粉末微注射成形微反應(yīng)器的顯微組織和磨損性能研究

鄭宏雪, 張晨蕊, 郭志剛, 陳博，宋凱，劉琳

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，在礦業(yè)領(lǐng)域中對(duì)零部件的強(qiáng)度、硬度和耐磨性要求隨之提高，在各種材料體系中，17-4 PH、奧氏體、鐵素體和雙相不銹鋼被廣泛應(yīng)用[1]。特別是17-4PH不銹鋼，一種含3%～5%銅的沉淀硬化的馬氏體不銹鋼，由于其耐腐蝕性好、強(qiáng)度高、成本低、力學(xué)性能優(yōu)良，在汽車、礦業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、化工等行業(yè)廣泛應(yīng)用[2-4]。金屬注射成形（metal injection molding，簡(jiǎn)稱MIM）是一種近凈成形技術(shù)，可制備形狀復(fù)雜的零件、大批量生產(chǎn)零部件，近年被廣泛應(yīng)用于制造高密度、組織均勻的金屬零件。

諸多研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，第二相強(qiáng)化對(duì)于鋼的增韌強(qiáng)化是有明顯效果的，由于多相結(jié)構(gòu)與第二相粒子之間的相互作用，可以同時(shí)提高鋼的強(qiáng)度與韌性[5]。微量合金元素如Nb、Ti、V等，具有析出強(qiáng)化和晶粒細(xì)化的作用，一般用作第二相強(qiáng)化以提高鋼的強(qiáng)度。周建黨等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在高鉻鑄鐵中加入納米VC顆粒改善了高鉻鑄鐵的凝固組織，使高鉻鑄鐵的沖擊吸收能提高39%，磨損率降低。Nurminen等[7]研究表明，添加相同含量TiC和VC的情況下，添加VC的鐵基材料具有更好的耐磨性。Park等[8]研究在高速鋼中添加VC，發(fā)現(xiàn)釩含量的增加促進(jìn)MC型碳化物的形成，抑制M6C碳化物，其耐磨性能隨著VC含量的增加而提高了3～4倍。Wang Jing等[9]通過(guò)原位成形在鐵基材料中添加VC，發(fā)現(xiàn)其顯微組織是以VC硬質(zhì)合金為增強(qiáng)相，α-Fe為基體組成的。Kan等[10]研究使用鑄造工藝在304不銹鋼中添加NbC，發(fā)現(xiàn)隨著NbC含量的增加，鋼的硬度也隨之增加。張翔等[11]通過(guò)加入不同比例的石墨碳增強(qiáng)17-4PH不銹鋼，發(fā)現(xiàn)鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%時(shí)硬度有明顯的提高，燒結(jié)后硬度為98.1 HRB，熱處理后硬度為97 HRB；但若繼續(xù)增加碳含量，鋼的硬度、強(qiáng)度都會(huì)逐漸降低。史詠鑫等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在17-4PH不銹鋼中加入一定量的N后，鋼的強(qiáng)度、硬度和塑性均有所提高。因?yàn)樘嫉锏男纬捎欣谝种茒W氏體的生長(zhǎng)和再結(jié)晶，在變形奧氏體中積累更多的位錯(cuò)，能夠細(xì)化鐵素體晶粒，改善材料的力學(xué)性能[13]。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)添加第二相顆粒VC來(lái)提高17-4PH不銹鋼的強(qiáng)度與耐磨性，系統(tǒng)地研究17-4PH不銹鋼和第二相顆粒之間的相互作用對(duì)17-4PH不銹鋼組織的演變和性能優(yōu)化的影響，主要研究在17-4PH不銹鋼中添加不同的VC含量，觀察其組織的演變，以及對(duì)基體材料顯微硬度、磨損系數(shù)和磨損損失量的影響，將微觀組織與這些性能聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行分析。為改善17-4PH不銹鋼強(qiáng)度與耐磨性等性能的工藝提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

水氣聯(lián)合霧化法制得的17-4PH不銹鋼粉末的粒徑為：D10=3.155 μm、D50=8.628 μm、D90=20.599 μm；霧化法制得的17-4PH不銹鋼粉末的粒徑為：D10=4.0 μm、D50=12.0 μm、D90=27.0 μm。將水氣聯(lián)合霧化法制得的17-4PH不銹鋼粉末與氣霧化法制得的17-4PH不銹鋼粉末按照1:3的比例進(jìn)行球磨，球磨均勻混合后得到的粉末作為原料之一，與單獨(dú)使用氣體霧化粉末相比，混合粉末在MIM中的使用提供了更均勻的微觀結(jié)構(gòu)。在球磨混合17-4PH不銹鋼粉末時(shí)添加VC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、4%、8%和12%，以得到最終使用在金屬微注射成形中的粉體。本次實(shí)驗(yàn)的黏合劑體系由30%的石蠟（PW）、50%的高密度聚乙烯（HDPE）、15%的乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和5%的硬脂酸（SA）組成，使其既能在注射成形過(guò)程的填充型腔中提高粉末的流動(dòng)性，又能在脫脂過(guò)程中維持支撐注射件的形狀。

1.2 金屬注射成形

通過(guò)HAAKE型轉(zhuǎn)矩流變儀來(lái)測(cè)量粉末裝載量，溫度設(shè)置為170 ℃，轉(zhuǎn)速為60 r/min，起始的粉末裝載體積分?jǐn)?shù)為55%，然后以2%的幅度增長(zhǎng)。注射成形工作使用的是海天MA600II/130螺桿式注射機(jī)，注射溫度為165 ℃，注射壓力為6 MPa，注射速度為50 mm/s；模具溫度為60 ℃。選用溶劑脫脂與熱脫脂兩者相結(jié)合的方式進(jìn)行脫脂以除去注射件中的黏結(jié)劑，其中溶劑脫脂工藝選擇正己烷溶液作為溶劑；根據(jù)熱重分析曲線中的溫度點(diǎn)設(shè)計(jì)熱脫脂曲線，在OTF-1200X管式爐氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行注射件的熱脫黏。脫黏后，在氫氣氣氛下，通過(guò)KSL-1700X管式爐在1350 ℃下進(jìn)行燒結(jié)處理。

1.3 熱處理

試樣燒結(jié)后在KSL-1800X-s管式爐中進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理，固溶處理的過(guò)程為：從室溫開(kāi)始以8 ℃/min的升溫速率加熱至1040 ℃，保溫50 min后進(jìn)行油冷至溫度達(dá)到室溫。時(shí)效處理的過(guò)程為：從室溫開(kāi)始以5 ℃/min的加溫速率加熱至480 ℃，保溫20 h后進(jìn)行空冷至溫度達(dá)到室溫。時(shí)效處理有利于Cu和Nb在過(guò)飽和Cu和Nb的馬氏體中析出，從而進(jìn)一步提高燒結(jié)試樣的力學(xué)性能。

1.4 性能表征

采用掃描電子顯微鏡（S-3400N）和X射線衍射儀（Science-S2）對(duì)不同VC含量的熱處理試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，XRD測(cè)試掃描角度為10°～90°；采用HV-1000顯微維氏硬度計(jì)在9.8 N的載荷下測(cè)定熱處理試樣的硬度；在WTM-2E顯微摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試熱處理試樣的磨損性能，測(cè)試磨損時(shí)間為40 min、磨損半徑為2 mm、磨球?yàn)镾i3N4陶瓷球。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加VC的17-4PH不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1是加入不同含量VC的熱處理樣品的掃描電鏡顯微組織，同時(shí)結(jié)合XRD結(jié)果可知。當(dāng)熱處理溫度超過(guò)17-4PH不銹鋼的奧氏體化溫度時(shí)，固溶處理過(guò)程中會(huì)形成富Cu和Nb的馬氏體組織，同時(shí)一部分奧氏體轉(zhuǎn)化為鐵素體得以保留，剩下的在基體上形成殘余奧氏體，組織中的馬氏體包含淬火馬氏體及在時(shí)效過(guò)程中轉(zhuǎn)變的回火馬氏體。對(duì)于原始粉末熱處理的試樣，其組織中含有鐵素體和少量的奧氏體；當(dāng)VC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，熱處理試樣的顯微組織為細(xì)條狀馬氏體、鐵素體和較少的奧氏體；當(dāng)VC的加入量增加到8%和12%時(shí)，顯微組織為馬氏體、奧氏體和鐵素體，同時(shí)有強(qiáng)化相VC沿晶界析出；隨著VC含量的增加，強(qiáng)化相顆粒明顯增大并且遍布于整個(gè)馬氏體基體上。觀察0%、4%VC、8%VC和12%VC的熱處理試樣發(fā)現(xiàn)：0%、4%VC和8%VC試樣的表面形貌良好，并無(wú)翹曲、彎曲等缺陷，而12%VC熱處理試樣出現(xiàn)了脆性斷裂的現(xiàn)象，這可能是因?yàn)閷?duì)于12%VC的試樣來(lái)說(shuō)，隨著C含量的進(jìn)一步增加，使得樣品的硬度隨之提高，但導(dǎo)致其塑性大幅降低，從而發(fā)生脆性斷裂。

圖1 添加不同VC含量熱處理試樣的掃描電鏡結(jié)果

2.2 硬度和耐磨性

2.2.1 硬度

圖2為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)VC熱處理試樣的硬度值，經(jīng)過(guò)熱處理后，添加4% VC和8% VC的試樣硬度略有提高，在固溶處理后第二相的析出以及部分合金元素來(lái)不及析出形成過(guò)飽和的α-Fe固溶體，最終形成的馬氏體組織會(huì)提高試樣的硬度，但VC中的碳含量可能會(huì)增加熱處理后殘余奧氏體的數(shù)量，而殘余奧氏體的硬度低于馬氏體，二者之間的作用有一定的抵消，所以熱處理后試樣的硬度略有增加；對(duì)于VC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的試樣，熱處理后硬度顯著提 高 了133% ，這是因?yàn)閂C中的碳原子擴(kuò)散到基體中，使試樣的硬度進(jìn)一步增加。

圖2 不同VC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的熱處理試樣的硬度值

2.2.2 耐磨性

磨損過(guò)程中，加入不同含量VC熱處理試樣的摩擦因數(shù)隨時(shí)間關(guān)系變化曲線如圖3所示，隨著VC含量的增加，磨合期達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。此外，熱處理試樣的摩擦因數(shù)隨VC含量的增加而減小。圖4和圖5為不同含量VC進(jìn)行熱處理后試樣的磨損損失量和磨損磨痕的形貌圖，試樣的磨損損失量和磨損磨痕寬度隨VC含量的增加而減小。觀察原始粉末熱處理試樣的磨損形貌發(fā)現(xiàn)，在磨痕右側(cè)有明顯的擦傷，中間部位存在較軟金屬附著在較硬金屬表面上的涂抹形式，在試樣表面發(fā)生黏著磨損；4%VC試樣的磨痕寬度有所縮小，存在較小范圍的涂抹，同時(shí)在磨損區(qū)域的邊緣處有少量的犁溝現(xiàn)象，這是由于磨屑的存在起到了磨粒磨損的作用；VC含量為8%時(shí)，磨痕寬度進(jìn)一步減小，有較多的犁溝，以磨粒磨損為主，黏著磨損作用減弱；VC 質(zhì) 量 分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，磨痕略微發(fā)生塑性變形，幾乎沒(méi)有犁溝的存在。熱處理提高了試樣的耐磨性，這是因?yàn)樵诮?jīng)過(guò)熱處理后，V和Cr形成化合物，大幅度提高了試樣的硬度和耐磨性。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)VC熱處理試樣的摩擦因數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)VC的熱處理試樣磨損損失量曲線

圖5 熱處理試樣的磨損磨痕形貌圖

3 結(jié)論

1）在17-4PH不銹鋼經(jīng)過(guò)熱處理后，添加VC的17-4PH不銹鋼試樣的顯微組織為馬氏體、奧氏體和鐵素體，當(dāng)VC添加量增加到8%和12%時(shí)，出現(xiàn)了強(qiáng)化相VC偏析現(xiàn)象。對(duì)于VC含量為12%的試樣，熱處理后硬度提高了133%，這是因?yàn)閂C中的碳原子擴(kuò)散到基體中，使試樣的硬度顯著增加。

2）在17-4PH不銹鋼經(jīng)過(guò)熱處理后，隨著VC含量的增加，熱處理試樣的摩擦因數(shù)逐漸減小，磨合階段穩(wěn)定的時(shí)間逐漸增大，試樣的磨損損失量和磨損磨痕寬度均隨著VC含量的增加而減小，其中當(dāng)VC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)試樣的磨損損失最小。