i含量對氣霧化hc30不銹鋼性能的影響

i含量對氣霧化hc30不銹鋼性能的影響

hp30是一種高質量的鉻合金鉻合金。由于其抗侵蝕性和耐腐蝕性，它在汽車、化工、工程機械等領域得到了廣泛應用。然而,HK30不銹鋼加工時粘刀較嚴重,很難采用機加工方法制備復雜形狀中小型HK30零部件。采用金屬注射成形(metalinjectionmolding,MIM)方法制備HK30零部件具有材料利用率高、成本低、組織均勻等優(yōu)勢。但MIM工藝的添加粘結劑和脫脂2個步驟易導致產品的碳含量出現波動,造成燒結窗口很窄,尺寸波動大。MIMHK30的制備過程中,由于脫脂不完全導致脫脂坯中的碳含量增加,在燒結過程中出現液相溫度點降低,因而容易導致過燒,晶粒粗大,甚至變形,造成尺寸精度較難控制以及產品性能下降。因此,擴大HK30不銹鋼的燒結窗口、提高尺寸精度、優(yōu)化其力學性能受到越來越多研究者的關注。有文獻報道在MIM316L不銹鋼中增加Mo含量,可在適宜的燒結溫度(不出現液相)下提高其密度均勻性,從而改善產品燒結后的尺寸穩(wěn)定性。由于Ti的化學活性很大,易和C、N、O、S等形成化合物。高溫析出的TiN尺寸均勻、細小,能夠有效釘扎奧氏體晶界,低溫時析出彌散細小的TiC顆粒起沉淀強化作用。謝利群等的研究表明在低合金高強度鋼中加入微量Ti,可提高鋼的強度,改善鋼的冷成型性能和焊接性能。M.Aksoy、V.Kuzucu等研究Mo、Ti、V、Nb等強碳化物元素對不銹鋼顯微組織、力學性能及抗蝕性能的影響,結果表明:這些元素的添加可提高不銹鋼的耐蝕性能和力學性能。雖然國內外對添加Ti對鑄態(tài)S45C碳素鋼、鍛造低Cr-Mn鋼以及FeMnSiCrNi形狀記憶合金等的力學性能和顯微組織進行了研究,但未見對HK30材料體系的研究。此外,通過MIM方法制備HK30,其工藝和鍛造區(qū)別較大。因此,本文作者采用注射成形工藝制備HK30材料,在HK30粉末中添加高活性元素Ti,利用Ti與C元素的高親和力,使C優(yōu)先與Ti結合從而降低HK30中的碳含量,以期控制MIMHK30的尺寸波動,提高其力學性能。研究Ti含量對MIMHK30不銹鋼力學性能和尺寸穩(wěn)定性的影響,并通過顯微組織和熱膨脹行為對其機理進行分析。1不銹鋼的制備和性能采用英國Osprey公司提供的氣霧化HK30不銹鋼粉末和氫化脫氫Ti粉為原料。原料粉末的形貌如圖1所示。由圖1可見HK30不銹鋼粉末為球形顆粒,分散性良好;Ti粉呈不規(guī)則形狀,粒徑分布范圍較廣。表1所列為HK30不銹鋼粉末的主要特性。本實驗采用油基粘結劑體系,其組元包括植物油、石蠟(PW)、高密度聚丙烯(HDPE)和硬脂酸(SA)等。在HK30不銹鋼預合金粉末中分別添加0%、0.4%、0.8%和1.2%的Ti粉(質量分數),混煉后在40t注射機上注射成形,注射成形坯體的尺寸為36mm×11.4mm×3mm。溶劑脫脂采用CH2Cl2溶劑,脫脂溫度30℃,時間為3h;在真空脫脂爐中熱脫脂,脫脂溫度900℃,保溫1h,保護氣氛為高純氬氣。采用SJL-200L型真空燒結爐分別在1270、1290和1310℃下保溫6h進行燒結,得到HK30不銹鋼試樣。采用排水法測量HK30不銹鋼樣品的密度,在美國Instron3369力學實驗機上測定HK30不銹鋼樣品在室溫和800℃下的抗拉強度,在JSM-6360掃描電鏡下觀察不銹鋼的斷口形貌。利用德國NETZSCH公司生產的同步熱分析儀測定樣品燒結時的熱膨脹曲線,在Polyvar-met金相顯微鏡下進行顯微組織觀察。用游標卡尺測量每組樣品的寬度,然后求出每組樣品寬度的標準差,再將標準差除以每組樣品寬度的平均值,得到本實驗中燒結樣品的標準差,用百分數表示。2結果與討論2.1致密化速率的變化圖2所示為MIMHK30不銹鋼的燒結收縮曲線和致密化速率曲線。由圖可見在Ti添加量(w(Ti))為0時,隨溫度從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溫度區(qū)間變化很大,屬于典型的燒結窗口很窄的材料體系。其中在1192~1289℃溫度區(qū)間屬于固相燒結。在1290~1313℃區(qū)間,由于燒結過程中出現了液相,從而促進了燒結致密化,因此致密化速率異常增加。從圖2(b)可以看出,隨Ti含量增加,致密化速率呈下降趨勢。在圖3(b)所示合金斷口表面顆粒的能譜分析中發(fā)現,除了基體元素外還有Ti和C,二者的原子比近似為1:1。由此可以推斷,Ti優(yōu)先與C結合,使得與Fe結合的C減少,從而提高了液相形成溫度,高溫燒結時液相減少,所以致密化速率呈下降趨勢。2.2拉伸變形機理從圖4(c)中可以看出,伸長率隨燒結溫度升高而增加,隨Ti含量增加而降低。這是由于燒結溫度升高使得致密度提高,孔隙減少。Ti含量增加一方面使孔隙增加,另一方面不規(guī)則大顆粒Ti數目也增加,而伸長率對孔隙非常敏感,孔隙的存在有利于裂紋的形成和擴展,尤其是Ti顆粒不規(guī)則有尖角時,更易成為裂紋源引起應力集中而不利于變形過程,故燒結溫度降低和Ti含量增加都使材料表現出低的拉伸塑形。其中,不添加Ti的樣品,在1310℃燒結的伸長率較1270℃和1290℃燒結的明顯降低,偏離了基本趨勢,說明在1310℃燒結時室溫性能明顯惡化。2.3燒結溫度和ti含量對晶粒形貌和形貌的影響圖5所示為MIMHK30不銹鋼樣品的孔隙形貌。從圖中可以看出,不含Ti的樣品孔隙較少,且多為小孔隙,孔隙尺寸小于20μm。而含Ti的樣品中存在尺寸約30~50μm的大顆粒,與添加的Ti顆粒尺寸相當,顆粒形狀不規(guī)則,結合掃描電鏡能譜分析,判定該顆粒為Ti顆粒;孔隙基本為球形,分布均勻,直徑小于20μm,與不含Ti的樣品的孔徑相當。在Ti含量相同的條件下,隨燒結溫度升高,MIMHK30不銹鋼的孔隙減少,而大的Ti顆粒數目和大小基本不變。在相同燒結溫度下,隨Ti含量增加,Ti顆粒大小和形貌均基本不變,但Ti顆粒數目增加。1290℃下燒結的樣品致密度為95.69%,達到了一般MIM零件致密度≥95%的工藝能力;尤其要注意的是,在1310℃燒結的樣品中,存在個別尺寸較大的孔(直徑約30μm),應該是燒結后期小孔聚集或孔隙內氣體膨脹造成的,說明燒結已基本完成。因此對于純HK30,較佳的燒結溫度區(qū)間為1290~1310℃。圖6所示為MIMHK30不銹鋼樣品的金相組織照片。不同燒結溫度和不同Ti含量的HK30樣品,其組織均為典型的單相奧氏體,晶粒形貌不變,晶粒大小略有變化。圖6(a)、(b)和(c)為不含Ti的樣品分別在1270、1290和1310℃燒結6h的金相組織,從圖中可見,球形小孔隙均勻地分布在晶界和晶粒內,隨燒結溫度升高晶粒尺寸略有增大。圖6(a)、(d)、(e)和(f)為1270℃燒結的下含Ti量分別為0%、0.4%、0.8%和1.2%樣品的金相組織。可見添加Ti后晶粒尺寸減小,含0.4%Ti的樣品與不含Ti的樣品晶粒尺寸分別為118μm和67μm。這是由于Ti顆粒在一定程度上阻礙晶界的遷移,進而阻礙晶粒長大。HeYongdong等在鑄態(tài)Al-ZnMg-Cu合金中添加0.04%Ti+0.18%Zr+0.008%B后,晶粒尺寸從256μm細化到102μm;宋謀勝等在A356合金中添加0.1%Ti后,晶粒尺寸明顯減小,當添加量超過0.1%時晶粒減小變緩。2.4燒結穩(wěn)定性測試表2所列為MIMHK30樣品寬度的標準差。從表2可以看出,在不同燒結溫度下,樣品寬度的標準差都隨Ti含量增加而減小,這表明在各燒結溫度下,Ti含量增加使燒結樣品的尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性提高。這反映了添加Ti可降低HK30材質對燒結條件的敏感度,使其收縮行為趨于更加穩(wěn)定一致。在1270、1290和1310℃下燒結,添加1.2%Ti使標準差分別降低0.09%、0.07%和0.33%。文獻報道,在MIM316L不銹鋼中(1370℃保溫1h,升溫速率為10℃/min)分別將Mo和Ni由2.09%和12.56%增加到3%和14.56%(均為質量分數)后,由于提高了燒結密度的均勻性,尺寸標準差分別降低0.022%(由0.061%降低到0.039%)和0.016%(由0.061%降低到0.045%)。2.5燒結溫度對燒結斷口形貌的影響圖7所示為不同燒結溫度下MIMHK30不銹鋼樣品的室溫拉伸斷口SEM形貌。從圖中可以看出,不含Ti的樣品,在各燒結溫度下斷口均為連續(xù)均勻的形貌。添加Ti的樣品,在不同燒結溫度下斷口組織為連續(xù)均勻的基體中夾雜著不規(guī)則顆粒,顆粒尺寸與顯微組織照片中大顆粒尺寸一致,Ti含量越多,顆粒也越多。對于不添加Ti的樣品,燒結溫度為1270℃時,斷口為連續(xù)且大小均勻的韌窩,看不到晶粒和晶界形貌,屬于微孔聚集型穿晶韌性斷裂;1290℃燒結時,斷口為連續(xù)但大小和深淺不一的韌窩,可以清楚地看到晶界,但看不到晶粒形貌,也屬于微孔聚集型穿晶韌性斷裂;1310℃燒結時,斷口的韌窩變少變淺,可以清楚地看到晶界和晶粒形貌,斷裂類型應該是沿晶脆性斷裂,這與其伸長率較前兩者急劇下降是對應的。在含Ti的樣品中,隨燒結溫度升高,韌窩變淺變少,但實際上室溫伸長率的變化趨勢是逐漸略微增加(見圖4),這可能與燒結溫度升高,相對密度增大,孔隙度減少有關。因為伸長率對孔隙非常敏感,孔隙增加導致伸長率減小。并且由于Ti含量增加,第二相顆粒增加,使得斷口上韌窩的總面積減小,這與伸長率隨Ti含量增加而降低的變化趨勢也是一致的。圖8(a)、(b)和(c)所示為在1270、1290和1310℃溫度下燒結的不含Ti的MIMHK30樣品低倍斷口形貌。從圖中可看出,1270℃燒結的樣品整個斷口均為韌窩,斷口中看不到晶粒形貌和晶界;1290℃下燒結的樣品斷口周邊可看到晶粒形貌和晶界,存在較粗大的晶粒,這些晶粒上較少或者沒有韌窩,而斷口中心區(qū)看不到晶粒形貌和晶界,韌窩較少;燒結溫度為1310℃時整個斷口都清楚地看到晶粒形貌和晶界,靠近中心區(qū)域的晶粒上韌窩較1290℃下更少,周邊出現異常長大的晶粒,晶粒最大約為400μm,遠大于中心區(qū)域的晶粒(約50μm)。以上結果與分析說明在不添加Ti時,隨燒結溫度升高到1290℃和1310℃,樣品周邊組織出現過燒且導致晶粒長大。添加0.4%Ti,即使在1310℃下燒結,也沒有出現過燒,整個斷口晶粒大小無差異(見圖8(d))。綜上所述,在不添加Ti時,1270℃為最佳燒結溫度,若溫度繼續(xù)升高,樣品產生過燒,組織惡化,升高到1310℃時直接導致室溫伸長率急劇下降。在1310℃燒結溫度下添加0.4%Ti的樣品沒有出現過燒,因此說明只要添加0.4%Ti就能避免在1310℃下燒結出現過燒。3燒結溫度和ti含量對不銹鋼密度、拉伸及室溫拉伸的影響1)MIMHK30不銹鋼的密度、抗拉強度和室溫伸長率均隨Ti含量增加而降低,隨燒結溫度升高逐漸增加。其中在1310℃下,不添加Ti的樣品的伸長率出現降低,與其樣品周邊過燒導致晶粒長大有關。2)隨燒結溫度升高,晶粒尺寸略微增大;添加Ti后晶粒尺寸有所減小,但Ti含量對晶粒尺寸影響不大。隨燒結溫度升高和Ti含量增加,斷口韌窩逐漸減少和變淺。3)添加Ti后由于致密化速率降低,從而消除了樣品在高溫燒結時的過燒現象并提高尺寸穩(wěn)定性。最佳的燒結方案及合適的Ti含量為1290℃/6h和0.4%Ti,在高溫抗拉強度略微降低的基礎上,可消除提高燒結溫度帶來的過燒,提高產品的尺寸穩(wěn)定性,其綜合性能最佳。圖4所示為燒結溫度和Ti含量對MIMHK30不銹鋼密度、抗拉強度和室溫伸長率的影響。從圖4(a)和(b)可以看出,室溫及高溫(800℃)下的抗拉強度均與密度的變化趨勢一致,隨燒結溫度升高而增加,隨Ti含量增加而降低,室溫下的抗拉強度高于高溫抗拉強度。這是由于在高溫下,原子的擴散能力顯著增加,有助于位錯滑移