1、共注射成型耐热钢/软磁不锈钢功能材料的研究 张书彬 重庆工商大学制造装备机构设计与控制重庆市重点实验室 摘 要： 采用共注射成型和共烧结工艺, 制备了耐热钢/软磁不锈钢功能复合材料。利用热膨胀仪对不同粉末装载量的 12CrMoV 耐热钢、KM-31 软磁不锈钢进行烧结收缩和收缩速率测试;利用电子万能试验机、扫描电镜、金相显微镜分别对耐热钢/软磁不锈钢共烧结界面进行抗拉强度、拉伸断口、孔隙分布、金相组织进行测试, 结果表明, 通过调整粉末装载量, 可以有效降低耐热钢与软磁不锈钢之间的烧结收缩率之间的差异, 提高 2 种材料的共烧结匹配度, 从而提高共烧结界面结合强度;67% (体积分数) 耐热钢
2、/57% (体积分数) 软磁不锈钢共烧结试样抗拉强度最高, 可以达到 309.7MPa;12CrMoV 耐热钢/软磁不锈钢共烧结界面相容性良好, 界面过渡组织为珠光体和奥氏体混合相。关键词： 共注射成型; 共烧结; 耐热钢; 软磁; 界面相容性; 作者简介：张书彬, E-mail:bing_ (1976-) , 男, 河北南皮人, 硕士, 讲师, 主要研究方向为包装功能材料。收稿日期：2017-08-12Study on the functional materials of heat-resistant steel/soft magnetic stainless steelZHANG Shu
3、bin Chongqing Key Laboratory of Manufacturing Equipment Mechanism Design and Control, Chongqing Technology and Business University; Abstract： This paper prepared heat-resistant steel/soft-magnetic stainless steel functional composite by co-injection and co-sintering techniques.Sintering shrinkage an
4、d shrinkage rate of 12 CrMoV heat-resistant steel and soft-magnetic steel with various loaded powder amount were characterized by thermal dilatometer.Electronic universal-testing machine, scanning electron microscopy and metallurgical microscopy were used to detect tensile strength, tensile fracture
5、, pore distribution and microstructure of the interface of co-sintering prepared heat-resistant steel/soft-magnetic steel.Results show that by adjusting powder loaded amount, the difference between sintering shrinkage of heat-resistant steel and soft-magnetic steel can be effectively reduced;therefo
6、re, the mismatch of co-sintered materials is reduced and interfacial bonding strength is then improved.67 vol% heat-resistant steel/57 vol% soft stainless steel co-sintered samples displayed the highest tensile strength of 309.7 MPa;the co-sintered presents good interfacial compatibility with interf
7、acial transition microstructure of pearlite and austenite mixture.Keyword： co-injection molding; co-sintering; heat-resistant steel; soft magnetic; interface compatibility; Received： 2017-08-120 引言金属粉末注射成型技术 (MIM) 是一项被广泛应用于制备高精密度、复杂形状的新材料零部件的工业化技术1。目前为止, 已经成功应用于不锈钢、合金钢、陶瓷、铜合金、钛合金等多种新材料零部件的生产, 并且需求量越
8、来越大, 应用越来越广2-4。然而, 多数注射成型零部件生产完成后, 都要进行后期组装与固定, 并且受制于工艺限制, 只能一次成型一种材料零部件, 并不能完全发挥其在复杂零部件制备技术上的优势。如果能够一次成型 2 种材料组合而成的零部件, 将大大降低零部件的制备工艺和组装成本, 进一步提高注射成型的技术优势。粉末共注射成型技术 (Co-MIM) 就是在这一潜在需求下, 科研工作者开发的一项新技术。共注射成型技术其实在塑料注射成型中早已应用5。Co-MIM 可以一次成型制备多种复合功能材料零部件, 进行多种功能的复合设计, 如高韧性/高硬度、耐腐蚀/耐磨损、有磁/无磁等多功能组合6-9。Co-
9、MIM 的基本工艺过程分为 2 种:顺序注射法和同步注射法。顺序注射法是将 2 种材料的粉末与有机粘结剂各自均匀混合, 首先将一种材料注入模腔内, 然后立刻注入另一种材料;同步注射法是同时将 2 种粉末喂料, 通过不同注射口进行注射。浇口的选取以及喂料粘度的搭配是共注射工艺设计的关键所在10-11。共注射完成后, 共烧结步骤是复合材料能否获得良好的界面结合能力的关键。界面结合强度的主要影响因素有共烧结材料的组织相容性、烧结行为匹配度、热膨胀系数等。Simchi 研究认为差异较大的收缩率和收缩速率可以在共烧结过程中, 形成较大的界面应力, 这种界面应力是造成共烧结界面开裂和变形的主要原因12-1
10、3。众所周知, MIM 工艺中粉末装载量可显著影响注射坯的烧结收缩率和收缩速率14-15。因此, 本文以 KM-31 铁素体软磁不锈钢材料和 12CrMoV 耐热高强钢共烧结为研究对象, 通过调整粉末装载量, 改变 12CrMoV 耐热高强钢与 KM-31 软磁不锈钢材料的收缩率和收缩速率, 研究共烧结匹配度对耐热高强钢/不锈钢软磁复合功能材料界面微观形貌以及结合能力的影响。1 实验1.1 原材料合金 A:软磁不锈钢 KM-31 雾化粉末由日本住友株式会社提供, 粉末成分如表 1所示。合金 B:12CrMoV 雾化粉末由中南大学粉冶院实验加工。粘结剂为石蜡基粘结剂, 主要成分为:石蜡 (66%
11、) 、聚丙烯 (22%) 、花生油 (5%) 、蓖麻油 (7%) , 以上为质量分数, %。1.2 试样制备首先将粉末与粘结剂混炼, 混炼时间 4h, 混炼温度 150。粘结剂与原料粉末混合均匀后, 用制粒机制粒;制粒完成后, 采用 HTSJ160B 型共注射成形机采用同步注射工艺进行试样的制备;注射坯采用两步脱脂法将粘结剂脱除, 第一步溶剂脱脂在二氯甲烷中进行;第二步热脱脂在管式炉于氩气氛中进行;烧结过程在113-2 真空烧结炉中氩气气氛下烧结, 烧结工艺为升温速率为 0.8/min, 最高温度为 1 340, 然后自然冷却。表 1 合金粉末成分 (质量分数, %) Tab 1Chemica
12、l composition in alloys (wt%) 下载原表 1.3 性能测试及表征采用 S-4700 型扫描电镜观察注射坯、拉伸断口表面形貌;采用日本岛津 AG-250KNE 电子式万能试验机进行抗拉强度实验;用 Leinca MeA 金相显微镜观察孔隙分布和显微组织结构, 腐蚀液采用 4%硝酸酒精溶液;热膨胀数据测试采用PCY-热膨胀测试仪进行, 升温速率为 0.8/min, 最高温度为 1 340。2 结果与讨论2.1 共注射粉末喂料的制备研究图 1 为不同粉末装载量注射生坯表面 SEM 图。由图 1 可以看出, 随着粉末装载量的增加, 生坯表面粘结剂的量越来越少。粉末装载量为
13、55%时, 12CrMoV 与KM31 软磁不锈钢粉末注射坯表面形貌基本相同, 粉末基本全部被粘结剂包裹, 粉末之间的缝隙全部被粘结剂填充满;当粉末装载量为 61%和 67% (体积分数) 时, 注射生坯表面的粉末逐渐裸露, 虽然粘结剂没有将粉末完全包裹, 但是并没有发生掉粉现象。2.2 单组份喂料烧结行为的研究图 2 为不同组份预烧坯热膨胀曲线。由图 2 可以看出, 对于同组份 12CrMoV 试样来讲, 粉末的装载量越大, 样品烧结收缩率越低, 这主要是由于粉末的装载量越大, 生坯密度越高, 因此高温烧结收缩越小。图 1 不同粉末装载量注射坯表面 SEM 图 Fig 1SEM morpho
14、logy of injection bars with different powder loading 下载原图图 2 不同组份材料热膨胀曲线 Fig 2Thermal expansion curves of different composi-tion materials 下载原图图 3 为不同组份预烧坯热膨胀差值曲线, 由图 2, 3 可以看出, 12CrMoV 与 KM31的烧结收缩率差异较大, 随着烧结温度的升高, 12CrMoV 与 KM31 烧结收缩差异 () 先增大后减小, 最大值发生在 1 0501 100之间。其中 57% (体积分数) 12CrMoV 与 57% (体积分
15、数) KM31 之间的烧结收缩差异 57-57最大, 最大值可以达到 3.35%, 高温烧结完成后, 57-57仍有 2.86%; 67-57最小, 最大值为 2.72%, 高温烧结完成后, 67-57可以缩小至 0.7%, 这说明通过调节粉末装载量, 可以有效降低 12CrMoV 与 KM31 的烧结收缩率差异。图 3 不同组份材料热膨胀差值曲线 Fig 3 Thermal expansion mismatches of different composition materials 下载原图图 4 为不同组份预烧坯热膨胀速率曲线。由图 4 可以看出, 12CrMoV 与 KM31 的烧结快
16、速收缩温度区间不同, 12CrMoV 耐热钢在 1 0501 100之间就开始快速收缩, 收缩速率达到最大值;而 KM31 不锈钢的烧结收缩速率随着烧结温度的升高, 逐渐增加, 直至 1 340烧结完成, 收缩速率还在增加, 这说明 KM31 不锈钢的烧结快速收缩温度区间远高于 12CrMoV 耐热钢。图 4 不同组份材料热膨胀速率曲线 Fig 4Thermal expansion rates of different composi-tion materials 下载原图图 5 为不同组份预烧坯热膨胀速率差曲线。图 5 不同组份材料热膨胀速率差 Fig 5Thermal expansion
17、rate mismatches of different composition materials 下载原图由图 5 可以看出, 随着烧结温度的升高, 12CrMoV 与 KM31 不锈钢烧结收缩速率差异 () 先增大后减小, 最大值发生在 1 0501 100之间。其中 57% (体积分数) 12CrMoV 与 57% (体积分数) KM31 之间的烧结收缩速率差异 57-57最大, 最大值可以达到 4.2m/min; 67-57在 6001 250区间最小, 在 1 2501 340之间, 57-57快速增加, 最大可以达到-4m/min。上述分析可以看出, 调整粉末装载量对调整 12C
18、rMoV 耐热钢与 KM31 软磁不锈钢之间的烧结收缩率、收缩速率之间的差异都可以起到积极的效果, 只是对烧结收缩率的改善效果更为明显。烧结收缩速率的差异还需要通过烧结工艺、装载量等多方面来综合调整。2.3 共烧结界面的研究为了更好的研究 12CrMoV 耐热钢与 KM31 不锈钢材料烧结收缩率和收缩速率的不匹配对 12CrMoV/KM31 共烧结 (以下都简称 A/B 共烧结) 界面的影响, 选择 62% (体积分数) A/57% (体积分数) B 共烧结试样界面为研究对象, 因为 57%A (体积分数) /57% (体积分数) B 共烧结试样界面存在裂纹, 不方便进行观察;选择62% (体
19、积分数) A/57% (体积分数) B 进行研究。图 6 为 62% (体积分数) A/57% (体积分数) B 共烧结试样界面照片和显微组织金相照片。图 6 62% (体积分数) 12CrMoV/57% (体积分数) KM31 共烧结孔隙分布和界面组织 Fig 6Pore morphologies and interface metallograph of 62vol%12CrMoV/57vol%KM31co-sintered components 下载原图由图 6 (a) 可以看出, A/B 共烧结界面存在明显的分界线, 12CrMoV 耐热钢一端烧结比较致密, 只存在一些微小孔隙;而 K
20、M31 不锈钢一端烧结致密度明显低于耐热钢一端, 除了微小孔隙外, 还残留许多大孔, 这一点从 62% (体积分数) 12CrMoV、57% (体积分数) KM31 的热膨胀曲线可以得到验证。由图 6 (b) 可以看出, 62% (体积分数) A/57% (体积分数) B 共烧结存在良好的界面相容性, 界面金相组织显示, KM31 不锈钢一侧组织主要位铁素体, 12CrMoV 耐热钢一侧组织主要为珠光体, 界面中间存在数十微米明显的过渡组织, 主要为珠光体和少量奥氏体的混合组织, 界面组织过渡良好。2.4 共烧结材料力学性能的研究合金力学性能如表 2 所示。表 2 为 12CrMoV 耐热钢与
21、 KM31 不锈钢共烧结样品的拉伸试验数据对比。由表 2 可以看出, 随着粉末装载量的提升, 12CrMoV 耐热钢试样的抗拉强度和延伸率均有所提升, 装载量由 57% (体积分数) 提升至 67% (体积分数) 之后, 耐热钢试样抗拉强度从 430.7 MPa 提升至 497.5 MPa。这主要是因为, 随着装载量的提升, 烧结试样的致密度有所提升, 材料的微观孔隙和缺陷逐渐减少。表 2 合金力学性能 Tab 2 Mechanical properties of the sintered specimen 下载原表 从共烧结试样的抗拉强度数据对比可以看出, 57% (体积分数) A/57%
22、(体积分数) B 共烧结试样抗拉强度最低, 为 223.4 MPa;62% (体积分数) A/57% (体积分数) B 次之, 为 289.9 MPa;67% (体积分数) A/57% (体积分数) B 共烧结试样抗拉强度最高, 为 309.7 MPa, 均具有较好的界面结合强度, 说明界面组织相容性良好。界面强度的变化规律与 12CrMoV 耐热钢、KM31 不锈钢烧结行为匹配度正好吻合, 说明共烧结材料烧结收缩率、收缩速率差异度越小, 匹配度越好, 共烧结的界面结合强度越高。从共烧结试样断裂位置来看, 57% (体积分数) A/57% (体积分数) B 共烧结试样断裂在界面处, 而其它 2
23、 个共烧结实验试样大部分断裂位置发生在软磁不锈钢一侧。这说明 57% (体积分数) A/57% (体积分数) B 共烧结试样的界面结合强度低于 KM31 不锈钢抗拉强度, 而 62% (体积分数) A/57% (体积分数) B、67% (体积分数) A/57% (体积分数) B 共烧结试样界面结合强度高于不锈钢。从图7 共烧结断口形貌可以看出, 67% (体积分数) A/57% (体积分数) B 共烧结试样拉伸断口形貌为典型的韧窝, 韧窝均匀, 为典型的铁素体不锈钢的断口形貌;57% (体积分数) A/57% (体积分数) B 共烧结试样拉伸断口韧窝较浅, 试样断裂延伸率仅为 12.7%, 其
24、抗拉强度仅为 223.4 MPa, 而且断裂位置发生界面处, 说明共烧结界面结合处由于 2 种材料烧结行为差异较大, 界面处可能存在大量裂纹、孔隙等缺陷16, 拉伸试验时, 这些缺陷迅速扩展成裂纹, 造成共烧结界面发生断裂。上述分析说明通过调整粉末装载量, 可以有效提高 12CrMoV 耐热钢与 KM31 不锈钢的烧结行为 (烧结收缩率、收缩速率) 匹配度, 从而提高共烧结界面的结合强度。图 7 共烧结试样拉伸断口形貌 Fig 7 Morphology of the fracture surface of the co-sintered specimens 下载原图3 结论(1) 通过调整粉末
25、装载量, 可以有效降低 12CrMoV 耐热钢与 KM31 软磁不锈钢之间的烧结收缩率之间的差异, 提高 2 种材料的共烧结匹配度。(2) 12CrMoV 耐热钢与 KM31 软磁不锈钢共烧结界面相容性良好, 界面过渡组织为珠光体和奥氏体混合相。(3) 通过降低 12CrMoV 耐热钢与 KM31 软磁不锈钢之间的烧结收缩率之间的差异, 可有效减少共烧结界面应力以及界面应力引起的各种缺陷, 提高共烧结界面结合强度。参考文献1Pest A, Petzoldt F, Eifert H, Veltl Gand German R M.Composite parts by powder injectio
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