鄭宏雪, 張晨蕊, 郭志剛, 陳博，宋凱，劉琳

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，在礦業(yè)領(lǐng)域中對(duì)零部件的強(qiáng)度、硬度和耐磨性要求隨之提高，在各種材料體系中，17-4 PH、奧氏體、鐵素體和雙相不銹鋼被廣泛應(yīng)用[1]。特別是17-4PH不銹鋼，一種含3%～5%銅的沉淀硬化的馬氏體不銹鋼，由于其耐腐蝕性好、強(qiáng)度高、成本低、力學(xué)性能優(yōu)良，在汽車、礦業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、化工等行業(yè)廣泛應(yīng)用[2-4]。金屬注射成形（metal injection molding，簡(jiǎn)稱MIM）是一種近凈成形技術(shù)，可制備形狀復(fù)雜的零件、大批量生產(chǎn)零部件，近年被廣泛應(yīng)用于制造高密度、組織均勻的金屬零件。

諸多研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，第二相強(qiáng)化對(duì)于鋼的增韌強(qiáng)化是有明顯效果的，由于多相結(jié)構(gòu)與第二相粒子之間的相互作用，可以同時(shí)提高鋼的強(qiáng)度與韌性[5]。微量合金元素如Nb、Ti、V等，具有析出強(qiáng)化和晶粒細(xì)化的作用，一般用作第二相強(qiáng)化以提高鋼的強(qiáng)度。周建黨等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在高鉻鑄鐵中加入納米VC顆粒改善了高鉻鑄鐵的凝固組織，使高鉻鑄鐵的沖擊吸收能提高39%，磨損率降低。Nurminen等[7]研究表明，添加相同含量TiC和VC的情況下，添加VC的鐵基材料具有更好的耐磨性。Park等[8]研究在高速鋼中添加VC，發(fā)現(xiàn)釩含量的增加促進(jìn)MC型碳化物的形成，抑制M6C碳化物，其耐磨性能隨著VC含量的增加而提高了3～4倍。Wang Jing等[9]通過原位成形在鐵基材料中添加VC，發(fā)現(xiàn)其顯微組織是以VC硬質(zhì)合金為增強(qiáng)相，α-Fe為基體組成的。Kan等[10]研究使用鑄造工藝在304不銹鋼中添加NbC，發(fā)現(xiàn)隨著NbC含量的增加，鋼的硬度也隨之增加。張翔等[11]通過加入不同比例的石墨碳增強(qiáng)17-4PH不銹鋼，發(fā)現(xiàn)鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%時(shí)硬度有明顯的提高，燒結(jié)后硬度為98.1 HRB，熱處理后硬度為97 HRB；但若繼續(xù)增加碳含量，鋼的硬度、強(qiáng)度都會(huì)逐漸降低。史詠鑫等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在17-4PH不銹鋼中加入一定量的N后，鋼的強(qiáng)度、硬度和塑性均有所提高。因?yàn)樘嫉锏男纬捎欣谝种茒W氏體的生長和再結(jié)晶，在變形奧氏體中積累更多的位錯(cuò)，能夠細(xì)化鐵素體晶粒，改善材料的力學(xué)性能[13]。

本實(shí)驗(yàn)通過添加第二相顆粒VC來提高17-4PH不銹鋼的強(qiáng)度與耐磨性，系統(tǒng)地研究17-4PH不銹鋼和第二相顆粒之間的相互作用對(duì)17-4PH不銹鋼組織的演變和性能優(yōu)化的影響，主要研究在17-4PH不銹鋼中添加不同的VC含量，觀察其組織的演變，以及對(duì)基體材料顯微硬度、磨損系數(shù)和磨損損失量的影響，將微觀組織與這些性能聯(lián)系起來進(jìn)行分析。為改善17-4PH不銹鋼強(qiáng)度與耐磨性等性能的工藝提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

水氣聯(lián)合霧化法制得的17-4PH不銹鋼粉末的粒徑為：D10=3.155 μm、D50=8.628 μm、D90=20.599 μm；霧化法制得的17-4PH不銹鋼粉末的粒徑為：D10=4.0 μm、D50=12.0 μm、D90=27.0 μm。將水氣聯(lián)合霧化法制得的17-4PH不銹鋼粉末與氣霧化法制得的17-4PH不銹鋼粉末按照1:3的比例進(jìn)行球磨，球磨均勻混合后得到的粉末作為原料之一，與單獨(dú)使用氣體霧化粉末相比，混合粉末在MIM中的使用提供了更均勻的微觀結(jié)構(gòu)。在球磨混合17-4PH不銹鋼粉末時(shí)添加VC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、4%、8%和12%，以得到最終使用在金屬微注射成形中的粉體。本次實(shí)驗(yàn)的黏合劑體系由30%的石蠟（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）組成，使其既能在注射成形過程的填充型腔中提高粉末的流動(dòng)性，又能在脫脂過程中維持支撐注射件的形狀。

1.2 金屬注射成形

通過HAAKE型轉(zhuǎn)矩流變儀來測(cè)量粉末裝載量，溫度設(shè)置為170 ℃，轉(zhuǎn)速為60 r/min，起始的粉末裝載體積分?jǐn)?shù)為55%，然后以2%的幅度增長。注射成形工作使用的是海天MA600II/130螺桿式注射機(jī)，注射溫度為165 ℃，注射壓力為6 MPa，注射速度為50 mm/s；模具溫度為60 ℃。選用溶劑脫脂與熱脫脂兩者相結(jié)合的方式進(jìn)行脫脂以除去注射件中的黏結(jié)劑，其中溶劑脫脂工藝選擇正己烷溶液作為溶劑；根據(jù)熱重分析曲線中的溫度點(diǎn)設(shè)計(jì)熱脫脂曲線，在OTF-1200X管式爐氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行注射件的熱脫黏。脫黏后，在氫氣氣氛下，通過KSL-1700X管式爐在1350 ℃下進(jìn)行燒結(jié)處理。

1.3 熱處理

試樣燒結(jié)后在KSL-1800X-s管式爐中進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理，固溶處理的過程為：從室溫開始以8 ℃/min的升溫速率加熱至1040 ℃，保溫50 min后進(jìn)行油冷至溫度達(dá)到室溫。時(shí)效處理的過程為：從室溫開始以5 ℃/min的加溫速率加熱至480 ℃，保溫20 h后進(jìn)行空冷至溫度達(dá)到室溫。時(shí)效處理有利于Cu和Nb在過飽和Cu和Nb的馬氏體中析出，從而進(jìn)一步提高燒結(jié)試樣的力學(xué)性能。

1.4 性能表征

采用掃描電子顯微鏡（S-3400N）和X射線衍射儀（Science-S2）對(duì)不同VC含量的熱處理試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，XRD測(cè)試掃描角度為10°～90°；采用HV-1000顯微維氏硬度計(jì)在9.8 N的載荷下測(cè)定熱處理試樣的硬度；在WTM-2E顯微摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試熱處理試樣的磨損性能，測(cè)試磨損時(shí)間為40 min、磨損半徑為2 mm、磨球?yàn)镾i3N4陶瓷球。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加VC的17-4PH不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1是加入不同含量VC的熱處理樣品的掃描電鏡顯微組織，同時(shí)結(jié)合XRD結(jié)果可知。當(dāng)熱處理溫度超過17-4PH不銹鋼的奧氏體化溫度時(shí)，固溶處理過程中會(huì)形成富Cu和Nb的馬氏體組織，同時(shí)一部分奧氏體轉(zhuǎn)化為鐵素體得以保留，剩下的在基體上形成殘余奧氏體，組織中的馬氏體包含淬火馬氏體及在時(shí)效過程中轉(zhuǎn)變的回火馬氏體。對(duì)于原始粉末熱處理的試樣，其組織中含有鐵素體和少量的奧氏體；當(dāng)VC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，熱處理試樣的顯微組織為細(xì)條狀馬氏體、鐵素體和較少的奧氏體；當(dāng)VC的加入量增加到8%和12%時(shí)，顯微組織為馬氏體、奧氏體和鐵素體，同時(shí)有強(qiáng)化相VC沿晶界析出；隨著VC含量的增加，強(qiáng)化相顆粒明顯增大并且遍布于整個(gè)馬氏體基體上。觀察0%、4%VC、8%VC和12%VC的熱處理試樣發(fā)現(xiàn)：0%、4%VC和8%VC試樣的表面形貌良好，并無翹曲、彎曲等缺陷，而12%VC熱處理試樣出現(xiàn)了脆性斷裂的現(xiàn)象，這可能是因?yàn)閷?duì)于12%VC的試樣來說，隨著C含量的進(jìn)一步增加，使得樣品的硬度隨之提高，但導(dǎo)致其塑性大幅降低，從而發(fā)生脆性斷裂。

圖1 添加不同VC含量熱處理試樣的掃描電鏡結(jié)果

2.2 硬度和耐磨性

2.2.1 硬度

圖2為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)VC熱處理試樣的硬度值，經(jīng)過熱處理后，添加4% VC和8% VC的試樣硬度略有提高，在固溶處理后第二相的析出以及部分合金元素來不及析出形成過飽和的α-Fe固溶體，最終形成的馬氏體組織會(huì)提高試樣的硬度，但VC中的碳含量可能會(huì)增加熱處理后殘余奧氏體的數(shù)量，而殘余奧氏體的硬度低于馬氏體，二者之間的作用有一定的抵消，所以熱處理后試樣的硬度略有增加；對(duì)于VC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的試樣，熱處理后硬度顯著提 高 了133% ，這是因?yàn)閂C中的碳原子擴(kuò)散到基體中，使試樣的硬度進(jìn)一步增加。

圖2 不同VC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的熱處理試樣的硬度值

2.2.2 耐磨性

磨損過程中，加入不同含量VC熱處理試樣的摩擦因數(shù)隨時(shí)間關(guān)系變化曲線如圖3所示，隨著VC含量的增加，磨合期達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間逐漸延長。此外，熱處理試樣的摩擦因數(shù)隨VC含量的增加而減小。圖4和圖5為不同含量VC進(jìn)行熱處理后試樣的磨損損失量和磨損磨痕的形貌圖，試樣的磨損損失量和磨損磨痕寬度隨VC含量的增加而減小。觀察原始粉末熱處理試樣的磨損形貌發(fā)現(xiàn)，在磨痕右側(cè)有明顯的擦傷，中間部位存在較軟金屬附著在較硬金屬表面上的涂抹形式，在試樣表面發(fā)生黏著磨損；4%VC試樣的磨痕寬度有所縮小，存在較小范圍的涂抹，同時(shí)在磨損區(qū)域的邊緣處有少量的犁溝現(xiàn)象，這是由于磨屑的存在起到了磨粒磨損的作用；VC含量為8%時(shí)，磨痕寬度進(jìn)一步減小，有較多的犁溝，以磨粒磨損為主，黏著磨損作用減弱；VC 質(zhì) 量 分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，磨痕略微發(fā)生塑性變形，幾乎沒有犁溝的存在。熱處理提高了試樣的耐磨性，這是因?yàn)樵诮?jīng)過熱處理后，V和Cr形成化合物，大幅度提高了試樣的硬度和耐磨性。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)VC熱處理試樣的摩擦因數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)VC的熱處理試樣磨損損失量曲線

圖5 熱處理試樣的磨損磨痕形貌圖

3 結(jié)論

1）在17-4PH不銹鋼經(jīng)過熱處理后，添加VC的17-4PH不銹鋼試樣的顯微組織為馬氏體、奧氏體和鐵素體，當(dāng)VC添加量增加到8%和12%時(shí)，出現(xiàn)了強(qiáng)化相VC偏析現(xiàn)象。對(duì)于VC含量為12%的試樣，熱處理后硬度提高了133%，這是因?yàn)閂C中的碳原子擴(kuò)散到基體中，使試樣的硬度顯著增加。

2）在17-4PH不銹鋼經(jīng)過熱處理后，隨著VC含量的增加，熱處理試樣的摩擦因數(shù)逐漸減小，磨合階段穩(wěn)定的時(shí)間逐漸增大，試樣的磨損損失量和磨損磨痕寬度均隨著VC含量的增加而減小，其中當(dāng)VC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)試樣的磨損損失最小。