粉末微注射成形微反应器的显微组织和磨损性能研究

郑宏雪, 张晨蕊, 郭志刚, 陈博，宋凯，刘琳

（中国矿业大学（北京） 机电与信息工程学院，北京 100083）

0 引言

随着科技的发展，在矿业领域中对零部件的强度、硬度和耐磨性要求随之提高，在各种材料体系中，17-4 PH、奥氏体、铁素体和双相不锈钢被广泛应用[1]。特别是17-4PH不锈钢，一种含3%～5%铜的沉淀硬化的马氏体不锈钢，由于其耐腐蚀性好、强度高、成本低、力学性能优良，在汽车、矿业、医疗设备、化工等行业广泛应用[2-4]。金属注射成形（metal injection molding，简称MIM）是一种近净成形技术，可制备形状复杂的零件、大批量生产零部件，近年被广泛应用于制造高密度、组织均匀的金属零件。

诸多研究学者发现，第二相强化对于钢的增韧强化是有明显效果的，由于多相结构与第二相粒子之间的相互作用，可以同时提高钢的强度与韧性[5]。微量合金元素如Nb、Ti、V等，具有析出强化和晶粒细化的作用，一般用作第二相强化以提高钢的强度。周建党等[6]研究发现，在高铬铸铁中加入纳米VC颗粒改善了高铬铸铁的凝固组织，使高铬铸铁的冲击吸收能提高39%，磨损率降低。Nurminen等[7]研究表明，添加相同含量TiC和VC的情况下，添加VC的铁基材料具有更好的耐磨性。Park等[8]研究在高速钢中添加VC，发现钒含量的增加促进MC型碳化物的形成，抑制M6C碳化物，其耐磨性能随着VC含量的增加而提高了3～4倍。Wang Jing等[9]通过原位成形在铁基材料中添加VC，发现其显微组织是以VC硬质合金为增强相，α-Fe为基体组成的。Kan等[10]研究使用铸造工艺在304不锈钢中添加NbC，发现随着NbC含量的增加，钢的硬度也随之增加。张翔等[11]通过加入不同比例的石墨碳增强17-4PH不锈钢，发现钢中碳质量分数为0.16%时硬度有明显的提高，烧结后硬度为98.1 HRB，热处理后硬度为97 HRB；但若继续增加碳含量，钢的硬度、强度都会逐渐降低。史咏鑫等[12]研究发现，在17-4PH不锈钢中加入一定量的N后，钢的强度、硬度和塑性均有所提高。因为碳氮化物的形成有利于抑制奥氏体的生长和再结晶，在变形奥氏体中积累更多的位错，能够细化铁素体晶粒，改善材料的力学性能[13]。

本实验通过添加第二相颗粒VC来提高17-4PH不锈钢的强度与耐磨性，系统地研究17-4PH不锈钢和第二相颗粒之间的相互作用对17-4PH不锈钢组织的演变和性能优化的影响，主要研究在17-4PH不锈钢中添加不同的VC含量，观察其组织的演变，以及对基体材料显微硬度、磨损系数和磨损损失量的影响，将微观组织与这些性能联系起来进行分析。为改善17-4PH不锈钢强度与耐磨性等性能的工艺提供参考依据。

1 实验方法

1.1 实验原料

水气联合雾化法制得的17-4PH不锈钢粉末的粒径为：D10=3.155 μm、D50=8.628 μm、D90=20.599 μm；雾化法制得的17-4PH不锈钢粉末的粒径为：D10=4.0 μm、D50=12.0 μm、D90=27.0 μm。将水气联合雾化法制得的17-4PH不锈钢粉末与气雾化法制得的17-4PH不锈钢粉末按照1:3的比例进行球磨，球磨均匀混合后得到的粉末作为原料之一，与单独使用气体雾化粉末相比，混合粉末在MIM中的使用提供了更均匀的微观结构。在球磨混合17-4PH不锈钢粉末时添加VC的质量分数分别为0%、4%、8%和12%，以得到最终使用在金属微注射成形中的粉体。本次实验的黏合剂体系由30%的石蜡（PW）、50%的高密度聚乙烯（HDPE）、15%的乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和5%的硬脂酸（SA）组成，使其既能在注射成形过程的填充型腔中提高粉末的流动性，又能在脱脂过程中维持支撑注射件的形状。

1.2 金属注射成形

通过HAAKE型转矩流变仪来测量粉末装载量，温度设置为170 ℃，转速为60 r/min，起始的粉末装载体积分数为55%，然后以2%的幅度增长。注射成形工作使用的是海天MA600II/130螺杆式注射机，注射温度为165 ℃，注射压力为6 MPa，注射速度为50 mm/s；模具温度为60 ℃。选用溶剂脱脂与热脱脂两者相结合的方式进行脱脂以除去注射件中的黏结剂，其中溶剂脱脂工艺选择正己烷溶液作为溶剂；根据热重分析曲线中的温度点设计热脱脂曲线，在OTF-1200X管式炉氮气气氛下进行注射件的热脱黏。脱黏后，在氢气气氛下，通过KSL-1700X管式炉在1350 ℃下进行烧结处理。

1.3 热处理

试样烧结后在KSL-1800X-s管式炉中进行固溶处理和时效处理，固溶处理的过程为：从室温开始以8 ℃/min的升温速率加热至1040 ℃，保温50 min后进行油冷至温度达到室温。时效处理的过程为：从室温开始以5 ℃/min的加温速率加热至480 ℃，保温20 h后进行空冷至温度达到室温。时效处理有利于Cu和Nb在过饱和Cu和Nb的马氏体中析出，从而进一步提高烧结试样的力学性能。

1.4 性能表征

采用扫描电子显微镜（S-3400N）和X射线衍射仪（Science-S2）对不同VC含量的热处理试样的微观结构进行表征，XRD测试扫描角度为10°～90°；采用HV-1000显微维氏硬度计在9.8 N的载荷下测定热处理试样的硬度；在WTM-2E显微摩擦磨损试验机上测试热处理试样的磨损性能，测试磨损时间为40 min、磨损半径为2 mm、磨球为Si3N4陶瓷球。

2 结果与讨论

2.1 添加VC的17-4PH不锈钢的微观结构分析

图1是加入不同含量VC的热处理样品的扫描电镜显微组织，同时结合XRD结果可知。当热处理温度超过17-4PH不锈钢的奥氏体化温度时，固溶处理过程中会形成富Cu和Nb的马氏体组织，同时一部分奥氏体转化为铁素体得以保留，剩下的在基体上形成残余奥氏体，组织中的马氏体包含淬火马氏体及在时效过程中转变的回火马氏体。对于原始粉末热处理的试样，其组织中含有铁素体和少量的奥氏体；当VC质量分数为4%时，热处理试样的显微组织为细条状马氏体、铁素体和较少的奥氏体；当VC的加入量增加到8%和12%时，显微组织为马氏体、奥氏体和铁素体，同时有强化相VC沿晶界析出；随着VC含量的增加，强化相颗粒明显增大并且遍布于整个马氏体基体上。观察0%、4%VC、8%VC和12%VC的热处理试样发现：0%、4%VC和8%VC试样的表面形貌良好，并无翘曲、弯曲等缺陷，而12%VC热处理试样出现了脆性断裂的现象，这可能是因为对于12%VC的试样来说，随着C含量的进一步增加，使得样品的硬度随之提高，但导致其塑性大幅降低，从而发生脆性断裂。

图1 添加不同VC含量热处理试样的扫描电镜结果

2.2 硬度和耐磨性

2.2.1 硬度

图2为添加不同质量分数VC热处理试样的硬度值，经过热处理后，添加4% VC和8% VC的试样硬度略有提高，在固溶处理后第二相的析出以及部分合金元素来不及析出形成过饱和的α-Fe固溶体，最终形成的马氏体组织会提高试样的硬度，但VC中的碳含量可能会增加热处理后残余奥氏体的数量，而残余奥氏体的硬度低于马氏体，二者之间的作用有一定的抵消，所以热处理后试样的硬度略有增加；对于VC质量分数为12%的试样，热处理后硬度显著提 高 了133% ，这是因为VC中的碳原子扩散到基体中，使试样的硬度进一步增加。

图2 不同VC质量分数的热处理试样的硬度值

2.2.2 耐磨性

磨损过程中，加入不同含量VC热处理试样的摩擦因数随时间关系变化曲线如图3所示，随着VC含量的增加，磨合期达到稳定状态的时间逐渐延长。此外，热处理试样的摩擦因数随VC含量的增加而减小。图4和图5为不同含量VC进行热处理后试样的磨损损失量和磨损磨痕的形貌图，试样的磨损损失量和磨损磨痕宽度随VC含量的增加而减小。观察原始粉末热处理试样的磨损形貌发现，在磨痕右侧有明显的擦伤，中间部位存在较软金属附着在较硬金属表面上的涂抹形式，在试样表面发生黏着磨损；4%VC试样的磨痕宽度有所缩小，存在较小范围的涂抹，同时在磨损区域的边缘处有少量的犁沟现象，这是由于磨屑的存在起到了磨粒磨损的作用；VC含量为8%时，磨痕宽度进一步减小，有较多的犁沟，以磨粒磨损为主，黏着磨损作用减弱；VC 质 量 分数为12%时，磨痕略微发生塑性变形，几乎没有犁沟的存在。热处理提高了试样的耐磨性，这是因为在经过热处理后，V和Cr形成化合物，大幅度提高了试样的硬度和耐磨性。

图3 不同质量分数VC热处理试样的摩擦因数与时间的关系

图4 不同质量分数VC的热处理试样磨损损失量曲线

图5 热处理试样的磨损磨痕形貌图

3 结论

1）在17-4PH不锈钢经过热处理后，添加VC的17-4PH不锈钢试样的显微组织为马氏体、奥氏体和铁素体，当VC添加量增加到8%和12%时，出现了强化相VC偏析现象。对于VC含量为12%的试样，热处理后硬度提高了133%，这是因为VC中的碳原子扩散到基体中，使试样的硬度显著增加。

2）在17-4PH不锈钢经过热处理后，随着VC含量的增加，热处理试样的摩擦因数逐渐减小，磨合阶段稳定的时间逐渐增大，试样的磨损损失量和磨损磨痕宽度均随着VC含量的增加而减小，其中当VC质量分数为12%时试样的磨损损失最小。