陳剛，朱立華，吳旭升，沈書成

粉末冶金Fe-13Cr-0.5Mo-3Nb透氣鋼的制備及其模具應用性能

陳剛1，朱立華1，吳旭升2，沈書成1

(1. 湖南大學材料科學與工程學院，長沙 410082；2. 江西安而泰合金科技有限公司，新余 338012)

以一種高碳含鈮不銹鋼Fe-13Cr-0.5Mo-3Nb合金粉末為原料，通過粉末冶金法制備多孔透氣鋼，研究粉末粒度、壓坯密度和燒結(jié)溫度對透氣鋼的結(jié)構(gòu)與性能的影響。并研究該透氣鋼在注射成形模具制備中的應用性能。結(jié)果表明：采用粒徑96~120 μm的粉末，在平均壓坯密度5.6 g/cm3，燒結(jié)溫度1 280 ℃條件下制備的透氣鋼具有高的強度、良好的透氣性以及優(yōu)異的耐蝕性能，其屈服強度為295 MPa，腐蝕速率為0.016 mm/y，該透氣鋼用于注射模具可明顯地改善注塑產(chǎn)品的表面質(zhì)量。與進口同類材料相比，在保證良好的透氣性與耐蝕性基礎上，可明顯提高模具的力學性能。

透氣鋼；粉末冶金；透氣性能；力學性能；耐腐蝕性能

透氣鋼也叫多孔不銹鋼或多孔金屬透氣鋼等，廣泛用于生物醫(yī)用[1?2]、工模器械[3?4]、吸聲減噪[5]等方面，將透氣鋼用于注射模具中，不僅可以改善注射工藝及模具結(jié)構(gòu)[6]，解決注射模具排氣困氣問題[7?8]，還能降低注塑件因分型面、排氣系統(tǒng)而產(chǎn)生的表面飛邊、毛刺、壁厚不均等缺陷[9]，使產(chǎn)品充型更飽滿，顯著提高產(chǎn)品的表面成形質(zhì)量[10]。目前我國注射成形等行業(yè)用透氣鋼主要依賴進口，其價格昂貴，每公斤售價高達千元以上[6]，因此，近年來國內(nèi)材料工作者開展了相關的研究，XIE等[11]通過選區(qū)激光燒結(jié)技術制備具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的316L多孔材料，研究了不同工藝參數(shù)對孔隙率及屈服強度的影響，結(jié)果表明不同工藝參數(shù)下，其孔隙尺寸為35~160 μm，孔隙率為28%~ 58%，壓縮屈服強度為15~53 MPa；楊翔鵬等[6]以316L不銹鋼為原材料，通過凝膠注模+微波燒結(jié)技術制備透氣鋼，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，透氣鋼內(nèi)部孔隙分布均勻，透氣度可達2.83 m3/(h·kPa·m2)，性能指標與進口PM35透氣鋼相近；吳樹海等[12]通過以316L不銹鋼為原材料及凝膠注模+微波燒結(jié)技術制備出具有一定透氣性能的透氣鋼，研究該透氣鋼應用于注塑模具中的實際效果，結(jié)果表明透氣鋼模具生產(chǎn)出的產(chǎn)品成形質(zhì)量較好，且其抗彎強度可達310 MPa。

考慮到透氣鋼須保證高的孔隙率和耐蝕性能，其材質(zhì)大多采用普通316不銹鋼[12]，因此產(chǎn)品的強度較低，如美產(chǎn)透氣鋼抗拉強度為80 MPa左右，日產(chǎn)透氣鋼其壓縮屈服強度低于110 MPa，因此，開發(fā)一種具有高強度、同時具有良好的耐腐蝕性能和透氣性的透氣鋼材料有著重要的實際應用價值。據(jù)此，本研究在4Cr13馬氏體不銹鋼基礎上，在提高C含量同時添加一定量的Nb元素，提出一種新型的高碳含鈮不銹鋼，以其水霧化粉末為原材料，采用粉末冶金工藝制備具有良好綜合性能的透氣鋼，并對不同工藝條件下制品的微觀構(gòu)造、透氣性、強度及耐蝕性能進行表征研究，優(yōu)化工藝參數(shù)組合，以期為透氣鋼的國產(chǎn)化提供實驗依據(jù)。

1 實驗

1.1 透氣鋼材料的制備

實驗采用的高碳含鈮不銹鋼合金粉末為Fe-13Cr- 0.5Mo-3Nb，江西安而泰合金科技有限公司通過水霧化法制備，具體成分如表1所列。篩分出四種不同粒度范圍的粉末(120~180 μm，96~120 μm，75~96 μm，48~75 μm，50分別為138，109，84和61 μm)，采用MJM-C系列全自動粉末成形壓機將其分別壓制成密度為(4.8±0.02) g/cm3，(5.2±0.02)g/cm3，(5.6±0.02) g/cm3，(6.0±0.02) g/cm3的壓坯，壓坯的尺寸為Φ20 mm×35 mm，并在不同的燒結(jié)溫度下制備出透氣鋼樣品，以探索最佳的工藝條件。不同粒度的粉末壓制成上述相同密度的壓坯，壓機的壓制壓力不同，各樣品對應的制備參數(shù)如表2所列，同時由于在壓制過程中采用的是雙向壓制，且其高徑比接近2，故單個壓坯的密度分布不均勻，呈負拋物線型分布，因此以平均壓坯密度表示其密度。混料采用V型混料機，混料時間為30 min，同時添加質(zhì)量分數(shù)為1%硬脂酸鋅為潤滑劑，在JZS-1244真空爐中進行燒結(jié)。

表1 不銹鋼粉末化學成分

表2 透氣鋼制備參數(shù)

1.2 透氣鋼性能的檢測

采用自制的透氣性能檢測裝置測量樣品的透氣性，原理如圖1所示。

圖1 透氣性能檢測裝置

Which: 1—Nitrogrn generator; 2—Pressure regulating valve; 3—PU pipe joint; 4—joint; 5—Breathable Steel; 6—Pressure gauge; 7—Flowmeter

根據(jù)達西定律層流狀態(tài)下壓差和流量關系式[13]：

式中：為相對透氣系數(shù)；為流體體積流速；為垂直于流體流動方向的試樣有效面積；?為流體流入試樣的壓力與流出試樣的壓力差。

樣品的微觀形貌及元素分布通過帶有EDS能譜儀的FEI QuANTA 200環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察，壓縮強度采用INSTRON-3382電子萬能材料試驗機測定，其中壓縮速度為0.5 mm/min，壓縮樣品的尺寸為Φ12 mm×30 mm；耐腐蝕性能采用LRHS?108?RY型鹽霧試驗機檢測，其中樣品的尺寸為Φ12 mm×30 mm，控制試驗箱溫度為35 ℃，壓力桶溫度為47 ℃，噴霧量為1.2 mL/80 cm2?h?1。

2 實驗結(jié)果

2.1 壓坯的宏觀形貌

圖2所示為各組實驗壓制壓坯的形貌，樣品13~15表面產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，樣品16的端面發(fā)生了粉末顆粒剝落現(xiàn)象?？梢姰敳捎?0為61 μm粉末，平均壓坯密度為6 g/cm3以下時，難以壓制成形，提高平均壓坯密度可以得到改善(樣品16)。而采用較大粒徑粉末，如粉末50為138 μm、109 μm或84 μm時，平均密度在4.8~6.0 g/cm3之間的壓坯表面皆較為光滑，成形完整，如圖2中樣品1~12所示。

圖2 各實驗條件下透氣鋼壓坯宏觀形貌

2.2 燒結(jié)坯的宏觀形貌

對可壓制成形的壓坯(樣品1~12)進行燒結(jié)，如圖3所示，分別為不同實驗條件下燒結(jié)坯的宏觀形貌，壓坯在1 220 ℃燒結(jié)時，燒結(jié)坯發(fā)生斷裂，如樣品1、8、10；1 250 ℃燒結(jié)時，燒結(jié)坯表面存在裂紋與孔隙，如樣品4、5、11；1 280 ℃燒結(jié)時，平均密度為4.8 g/cm3的壓坯燒結(jié)后表面存在毫米級孔隙，如樣品9，而1 280 ℃下采用較大壓坯密度的壓制壓坯進行燒結(jié)時，其表面完好，如樣品2，7；1 310 ℃燒結(jié)時，燒結(jié)坯的表面無孔隙，且表面光潔度較好，如樣品3、6、12。

2.3 燒結(jié)坯的微觀形貌

剔除掉燒裂的燒結(jié)坯，完好的燒結(jié)坯微觀形貌如圖4所示，通過Image-Pro軟件計算出各樣品的孔隙率，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，平均壓坯密度為4.8~6 g/cm3，燒結(jié)溫度在1 250~1 310 ℃范圍內(nèi)，燒結(jié)坯中都存在均勻分布的不規(guī)則孔隙，并且不同工藝參數(shù)下孔隙數(shù)量不同，粉末粒度對孔隙率數(shù)量及尺寸影響較小，而隨壓坯密度提高，孔隙數(shù)量有所減少；對其影響較大的為燒結(jié)溫度，相對于1 250 ℃和1 280 ℃，1 310 ℃下燒結(jié)時的孔隙率降低，孔隙尺寸減小。

圖3 各實驗條件下透氣鋼宏觀形貌

圖4 各實驗條件下透氣鋼微觀形貌圖

圖5 各組實驗下樣品的孔隙率

2.4 燒結(jié)坯的透氣性能

圖6為各實驗條件下燒結(jié)坯相對透氣系數(shù)值，在相同條件下，1 310 ℃燒結(jié)的透氣鋼(樣品3、6、12)及壓坯密度為6 g/cm3的透氣鋼(樣品4、12)相對透氣系數(shù)較低，表明其透氣性能較差。而隨燒結(jié)溫度及壓坯密度降低，透氣性能逐漸改善，平均壓坯密度為4.8 g/cm3的透氣鋼(樣品5、9)相對透氣系數(shù)較高。

圖6 各組實驗下樣品的相對透氣系數(shù)