i含量对气雾化hc30不锈钢性能的影响

i含量对气雾化hc30不锈钢性能的影响

hp30是一种高质量的铬合金铬合金。由于其抗侵蚀性和耐腐蚀性，它在汽车、化工、工程机械等领域得到了广泛应用。然而,HK30不锈钢加工时粘刀较严重,很难采用机加工方法制备复杂形状中小型HK30零部件。采用金属注射成形(metalinjectionmolding,MIM)方法制备HK30零部件具有材料利用率高、成本低、组织均匀等优势。但MIM工艺的添加粘结剂和脱脂2个步骤易导致产品的碳含量出现波动,造成烧结窗口很窄,尺寸波动大。MIMHK30的制备过程中,由于脱脂不完全导致脱脂坯中的碳含量增加,在烧结过程中出现液相温度点降低,因而容易导致过烧,晶粒粗大,甚至变形,造成尺寸精度较难控制以及产品性能下降。因此,扩大HK30不锈钢的烧结窗口、提高尺寸精度、优化其力学性能受到越来越多研究者的关注。有文献报道在MIM316L不锈钢中增加Mo含量,可在适宜的烧结温度(不出现液相)下提高其密度均匀性,从而改善产品烧结后的尺寸稳定性。由于Ti的化学活性很大,易和C、N、O、S等形成化合物。高温析出的TiN尺寸均匀、细小,能够有效钉扎奥氏体晶界,低温时析出弥散细小的TiC颗粒起沉淀强化作用。谢利群等的研究表明在低合金高强度钢中加入微量Ti,可提高钢的强度,改善钢的冷成型性能和焊接性能。M.Aksoy、V.Kuzucu等研究Mo、Ti、V、Nb等强碳化物元素对不锈钢显微组织、力学性能及抗蚀性能的影响,结果表明:这些元素的添加可提高不锈钢的耐蚀性能和力学性能。虽然国内外对添加Ti对铸态S45C碳素钢、锻造低Cr-Mn钢以及FeMnSiCrNi形状记忆合金等的力学性能和显微组织进行了研究,但未见对HK30材料体系的研究。此外,通过MIM方法制备HK30,其工艺和锻造区别较大。因此,本文作者采用注射成形工艺制备HK30材料,在HK30粉末中添加高活性元素Ti,利用Ti与C元素的高亲和力,使C优先与Ti结合从而降低HK30中的碳含量,以期控制MIMHK30的尺寸波动,提高其力学性能。研究Ti含量对MIMHK30不锈钢力学性能和尺寸稳定性的影响,并通过显微组织和热膨胀行为对其机理进行分析。1不锈钢的制备和性能采用英国Osprey公司提供的气雾化HK30不锈钢粉末和氢化脱氢Ti粉为原料。原料粉末的形貌如图1所示。由图1可见HK30不锈钢粉末为球形颗粒,分散性良好;Ti粉呈不规则形状,粒径分布范围较广。表1所列为HK30不锈钢粉末的主要特性。本实验采用油基粘结剂体系,其组元包括植物油、石蜡(PW)、高密度聚丙烯(HDPE)和硬脂酸(SA)等。在HK30不锈钢预合金粉末中分别添加0%、0.4%、0.8%和1.2%的Ti粉(质量分数),混炼后在40t注射机上注射成形,注射成形坯体的尺寸为36mm×11.4mm×3mm。溶剂脱脂采用CH2Cl2溶剂,脱脂温度30℃,时间为3h;在真空脱脂炉中热脱脂,脱脂温度900℃,保温1h,保护气氛为高纯氩气。采用SJL-200L型真空烧结炉分别在1270、1290和1310℃下保温6h进行烧结,得到HK30不锈钢试样。采用排水法测量HK30不锈钢样品的密度,在美国Instron3369力学实验机上测定HK30不锈钢样品在室温和800℃下的抗拉强度,在JSM-6360扫描电镜下观察不锈钢的断口形貌。利用德国NETZSCH公司生产的同步热分析仪测定样品烧结时的热膨胀曲线,在Polyvar-met金相显微镜下进行显微组织观察。用游标卡尺测量每组样品的宽度,然后求出每组样品宽度的标准差,再将标准差除以每组样品宽度的平均值,得到本实验中烧结样品的标准差,用百分数表示。2结果与讨论2.1致密化速率的变化图2所示为MIMHK30不锈钢的烧结收缩曲线和致密化速率曲线。由图可见在Ti添加量(w(Ti))为0时,随温度从1286℃升高到1313℃,HK30的致密化速率增加1倍。致密化速率在如此窄的温度区间变化很大,属于典型的烧结窗口很窄的材料体系。其中在1192~1289℃温度区间属于固相烧结。在1290~1313℃区间,由于烧结过程中出现了液相,从而促进了烧结致密化,因此致密化速率异常增加。从图2(b)可以看出,随Ti含量增加,致密化速率呈下降趋势。在图3(b)所示合金断口表面颗粒的能谱分析中发现,除了基体元素外还有Ti和C,二者的原子比近似为1:1。由此可以推断,Ti优先与C结合,使得与Fe结合的C减少,从而提高了液相形成温度,高温烧结时液相减少,所以致密化速率呈下降趋势。2.2拉伸变形机理从图4(c)中可以看出,伸长率随烧结温度升高而增加,随Ti含量增加而降低。这是由于烧结温度升高使得致密度提高,孔隙减少。Ti含量增加一方面使孔隙增加,另一方面不规则大颗粒Ti数目也增加,而伸长率对孔隙非常敏感,孔隙的存在有利于裂纹的形成和扩展,尤其是Ti颗粒不规则有尖角时,更易成为裂纹源引起应力集中而不利于变形过程,故烧结温度降低和Ti含量增加都使材料表现出低的拉伸塑形。其中,不添加Ti的样品,在1310℃烧结的伸长率较1270℃和1290℃烧结的明显降低,偏离了基本趋势,说明在1310℃烧结时室温性能明显恶化。2.3烧结温度和ti含量对晶粒形貌和形貌的影响图5所示为MIMHK30不锈钢样品的孔隙形貌。从图中可以看出,不含Ti的样品孔隙较少,且多为小孔隙,孔隙尺寸小于20μm。而含Ti的样品中存在尺寸约30~50μm的大颗粒,与添加的Ti颗粒尺寸相当,颗粒形状不规则,结合扫描电镜能谱分析,判定该颗粒为Ti颗粒;孔隙基本为球形,分布均匀,直径小于20μm,与不含Ti的样品的孔径相当。在Ti含量相同的条件下,随烧结温度升高,MIMHK30不锈钢的孔隙减少,而大的Ti颗粒数目和大小基本不变。在相同烧结温度下,随Ti含量增加,Ti颗粒大小和形貌均基本不变,但Ti颗粒数目增加。1290℃下烧结的样品致密度为95.69%,达到了一般MIM零件致密度≥95%的工艺能力;尤其要注意的是,在1310℃烧结的样品中,存在个别尺寸较大的孔(直径约30μm),应该是烧结后期小孔聚集或孔隙内气体膨胀造成的,说明烧结已基本完成。因此对于纯HK30,较佳的烧结温度区间为1290~1310℃。图6所示为MIMHK30不锈钢样品的金相组织照片。不同烧结温度和不同Ti含量的HK30样品,其组织均为典型的单相奥氏体,晶粒形貌不变,晶粒大小略有变化。图6(a)、(b)和(c)为不含Ti的样品分别在1270、1290和1310℃烧结6h的金相组织,从图中可见,球形小孔隙均匀地分布在晶界和晶粒内,随烧结温度升高晶粒尺寸略有增大。图6(a)、(d)、(e)和(f)为1270℃烧结的下含Ti量分别为0%、0.4%、0.8%和1.2%样品的金相组织。可见添加Ti后晶粒尺寸减小,含0.4%Ti的样品与不含Ti的样品晶粒尺寸分别为118μm和67μm。这是由于Ti颗粒在一定程度上阻碍晶界的迁移,进而阻碍晶粒长大。HeYongdong等在铸态Al-ZnMg-Cu合金中添加0.04%Ti+0.18%Zr+0.008%B后,晶粒尺寸从256μm细化到102μm;宋谋胜等在A356合金中添加0.1%Ti后,晶粒尺寸明显减小,当添加量超过0.1%时晶粒减小变缓。2.4烧结稳定性测试表2所列为MIMHK30样品宽度的标准差。从表2可以看出,在不同烧结温度下,样品宽度的标准差都随Ti含量增加而减小,这表明在各烧结温度下,Ti含量增加使烧结样品的尺寸精度和尺寸稳定性提高。这反映了添加Ti可降低HK30材质对烧结条件的敏感度,使其收缩行为趋于更加稳定一致。在1270、1290和1310℃下烧结,添加1.2%Ti使标准差分别降低0.09%、0.07%和0.33%。文献报道,在MIM316L不锈钢中(1370℃保温1h,升温速率为10℃/min)分别将Mo和Ni由2.09%和12.56%增加到3%和14.56%(均为质量分数)后,由于提高了烧结密度的均匀性,尺寸标准差分别降低0.022%(由0.061%降低到0.039%)和0.016%(由0.061%降低到0.045%)。2.5烧结温度对烧结断口形貌的影响图7所示为不同烧结温度下MIMHK30不锈钢样品的室温拉伸断口SEM形貌。从图中可以看出,不含Ti的样品,在各烧结温度下断口均为连续均匀的形貌。添加Ti的样品,在不同烧结温度下断口组织为连续均匀的基体中夹杂着不规则颗粒,颗粒尺寸与显微组织照片中大颗粒尺寸一致,Ti含量越多,颗粒也越多。对于不添加Ti的样品,烧结温度为1270℃时,断口为连续且大小均匀的韧窝,看不到晶粒和晶界形貌,属于微孔聚集型穿晶韧性断裂;1290℃烧结时,断口为连续但大小和深浅不一的韧窝,可以清楚地看到晶界,但看不到晶粒形貌,也属于微孔聚集型穿晶韧性断裂;1310℃烧结时,断口的韧窝变少变浅,可以清楚地看到晶界和晶粒形貌,断裂类型应该是沿晶脆性断裂,这与其伸长率较前两者急剧下降是对应的。在含Ti的样品中,随烧结温度升高,韧窝变浅变少,但实际上室温伸长率的变化趋势是逐渐略微增加(见图4),这可能与烧结温度升高,相对密度增大,孔隙度减少有关。因为伸长率对孔隙非常敏感,孔隙增加导致伸长率减小。并且由于Ti含量增加,第二相颗粒增加,使得断口上韧窝的总面积减小,这与伸长率随Ti含量增加而降低的变化趋势也是一致的。图8(a)、(b)和(c)所示为在1270、1290和1310℃温度下烧结的不含Ti的MIMHK30样品低倍断口形貌。从图中可看出,1270℃烧结的样品整个断口均为韧窝,断口中看不到晶粒形貌和晶界;1290℃下烧结的样品断口周边可看到晶粒形貌和晶界,存在较粗大的晶粒,这些晶粒上较少或者没有韧窝,而断口中心区看不到晶粒形貌和晶界,韧窝较少;烧结温度为1310℃时整个断口都清楚地看到晶粒形貌和晶界,靠近中心区域的晶粒上韧窝较1290℃下更少,周边出现异常长大的晶粒,晶粒最大约为400μm,远大于中心区域的晶粒(约50μm)。以上结果与分析说明在不添加Ti时,随烧结温度升高到1290℃和1310℃,样品周边组织出现过烧且导致晶粒长大。添加0.4%Ti,即使在1310℃下烧结,也没有出现过烧,整个断口晶粒大小无差异(见图8(d))。综上所述,在不添加Ti时,1270℃为最佳烧结温度,若温度继续升高,样品产生过烧,组织恶化,升高到1310℃时直接导致室温伸长率急剧下降。在1310℃烧结温度下添加0.4%Ti的样品没有出现过烧,因此说明只要添加0.4%Ti就能避免在1310℃下烧结出现过烧。3烧结温度和ti含量对不锈钢密度、拉伸及室温拉伸的影响1)MIMHK30不锈钢的密度、抗拉强度和室温伸长率均随Ti含量增加而降低,随烧结温度升高逐渐增加。其中在1310℃下,不添加Ti的样品的伸长率出现降低,与其样品周边过烧导致晶粒长大有关。2)随烧结温度升高,晶粒尺寸略微增大;添加Ti后晶粒尺寸有所减小,但Ti含量对晶粒尺寸影响不大。随烧结温度升高和Ti含量增加,断口韧窝逐渐减少和变浅。3)添加Ti后由于致密化速率降低,从而消除了样品在高温烧结时的过烧现象并提高尺寸稳定性。最佳的烧结方案及合适的Ti含量为1290℃/6h和0.4%Ti,在高温抗拉强度略微降低的基础上,可消除提高烧结温度带来的过烧,提高产品的尺寸稳定性,其综合性能最佳。图4所示为烧结温度和Ti含量对MIMHK30不锈钢密度、抗拉强度和室温伸长率的影响。从图4(a)和(b)可以看出,室温及高温(800℃)下的抗拉强度均与密度的变化趋势一致,随烧结温度升高而增加,随Ti含量增加而降低,室温下的抗拉强度高于高温抗拉强度。这是由于在高温下,原子的扩散能力显著增加,有助于位错滑移