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用MIM技术生产高氮不锈钢迎来发展机遇

日期: 2019-10-12
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近年来,随着制造工艺和技术的不断发展,人们意识到氮在稳定钢中奥氏体方面存在巨大优势,并可以保留奥氏体所具有的无磁性等优良特性。对于不锈钢产品而言,亦如此。并且,随着3D打印技术的不断发展、应用,金属注射成型(Metal injection molding,MIM)高氮不锈钢在电子工业中的应用优势越来越明显。

「高氮不锈钢为替代镍而诞生」

不锈钢是人类材料发展史上最伟大的发明之一,如今已经渗透到人类生产与生活的方方面面。由于具有优秀的耐腐蚀性,不锈钢在工业领域被广泛应用于各种恶劣的工业环境中;在生活领域被用来制成各种消费品的零部件或最终产品(如餐具),并能长期保持银亮的金属光泽,受到消费者的喜爱。

在不锈钢发展早期,含氮不锈钢的研究并没有引起重视。一是受生产工艺限制,将气态氮加入钢液较为困难;二是氮是否会导致不锈钢变脆在当时具有争议。直到1912年,才有文献首次记载了氮对钢力学性能及稳定奥氏体方面的重大影响。之后,1926年,又有研究报导了氮对铬、铁铬合金有类似的影响。从20世纪30年代开始,陆续有文献记载了将氮加入铁铬合金以提高合金强度的研究。二战期间,由于镍资源的短缺,促使以氮代镍稳定奥氏体的可能性研究成为热点。当时,除了已知的氮对不锈钢结构和强度的影响外,还首次发现了氮对不锈钢耐腐蚀性的有利影响。

在高氮钢的发展历史中,有两个因素促进了人们对氮作为不锈钢合金元素意义的思考:一是不锈钢中重要的合金元素镍的供应量逐渐减少;二是为了生产高强度的奥氏体不锈钢。当AOD炉法(氩氧脱碳法)实现了氮作为合金元素的可能时,不锈钢的氮合金化就被迅速推广。特别是在奥氏体不锈钢中,通过调整氮和锰的含量来替代镍,可以生产质优价廉的高氮不锈钢,甚至能将镍含量降至低于0.1%的水平,从而诞生了高氮无镍型的奥氏体不锈钢。

奥氏体不锈钢是最重要的工程材料之一,由于其具有较强的耐腐蚀性、高延展性、无磁性,在工业上有着广泛的应用。传统奥氏体不锈钢中含有大量镍。镍的存在虽然稳定了钢中的奥氏体组织,但也存在一些难以解决的问题。比如,镍的成本较高;在奥氏体中以替换式固溶原子存在,无法有效提高材料的强度和硬度;生物兼容性差,容易引起人体过敏反应,限制了其在消费电子和生物医疗领域的应用。

为了解决这些问题,氮被引入到奥氏体不锈钢中来替代镍,高氮不锈钢由此诞生。与传统奥氏体不锈钢相比较,高氮不锈钢具有相对优势。例如,氮对奥氏体的稳定性远高于镍,少量的氮即可有效地稳定不锈钢中的奥氏体组织,减少材料在加工过程中形成铁素体和马氏体,从而保存奥氏体不锈钢所具有的高抗腐蚀性和无磁性。氮作为间隙式固溶体元素,可以有效地提高奥氏体的硬度和强度,同时保持材料良好的延展性。氮取代镍后可以降低材料的镍释放,改善材料的生物兼容性,并能有效提高奥氏体不锈钢抗点蚀和裂纹腐蚀的能力。

因此,高氮奥氏体不锈钢近年来成为研究的热点,在工业上的应用也越来越多。

「用MIM技术制造高氮不锈钢」

早期开发高氮奥氏体不锈钢大多基于铸造技术,在金属熔融状态下加入氮元素。由于氮在液态铁中的溶解度低,所以需要使用较高的氮分压才能使钢液中溶解足够的氮。但这种方法需使用昂贵的高温高压设备,且具有一定的危险性,因此在工业推广中受阻。

与此相比,氮在奥氏体中的固溶度要远高于在液态铁中的溶解度,所以不锈钢粉末在固态时就可以在低压下渗入较多的氮。这使得粉末冶金工艺成为一种更经济、有效的高氮奥氏体不锈钢制造方法。此外,利用粉末冶金工艺还可以实现产品的近净成形,减少后续加工,同时获得比铸造更加均匀的组织和性能。

MIM技术是在粉末冶金领域引入注塑成型工艺,从而产生的一种新的近净成形技术。在金属注射成型过程中,首先,选取符合要求的金属粉末和高分子粘结剂,然后在适当的工艺条件下混炼并挤出,制造成均匀的颗粒状喂料。其次,通过注射成型,使喂料在熔融状态下注射到模腔里形成生坯。最后,通过脱脂过程去除生坯中的粘结剂,再通过烧结得到致密化金属产品。烧结后成品的密度可达到理论密度的96%~98%,力学性能接近锻造材料。

MIM技术的优势在于能以极低的成本大批量生产形状复杂的精密金属零件,现在已经可以使用MIM技术制造高氮无镍不锈钢产品。目前,工业中使用最多的应用MIM技术制造的高氮无镍不锈钢牌号为PANACEA,其化学成分(质量分数)为:碳≤0.2%,氮≥0.65%,铬为16.5%~17.5%,镍≤0.1%,钼为3.0%~3.5%,锰为10%~12%,硅≤0.1%,余量为铁。该产品原始粉末的氮含量不超过0.3%,依靠烧结工艺可以将氮含量提高到0.65%以上,最终获得性能良好的高氮无镍奥氏体不锈钢。虽然这款不锈钢的性能优异,但目前实现量产仍存在技术壁垒。比如,这种材料中的氮是在烧结的过程中渗入,其氮含量的控制涉及到对渗氮过程的热力学和动力学的理解;氮在不锈钢中的存在状态与材料热处理的过程相关;由于不同厂商使用的烧结炉不一样,最优化的烧结条件需要在生产前期就充分验证等。这些因素都增大了这种材料稳定生产的难度。

使用MIM技术制造的高氮无镍不锈钢,其强度和硬度高于传统奥氏体不锈钢,抗腐蚀能力优异,而且没有磁性,是制造电子产品结构件的优良材料。华为公司从2017年底开始选用这种材料制造该公司旗舰手机的摄像头支架,迄今已历经两代手机产品。目前,已有四款摄像头支架被大批量生产,每一款的出货量都多达几百万件,是注射成型高氮无镍不锈钢的经典应用案例。随着华为公司的推广,越来越多的手机结构件将选择这款高氮无镍奥氏体不锈钢材料。相信在不远的将来,应用MIM技术制造的高氮无镍不锈钢将迎来更多的发展机遇。

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