粉末冶金Fe-13Cr-0.5Mo-3Nb透氣鋼的制備及其模具應(yīng)用性能

陳剛，朱立華，吳旭升，沈書(shū)成

粉末冶金Fe-13Cr-0.5Mo-3Nb透氣鋼的制備及其模具應(yīng)用性能

陳剛1，朱立華1，吳旭升2，沈書(shū)成1

(1. 湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082；2. 江西安而泰合金科技有限公司，新余 338012)

以一種高碳含鈮不銹鋼Fe-13Cr-0.5Mo-3Nb合金粉末為原料，通過(guò)粉末冶金法制備多孔透氣鋼，研究粉末粒度、壓坯密度和燒結(jié)溫度對(duì)透氣鋼的結(jié)構(gòu)與性能的影響。并研究該透氣鋼在注射成形模具制備中的應(yīng)用性能。結(jié)果表明：采用粒徑96~120 μm的粉末，在平均壓坯密度5.6 g/cm3，燒結(jié)溫度1 280 ℃條件下制備的透氣鋼具有高的強(qiáng)度、良好的透氣性以及優(yōu)異的耐蝕性能，其屈服強(qiáng)度為295 MPa，腐蝕速率為0.016 mm/y，該透氣鋼用于注射模具可明顯地改善注塑產(chǎn)品的表面質(zhì)量。與進(jìn)口同類(lèi)材料相比，在保證良好的透氣性與耐蝕性基礎(chǔ)上，可明顯提高模具的力學(xué)性能。

透氣鋼；粉末冶金；透氣性能；力學(xué)性能；耐腐蝕性能

透氣鋼也叫多孔不銹鋼或多孔金屬透氣鋼等，廣泛用于生物醫(yī)用[1?2]、工模器械[3?4]、吸聲減噪[5]等方面，將透氣鋼用于注射模具中，不僅可以改善注射工藝及模具結(jié)構(gòu)[6]，解決注射模具排氣困氣問(wèn)題[7?8]，還能降低注塑件因分型面、排氣系統(tǒng)而產(chǎn)生的表面飛邊、毛刺、壁厚不均等缺陷[9]，使產(chǎn)品充型更飽滿，顯著提高產(chǎn)品的表面成形質(zhì)量[10]。目前我國(guó)注射成形等行業(yè)用透氣鋼主要依賴(lài)進(jìn)口，其價(jià)格昂貴，每公斤售價(jià)高達(dá)千元以上[6]，因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)材料工作者開(kāi)展了相關(guān)的研究，XIE等[11]通過(guò)選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)制備具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的316L多孔材料，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)孔隙率及屈服強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明不同工藝參數(shù)下，其孔隙尺寸為35~160 μm，孔隙率為28%~ 58%，壓縮屈服強(qiáng)度為15~53 MPa；楊翔鵬等[6]以316L不銹鋼為原材料，通過(guò)凝膠注模+微波燒結(jié)技術(shù)制備透氣鋼，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，透氣鋼內(nèi)部孔隙分布均勻，透氣度可達(dá)2.83 m3/(h·kPa·m2)，性能指標(biāo)與進(jìn)口PM35透氣鋼相近；吳樹(shù)海等[12]通過(guò)以316L不銹鋼為原材料及凝膠注模+微波燒結(jié)技術(shù)制備出具有一定透氣性能的透氣鋼，研究該透氣鋼應(yīng)用于注塑模具中的實(shí)際效果，結(jié)果表明透氣鋼模具生產(chǎn)出的產(chǎn)品成形質(zhì)量較好，且其抗彎強(qiáng)度可達(dá)310 MPa。

考慮到透氣鋼須保證高的孔隙率和耐蝕性能，其材質(zhì)大多采用普通316不銹鋼[12]，因此產(chǎn)品的強(qiáng)度較低，如美產(chǎn)透氣鋼抗拉強(qiáng)度為80 MPa左右，日產(chǎn)透氣鋼其壓縮屈服強(qiáng)度低于110 MPa，因此，開(kāi)發(fā)一種具有高強(qiáng)度、同時(shí)具有良好的耐腐蝕性能和透氣性的透氣鋼材料有著重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。據(jù)此，本研究在4Cr13馬氏體不銹鋼基礎(chǔ)上，在提高C含量同時(shí)添加一定量的Nb元素，提出一種新型的高碳含鈮不銹鋼，以其水霧化粉末為原材料，采用粉末冶金工藝制備具有良好綜合性能的透氣鋼，并對(duì)不同工藝條件下制品的微觀構(gòu)造、透氣性、強(qiáng)度及耐蝕性能進(jìn)行表征研究，優(yōu)化工藝參數(shù)組合，以期為透氣鋼的國(guó)產(chǎn)化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 透氣鋼材料的制備

實(shí)驗(yàn)采用的高碳含鈮不銹鋼合金粉末為Fe-13Cr- 0.5Mo-3Nb，江西安而泰合金科技有限公司通過(guò)水霧化法制備，具體成分如表1所列。篩分出四種不同粒度范圍的粉末(120~180 μm，96~120 μm，75~96 μm，48~75 μm，50分別為138，109，84和61 μm)，采用MJM-C系列全自動(dòng)粉末成形壓機(jī)將其分別壓制成密度為(4.8±0.02) g/cm3，(5.2±0.02)g/cm3，(5.6±0.02) g/cm3，(6.0±0.02) g/cm3的壓坯，壓坯的尺寸為Φ20 mm×35 mm，并在不同的燒結(jié)溫度下制備出透氣鋼樣品，以探索最佳的工藝條件。不同粒度的粉末壓制成上述相同密度的壓坯，壓機(jī)的壓制壓力不同，各樣品對(duì)應(yīng)的制備參數(shù)如表2所列，同時(shí)由于在壓制過(guò)程中采用的是雙向壓制，且其高徑比接近2，故單個(gè)壓坯的密度分布不均勻，呈負(fù)拋物線型分布，因此以平均壓坯密度表示其密度?；炝喜捎肰型混料機(jī)，混料時(shí)間為30 min，同時(shí)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%硬脂酸鋅為潤(rùn)滑劑，在JZS-1244真空爐中進(jìn)行燒結(jié)。

表1 不銹鋼粉末化學(xué)成分

表2 透氣鋼制備參數(shù)

1.2 透氣鋼性能的檢測(cè)

采用自制的透氣性能檢測(cè)裝置測(cè)量樣品的透氣性，原理如圖1所示。

圖1 透氣性能檢測(cè)裝置

Which: 1—Nitrogrn generator; 2—Pressure regulating valve; 3—PU pipe joint; 4—joint; 5—Breathable Steel; 6—Pressure gauge; 7—Flowmeter

根據(jù)達(dá)西定律層流狀態(tài)下壓差和流量關(guān)系式[13]：

式中：為相對(duì)透氣系數(shù)；為流體體積流速；為垂直于流體流動(dòng)方向的試樣有效面積；?為流體流入試樣的壓力與流出試樣的壓力差。

樣品的微觀形貌及元素分布通過(guò)帶有EDS能譜儀的FEI QuANTA 200環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察，壓縮強(qiáng)度采用INSTRON-3382電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，其中壓縮速度為0.5 mm/min，壓縮樣品的尺寸為Φ12 mm×30 mm；耐腐蝕性能采用LRHS?108?RY型鹽霧試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)，其中樣品的尺寸為Φ12 mm×30 mm，控制試驗(yàn)箱溫度為35 ℃，壓力桶溫度為47 ℃，噴霧量為1.2 mL/80 cm2?h?1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 壓坯的宏觀形貌

圖2所示為各組實(shí)驗(yàn)壓制壓坯的形貌，樣品13~15表面產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，樣品16的端面發(fā)生了粉末顆粒剝落現(xiàn)象?？梢?jiàn)當(dāng)采用50為61 μm粉末，平均壓坯密度為6 g/cm3以下時(shí)，難以壓制成形，提高平均壓坯密度可以得到改善(樣品16)。而采用較大粒徑粉末，如粉末50為138 μm、109 μm或84 μm時(shí)，平均密度在4.8~6.0 g/cm3之間的壓坯表面皆較為光滑，成形完整，如圖2中樣品1~12所示。

圖2 各實(shí)驗(yàn)條件下透氣鋼壓坯宏觀形貌

2.2 燒結(jié)坯的宏觀形貌

對(duì)可壓制成形的壓坯(樣品1~12)進(jìn)行燒結(jié)，如圖3所示，分別為不同實(shí)驗(yàn)條件下燒結(jié)坯的宏觀形貌，壓坯在1 220 ℃燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)坯發(fā)生斷裂，如樣品1、8、10；1 250 ℃燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)坯表面存在裂紋與孔隙，如樣品4、5、11；1 280 ℃燒結(jié)時(shí)，平均密度為4.8 g/cm3的壓坯燒結(jié)后表面存在毫米級(jí)孔隙，如樣品9，而1 280 ℃下采用較大壓坯密度的壓制壓坯進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，其表面完好，如樣品2，7；1 310 ℃燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)坯的表面無(wú)孔隙，且表面光潔度較好，如樣品3、6、12。

2.3 燒結(jié)坯的微觀形貌

剔除掉燒裂的燒結(jié)坯，完好的燒結(jié)坯微觀形貌如圖4所示，通過(guò)Image-Pro軟件計(jì)算出各樣品的孔隙率，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，平均壓坯密度為4.8~6 g/cm3，燒結(jié)溫度在1 250~1 310 ℃范圍內(nèi)，燒結(jié)坯中都存在均勻分布的不規(guī)則孔隙，并且不同工藝參數(shù)下孔隙數(shù)量不同，粉末粒度對(duì)孔隙率數(shù)量及尺寸影響較小，而隨壓坯密度提高，孔隙數(shù)量有所減少；對(duì)其影響較大的為燒結(jié)溫度，相對(duì)于1 250 ℃和1 280 ℃，1 310 ℃下燒結(jié)時(shí)的孔隙率降低，孔隙尺寸減小。

圖3 各實(shí)驗(yàn)條件下透氣鋼宏觀形貌

圖4 各實(shí)驗(yàn)條件下透氣鋼微觀形貌圖

圖5 各組實(shí)驗(yàn)下樣品的孔隙率

2.4 燒結(jié)坯的透氣性能

圖6為各實(shí)驗(yàn)條件下燒結(jié)坯相對(duì)透氣系數(shù)值，在相同條件下，1 310 ℃燒結(jié)的透氣鋼(樣品3、6、12)及壓坯密度為6 g/cm3的透氣鋼(樣品4、12)相對(duì)透氣系數(shù)較低，表明其透氣性能較差。而隨燒結(jié)溫度及壓坯密度降低，透氣性能逐漸改善，平均壓坯密度為4.8 g/cm3的透氣鋼(樣品5、9)相對(duì)透氣系數(shù)較高。

圖6 各組實(shí)驗(yàn)下樣品的相對(duì)透氣系數(shù)