Cr2N对粉末注射成形316L不锈钢组织与性能的影响

朱 杰，周晚珠，马宇平，翁 廷，曾克里



Cr2N对粉末注射成形316L不锈钢组织与性能的影响

朱 杰，周晚珠，马宇平，翁 廷，曾克里

(广州有色金属研究院，广州510650)

在316L不锈钢粉末中添加Cr2N粉末，采用粉末注射成形工艺制备Cr2N增强奥氏体不锈钢，利用扫描电镜观察与能谱分析以及洛氏硬度测定，研究Cr2N对MIM 316L不锈钢组织、成分与硬度的影响，并通过中性盐雾试验研究Cr2N对MIM316L不锈钢抗腐蚀性能的影响。结果表明，316L不锈钢中添加Cr2N后，显微组织仍为典型的奥氏体组织，材料的密度与硬度都有所提高。Cr2N添加量为3%时，不锈钢硬度由64.5 HRB提升至78 HRB，并且不会导致抗腐蚀性能下降。

金属注射成形；奥氏体不锈钢；硬化；氮化铬

金属注射成形是将超细的金属粉末通过混炼、注塑、脱脂、烧结获得最终制品的近净成形加工方式[1−3]，316L不锈钢是近些年来兴起的粉末注射成形首选材料之一[4]，具有良好的耐腐蚀性能，广泛应用于化工行业和医疗器械行业[5−6]，但缺乏足够的硬度来提供刚度和耐磨性能。因此，有许多研究关注通过表面处理来提高奥氏体不锈钢的硬度，这些方法包括低温气体渗碳、渗氮[7−10]，包覆渗氮[11]，盐浴渗氮[12]。然而渗氮技术设备昂贵，工艺复杂。此外渗氮过程中Cr2N析出，造成不锈钢的敏化效应，使奥氏体不锈钢的抗腐蚀性能大打折扣[6]。为了提高316L奥氏体不锈钢的硬度，Cr2N、Si3N4、TiN、AlN等氮化物陶瓷粉末常被当做第二相强化的添加剂。在这几种粉末中，Si3N4、 TiN、AlN在基体烧结过程中不易扩散均匀化，容易在组织中形成粗大的杂质相，影响烧结密度及耐腐蚀性能。田常娟等[3]研究了Si3N4颗粒增强MIM316L不锈钢，硬度有所提高，但是烧结密度不高。由文献[12]可知，在800~1 200 ℃之间Cr2N迅速分解，氮气分压从800 ℃的4 Pa升高到1 200 ℃的5 539 Pa，分解产生的Cr可提高奥氏体不锈钢的耐蚀性能，产生的N扩散到奥氏体中可提高材料的硬度，因此Cr2N粉末是MIM不锈钢的一种理想的添加剂。本文作者研究在316L粉末中添加Cr2N作为加硬剂制备粉末注射成形316L不锈钢，研究Cr2N对MIM 316L 硬度及耐腐蚀性能的影响。

1 实验

实验选用316L不锈钢粉末(广州有色金属研究院，水气联合雾化粉末)和粒度为48 μm的商用Cr2N粉末(上海乃欧纳米科技有限公司，机械破碎粉末)为原料，粉末的粒度分布列于表1，粉末形貌如图1所示。由图1可见Cr2N粉末为多角状，316L不锈钢粉末粒度细，近球形，适合注射成形使用[14−15]。

在316L不锈钢粉末中加入Cr2N粉末，添加量(质量分数)分别为0、0.5%、1%和3%，再加入塑基粘结剂，混炼成为喂料，粉末装载量为63.25%，在亘易隆MIM88注塑机上以90 MPa压力注射成形，得到 尺寸为50 mm×10 mm×5 mm的条状试样，注塑密度为5.2 g/ cm3。在星特烁STZ-C300L脱脂炉中催化脱脂，脱脂率为7.9%。脱脂后的样品在恒普VM40/40/150真空烧结炉中烧结，得到一系列不同Cr2N含量的316L不锈钢样品。烧结真空度保持在10 Pa以内，烧结工艺如图2所示。

表1 原料粉末的性能

图1 Cr2N和316L不锈钢粉末的SEM形貌

图2 MIM 316L不锈钢的烧结工艺

利用FA12004电子天平称量样品质量，采用排水法测量不锈钢样品的密度。用HR-150A洛氏硬度计测量硬度。用JXA-8100扫描电镜及其附带的能谱仪观察和分析不锈钢的形貌和成分。依据ISO 3768-1976《金属覆盖层中性盐雾试验(NSS试验)》标准在KD-120盐雾试验机中进行中性盐雾试验，研究合金的耐腐蚀性能。

2 结果及讨论

2.1 密度与显微组织

表2所列为Cr2N添加量对316L不锈钢密度的影响。可见不锈钢的密度随Cr2N含量增加略有提高。图3所示为316L不锈钢的显微组织，可见316L不锈钢的金相组织为具有孪晶结构的典型奥氏体组织，随Cr2N含量增加，晶界处形成更多的非奥氏体相组织，如图3(d)中右下角箭头所指处。对3%Cr2N/316L不锈钢晶界处组织进行能谱分析，结果如图4及表3所示。分析结果表明晶界处的Cr含量和Mo含量都明显高于晶粒内，这是因为Cr2N在烧结过程中分解产生Cr，通过Cr-Mo 二元相图可知，Cr与Mo为无限固溶，结合能力很强，因此较多的Mo迁移到晶界处。由于晶界处Cr、N元素偏聚而形成高能区[13]，这些高能区形成液相而降低烧结活化能，有利于烧结致密化，因此随Cr2N添加量增加，烧结密度略有提高。

表2 不同Cr2N添加量的不锈钢密度

图3 不同Cr2N含量的316L不锈钢金相组织

图4 3%Cr2N/316L不锈钢显微组织

表3 图4中各区域的EDS分析结果

2.2 硬度

表4所列为不同Cr2N含量的316L不锈钢硬度。可见不锈钢的硬度随Cr2N含量增加而增大。图5 所示为不同Cr2N含量的316L不锈钢的XRD谱，可见Cr2N含量为0和0.5%的材料为单一的奥氏体相，在Cr2N含量为1%和3%的试样中出现少量Cr2N和Fe-Cr相。烧结过程中，随温度升高，Cr2N分解为Cr和N，Cr和N均是活性原子，很快固溶到基体中，分解产生的一部分形成N2逸散，一部分在冷却过程中形成Cr2N固溶体，同时由于Cr含量较高，形成少量的Fe-Cr相析出。由于N已经有一部分逸散，形成Cr2N并不会造成局部区域贫Cr。N扩散到晶格之间，引起晶格畸变[5−7]，强化奥氏体不锈钢。在添加量为0.5%时，由于Cr2N的量非常少，烧结过程中全部分解，N基本全部逸散，所以烧结样品中不存在Cr2N相。

表4 不同Cr2N添加量的不锈钢样品硬度度

图5 不同Cr2N含量的316L不锈钢的XRD谱

2.3 抗腐蚀性能

图6所示是不同Cr2N含量的316L不锈钢在中性盐雾实验中的照片，所有样品在盐雾腐蚀120 h后表面光滑，都没有出现锈蚀，添加3%Cr2N不会对奥氏体的耐腐蚀性能产生影响。由于有一部分N逸散，所以形成Cr2N 的Cr当量是充足的，不会造成316L不锈钢基体材料中Cr的损失，因而不会导致材料的抗腐蚀性能下降。

图6 Cr2N含量不同的316L不锈钢盐雾腐蚀不同时间后的形貌

3 结论

1) 添加Cr2N有利于提高MIM 316L奥氏体不锈钢的密度。Cr2N含量为3%时密度从不含Cr2N的 7.78 g/cm3提高到7.86 g/cm3。

2) 添加Cr2N能提高MIM 316L奥氏体不锈钢的硬度，当Cr2N的含量为从0增加到3%时，不锈钢硬度HRB从64.5提高到78.0。

3) 316L不锈钢中添加Cr2N对316L不锈钢的腐蚀性能没有影响，显微组织仍为典型的奥氏体组织。

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(编辑 汤金芝)

Effect of Cr2N on microstructure and properties of 316L stainless steel prepared by powder injection molding

ZHU Jie, ZHOU Wan-zhu, MA Yu-ping, WENG Ting, ZENG Ke-li

(Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals, Guangzhou 510651, China)

An austenitic stainless steels added with different content of Cr2N powders were prepared by metal injection molding (MIM). The effects of Cr2N content on microstructure and properties of MIM 316L were studied by SEM and EDS. The influence of Cr2N on the corrosion resistance of MIM 316L austenitic stainless steels was studied by neutral salt spray test. The results show that with Cr2N addition in 316L stainless steels, the microstructure is sill typically austenitic, both the density and hardness increase. When adding 3% Cr2N in the 316L stainless steels, the hardness increases from 64.5 HRB to 78 HRB, and the corrosion resistance remains well.

metal injection molding; austenitic stainless steels; hardening; Cr2N

TF124

A

1673-0224(2015)6-978-05

广东省经济和信息化委员会项目(手机用高端粉末冶金材料制备技术改造)

2014-06-29；

2015-09-10

朱杰，助理工程师，硕士。电话：+8618820036428 E-mail: zhujie20070318@163.com