CN111299588A - 一种耐蚀钢粉末及喂料及耐蚀钢复杂零件的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐蚀钢粉末及喂料及耐蚀钢复杂零件的制备工艺，其中耐蚀钢粉末以质量百分比包含如下成分：C＜0.1％，Cr：10‑14％，Ni：7‑11％，Mo：5‑8％，Co：10‑15％，Si＜0.5％，Mn＜0.5％，其余为Fe。其中耐蚀钢喂料包括均匀混合的耐蚀钢粉末和粘结剂；其中制备工艺包括如下步骤：S1、制备上述超高强钢喂料；S2、成型：通过注射成型或干压成型获得成型坯；S3、脱脂：对于成型坯进行脱脂，形成脱脂坯；S4、烧结：将脱脂坯置于连续烧结炉中，进行烧结获得烧结坯。本发明通过粉末成型技术拓展了超高强钢零件的制备方式，并且该方式还能用于传统制备方式无法制备的复杂零件，尤其是复杂微型零件的制备。
Description
技术领域
本发明涉及粉末成型领域，特别涉及一种耐蚀钢粉末及喂料及耐蚀钢复杂零件的制备工艺。
背景技术
超强耐蚀钢作为一款性能优异的高强度、高韧性、耐蚀且易加工成型和焊接的特种金属材料，主要用于能源开发、石油化工及飞机起落架、主梁、涡轮发动机主轴、发动机壳体和承力螺栓等关键承力构件，传统的超高强耐蚀钢零部件的制备方法是采用熔铸的方法制备，制备的效率和产品尺寸精度及复杂性均较低。
随着消费电子行业对金属材料力学性能的要求日益严苛，特别是目前折叠手机铰链的高精密度、复杂性，所以对铰链要求高强度、韧性、耐磨、耐蚀等特性，因此，超高强耐蚀钢成为该零件的首选材料。但是传统的超高强耐蚀钢零部件的制备方法无法制备复杂零件，尤其是微型零件和微型复杂零件。而电子行业的产品中，复杂零件、微型零件和微型复杂零件又尤其多，因此一直存在如何将超高强耐蚀钢应用到这些零部件的制备上。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种能够用于粉末成型工艺，且通过粉末成型工艺能够获得高性能产品的耐蚀钢粉末。
实现本发明第一个目的的技术方案是：本发明中耐蚀钢粉末，以质量百分比包含如下成分：C＜0.1％，Cr：10-14％，Ni：7-11％，Mo：5-8％，Co：10-15％，Si＜0.5％，Mn＜0.5％，其余为Fe。
由于，耐蚀钢粉末的成分(元素)含量控制，会直接影响后期产品的影响，因此对于成分含量控制尤为重要。本发明在研发耐蚀钢粉末时，进行了大量了技术研究，其各元素之间含量的相互影响是本发明的难点之一。根据大量研究，其机理如下：
C(碳)：是对钢的性能影响最大的基本元素，是一种奥氏体形成元素，他能非常有效的抑制铁素体在高温下形成并增加冷加工诱发的马氏体相的固溶强化。不同的碳含量依据钢中杂质元素含量和轧后冷却条件的不同对于钢的性能影响是不同的，随着钢中碳含量的增加，碳钢在热轧状态下的硬度直线上升，塑性和韧性降低。
Cr(铬)：是一种保证耐腐蚀所要求的的元素，可以提高钢的强度和硬度，提高钢的高温机械性能和淬透性，使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性，但是一种铁素体元素，当其含量较高时，铁素体相较易在高温区形成，需添加奥氏体元素(C、N、Mn、Ni等)来消除，但奥氏体元素过量则会使奥氏体相稳定化，不利于马氏体相在冷加工中诱发形成，所以因综合评估而定。
Ni(镍)：作为高温及室温下的奥氏体元素，可以提高钢的强度而不显著降低其韧性，改善钢的加工性和可焊性，还可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。但过了的加入不利于马氏体相在冷加工中诱发形成。
Mo(钼)：钼和铬都是形成和稳定铁素体并扩大铁素体相区的元素，钼形成铁素体的能力与铬相当，对铁素体有固溶强化作用和抗氢侵蚀作用。钼还促进奥氏体不锈钢中金属间相，钼的加入对其室温力学性能影响不大，但是，随着钼含量的增加，钢的高温强度提高，比如持久，蠕变等性能均获较大改善，同时还能提高钢的淬透性。
Co(钴)：钴和镍、锰一样，和铁形成连续固溶体，钴在回火或使用过程中阻抑、延缓其他元素特殊碳化物的析出和聚集。钴是强化钢的基体，在退火或正火状态的碳素钢中提高硬度和强度，但会引起塑性和冲击韧性的下降，显著提高特殊用途钢和合金的热强性和高温硬度，提高马氏体时效钢的综合力学性能，使其具有超强韧性。钴作为非碳化物形成元素，降低Mo在马氏体中的固溶度，从而促进Mo2C沉淀相的形成，促进奥氏体完全转变为马氏体，减少马氏体转变为逆转奥氏体的倾向。
Si(硅)：通常起到脱氧的作用，提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。通过对应变诱发马氏体相进行硬化并且还通过以固溶态进入奥氏体相对其进行硬化来促进时效后强度的提高，过多的加入硅会使钢的焊接性能恶化。
Mn(锰)：作为控制奥氏体相稳定性元素，可提高钢的淬透性，对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用，同时对钢的高温瞬时强度有所提高，但不如Mo；另外Mn和其他奥氏体相一样不可加入过量，不利于马氏体相在冷加工中诱发形成。
Ti(钛)：和Mo、Cr相同有固溶强化作用，能使钢的内部组织致密，细化晶粒，降低时效敏感性和冷脆性，可以改善焊接性能。Ti也是铁素体形成元素，含量较多(＞2％)易生成铁素体相或其他脆性相而使韧性降低。
由此可见，为了获得本发明中的耐蚀钢粉末，需要进行大量的研究。
本发明的第二个目的是提供一种可用于粉末成型复杂零件的耐蚀钢喂料，该耐蚀钢喂料通过严格的元素含量控制，能够为后期获得高性能的超高强耐蚀钢复杂零件(尤其是微型零件)提供有利条件。
实现本发明第二个目的的技术方案是：本发明中耐蚀钢喂料，包括均匀混合的耐蚀钢粉末和粘结剂；所述耐蚀钢粉末的最佳装载量φ2以如下如下公式获得：
式1：
式2：φ2＝0.96φ1
式1中，ρZ表示耐蚀钢粉末的振实密度，ρL表示耐蚀钢粉末的理论密度，φ1表示装载量；式2中φ2表示最佳装载量。
上述粘结剂包括POM、骨架剂、分散剂、润滑剂、稳定剂。
作为另一种方案，上述粘结剂包括分散剂和润滑剂。
本发明的第三个目的是提供过一种制备超高强耐蚀钢复杂零件的制备工艺；由于金属粉末注射成型(Metal Powder Injection Molding)技术作为粉末冶金成型技术的一种，是目前最具优势的成型技术之一，在解决金属切削加工困难问题、成型金属零件的复杂性、规模化生产及生产效率等方面比其他加工手段具有优势，可制造高可靠性、高强度、高精密复杂微型零部件。本发明中正是通过粉末成型技术，有效解决了通过超高强耐蚀钢制备负载零件，尤其是负载微型零件的困境。
实现本发明第三个目的的技术方案是：本发明中制备超高强耐蚀钢复杂零件的制备工艺，包括如下步骤：
S1、制备上述的耐蚀钢喂料：将上述耐蚀钢粉末和粘结剂按照最佳装载量放入喂料制备机内均匀混合制备形成喂料；
S2、成型：通过注射成型或干压成型获得成型坯；当采用注射成型时，将S1步骤制备的耐蚀钢喂料置于粉末注射成型机中，注射到模具型腔内，形成成型坯；当采用干压成型时，将S1步骤制备的耐蚀钢喂料置于干压机中，干压至模具型腔内，形成成型坯；
S3、脱脂：对于成型坯进行脱脂，形成脱脂坯；
S4、烧结：将脱脂坯置于连续烧结炉中，进行烧结获得烧结坯。
上述步骤S2，当采用注射成型时，将S1步骤制备的耐蚀钢喂料置于粉末注射成型机中，在100～180MPa注射压力和150～200℃的注射温度条件下注射到模具型腔内，形成成型坯；当采用干压成型时，将S1步骤制备的耐蚀钢喂料置于干压机中，在10～20Mpa的压力下干压至模具型腔内，形成成型坯。
上述步骤S3中，对通过注射成型的成型坯进行硝酸催化脱脂，形成脱脂坯，硝酸的流量为2～5ml/min，催化温度为80～120℃，脱脂时间t≥(240+60*H)min，其中H为复杂零件的最大壁厚，单位为mm；对通过干压成型的成型坯，进行热脱，形成脱脂坯；热脱时间t≥(600+60*H)min，其中H为复杂零件的最大壁厚，单位为mm。
上述步骤S4中，将脱脂坯置于连续烧结炉中，在H2气氛下进行烧结，得到烧结坯；烧结温度T控制在1330—1380℃，保温时间为2小时。
同时还包括如下步骤：对烧结坯进行热处理和/或整形和/或机加工和/或表面处理。其中热处理包括固溶和冷处理。
当采用注射成型时，所述粘结剂包括POM、骨架剂、分散剂、润滑剂、稳定剂。
当采用干压成型时，所述粘结剂包括分散剂和润滑剂。
本发明具有积极的效果：(1)为满足超高强耐蚀钢粉末成型高精度复杂零件的性能要求，本发明深入研究了耐蚀钢粉末的元素含量对产品性能的影响，通过严格的元素含量控制，获得了高性能的超高强耐蚀钢复杂零件。
(2)本发明首次用粉末成型工艺制备超高强耐蚀钢零件，通过独特的烧结工艺及热处理工艺，获得了高性能的超高强耐蚀钢复杂零件。
(3)通过本发明制备的超高强耐蚀钢复杂零件，能够运用在3C类产品中，对于促进粉末成型材料体系扩展以及消费电子行业的发展，具有革命性的创新。
具体实施方式
(实施例1)
本发明中耐蚀钢粉末以质量百分比包含如下成分：C＜0.1％，Cr：10-14％，Ni：7-11％，Mo：5-8％，Co：10-15％，Si＜0.5％，Mn＜0.5％，其余为Fe；
本发明中耐蚀钢喂料，包括均匀混合的上述耐蚀钢粉末和粘结剂；所述粘结剂包括POM、骨架剂、分散剂、润滑剂、稳定剂；粘结剂的具体成分如下表：
所述耐蚀钢粉末的最佳装载量φ2以如下如下公式获得：
式1：
式2：φ2＝0.96φ1
式1中，ρZ表示耐蚀钢粉末的振实密度，ρL表示耐蚀钢粉末的理论密度，φ1表示装载量；式2中φ2表示最佳装载量。根据计算，最佳装载量φ2为61.2％。
本发明中耐蚀钢复杂零件的制备工艺，包括如下步骤：
S1、制备上述耐蚀钢喂料：通过将耐蚀钢粉末与粘结剂放入喂料制备机内混合制备获得；
S2、成型：将S1步骤制备的耐蚀钢喂料置于粉末注射成型机中，注射到模具型腔内，形成成型坯；
S3、脱脂：对于成型坯进行脱脂，形成脱脂坯；
S4、烧结：将脱脂坯置于连续烧结炉中，进行烧结获得烧结坯；
S5、热处理：将烧结坯加热至1000℃，并在该温度下保持一小时，然后迅速降温；在固溶退火之后先将其冷藏至-85℃，保持2小时，然后加热到室温(CT)，再将钢材加热至530℃，保持5个小时；
S6、整形/机加工：将烧结好的零件按照客户给定的标准加工至最佳尺寸；
S7、其他后处理方式：表面处理。
所述步骤S2，将S1步骤制备的耐蚀钢喂料置于粉末注射成型机中，在100～180MPa注射压力和150～200℃的注射温度条件下注射到模具型腔内，形成成型坯；
所述步骤S3中，对成型坯进行硝酸催化脱脂，形成脱脂坯，硝酸的流量为2～5ml/min，催化温度为80～120℃，脱脂时间t≥(240+60*H)min，其中H为复杂零件的最大壁厚，单位为mm。
所述步骤S4中，将脱脂坯置于连续烧结炉中，在H2气氛下进行烧结，得到烧结坯；烧结温度T控制在1330—1360℃，保温时间为2小时。
本实施例制备的零件的测试数据如下表：
(实施例2)
本发明中耐蚀钢粉末以质量百分比包含如下成分：C＜0.1％，Cr：10-14％，Ni：7-11％，Mo：5-8％，Co：10-15％，Si＜0.5％，Mn＜0.5％，其余为Fe；
本发明中耐蚀钢喂料，包括均匀混合的上述耐蚀钢粉末和粘结剂，具体组成如下表：
所述耐蚀钢粉末的最佳装载量φ2以如下如下公式获得：
式1：
式2：φ2＝0.96φ1
式1中，ρZ表示耐蚀钢粉末的振实密度，ρL表示耐蚀钢粉末的理论密度，φ1表示装载量；式2中φ2表示最佳装载量。根据计算，最佳装载量φ2为61.2％。
本发明中耐蚀钢复杂零件的制备工艺，包括如下步骤：
S1、制备上述耐蚀钢喂料：通过将耐蚀钢粉末与粘结剂放入喂料制备机内混合制备获得；
S2、成型：将S1步骤制备的耐蚀钢喂料置于干压机中，干压至模具型腔内，形成成型坯；
S3、脱脂：对于成型坯进行脱脂，形成脱脂坯；
S4、烧结：将脱脂坯置于连续烧结炉中，进行烧结获得烧结坯。
S5、热处理：将烧结坯加热至950℃，并在该温度下保持一小时，然后迅速降温；30cm以下的部分可以用合适的液体淬火剂进行淬火，超过30cm的部分应在空气中迅速冷却。在固溶退火之后先将其冷藏至-80℃，保持2小时，然后加热到室温(CT)，再将钢材加热至580℃，保持6个小时；
S6、整形/机加工:将烧结好的零件按照客户给定的标准加工至最佳尺寸；
S7、其他后处理方式：表面处理。
所述步骤S2，将S1步骤制备的耐蚀钢喂料置于干压机中，在20Mpa的压力下干压至模具型腔内，形成成型坯。
所述步骤S3中，对成型坯，进行热脱，形成脱脂坯；热脱时间t≥(600+60*H)min，其中H为复杂零件的最大壁厚，单位为mm。
所述步骤S4中，将脱脂坯置于连续烧结炉中，在H2气氛下进行烧结，得到烧结坯；烧结温度T控制在1330—1360℃，保温时间为2小时。
本实施例制备的零件的测试数据如下表：
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种耐蚀钢粉末，其特征在于以质量百分比包含如下成分：C＜0.1％，Cr：10-14％，Ni：7-11％，Mo：5-8％，Co：10-15％，Si＜0.5％，Mn＜0.5％，其余为Fe。
2.耐蚀钢喂料，其特征在于：包括均匀混合的权利要求1所述的耐蚀钢粉末和粘结剂；耐蚀钢粉末的最佳装载量φ2以如下如下公式获得：
式1：
式2：φ2＝0.96φ1
式1中，ρZ表示耐蚀钢粉末的振实密度，ρL表示耐蚀钢粉末的理论密度，φ1表示装载量；式2中φ2表示最佳装载量。
3.根据权利要求2所述的耐蚀钢喂料，其特征在于：所述粘结剂包括POM、骨架剂、分散剂、润滑剂、增韧剂和稳定剂。
4.根据权利要求2所述的耐蚀钢喂料，其特征在于：所述粘结剂包括分散剂和润滑剂。
5.耐蚀钢复杂零件的制备工艺，其特征在于包括如下步骤：
S1、制备权利要求2所述的耐蚀钢喂料；
S2、成型：通过注射成型或干压成型获得成型坯；当采用注射成型时，将S1步骤制备的耐蚀钢喂料置于粉末注射成型机中，注射到模具型腔内，形成成型坯；当采用干压成型时，将S1步骤制备的耐蚀钢喂料置于干压机中，干压至模具型腔内，形成成型坯；
S3、脱脂：对于成型坯进行脱脂，形成脱脂坯；
S4、烧结：将脱脂坯置于连续烧结炉中，进行烧结获得烧结坯。
6.根据权利要求5所述的制备超高强耐蚀钢复杂零件的制备工艺，其特征在于：所述步骤S2，当采用注射成型时，将S1步骤制备的耐蚀钢喂料置于粉末注射成型机中，在100～180MPa注射压力和150～200℃的注射温度条件下注射到模具型腔内，形成成型坯；当采用干压成型时，将S1步骤制备的耐蚀钢喂料置于干压机中，在10～20Mpa的压力下干压至模具型腔内，形成成型坯。
7.根据权利要求5所述的制备超高强耐蚀钢复杂零件的制备工艺，其特征在于：所述步骤S3中，对通过注射成型的成型坯进行硝酸催化脱脂，形成脱脂坯，硝酸的流量为2～5ml/min，催化温度为80～120℃，脱脂时间t≥(240+60*H)min，其中H为复杂零件的最大壁厚，单位为mm；对通过干压成型的成型坯，进行热脱，形成脱脂坯；热脱时间t≥(600+60*H)min，其中H为复杂零件的最大壁厚，单位为mm。
8.根据权利要求5所述的制备超高强耐蚀钢复杂零件的制备工艺，其特征在于：所述步骤S4中，将脱脂坯置于连续烧结炉中，在H2气氛下进行烧结，得到烧结坯；烧结温度T控制在1330—1380℃，保温时间为2小时。
9.根据权利要求5所述的制备超高强耐蚀钢复杂零件的制备工艺，其特征在于：还包括如下步骤：对烧结坯进行热处理和/或整形和/或机加工和/或表面处理。
10.根据权利要求5所述的制备超高强耐蚀钢复杂零件的制备工艺，其特征在于：当采用注射成型时，所述粘结剂包括POM、骨架剂、分散剂、润滑剂、增韧剂和稳定剂。
11.根据权利要求5所述的制备超高强耐蚀钢复杂零件的制备工艺，其特征在于：当采用干压成型时，所述粘结剂包括分散剂和润滑剂。
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