粉末冶金后缀440C不锈钢金属注射成形工艺研究

2.1脱脂工艺

本研究根据所使用粘结剂的特性，在实验中采用二步脱脂法，即溶剂脱脂+热脱脂。溶剂脱脂在二氣甲烷中进行，脱脂温度为37℃。溶剂脱脂的过程是将注射生坯浸入有机溶剂中，通过溶剂溶解的作用脱除粘结剂中低熔点可溶性组元，剩余的高分子组元作为骨架使生坯维持一定的强度，打开生坯孔隙。随着时间的增加，样品的失重增加(如图2所示，溶剂脱脂6h后，油和石蜡等已经大部分脱除，样品的失重率为51%。对于312mm厚的试样，脱脂1h即可溶去42%的粘结剂，而溶剂脱去40%以上的粘结剂，就可以认为完成了溶剂脱脂过程，坯内的连通孔道已经打开，可以在后续热脱脂过程中快速速升温脱除剩余的粘结剂。因此，使用该粘结剂，溶剂脱脂速率可达2mm/h以上。

结合粘结剂性质，再经过实验优化，采用了如图3所示的脱脂升温曲线，由于在950℃之后粘结剂组元已脱除完毕并且完成预烧，因此最高温度定在950℃，脱脂总时间在12h左右。在脱脂过程的初期阶段，即室温至200℃采取较快的升温速度，因为此时残余粘结剂尚未热解，脱脂温度低，低分子量粘结剂蒸发较慢，产生的粘结剂蒸气少，不会对脱脂坯结构造成不利影响。从200~385℃采取缓慢的升温制度，由于溶剂脱脂后留下的一部分孔道还需进一步扩大，如果此时升温过快，有机物热解过快，就会产生大量挥发的小分子气体，导致脱脂坯鼓泡、开裂、变形。在385~425℃阶段，升温速度可以稍微加快，粉末间的孔隙通道已初步形成，高分子组元已准备开始分解。425~600℃可以快速升温，此时脱脂坯中已形成大量连通孔隙，粉末颗粒间还残存着高聚物起到最后的骨架保形作用。最后在600℃时保温05h后，脱脂坯中粘结剂已经完全脱出，此时，粉末颗粒堆积状态类似于松装粉末堆积，可以以较快的升温速率升温到950℃完成预烧结。在此工艺下能完全地脱除粘结剂，并且无任何缺陷。

2.2烧结工艺

注射坯脱脂后强度较低，必须通过烧结以达到产品的性能要求。主要烧结工艺参数包括4：升温速率、烧结温度、烧结时间、烧结气氛等。本文经反复实验得到了如下较合适的烧结工艺：将脱脂坏置于真空烧结炉中烧结，800℃以前真空，800℃以后控制炉内压力12000Pa，烧结升温程序如下：

440C不锈钢的烧结过程为超固相线液相烧结，对于超固相线液相烧结来说，烧结温度是重要的影响因素之一，它决定了烧结过程中的液相数量和合金元素扩散速度，从而决定了材料的致密化和均匀化程度。因此在实验中重点研究了烧结温度对样品烧结变形和性能的影响。图4、5分别为试样相对密度与烧结温度、试样的收缩率与烧结温度之间的关系。结果表明，密度和收缩率都随着烧结温度的升高而提高，1210~1250℃密度增加较慢，在1250～1290℃之间，密度随温度的变化明显变快，并且随着温度的升高其变形也越来越严重。这是因为在超固相线液相烧结时，有液相生成后，致密化速度显著加快，烧结温度越高，生成的液相量也越多，致密化速度也越快，但同时也不利于变形控制。440C不锈钢的烧 结变形情况如表 3 所示。在1210℃、1230℃烧结时，由于温度低形成的液相的数量也少，烧结密度不高，没有发生变形。在1250℃、1270℃烧结时只有少量的样品发生变形，测得1 270℃烧结样的平均密度为7. 24g/cm²。而在1290℃以上烧结时，由于有过多的液相生成，虽然得到了密度很高的烧结坯，但是样品都发生了变形。

由相图可知440C不锈钢的固相线很平，因此烧结时一个较小的温度变化将引起液相量较大的变化，从而对材料的密度、尺寸精度控制和变形控制产生影响。这种平坦的固相线其烧结区间比较窄。在超固相线液相烧结中，液相量过少不利于致密化，过多则容易产生变形，一般说来，液相量在30%左右致密化效果最佳。如果脱脂坯密度不均或是炉内温度分布不均，都有可能造成不均匀的液相分布，这些都是由于液相数量变化引起的。440C不锈钢对烧结温度非常敏感，通常440C不锈钢的烧结温度范围只有10℃左右，因此烧结温度对烧结密度的影响很大，温度变化很容易产生烧结变形。当温度超出理想的烧结温度区间时，就会出现晶粒长大、变形，液相溢出表面等缺陷，所以要严格控制烧结温度。

2.3材料的显微组织及其热处理

图6、图7为不同烧结条件下的材料的金相组织。从图中可以看出，合金烧结态为珠光体和连续的碳化物网络结构。当烧结温度比较低时，样品欠烧，晶粒小且接触面积少，孔隙为不规则形状并且大多分布在颗粒界面和晶界上，随着温度升高，孔隙由不规则多面体收缩为接近球形，孔隙不断减少，晶粒明显长大，并且形成晶内孔隙，烧结样品的致密化程度增加。在烧结过程中不可避免地形成一定数量的孤立闭孔隙，而如果温度过高，则会导致显微组织的粗化，反而可能造成密度和力学性能一定程度的下降。将经1270℃烧结的样品在1050℃淬火，并在150℃回火，测得回火后样品的硬度为50HRC。图8为440C不锈钢在1050℃淬火的金相组织。正常组织为马氏体，残余奥氏体，颗粒状二次碳化物及块状共晶碳化物。图9为440C不锈钢在1050℃淬火后，150℃回火的金相组织。从图9中可以看出，钢中仍有大量的残余奥氏体并在晶界中分布着大量的碳化物。由于样品中存在大量的残余奥氏体，残余奥氏体会降低材料的显微硬度。