李 聰，翁 廷，李 志，周晚珠，曾克里

廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650

金屬注射成形(Metal Injection Molding，MIM)是一種近凈成形的粉末冶金技術，該技術特點是適用材料范圍寬、產(chǎn)品性能優(yōu)異、可連續(xù)生產(chǎn)復雜形狀的精密部件，已廣泛應用于不銹鋼、硬質(zhì)合金、鈦合金、Kovar合金及磁性材料等多種材料體系[1-4]．304L不銹鋼是一種典型的奧氏體不銹鋼，因其具有良好的綜合力學性能及比316L相對便宜的特性，且能生產(chǎn)形狀復雜、尺寸精度高的MIM不銹鋼產(chǎn)品，在化工、石油、海洋等領域中都有廣闊的應用前景[5-6]．然而由于304L燒結溫度較高(高于1365 ℃)，以及致密度和硬度偏低，不宜用于制作承受較重負荷及對硬度有較高要求的設備或部件，從而在一定程度上限制了其應用范圍．

為了提高不銹鋼致密度和改善物理性能，通常在不銹鋼的制備過程中添加某些低熔點的燒結助劑，如銅、硼、硅、鋁、鉬和鎳等助劑，通過其在燒結時形成的液相，可以使不銹鋼的孔隙度大大地降低，從而提高不銹鋼的致密度和力學性能[7-9]．硼作為燒結助劑已廣泛應用于不銹鋼的液相燒結改性中，其化合物FeB，NiB，CrB2，Cr3B2和BN等與不銹鋼均有較好的潤濕性，可降低表面能，且燒結產(chǎn)生的液相可提高質(zhì)量傳遞速率、活化燒結[10]．FeCrBSi是一種添加有B和Si等元素的鐵基預合金粉末，其自熔性和潤濕性能好，具有優(yōu)良的耐磨性和堅韌性，生產(chǎn)成本低廉，在燒結時易形成液相而填充不銹鋼顆粒間的孔隙，從而提高不銹鋼的致密度和硬度，使得其有很大的應用優(yōu)勢[11]．因此，本實驗在304L不銹鋼基體中添加一定量的FeCrBSi鐵基預合金粉末作為燒結助劑，利用燒結時產(chǎn)生的液相來改善MIM法制備的304L不銹鋼(MIM 304L)的燒結性能，降低MIM 304L不銹鋼的生產(chǎn)成本．

1 試驗部分

1.1 粉末性能與形貌

實驗原料為普通304L不銹鋼粉末和FeCrBSi預合金粉末．FeCrBSi預合金粉末采用高壓水霧化法生產(chǎn)，其作為燒結助劑，硬度為44 HRC、熔融溫度為1200 ℃，成分列于表1．

表1 FeCrBSi預合金粉末組成成分

用BT-9300S型激光粒度分析儀測試原料粉末的粒徑及粒徑分布、HY-100型粉體密度儀測量振實密度、ON-1000型氧氮分析儀分析氧含量、用JXA-8100型掃描電子顯微鏡觀察表面形貌．304L與FeCrBSi的粉末物理性能列于表2，表面形貌如圖1所示．

表2 304L與FeCrBSi粉末的物理性能

圖1 304L (a)與FeCrBSi (b)粉末的表面形貌圖 Fig.1 Surface morphology of 304L (a) and FeCrBSi (b) powder

1.2 實驗方法

首先將原料粉末用POM系塑基粘結劑混煉成為喂料，然后在亙易隆MIM88型注塑機上注射成50 mm×10 mm×5 mm的方條，其中注射溫度為190 ℃、壓力為90 MPa.然后在星特爍STZ-C300L型脫脂爐中進行催化脫脂，脫脂溫度為120 ℃、時間4 h，脫脂率為7.9%.最后脫脂坯在恒普VM40/40/150型真空燒結爐中燒結，燒結溫度為1340 ℃、保溫時間2 h．

用ZMD-2型電子密度計，采用排水法測量燒結試樣的燒結密度；用Leica DM4000型顯微鏡，對燒結試樣的橫截面進行孔隙度測試；用DM400M型金相顯微鏡，對燒結試樣進行顯微組織分析；用HR-150A型洛氏硬度計，測量試樣的硬度(HRB)．

2 結果與討論

2.1 顯微組織的影響

圖2為不同添加量FeCrBSi對304L不銹鋼試樣顯微組織的影響．從圖2可以看出：當FeCrBSi添加量為1%時，孔隙較多不規(guī)則，且大都分布在晶界處，這是由于燒結試樣中液相量較少導致的；隨著添加量的增加，液相在晶界處、氣孔-晶粒邊界處及顆粒接觸處迅速發(fā)生擴散，孔隙由不規(guī)則形狀逐漸球化且孔隙度明顯減少，晶粒開始長大；當FeCrBSi添加量增大到7%時，孔隙進一步球化，但晶粒出現(xiàn)異常長大的現(xiàn)象，表現(xiàn)為大晶粒吞并小晶粒，顯微組織粗化．

圖2 不同F(xiàn)eCrBSi添加量的304L燒結試樣的顯微組織(a) 0；(b) 1%；(c) 3%；(d) 5%；(e) 7 %Fig.2 Microstructure of sintered 304L with different FeCrBSi addition

由此可知，在1340 ℃燒結溫度下加入的FeCrBSi預合金粉末與304L不銹鋼發(fā)生了液相共晶反應，其液相和鐵的互溶性很低，包圍在固相晶粒周圍形成了典型的超固相線液相燒結(Supersolids Liquid Phase Sintering， SLPS)[12]．SLPS是將完全預合金化的粉末加熱至固線相與液相線之間某一溫度，使每個預合金粉末的顆粒表面、晶界處及晶粒內(nèi)部均形成液相．液相對固相有潤濕作用，且由于毛細管力的作用，液相能夠迅速擴散至顆粒接觸區(qū)或顆粒內(nèi)的晶界處，使晶粒間及晶粒內(nèi)部發(fā)生粘性流動的晶粒重排．與此同時，奧氏體晶粒開始在液相中發(fā)生溶解-析出，顆粒表面曲率較大的地方將優(yōu)先溶解，通過液相流動傳質(zhì)，在大顆粒凹陷處或孔隙處再析出來，達到快速傳遞物質(zhì)的目的，從而使304L不銹鋼迅速致密化．

2.2 燒結密度和孔隙度的影響

當FeCrBSi添加量分別為0，1%，3%，5%和7 %時，對MIM 304L不銹鋼試樣燒結性能的影響進行了研究．圖3為不同添加量FeCrBSi對304L試樣的燒結密度和孔隙度的影響．從圖3可見，在1340 ℃燒結溫度下，燒結密度隨著FeCrBSi添加量的增加而提高，分別為7.69，7.74，7.80，7.85和7.89 g/cm3，而孔隙度則反之，表明FeCrBSi的添加對試樣在較低溫度下燒結時的致密度有增強作用．

圖3 不同添加量的FeCrBSi對304L燒結密度和孔隙度的影響Fig.3 Effects of different amounts of FeCrBSi addition on sintered density and porosity of 304L

當FeCrBSi添加量為1%時，試樣燒結密度變化不大，孔隙較多，這是因為這時液相相對較少，表現(xiàn)為密度提高不大；隨著添加量的增大，燒結密度提高顯著，孔隙度逐漸降低，這是由于隨著FeCrBSi添加量的增加，產(chǎn)生的液相越來越多，其幾乎完全包覆在固相晶粒周圍，從而使試樣的致密度有較大提高，燒結密度明顯提高；而當FeCrBSi添加量增至7%時，燒結密度大幅提高，但此時樣品出現(xiàn)了一些熔融變形，且試樣表面變得粗糙，這是因為形成的液相過多，顆粒致密化速度過快，且由于高溫下液相中的小顆粒不斷溶解，在大顆粒凹陷處不斷析出，從而使大顆粒長得過大，出現(xiàn)燒結變形．

2.3 硬度的影響

圖4為FeCrBSi添加量對304L不銹鋼硬度的影響．從圖4可見，隨著FeCrBSi添加量的增加，燒結試樣的硬度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢．在添加量為3%時出現(xiàn)一個峰值，硬度達到最大值75 HRB．而隨著添加量繼續(xù)增加，硬度卻開始下降，在添加量為7%時硬度急劇降低，只有60 HRB．這是因為在FeCrBSi添加量低于3%時，硬度的變化主要與試樣的致密度有關，硬度會隨著其致密度的上升而提高，故FeCrBSi添加量增大會有利于硬度的提升，同時FeCrBSi中的大量高硬質(zhì)相，如Cr7C3(1450 HV)，F(xiàn)e2B(1290～1680 HV)和CrB2(1800 HV)等化合物，也可進一步提高燒結硬度；而當FeCrBSi添加量高于5%，此時雖然致密度增加，但由于液相量過多，晶粒開始長大變粗，致使硬度降低．

圖4 不同添加量的FeCrBSi對304L燒結硬度的影響Fig.4 Effects of different amounts of FeCrBSi on sintered hardness of 304L

2.4 力學性能及耐腐蝕性能的影響

對不同添加量FeCrBSi的燒結試樣進行相關力學性能及鹽霧試驗測試，其中耐腐蝕性測試條件為溫度35 ℃下5%的NaCl中性鹽霧，測試結果列于表3．

表3 304L燒結件的力學性能及耐腐蝕性

由表3可知，F(xiàn)eCrBSi添加量為7%時試樣發(fā)生變形，無法進行同一條件下標準的力學試驗，其余不同添加量的試樣指標均能滿足304L不銹鋼標準，燒結件的耐腐蝕性能也得到少許提升，但差異不大．當FeCrBSi添加量為3%時，試樣的屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率均表現(xiàn)優(yōu)異．

3 結 論

(1)在304L不銹鋼基體中添加了1%～7%的FeCrBSi作為燒結助劑，在燒結溫度為1340 ℃時，試樣的燒結密度隨著FeCrBSi添加量的增加而升高，但孔隙度逐漸降低．當添加量為3%～5%時，燒結密度達到7.80～7.85 g/cm3．

(2)預合金粉FeCrBSi與304L發(fā)生了液相共晶反應，即超固相線液相燒結，液相的增加有利于燒結致密化，但當添加量增至7%時，過多的液相會使晶粒長大，燒結試樣出現(xiàn)變形．

(3)燒結硬度隨著其致密度的上升而提高，在FeCrBSi添加量為3%時達到最大值75 HRB，而高于5%時由于晶粒長大變粗，硬度呈下降趨勢．

(4)當FeCrBSi添加量為3%時，304L的屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率均表現(xiàn)優(yōu)異．