420不锈钢注射成形用塑基喂料制备及其应用研究

蒋兴权，李笃信＊，卢仁伟，杨忠臣，刘志勇

（1.中南大学 粉末冶金国家重点实验室，湖南 长沙 410083；2.长沙聚众冶金科技有限公司，湖南 长沙 410083）

420不锈钢具有强度高、硬度高、耐磨性好以及抛光性能好等优点，广泛用于生产不锈钢刀具，轴、轴承、阀门、塑料模具及医用刀钳器具等。然而，该不锈钢难于机加工，采用铸造、机加工等传统方法在制备复杂形状420不锈钢部件时存在工艺复杂、成本高、生产效率低下等问题[1]。金属注射成形是一种新型粉末冶金近净成形技术，与传统工艺相比，在制造几何形状复杂、精度高、组织均匀、性能优异的产品上具有独特的优势。

本文在前人研究成果的基础上以420不锈钢为原料，制备了一种注射成形用塑基喂料，分析了该喂料的热性能、均匀性，对烧结坯的力学性能进行了研究。

1 实验

实验采用湖南恒基粉末科技有限责任公司提供的420气雾化不锈钢金属粉末，其化学成分和粉末中位径见表1。

表1 420不锈钢粉末化学成分表

粘结剂的成分主要包括聚甲醛、高密度聚乙烯和其他辅助添加剂。将粘结剂组元和420不锈钢粉末按58%的粉末装载量进行混炼和造粒得到喂料。随后在195℃下通过注射成形得到注射坯，接着经过脱脂得到脱脂坯；最后在烧结炉内进行烧结致密化，烧结温度为1300℃～1360℃，保温2h。

采用SDT-Q600同步热分析仪对喂料进行TGA测试；用Instron3369材料力学试验机对烧结坯抗弯强度进行测试；Nova Nano SEM 230扫描电镜对生坯断口形貌进行观察。

2 结果和讨论

2.1 喂料热性能分析

图1 喂料的DSC-TG曲线

图1为420不锈钢粉末制备的喂料的DSC-TG曲线，由图知，在130℃，169℃和400℃左右各出现了一个吸收峰，其中130℃的吸收峰代表的是HDPE的熔融温度；169℃为POM熔融温度；400℃为粘结剂的主要分解温度。从TG曲线可得出，喂料在280℃～500℃之间有两个温度失重区间。第一阶段失重区间是280℃～417℃，主要是POM、HDPE以及部分SA的热分解失重；第二阶段失重区间是417℃～500℃，此阶段主要是余量HDPE、SA的热分解失重，所有粘结剂组元在500℃脱除干净。根据以上分析，为保证粘结剂具有良好流动性的同时避免低熔点粘结剂组元的分解，确定注射温度为：180℃～210℃。

2.2 喂料均匀性分析

图2为该喂料的注射坯断面的微观形貌。从图中可以看出420不锈钢粉末没有出现团聚的现象，金属粉末间均匀的填充了粘结剂，形成了均匀的喂料。

图2 注射坯断面形貌

2.3 烧结收缩率分析

图3为不同温度下的烧结收缩率，由图知，随着烧结温度的升高，试样各方向的收缩率也随着增加。且三个方向上的收缩率都是长度方向最大，宽度方向次之，厚度方向最小，差异小于0.5%，说明该喂料制备的420不锈钢零部件的烧结均匀性好，精度高，能满足生产要求。

图3 不同烧结温度下的收缩率

2.4 密度及力学性能分析

由表2可知，随着烧结温度的升高，烧结坯的密度与力学性能呈现增大的趋势，且在1340℃之前的增幅最明显，1340℃时密度达到7.61g/cm3，硬度达到54.26HRC，抗弯强度达1253.37MPa；随着烧结温度的进一步升高，烧结密度与硬度趋于稳定。这是因为随着烧结温度的升高，低熔点的组员熔化形成液相，在毛细管力和表面张力的作用下固相颗粒重新排布，达到致密排列，孔隙进一步的减少，密度就得到升高，力学性能也得到提升。

表2 不同烧结温度下的密度、致密度及力学性能

但随着温度的进一步提高，达到1360℃时，抗弯强度略有下降是因为此时试样的微观组织开始长大，这就导致了抗弯强度略有下降。综合上述，最佳的烧结温度为1340℃。

3 结论

（1）180℃～210℃为该喂料的合适注射温度，该喂料的均匀性好。

（2）该喂料制备的420不锈钢零部件的烧结均匀性好，精度高，能满足生产要求。

（3）烧结坯的最佳烧结温度为1340℃，此时的密度为7.61g/cm3，硬度为54.26HRC，抗弯强度为1253.37MPa，能较好的满足生产的需要。