Cr2N對(duì)粉末注射成形316L不銹鋼組織與性能的影響

朱 杰，周晚珠，馬宇平，翁 廷，曾克里

?

Cr2N對(duì)粉末注射成形316L不銹鋼組織與性能的影響

朱 杰，周晚珠，馬宇平，翁 廷，曾克里

(廣州有色金屬研究院，廣州510650)

在316L不銹鋼粉末中添加Cr2N粉末，采用粉末注射成形工藝制備Cr2N增強(qiáng)奧氏體不銹鋼，利用掃描電鏡觀察與能譜分析以及洛氏硬度測(cè)定，研究Cr2N對(duì)MIM 316L不銹鋼組織、成分與硬度的影響，并通過(guò)中性鹽霧試驗(yàn)研究Cr2N對(duì)MIM316L不銹鋼抗腐蝕性能的影響。結(jié)果表明，316L不銹鋼中添加Cr2N后，顯微組織仍為典型的奧氏體組織，材料的密度與硬度都有所提高。Cr2N添加量為3%時(shí)，不銹鋼硬度由64.5 HRB提升至78 HRB，并且不會(huì)導(dǎo)致抗腐蝕性能下降。

金屬注射成形；奧氏體不銹鋼；硬化；氮化鉻

金屬注射成形是將超細(xì)的金屬粉末通過(guò)混煉、注塑、脫脂、燒結(jié)獲得最終制品的近凈成形加工方式[1?3]，316L不銹鋼是近些年來(lái)興起的粉末注射成形首選材料之一[4]，具有良好的耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)和醫(yī)療器械行業(yè)[5?6]，但缺乏足夠的硬度來(lái)提供剛度和耐磨性能。因此，有許多研究關(guān)注通過(guò)表面處理來(lái)提高奧氏體不銹鋼的硬度，這些方法包括低溫氣體滲碳、滲氮[7?10]，包覆滲氮[11]，鹽浴滲氮[12]。然而滲氮技術(shù)設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜。此外滲氮過(guò)程中Cr2N析出，造成不銹鋼的敏化效應(yīng)，使奧氏體不銹鋼的抗腐蝕性能大打折扣[6]。為了提高316L奧氏體不銹鋼的硬度，Cr2N、Si3N4、TiN、AlN等氮化物陶瓷粉末常被當(dāng)做第二相強(qiáng)化的添加劑。在這幾種粉末中，Si3N4、 TiN、AlN在基體燒結(jié)過(guò)程中不易擴(kuò)散均勻化，容易在組織中形成粗大的雜質(zhì)相，影響燒結(jié)密度及耐腐蝕性能。田常娟等[3]研究了Si3N4顆粒增強(qiáng)MIM316L不銹鋼，硬度有所提高，但是燒結(jié)密度不高。由文獻(xiàn)[12]可知，在800~1 200 ℃之間Cr2N迅速分解，氮?dú)夥謮簭?00 ℃的4 Pa升高到1 200 ℃的5 539 Pa，分解產(chǎn)生的Cr可提高奧氏體不銹鋼的耐蝕性能，產(chǎn)生的N擴(kuò)散到奧氏體中可提高材料的硬度，因此Cr2N粉末是MIM不銹鋼的一種理想的添加劑。本文作者研究在316L粉末中添加Cr2N作為加硬劑制備粉末注射成形316L不銹鋼，研究Cr2N對(duì)MIM 316L 硬度及耐腐蝕性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用316L不銹鋼粉末(廣州有色金屬研究院，水氣聯(lián)合霧化粉末)和粒度為48 μm的商用Cr2N粉末(上海乃歐納米科技有限公司，機(jī)械破碎粉末)為原料，粉末的粒度分布列于表1，粉末形貌如圖1所示。由圖1可見(jiàn)Cr2N粉末為多角狀，316L不銹鋼粉末粒度細(xì)，近球形，適合注射成形使用[14?15]。

在316L不銹鋼粉末中加入Cr2N粉末，添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0、0.5%、1%和3%，再加入塑基粘結(jié)劑，混煉成為喂料，粉末裝載量為63.25%，在亙易隆MIM88注塑機(jī)上以90 MPa壓力注射成形，得到 尺寸為50 mm×10 mm×5 mm的條狀試樣，注塑密度為5.2 g/ cm3。在星特爍STZ-C300L脫脂爐中催化脫脂，脫脂率為7.9%。脫脂后的樣品在恒普VM40/40/150真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，得到一系列不同Cr2N含量的316L不銹鋼樣品。燒結(jié)真空度保持在10 Pa以?xún)?nèi)，燒結(jié)工藝如圖2所示。

表1 原料粉末的性能

圖1 Cr2N和316L不銹鋼粉末的SEM形貌

圖2 MIM 316L不銹鋼的燒結(jié)工藝

利用FA12004電子天平稱(chēng)量樣品質(zhì)量，采用排水法測(cè)量不銹鋼樣品的密度。用HR-150A洛氏硬度計(jì)測(cè)量硬度。用JXA-8100掃描電鏡及其附帶的能譜儀觀察和分析不銹鋼的形貌和成分。依據(jù)ISO 3768-1976《金屬覆蓋層中性鹽霧試驗(yàn)(NSS試驗(yàn))》標(biāo)準(zhǔn)在KD-120鹽霧試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，研究合金的耐腐蝕性能。

2 結(jié)果及討論

2.1 密度與顯微組織

表2所列為Cr2N添加量對(duì)316L不銹鋼密度的影響?？梢?jiàn)不銹鋼的密度隨Cr2N含量增加略有提高。圖3所示為316L不銹鋼的顯微組織，可見(jiàn)316L不銹鋼的金相組織為具有孿晶結(jié)構(gòu)的典型奧氏體組織，隨Cr2N含量增加，晶界處形成更多的非奧氏體相組織，如圖3(d)中右下角箭頭所指處。對(duì)3%Cr2N/316L不銹鋼晶界處組織進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖4及表3所示。分析結(jié)果表明晶界處的Cr含量和Mo含量都明顯高于晶粒內(nèi)，這是因?yàn)镃r2N在燒結(jié)過(guò)程中分解產(chǎn)生Cr，通過(guò)Cr-Mo 二元相圖可知，Cr與Mo為無(wú)限固溶，結(jié)合能力很強(qiáng)，因此較多的Mo遷移到晶界處。由于晶界處Cr、N元素偏聚而形成高能區(qū)[13]，這些高能區(qū)形成液相而降低燒結(jié)活化能，有利于燒結(jié)致密化，因此隨Cr2N添加量增加，燒結(jié)密度略有提高。

表2 不同Cr2N添加量的不銹鋼密度

圖3 不同Cr2N含量的316L不銹鋼金相組織

圖4 3%Cr2N/316L不銹鋼顯微組織

表3 圖4中各區(qū)域的EDS分析結(jié)果

2.2 硬度

表4所列為不同Cr2N含量的316L不銹鋼硬度?？梢?jiàn)不銹鋼的硬度隨Cr2N含量增加而增大。圖5 所示為不同Cr2N含量的316L不銹鋼的XRD譜，可見(jiàn)Cr2N含量為0和0.5%的材料為單一的奧氏體相，在Cr2N含量為1%和3%的試樣中出現(xiàn)少量Cr2N和Fe-Cr相。燒結(jié)過(guò)程中，隨溫度升高，Cr2N分解為Cr和N，Cr和N均是活性原子，很快固溶到基體中，分解產(chǎn)生的一部分形成N2逸散，一部分在冷卻過(guò)程中形成Cr2N固溶體，同時(shí)由于Cr含量較高，形成少量的Fe-Cr相析出。由于N已經(jīng)有一部分逸散，形成Cr2N并不會(huì)造成局部區(qū)域貧Cr。N擴(kuò)散到晶格之間，引起晶格畸變[5?7]，強(qiáng)化奧氏體不銹鋼。在添加量為0.5%時(shí)，由于Cr2N的量非常少，燒結(jié)過(guò)程中全部分解，N基本全部逸散，所以燒結(jié)樣品中不存在Cr2N相。

表4 不同Cr2N添加量的不銹鋼樣品硬度度

圖5 不同Cr2N含量的316L不銹鋼的XRD譜

2.3 抗腐蝕性能

圖6所示是不同Cr2N含量的316L不銹鋼在中性鹽霧實(shí)驗(yàn)中的照片，所有樣品在鹽霧腐蝕120 h后表面光滑，都沒(méi)有出現(xiàn)銹蝕，添加3%Cr2N不會(huì)對(duì)奧氏體的耐腐蝕性能產(chǎn)生影響。由于有一部分N逸散，所以形成Cr2N 的Cr當(dāng)量是充足的，不會(huì)造成316L不銹鋼基體材料中Cr的損失，因而不會(huì)導(dǎo)致材料的抗腐蝕性能下降。

圖6 Cr2N含量不同的316L不銹鋼鹽霧腐蝕不同時(shí)間后的形貌

3 結(jié)論

1) 添加Cr2N有利于提高M(jìn)IM 316L奧氏體不銹鋼的密度。Cr2N含量為3%時(shí)密度從不含Cr2N的 7.78 g/cm3提高到7.86 g/cm3。

2) 添加Cr2N能提高M(jìn)IM 316L奧氏體不銹鋼的硬度，當(dāng)Cr2N的含量為從0增加到3%時(shí)，不銹鋼硬度HRB從64.5提高到78.0。

3) 316L不銹鋼中添加Cr2N對(duì)316L不銹鋼的腐蝕性能沒(méi)有影響，顯微組織仍為典型的奧氏體組織。

REFERENCES

[1] 李益民, 黃伯云. 當(dāng)代金屬注射成形技術(shù)[J]. 粉末冶金工業(yè), 2000, 10(1): 14?19. LI Yi-min, HUANG Bai-yun. Metal injection molding looking forward into current [J]. Powder Metallurgy Industry, 2000, 10(1): 14?19.

[2] 李篤信, 黃伯云. 金屬注射成形技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2002, 7(1): 24?30. LI Du-xin , HUANG Bai-yun. The status in metal injection molding [J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2002, 7(1): 24?30.

[3] 田常娟, 何新波, 梅 敏, 等. 粉末注射成形制備Si3N4顆粒增強(qiáng)316L不銹鋼[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 33(11): 1373?1377. TIAN Chang-juan, HE Xin-bo, Mei Min, et al. Si3N4particle-reinforced 316L stainless steel prepared by powder injection molding [J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2011, 33(11): 1373?1377.

[4] 曹勇家. 金屬注射成形不銹鋼[J]. 粉末冶金技術(shù), 2000, 18(4): 274?282. CAO Yong-jia. Metal injection molding of stainless steels [J]. Powder Metallurgy Technology, 2000, 18(4): 274?282.

[5] 楊 柯, 任伊賓. 醫(yī)用不銹鋼的研究與發(fā)展[J]. 中國(guó)材料進(jìn)展, 2010, 29(12): 1?10. YANG Ke, REN Yi-bin. Research and development of medical stainless steels [J]. Materials China, 2010, 29(12): 1?10.

[6] 陳 強(qiáng). 化工裝置不銹鋼設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選材分析[J].化工設(shè)備與管道, 2012,4 9(3): 83?86. CHEN Qiang. Structural design and material selection analysis for stainless steel equipment used in chemical industry [J]. Process Equipment & Piping, 2012, 49(3): 83?86.

[7] 高 峰, 鞏建鳴, 姜 勇, 等. 316L 奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳后的表面特性[J]. 金屬熱處理, 2014, 39(12): 102?106. GAO Feng, GONG Jian-ming, JIANG Yong, et al. Surface performance of 316L austenite stainless steel after low temperature gas carburizing [J]. Heat Treatment of metals, 2014, 39(12): 102?106.

[8] 王 琦, 盧 軍, 楊 威, 等. 奧氏體不銹鋼低溫離子滲氮工藝研究[J]. 熱處理, 2013, 28(5): 36?39. WANG Qi, LU Jun, YANG Wei, et al. Ion Nitriding of austenite stainless steel [J]. Heat Treatment, 2013, 28(5): 36?39.

[9] CHENG Li-hui, HWANG K S. Surface hardening of powder injection molded 316L stainless steels through low-temperature carburization [J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2013, 44A: 827?834.

[10] 郭亞杰, 王 宏, 陳俊之, 等. 后處理強(qiáng)化注射成形316L不銹鋼精密件研究[J]. 熱加工工藝, 2014, 43(14): 175?177. GUO Ya-jie, WANG Hong, CHEN Jun-zhi, et al. Study on Post-treatment enhanced precision components fabricated by injection molding process for 316L stainless steel [J]. Hot Working Technology, 2014, 43(14): 175?177.

[11] LI K Y, XIANG Z D. Increasing surface hardness of austenitic stainless steels by pack nitriding process [J]. Surface & Coatings Technology, 2010, 204: 2268?2272.

[12] 韋習(xí)成. 鹽浴滲氮技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展思考[J]. 熱處理, 2005, 20(2): 16?19. WEI Xi-cheng. Current status and development of salt bath nitrding technology [J]. Heat Treatment, 2005, 20(2): 16?19.

[13] 湯 瀟, 李益民, 李流軍, 等. 不同粒度粉末注射成形試樣的燒結(jié)性能[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2006, 11(6): 354?358. TANG Xiao, LI Yi-min, LI Liu-jun, et al. Sinter behavior of injection molding compacts made of different particle size powders [J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2006, 11(6): 354?358.

[14] 李美玲, 李益民, 何 浩, 等. 水霧化不銹鋼粉末注射成形坯的溶劑脫脂技術(shù)[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2011, 16(1): 61?66. LI Mei-ling, LI Yi-min, HE Hao, et al. Technique of solvent debinding for water atomized stainless steel powder injection molding compacts [J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2011, 16(1): 61?66.

[15] 張 健, 黃伯云, 李益民, 等. 2種NdFeB粉末的混煉研究[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2004, 9(1): 21?28. ZHANG Jian, HUANG Bai-yun, Li Yi-min, et al. Blend of NdFeB magnetic powder with different shape [J] Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2004, 9(1): 21?28.

(編輯 湯金芝)

Effect of Cr2N on microstructure and properties of 316L stainless steel prepared by powder injection molding

ZHU Jie, ZHOU Wan-zhu, MA Yu-ping, WENG Ting, ZENG Ke-li

(Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals, Guangzhou 510651, China)

An austenitic stainless steels added with different content of Cr2N powders were prepared by metal injection molding (MIM). The effects of Cr2N content on microstructure and properties of MIM 316L were studied by SEM and EDS. The influence of Cr2N on the corrosion resistance of MIM 316L austenitic stainless steels was studied by neutral salt spray test. The results show that with Cr2N addition in 316L stainless steels, the microstructure is sill typically austenitic, both the density and hardness increase. When adding 3% Cr2N in the 316L stainless steels, the hardness increases from 64.5 HRB to 78 HRB, and the corrosion resistance remains well.

metal injection molding; austenitic stainless steels; hardening; Cr2N

TF124

A

1673-0224(2015)6-978-05

廣東省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)項(xiàng)目(手機(jī)用高端粉末冶金材料制備技術(shù)改造)

2014-06-29；

2015-09-10

朱杰，助理工程師，碩士。電話：+8618820036428 E-mail: zhujie20070318@163.com