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粉末注射成形无镍高氮不锈钢工艺
 
更新时间:2012.02.18 浏览次数:
 
无镍高氮奥氏体不锈钢是一类具有较高力学性能和耐腐蚀性能的不锈钢,尤其是它不含有可导致部分人群产生较严重过敏反应的元素镍,可以有效防止“镍敏”问题,因而在生物医用材料中有广阔的市场空间,当前倍受国内外学术界和产业界的关注。
虽然目前采用热等静压熔炼、加压感应熔炼、加压等离子熔炼、加压电渣熔炼、氮气除渣熔炼等新技术、新工艺,研制出了多个牌号的含氮不锈钢材料。但是上述生产技术在不同程度上都存在设备复杂、高压气体危险、工艺控制困难和生产成本高等问题,而且在使材料获得较高含氮量方面存在一定困难。而粉末冶金生产高氮钢具有很多优势,如生产中无须高压熔炼设施,成本较低;细晶强化、弥散物强化等强化了材料性能,另外实验事实表明氮在固态奥氏体不锈钢中的固溶度大于在液态中的溶解度,因而粉末冶金固态渗氮工艺是经济上和技术上十分可行的生产高氮钢的方法。金属注射成形(MIM)作为传统粉末冶金与先进塑料注塑工艺相结合的产物,在制备具有三维复杂几何形状、均匀组织结构和高性能的近净形产品方面具有独特的优势,并且该技术采用较细粉末粒度,有利于将氮扩散到粉末颗粒中去以提高氮含量,最终获得高氮不锈钢,目前国内外采用注射成形技术生产无镍高氮奥氏体不锈钢材料的研究尚处于初步开展阶段。
实验采用高压惰性气体雾化方法生产的0Cr17Mn11Mo3不锈钢粉末,可见粉末具有较高的球形度,其平均粒径较小(D50=17.4μm),松装密度和振实密度较高(分别为3.67和4.95g·cm-3),粉末的这些特性有利于提高其注射成形过程中的流动性和装载量。
粘结剂采用具有较好流动性的热塑性石腊基粘结剂体系,配方为65wt%PW+30wt%HDPE+5wt%SA。将不锈钢粉末与适量的粘结剂混炼制成喂料,采用的粉末装载量为64%,随后测试喂料的流变性能。注射过程在CJ-80E注射成形机上进行,喂料经过注射成形制成尺寸为8mm×70mm棒坯,再经过溶剂脱脂、热脱脂及800℃预烧结后得到具备一定强度的预烧结坯。将预烧结坯分别在不同压力的高纯氮气中于1200~1350℃温度范围内烧结1~2.5h后,用阿基米德法(排水法)测量烧结体的密度,用惰气脉冲-红外-热导法(QB-Q-02-1997)测量烧结体的氮含量。将烧结体按照国家标准机加工成5mm×60mm的标准拉伸棒,并经过1150℃×90min固溶处理水淬后,用Instron万能实验机测其拉伸力学性能(如屈服、抗拉强度和伸长率等),并与氩气氛中采用相同烧结工艺制备的不含氮试样进行性能对比。
1)64vol%气雾化0Cr17Mn11Mo3粉末与成分为65wt%PW+30wt%HDPE+5wt%SA的粘结剂混炼得到的喂料具有较好的流变性能;喂料的最佳注射工艺参数为注射压力60~85MPa,相应的注射温度为160~170℃;
提高烧结温度有利于提高烧结体的密度,但是对获得高氮含量不利,而增加烧结氮气氛压力可以获得较高的氮含量,但是不利于提高烧结体密度。实验表明,最佳的烧结工艺为0.1MPa氮气压力下于1300℃烧结2h,此时烧结体的相对密度可以达到99%,氮含量可以达到0.78%。烧结体经1150℃固溶处理并水淬冷却后,屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度分别达到580MPa、885MPa、26.0%、29.1%、222HV10。
 
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