粉末冶金Fe-13Cr-0.5Mo-3Nb透气钢的制备及其模具应用性能

陈刚，朱立华，吴旭升，沈书成

粉末冶金Fe-13Cr-0.5Mo-3Nb透气钢的制备及其模具应用性能

陈刚1，朱立华1，吴旭升2，沈书成1

(1. 湖南大学材料科学与工程学院，长沙 410082；2. 江西安而泰合金科技有限公司，新余 338012)

以一种高碳含铌不锈钢Fe-13Cr-0.5Mo-3Nb合金粉末为原料，通过粉末冶金法制备多孔透气钢，研究粉末粒度、压坯密度和烧结温度对透气钢的结构与性能的影响。并研究该透气钢在注射成形模具制备中的应用性能。结果表明：采用粒径96~120 μm的粉末，在平均压坯密度5.6 g/cm3，烧结温度1 280 ℃条件下制备的透气钢具有高的强度、良好的透气性以及优异的耐蚀性能，其屈服强度为295 MPa，腐蚀速率为0.016 mm/y，该透气钢用于注射模具可明显地改善注塑产品的表面质量。与进口同类材料相比，在保证良好的透气性与耐蚀性基础上，可明显提高模具的力学性能。

透气钢；粉末冶金；透气性能；力学性能；耐腐蚀性能

透气钢也叫多孔不锈钢或多孔金属透气钢等，广泛用于生物医用[1−2]、工模器械[3−4]、吸声减噪[5]等方面，将透气钢用于注射模具中，不仅可以改善注射工艺及模具结构[6]，解决注射模具排气困气问题[7−8]，还能降低注塑件因分型面、排气系统而产生的表面飞边、毛刺、壁厚不均等缺陷[9]，使产品充型更饱满，显著提高产品的表面成形质量[10]。目前我国注射成形等行业用透气钢主要依赖进口，其价格昂贵，每公斤售价高达千元以上[6]，因此，近年来国内材料工作者开展了相关的研究，XIE等[11]通过选区激光烧结技术制备具有一定孔隙结构的316L多孔材料，研究了不同工艺参数对孔隙率及屈服强度的影响，结果表明不同工艺参数下，其孔隙尺寸为35~160 μm，孔隙率为28%~ 58%，压缩屈服强度为15~53 MPa；杨翔鹏等[6]以316L不锈钢为原材料，通过凝胶注模+微波烧结技术制备透气钢，经研究发现，透气钢内部孔隙分布均匀，透气度可达2.83 m3/(h·kPa·m2)，性能指标与进口PM35透气钢相近；吴树海等[12]通过以316L不锈钢为原材料及凝胶注模+微波烧结技术制备出具有一定透气性能的透气钢，研究该透气钢应用于注塑模具中的实际效果，结果表明透气钢模具生产出的产品成形质量较好，且其抗弯强度可达310 MPa。

考虑到透气钢须保证高的孔隙率和耐蚀性能，其材质大多采用普通316不锈钢[12]，因此产品的强度较低，如美产透气钢抗拉强度为80 MPa左右，日产透气钢其压缩屈服强度低于110 MPa，因此，开发一种具有高强度、同时具有良好的耐腐蚀性能和透气性的透气钢材料有着重要的实际应用价值。据此，本研究在4Cr13马氏体不锈钢基础上，在提高C含量同时添加一定量的Nb元素，提出一种新型的高碳含铌不锈钢，以其水雾化粉末为原材料，采用粉末冶金工艺制备具有良好综合性能的透气钢，并对不同工艺条件下制品的微观构造、透气性、强度及耐蚀性能进行表征研究，优化工艺参数组合，以期为透气钢的国产化提供实验依据。

1 实验

1.1 透气钢材料的制备

实验采用的高碳含铌不锈钢合金粉末为Fe-13Cr- 0.5Mo-3Nb，江西安而泰合金科技有限公司通过水雾化法制备，具体成分如表1所列。筛分出四种不同粒度范围的粉末(120~180 μm，96~120 μm，75~96 μm，48~75 μm，50分别为138，109，84和61 μm)，采用MJM-C系列全自动粉末成形压机将其分别压制成密度为(4.8±0.02) g/cm3，(5.2±0.02)g/cm3，(5.6±0.02) g/cm3，(6.0±0.02) g/cm3的压坯，压坯的尺寸为Φ20 mm×35 mm，并在不同的烧结温度下制备出透气钢样品，以探索最佳的工艺条件。不同粒度的粉末压制成上述相同密度的压坯，压机的压制压力不同，各样品对应的制备参数如表2所列，同时由于在压制过程中采用的是双向压制，且其高径比接近2，故单个压坯的密度分布不均匀，呈负抛物线型分布，因此以平均压坯密度表示其密度。混料采用V型混料机，混料时间为30 min，同时添加质量分数为1%硬脂酸锌为润滑剂，在JZS-1244真空炉中进行烧结。

表1 不锈钢粉末化学成分

表2 透气钢制备参数

1.2 透气钢性能的检测

采用自制的透气性能检测装置测量样品的透气性，原理如图1所示。

图1 透气性能检测装置

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

根据达西定律层流状态下压差和流量关系式[13]：

式中：为相对透气系数；为流体体积流速；为垂直于流体流动方向的试样有效面积；∆为流体流入试样的压力与流出试样的压力差。

样品的微观形貌及元素分布通过带有EDS能谱仪的FEI QuANTA 200环境扫描电子显微镜观察，压缩强度采用INSTRON-3382电子万能材料试验机测定，其中压缩速度为0.5 mm/min，压缩样品的尺寸为Φ12 mm×30 mm；耐腐蚀性能采用LRHS−108−RY型盐雾试验机检测，其中样品的尺寸为Φ12 mm×30 mm，控制试验箱温度为35 ℃，压力桶温度为47 ℃，喷雾量为1.2 mL/80 cm2∙h−1。

2 实验结果

2.1 压坯的宏观形貌

图2所示为各组实验压制压坯的形貌，样品13~15表面产生裂纹甚至断裂，样品16的端面发生了粉末颗粒剥落现象。可见当采用50为61 μm粉末，平均压坯密度为6 g/cm3以下时，难以压制成形，提高平均压坯密度可以得到改善(样品16)。而采用较大粒径粉末，如粉末50为138 μm、109 μm或84 μm时，平均密度在4.8~6.0 g/cm3之间的压坯表面皆较为光滑，成形完整，如图2中样品1~12所示。

图2 各实验条件下透气钢压坯宏观形貌

2.2 烧结坯的宏观形貌

对可压制成形的压坯(样品1~12)进行烧结，如图3所示，分别为不同实验条件下烧结坯的宏观形貌，压坯在1 220 ℃烧结时，烧结坯发生断裂，如样品1、8、10；1 250 ℃烧结时，烧结坯表面存在裂纹与孔隙，如样品4、5、11；1 280 ℃烧结时，平均密度为4.8 g/cm3的压坯烧结后表面存在毫米级孔隙，如样品9，而1 280 ℃下采用较大压坯密度的压制压坯进行烧结时，其表面完好，如样品2，7；1 310 ℃烧结时，烧结坯的表面无孔隙，且表面光洁度较好，如样品3、6、12。

2.3 烧结坯的微观形貌

剔除掉烧裂的烧结坯，完好的烧结坯微观形貌如图4所示，通过Image-Pro软件计算出各样品的孔隙率，结果如图5所示。由图可知，平均压坯密度为4.8~6 g/cm3，烧结温度在1 250~1 310 ℃范围内，烧结坯中都存在均匀分布的不规则孔隙，并且不同工艺参数下孔隙数量不同，粉末粒度对孔隙率数量及尺寸影响较小，而随压坯密度提高，孔隙数量有所减少；对其影响较大的为烧结温度，相对于1 250 ℃和1 280 ℃，1 310 ℃下烧结时的孔隙率降低，孔隙尺寸减小。

图3 各实验条件下透气钢宏观形貌

图4 各实验条件下透气钢微观形貌图

图5 各组实验下样品的孔隙率

2.4 烧结坯的透气性能

图6为各实验条件下烧结坯相对透气系数值，在相同条件下，1 310 ℃烧结的透气钢(样品3、6、12)及压坯密度为6 g/cm3的透气钢(样品4、12)相对透气系数较低，表明其透气性能较差。而随烧结温度及压坯密度降低，透气性能逐渐改善，平均压坯密度为4.8 g/cm3的透气钢(样品5、9)相对透气系数较高。

图6 各组实验下样品的相对透气系数