi (b)粉末的表面形貌圖 Fig.1 Surface morphology of 304L (a) and FeCrBSi (b) powder

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

首先將原料粉末用POM系塑基粘結(jié)劑混煉成為喂料，然后在亙易隆MIM88型注塑機(jī)上注射成50 mm×10 mm×5 mm的方條，其中注射溫度為190 ℃、壓力為90 MPa.然后在星特爍STZ-C300L型脫脂爐中進(jìn)行催化脫脂，脫脂溫度為120 ℃、時(shí)間4 h，脫脂率為7.9%.最后脫脂坯在恒普VM40/40/150型真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1340 ℃、保溫時(shí)間2 h．

用ZMD-2型電子密度計(jì)，采用排水法測量燒結(jié)試樣的燒結(jié)密度；用Leica DM4000型顯微鏡，對(duì)燒結(jié)試樣的橫截面進(jìn)行孔隙度測試；用DM400M型金相顯微鏡，對(duì)燒結(jié)試樣進(jìn)行顯微組織分析；用HR-150A型洛氏硬度計(jì)，測量試樣的硬度(HRB)．

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織的影響

圖2為不同添加量FeCrBSi對(duì)304L不銹鋼試樣顯微組織的影響．從圖2可以看出：當(dāng)FeCrBSi添加量為1%時(shí)，孔隙較多不規(guī)則，且大都分布在晶界處，這是由于燒結(jié)試樣中液相量較少導(dǎo)致的；隨著添加量的增加，液相在晶界處、氣孔-晶粒邊界處及顆粒接觸處迅速發(fā)生擴(kuò)散，孔隙由不規(guī)則形狀逐漸球化且孔隙度明顯減少，晶粒開始長大；當(dāng)FeCrBSi添加量增大到7%時(shí)，孔隙進(jìn)一步球化，但晶粒出現(xiàn)異常長大的現(xiàn)象，表現(xiàn)為大晶粒吞并小晶粒，顯微組織粗化．

圖2 不同F(xiàn)eCrBSi添加量的304L燒結(jié)試樣的顯微組織(a) 0；(b) 1%；(c) 3%；(d) 5%；(e) 7 %Fig.2 Microstructure of sintered 304L with different FeCrBSi addition

由此可知，在1340 ℃燒結(jié)溫度下加入的FeCrBSi預(yù)合金粉末與304L不銹鋼發(fā)生了液相共晶反應(yīng)，其液相和鐵的互溶性很低，包圍在固相晶粒周圍形成了典型的超固相線液相燒結(jié)(Supersolids Liquid Phase Sintering， SLPS)[12]．SLPS是將完全預(yù)合金化的粉末加熱至固線相與液相線之間某一溫度，使每個(gè)預(yù)合金粉末的顆粒表面、晶界處及晶粒內(nèi)部均形成液相．液相對(duì)固相有潤濕作用，且由于毛細(xì)管力的作用，液相能夠迅速擴(kuò)散至顆粒接觸區(qū)或顆粒內(nèi)的晶界處，使晶粒間及晶粒內(nèi)部發(fā)生粘性流動(dòng)的晶粒重排．與此同時(shí)，奧氏體晶粒開始在液相中發(fā)生溶解-析出，顆粒表面曲率較大的地方將優(yōu)先溶解，通過液相流動(dòng)傳質(zhì)，在大顆粒凹陷處或孔隙處再析出來，達(dá)到快速傳遞物質(zhì)的目的，從而使304L不銹鋼迅速致密化．

2.2 燒結(jié)密度和孔隙度的影響

當(dāng)FeCrBSi添加量分別為0，1%，3%，5%和7 %時(shí)，對(duì)MIM 304L不銹鋼試樣燒結(jié)性能的影響進(jìn)行了研究．圖3為不同添加量FeCrBSi對(duì)304L試樣的燒結(jié)密度和孔隙度的影響．從圖3可見，在1340 ℃燒結(jié)溫度下，燒結(jié)密度隨著FeCrBSi添加量的增加而提高，分別為7.69，7.74，7.80，7.85和7.89 g/cm3，而孔隙度則反之，表明FeCrBSi的添加對(duì)試樣在較低溫度下燒結(jié)時(shí)的致密度有增強(qiáng)作用．

圖3 不同添加量的FeCrBSi對(duì)304L燒結(jié)密度和孔隙度的影響Fig.3 Effects of different amounts of FeCrBSi addition on sintered density and porosity of 304L

當(dāng)FeCrBSi添加量為1%時(shí)，試樣燒結(jié)密度變化不大，孔隙較多，這是因?yàn)檫@時(shí)液相相對(duì)較少，表現(xiàn)為密度提高不大；隨著添加量的增大，燒結(jié)密度提高顯著，孔隙度逐漸降低，這是由于隨著FeCrBSi添加量的增加，產(chǎn)生的液相越來越多，其幾乎完全包覆在固相晶粒周圍，從而使試樣的致密度有較大提高，燒結(jié)密度明顯提高；而當(dāng)FeCrBSi添加量增至7%時(shí)，燒結(jié)密度大幅提高，但此時(shí)樣品出現(xiàn)了一些熔融變形，且試樣表面變得粗糙，這是因?yàn)樾纬傻囊合噙^多，顆粒致密化速度過快，且由于高溫下液相中的小顆粒不斷溶解，在大顆粒凹陷處不斷析出，從而使大顆粒長得過大，出現(xiàn)燒結(jié)變形．

2.3 硬度的影響

圖4為FeCrBSi添加量對(duì)304L不銹鋼硬度的影響．從圖4可見，隨著FeCrBSi添加量的增加，燒結(jié)試樣的硬度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢．在添加量為3%時(shí)出現(xiàn)一個(gè)峰值，硬度達(dá)到最大值75 HRB．而隨著添加量繼續(xù)增加，硬度卻開始下降，在添加量為7%時(shí)硬度急劇降低，只有60 HRB．這是因?yàn)樵贔eCrBSi添加量低于3%時(shí)，硬度的變化主要與試樣的致密度有關(guān)，硬度會(huì)隨著其致密度的上升而提高，故FeCrBSi添加量增大會(huì)有利于硬度的提升，同時(shí)FeCrBSi中的大量高硬質(zhì)相，如Cr7C3(1450 HV)，F(xiàn)e2B(1290～1680 HV)和CrB2(1800 HV)等化合物，也可進(jìn)一步提高燒結(jié)硬度；而當(dāng)FeCrBSi添加量高于5%，此時(shí)雖然致密度增加，但由于液相量過多，晶粒開始長大變粗，致使硬度降低．

圖4 不同添加量的FeCrBSi對(duì)304L燒結(jié)硬度的影響Fig.4 Effects of different amounts of FeCrBSi on sintered hardness of 304L

2.4 力學(xué)性能及耐腐蝕性能的影響

對(duì)不同添加量FeCrBSi的燒結(jié)試樣進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能及鹽霧試驗(yàn)測試，其中耐腐蝕性測試條件為溫度35 ℃下5%的NaCl中性鹽霧，測試結(jié)果列于表3．

表3 304L燒結(jié)件的力學(xué)性能及耐腐蝕性

由表3可知，F(xiàn)eCrBSi添加量為7%時(shí)試樣發(fā)生變形，無法進(jìn)行同一條件下標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)試驗(yàn)，其余不同添加量的試樣指標(biāo)均能滿足304L不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)，燒結(jié)件的耐腐蝕性能也得到少許提升，但差異不大．當(dāng)FeCrBSi添加量為3%時(shí)，試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率均表現(xiàn)優(yōu)異．

3 結(jié) 論

(1)在304L不銹鋼基體中添加了1%～7%的FeCrBSi作為燒結(jié)助劑，在燒結(jié)溫度為1340 ℃時(shí)，試樣的燒結(jié)密度隨著FeCrBSi添加量的增加而升高，但孔隙度逐漸降低．當(dāng)添加量為3%～5%時(shí)，燒結(jié)密度達(dá)到7.80～7.85 g/cm3．

(2)預(yù)合金粉FeCrBSi與304L發(fā)生了液相共晶反應(yīng)，即超固相線液相燒結(jié)，液相的增加有利于燒結(jié)致密化，但當(dāng)添加量增至7%時(shí)，過多的液相會(huì)使晶粒長大，燒結(jié)試樣出現(xiàn)變形．

(3)燒結(jié)硬度隨著其致密度的上升而提高，在FeCrBSi添加量為3%時(shí)達(dá)到最大值75 HRB，而高于5%時(shí)由于晶粒長大變粗，硬度呈下降趨勢．

(4)當(dāng)FeCrBSi添加量為3%時(shí)，304L的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率均表現(xiàn)優(yōu)異．