粉末微注射成形微反應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

（中國礦業大學（北京） 機電與信息工程學院，北京 100083）

0 引言

隨著科技的發展，在礦業領域中對零部件的強度、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、強度高、成本低、力學性能優良，在汽車、礦業、醫療設備、化工等行業廣泛應用[2-4]。金屬注射成形（metal injection molding，簡稱MIM）是一種近凈成形技術，可制備形狀復雜的零件、大批量生產零部件，近年被廣泛應用于制造高密度、組織均勻的金屬零件。

諸多研究學者發現，第二相強化對于鋼的增韌強化是有明顯效果的，由于多相結構與第二相粒子之間的相互作用，可以同時提高鋼的強度與韌性[5]。微量合金元素如Nb、Ti、V等，具有析出強化和晶粒細化的作用，一般用作第二相強化以提高鋼的強度。周建黨等[6]研究發現，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，發現釩含量的增加促進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]通過原位成形在鐵基材料中添加VC，發現其顯微組織是以VC硬質合金為增強相，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，發現隨著NbC含量的增加，鋼的硬度也隨之增加。張翔等[11]通過加入不同比例的石墨碳增強17-4PH不銹鋼，發現鋼中碳質量分數為0.16%時硬度有明顯的提高，燒結后硬度為98.1 HRB，熱處理后硬度為97 HRB；但若繼續增加碳含量，鋼的硬度、強度都會逐漸降低。史詠鑫等[12]研究發現，在17-4PH不銹鋼中加入一定量的N后，鋼的強度、硬度和塑性均有所提高。因為碳氮化物的形成有利于抑制奧氏體的生長和再結晶，在變形奧氏體中積累更多的位錯，能夠細化鐵素體晶粒，改善材料的力學性能[13]。

本實驗通過添加第二相顆粒VC來提高17-4PH不銹鋼的強度與耐磨性，系統地研究17-4PH不銹鋼和第二相顆粒之間的相互作用對17-4PH不銹鋼組織的演變和性能優化的影響，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，以及對基體材料顯微硬度、磨損系數和磨損損失量的影響，將微觀組織與這些性能聯系起來進行分析。為改善17-4PH不銹鋼強度與耐磨性等性能的工藝提供參考依據。

1 實驗方法

1.1 實驗原料

水氣聯合霧化法制得的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的比例進行球磨，球磨均勻混合后得到的粉末作為原料之一，與單獨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構。在球磨混合17-4PH不銹鋼粉末時添加VC的質量分數分別為0%、4%、8%和12%，以得到最終使用在金屬微注射成形中的粉體。本次實驗的黏合劑體系由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程的填充型腔中提高粉末的流動性，又能在脫脂過程中維持支撐注射件的形狀。

1.2 金屬注射成形

通過HAAKE型轉矩流變儀來測量粉末裝載量，溫度設置為170 ℃，轉速為60 r/min，起始的粉末裝載體積分數為55%，然后以2%的幅度增長。注射成形工作使用的是海天MA600II/130螺桿式注射機，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合的方式進行脫脂以除去注射件中的黏結劑，其中溶劑脫脂工藝選擇正己烷溶液作為溶劑；根據熱重分析曲線中的溫度點設計熱脫脂曲線，在OTF-1200X管式爐氮氣氣氛下進行注射件的熱脫黏。脫黏后，在氫氣氣氛下，通過KSL-1700X管式爐在1350 ℃下進行燒結處理。

1.3 熱處理

試樣燒結后在KSL-1800X-s管式爐中進行固溶處理和時效處理，固溶處理的過程為：從室溫開始以8 ℃/min的升溫速率加熱至1040 ℃，保溫50 min后進行油冷至溫度達到室溫。時效處理的過程為：從室溫開始以5 ℃/min的加溫速率加熱至480 ℃，保溫20 h后進行空冷至溫度達到室溫。時效處理有利于Cu和Nb在過飽和Cu和Nb的馬氏體中析出，從而進一步提高燒結試樣的力學性能。

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）對不同VC含量的熱處理試樣的微觀結構進行表征，XRD測試掃描角度為10°～90°；采用HV-1000顯微維氏硬度計在9.8 N的載荷下測定熱處理試樣的硬度；在WTM-2E顯微摩擦磨損試驗機上測試熱處理試樣的磨損性能，測試磨損時間為40 min、磨損半徑為2 mm、磨球為Si3N4陶瓷球。

2 結果與討論

2.1 添加VC的17-4PH不銹鋼的微觀結構分析

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，同時結合XRD結果可知。當熱處理溫度超過17-4PH不銹鋼的奧氏體化溫度時，固溶處理過程中會形成富Cu和Nb的馬氏體組織，同時一部分奧氏體轉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效過程中轉變的回火馬氏體。對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VC質量分數為4%時，熱處理試樣的顯微組織為細條狀馬氏體、鐵素體和較少的奧氏體；當VC的加入量增加到8%和12%時，顯微組織為馬氏體、奧氏體和鐵素體，同時有強化相VC沿晶界析出；隨著VC含量的增加，強化相顆粒明顯增大并且遍布于整個馬氏體基體上。觀察0%、4%VC、8%VC和12%VC的熱處理試樣發現：0%、4%VC和8%VC試樣的表面形貌良好，并無翹曲、彎曲等缺陷，而12%VC熱處理試樣出現了脆性斷裂的現象，這可能是因為對于12%VC的試樣來說，隨著C含量的進一步增加，使得樣品的硬度隨之提高，但導致其塑性大幅降低，從而發生脆性斷裂。

圖1 添加不同VC含量熱處理試樣的掃描電鏡結果

2.2 硬度和耐磨性

2.2.1 硬度

圖2為添加不同質量分數VC熱處理試樣的硬度值，經過熱處理后，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不及析出形成過飽和的α-Fe固溶體，最終形成的馬氏體組織會提高試樣的硬度，但VC中的碳含量可能會增加熱處理后殘余奧氏體的數量，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；對于VC質量分數為12%的試樣，熱處理后硬度顯著提 高 了133% ，這是因為VC中的碳原子擴散到基體中，使試樣的硬度進一步增加。

圖2 不同VC質量分數的熱處理試樣的硬度值

2.2.2 耐磨性

磨損過程中，加入不同含量VC熱處理試樣的摩擦因數隨時間關系變化曲線如圖3所示，隨著VC含量的增加，磨合期達到穩定狀態的時間逐漸延長。此外，熱處理試樣的摩擦因數隨VC含量的增加而減小。圖4和圖5為不同含量VC進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現，在磨痕右側有明顯的擦傷，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，同時在磨損區域的邊緣處有少量的犁溝現象，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，磨痕寬度進一步減小，有較多的犁溝，以磨粒磨損為主，黏著磨損作用減弱；VC 質 量 分數為12%時，磨痕略微發生塑性變形，幾乎沒有犁溝的存在。熱處理提高了試樣的耐磨性，這是因為在經過熱處理后，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 不同質量分數VC熱處理試樣的摩擦因數與時間的關系

圖4 不同質量分數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 結論

1）在17-4PH不銹鋼經過熱處理后，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VC添加量增加到8%和12%時，出現了強化相VC偏析現象。對于VC含量為12%的試樣，熱處理后硬度提高了133%，這是因為VC中的碳原子擴散到基體中，使試樣的硬度顯著增加。

2）在17-4PH不銹鋼經過熱處理后，隨著VC含量的增加，熱處理試樣的摩擦因數逐漸減小，磨合階段穩定的時間逐漸增大，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VC質量分數為12%時試樣的磨損損失最小。