CN103981436B - 金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及马氏体时效钢及其制造方法技术领域，具体涉及金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢及其制造方法，以重量百分比计，其成份组成含有Ni？17-19%？，Co？8-10%？，Mo？4.5-6.5%？，？C？≤0.08%，铁以及不可避免的杂质；它是将上述各粉末材料按一定的配比并添加粘结剂的组合物经混合、混炼、破碎、注射成形、脱脂、烧结、固溶、时效制成的金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢材料，采用金属注射成形工艺替代冶炼的生产工艺，可以一次成形制作三维异形金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢材料结构零件，采用二次固溶工艺处理及时效处理，使其材料的抗拉强度达1500MPa以上，延伸率达10%以上，冲击强度达50J/cm2以上，材料的硬度为HRC40-48。

Description

金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢的制造方法

技术领域

本发明涉及马氏体时效钢及其制造方法技术领域，具体涉及金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢的制造方法。

背景技术

马氏体时效钢是超高强度钢中的一种，这种钢突出的优点是热处理工艺简单方便，固溶后先进行机械加工再进行时效，热处理变形小，加工性能及焊接性能都很好。近年来，国外用马氏体时效钢制作模具较为广泛；但在国内，由于马氏体时效钢含Ni、Co等贵重金属元素，且含量高，价格昂贵，尚难以广泛应用。该类钢主要用于精密锻模及塑料模具，主要生产工艺有冶炼。

金属注射成形(Metal Injection Molding，简称MIM)是一种从塑料注射成形行业中引伸出来的新型粉末冶金近净成形技术。众所周知，塑料注射成形技术低廉的价格生产各种复杂形状的制品，但塑料制品强度不高，为了改善其性能，可以在塑料中添加金属或陶瓷粉末以得到强度较高、耐磨性好的制品。近年来，这一想法已发展演变为最大限度地提高固体粒子的含量并且在随后的烧结过程中完全除去粘结剂并使成形坯致密化。这种新的粉末冶金成形方法称为金属注射成形，金属注射成形的基本工艺步骤是：首先是选取符合MIM要求的金属粉末和粘结剂，然后在一定温度下采用适当的方法将粉末和粘结剂混合成均匀的喂料，经制粒后再注射成形，获得的成形坯经过脱脂处理后烧结致密化成为最终成品。对于小型、复杂、精密、和高性能的金属零部件，MIM是一种行之有效的制造工艺。在形状复杂、材料高性能(强度高、耐腐蚀、高磁导率)等塑料和轻合金不能满足的应用场合，MIM的是突出的。MIM进一步巩固了他的地位，使它成为富有竞争力的机械装备，传统的金属加工技术在设计和成本上的局限性，MIM可以很容易克服。

目前MIM材料分为：铁基合金钢、不锈钢、钨基合金、软磁合金、可控膨胀合金。今天，MIM的高性能应用广泛的服务各个行业和产品，包括汽车、航空航天、国防、移动电话、牙科仪器、电子散热器和密封包装、电子连接器硬件、工业工具、光纤连接器、喷雾系统、盘驱动器、制药设备、手持电动工具、手术器械和运动器材。随着粉末冶金技术的快速发展，特殊行业领域的应用要求越来越高，利用粉末冶金金属成形的技术工艺一次完成马氏体时效钢材料的零件加工，可以替代冶炼工艺生产及机加工，提高了生产效率，节约生产成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用粉末冶金金属注射成形工艺生产超高强度时效钢材料的零件，其具有良好的塑性、冲击和抗拉强度，从而能够满足上述特殊行业领域的应用零件生产的金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢及其制造方法。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢及其制造方法，以重量百分比计，所述马氏体时效钢成份包含：Ni 17～19% ，Co 8～10% ，Mo 4.5～6.5% ，C ≤0.08%，余量为铁以及不可避免的杂质。

进一步地，本发明还提供了金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢的制造方法，具体步骤如下：

（一）、MIM粉末混合：以重量百分比计，将羰基Ni粉末17～19%、精细Co元素的粉末8～10%、超细Mo 元素的粉末4.5～6.5%，其余为羰基铁粉及不可避免的粉末配比组成的组合物充分混合；采用Y型混料设备混合，转速10～15转/分钟，时间3～4小时；

（二）、粘结剂混合：采用蜡基组合，将高密度聚乙稀50%、石蜡10%和巴西蜡40%，以重量配比组成组合粘结剂；

（三）、喂料制作：采用双螺旋挤出机，通过混炼的方法先加入高熔点组元熔化，然后降温，加入低熔点组元，然后分批加入金属粉末，混炼3～5小时，混合料制作完成后空冷，采用鄂式破碎机破碎；

（四）、注射成形：首先将粒状喂料加热至一定高的温度使之具有流动性，然后将其注入模腔中冷却下来得到所需形状的具有一定刚性的坯体，然后将其从模具中取出得到MIM成形坯；其中，注射工艺参数：料筒温度：150～180℃，注射时间：30秒，模温50～65℃，注射压力：80～120MPa；

（五）、脱脂：脱脂方法分为两个步骤：一是超声波溶剂脱脂：溶剂温度55～65℃，溶脱时间15小时，溶脱率≥50%；二是热脱脂：290～310℃/1h，590～610℃/4h，气分流量：4m³/h，检测碳含量0.08%以下；

（六）、烧结：将上述经脱脂处理的零件装入金属粉末注射成形零件真空保护气氛两用烧结炉中，采用气氛工艺烧结，工艺参数：室温加热至995～1005℃，时间3～4小时，再保温1～2小时，1315～1325℃保温2～3小时，随炉冷却；

（七）、固溶处理：采用二次固溶处理，第一次采用1150～1200℃保温4小时，第二次采用750～850℃保温2小时，空冷；

（八）、时效处理：采用450～520℃保温3～5小时，随炉冷却。

本发明具有以下有益效果：本发明所述的金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢及其制造方法，与现有技术相比，首先采用添加金属注射成形工艺替代冶炼的生产工艺，使得该制造方法可以一次成形制作三维异形结构零件；其次采用二次固溶工艺处理及时效处理，使其材料的抗拉强度达1500MPa以上，延伸率达10%以上，冲击强度达50J/cm²以上，材料的硬度为HRC40-48。综上所述，该马氏体时效钢及其制造方法不但可以提高生产效率，而且能够降低产品的制作成本。

附图说明

图1为本发明中金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢制造方法的流程图。

图2为本发明中烧结工序中的烧结体温度变化的曲线图。

图3为本发明中金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢制造方法的金相组织图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

实施例一：金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢及其制造方法，以重量百分比计，所述马氏体时效钢成份包含：Ni 17% ，Co 8% ，Mo 4.5% ，C 0.08%，余量为铁以及不可避免的杂质。

如图1、图2、图3所示，所述金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢的制造方法，具体步骤如下：

（一）、MIM粉末混合：MIM对原料粉末要求较高，粉末的选择有有利于混炼、注射成形、脱脂和烧结。以重量百分比计，将羰基Ni粉末17%、精细Co元素的粉末8%（平均粒度≤2.5um）、超细Mo 元素的粉末（320目）4.5%，其余为羰基铁粉及不可避免的粉末配比组成的组合物充分混合（装载量92%）；采用Y型混料设备混合，转速10转/分钟，时间3小时；

（二）、粘结剂混合：粘结剂是MIM技术的核心，在MIM中粘结剂具有增强流动性以适合注射成形和维持坯块形状这两个最基本的职能，此外它还应具有易于脱除、无污染、无毒性、成本合理等特点；该步骤中采用蜡基组合，将高密度聚乙稀50%、石蜡10%和巴西蜡40%（装载量8%），以重量配比组成组合粘结剂；

（三）、喂料制作：该步骤包括混炼和破碎，混炼是将金属粉末与粘结剂混合得到均匀喂料的过程，由于喂料的性质决定了最终注射成形产品的性能，所以混炼这一工艺步骤非常重要。这牵涉到粘结剂和粉末加入的方式和顺序、混炼温度、混炼装置的特性等多种因素。MIM喂料的混合是在热效应和剪切力的联合作用下完成的，因此混料温度不能太高，否则粘结剂可能发生分解或者由于粘度太低而发生粉末和粘结剂两相分离现象。首先由混料装置采用双螺旋挤出机，通过混炼的方法先加入高熔点组元熔化，然后降温，加入低熔点组元，然后分批加入金属粉末，混炼3小时，混合料制作完成后空冷，采用鄂式破碎机破碎；

（四）、注射成形：注射成形的目的是获得所需形状的无缺陷、颗粒均匀排由的MIM成形坯体。首先将粒状喂料加热至一定高的温度使之具有流动性，然后将其注入模腔中冷却下来得到所需形状的具有一定刚性的坯体，然后将其从模具中取出得到MIM成形坯；这个过程同传统塑料注射成形过程一致，但由于MIM喂料高的粉末含量，使得其注射成形过程在工艺参数上及其它一些方面存在很大差别，控制不当则易产生各种缺陷。其中，注射工艺参数：料筒温度：150℃，注射时间：30秒，模温50℃，注射压力：80MPa；

（五）、脱脂：脱脂方法分为两个步骤：一是超声波溶剂脱脂：溶剂温度55℃，溶脱时间15小时，溶脱率≥50%；二是热脱脂：290℃/1h，590℃/4h，气分流量：4m³/h，检测碳含量0.08%以下；

（六）、烧结：烧结是 MIM工艺中的特殊过程，烧结消除了粉末颗粒之间的孔隙．使得MIM产品达到全致密或接近全致密化。金属注射成形技术中由于采用大量的粘结剂，所以烧结时收缩非常大，这样就存在一个变形控制和尺寸精度控制的问题。尤其是因为MIM产品大多数是复杂形状的异形件，这个问题显得越发突出，均匀的喂料对于最终烧结产品的尺寸精度和变形控制是一个关键因素。高的粉末摇实密度可以减小烧结收缩，也有利于烧结过程的进行和尺寸精度控制。对于铁基和不锈钢等制品，烧结中还有一个碳势控制问题。该步骤中将上述经脱脂处理的零件装入金属粉末注射成形零件真空保护气氛两用烧结炉中，采用气氛工艺烧结，工艺参数：室温加热至995℃，时间3小时，再保温1小时，1315℃保温2小时，随炉冷却；

（七）、固溶处理：金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢的主要成份为铁和镍，为了确保能完全转变成奥氏体组织，该步骤中采用二次固溶处理，第一次采用1150℃保温4小时，第二次采用750℃保温2小时，空冷；

（八）、时效处理：当马氏体时效钢加热到低于向奥氏体转变的温度的中间温度时，将显著提高材料的强度。该步骤中采用450℃保温3小时，随炉冷却。

其中，在图3的金相组织图中，其组织结构为马氏体。本实施例首先采用添加金属注射成形工艺替代冶炼的生产工艺，使得该制造方法可以一次成形制作三维异形结构零件；其次采用二次固溶工艺处理及时效处理，使其材料的抗拉强度达1500MPa以上，延伸率达10%以上，冲击强度达50J/cm²以上，材料的硬度为HRC40-48。

实施例二：金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢及其制造方法，以重量百分比计，所述马氏体时效钢成份包含：Ni 18% ，Co 9% ，Mo5.5% ，C 0.07%，余量为铁以及不可避免的杂质。

如图1、图2、图3所示，所述金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢的制造方法，具体步骤如下：

（一）、MIM粉末混合：以重量百分比计，将羰基Ni粉末18%、精细Co元素的粉末9%、超细Mo 元素的粉末5.5%，其余为羰基铁粉及不可避免的粉末配比组成的组合物充分混合；采用Y型混料设备混合，转速13转/分钟，时间3.5小时；

（二）、粘结剂混合：采用蜡基组合，将高密度聚乙稀50%、石蜡10%和巴西蜡40%，以重量配比组成组合粘结剂；

（三）、喂料制作：采用双螺旋挤出机，通过混炼的方法先加入高熔点组元熔化，然后降温，加入低熔点组元，然后分批加入金属粉末，混炼4小时，混合料制作完成后空冷，采用鄂式破碎机破碎；

（四）、注射成形：首先将粒状喂料加热至一定高的温度使之具有流动性，然后将其注入模腔中冷却下来得到所需形状的具有一定刚性的坯体，然后将其从模具中取出得到MIM成形坯；其中，注射工艺参数：料筒温度：165℃，注射时间：30秒，模温58℃，注射压力： 100MPa；

（五）、脱脂：脱脂方法分为两个步骤：一是超声波溶剂脱脂：溶剂温度58℃，溶脱时间15小时，溶脱率≥50%；二是热脱脂：300℃/1h，600℃/4h，气分流量：4m³/h，检测碳含量0.08%以下；

（六）、烧结：将上述经脱脂处理的零件装入金属粉末注射成形零件真空保护气氛两用烧结炉中，采用气氛工艺烧结，工艺参数：室温加热至1000℃，时间3.5小时，再保温1.5小时，1320℃保温2.5小时，随炉冷却；

（七）、固溶处理：采用二次固溶处理，第一次采用1175℃保温4小时，第二次采用800℃保温2小时，空冷；

（八）、时效处理：采用485℃保温4小时，随炉冷却。

其中，在图3的金相组织图中，其组织结构为马氏体。本实施例首先采用添加金属注射成形工艺替代冶炼的生产工艺，使得该制造方法可以一次成形制作三维异形结构零件；其次采用二次固溶工艺处理及时效处理，使其材料的抗拉强度达1500MPa以上，延伸率达10%以上，冲击强度达50J/cm²以上，材料的硬度为HRC40-48。其它均与实施例一相同。

实施例三：金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢及其制造方法，以重量百分比计，所述马氏体时效钢成份包含：Ni 19% ，Co 10% ，Mo 6.5% ，C 0.06%，余量为铁以及不可避免的杂质。

如图1、图2、图3所示，所述金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢的制造方法，具体步骤如下：

（一）、MIM粉末混合：以重量百分比计，将羰基Ni粉末19%、精细Co元素的粉末10%、超细Mo 元素的粉末6.5%，其余为羰基铁粉及不可避免的粉末配比组成的组合物充分混合；采用Y型混料设备混合，转速15转/分钟，时间4小时；

（二）、粘结剂混合：采用蜡基组合，将高密度聚乙稀50%、石蜡10%和巴西蜡40%，以重量配比组成组合粘结剂；

（三）、喂料制作：采用双螺旋挤出机，通过混炼的方法先加入高熔点组元熔化，然后降温，加入低熔点组元，然后分批加入金属粉末，混炼5小时，混合料制作完成后空冷，采用鄂式破碎机破碎；

（四）、注射成形：首先将粒状喂料加热至一定高的温度使之具有流动性，然后将其注入模腔中冷却下来得到所需形状的具有一定刚性的坯体，然后将其从模具中取出得到MIM成形坯；其中，注射工艺参数：料筒温度：180℃，注射时间：30秒，模温65℃，注射压力： 120MPa；

（五）、脱脂：脱脂方法分为两个步骤：一是超声波溶剂脱脂：溶剂温度65℃，溶脱时间15小时，溶脱率≥50%；二是热脱脂： 310℃/1h， 610℃/4h，气分流量：4m³/h，检测碳含量0.08%以下；

（六）、烧结：将上述经脱脂处理的零件装入金属粉末注射成形零件真空保护气氛两用烧结炉中，采用气氛工艺烧结，工艺参数：室温加热至1005℃，时间4小时，再保温2小时， 1325℃保温3小时，随炉冷却；

（七）、固溶处理：采用二次固溶处理，第一次采用1200℃保温4小时，第二次采用850℃保温2小时，空冷；

（八）、时效处理：采用520℃保温5小时，随炉冷却。

其中，在图3的金相组织图中，其组织结构为马氏体。本实施例首先采用添加金属注射成形工艺替代冶炼的生产工艺，使得该制造方法可以一次成形制作三维异形结构零件；其次采用二次固溶工艺处理及时效处理，使其材料的抗拉强度达1500MPa以上，延伸率达10%以上，冲击强度达50J/cm²以上，材料的硬度为HRC40-48。其它均与实施例一相同。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.金属粉末注射成形高强度马氏体时效钢的制造方法，其特征在于，具体步骤如下：

（一）、MIM粉末混合：以重量百分比计，将羰基Ni粉末17～19%、精细Co元素的粉末8～10%、超细Mo 元素的粉末4.5～6.5%，其余为羰基铁粉及不可避免的粉末配比组成的组合物充分混合；采用Y型混料设备混合，转速10～15转/分钟，时间3～4小时；

（二）、粘结剂混合：采用蜡基组合，将高密度聚乙稀50%、石蜡10%和巴西蜡40%，以重量配比组成组合粘结剂；

（三）、喂料制作：采用双螺旋挤出机，通过混炼的方法先加入高熔点组元熔化，然后降温，加入低熔点组元，然后分批加入金属粉末，混炼3～5小时，混合料制作完成后空冷，采用鄂式破碎机破碎；

（四）、注射成形：首先将粒状喂料加热至一定高的温度使之具有流动性，然后将其注入模腔中冷却下来得到所需形状的具有一定刚性的坯体，然后将其从模具中取出得到MIM成形坯；其中，注射工艺参数：料筒温度：150～180℃，注射时间：30秒，模温50～65℃，注射压力：80～120MPa；

（五）、脱脂：脱脂方法分为两个步骤：一是超声波溶剂脱脂：溶剂温度55～65℃，溶脱时间15小时，溶脱率≥50%；二是热脱脂：290～310℃/1h，590～610℃/4h，气分流量：4m³/h，检测碳含量0.08%以下；

（六）、烧结：将上述经脱脂处理的零件装入金属粉末注射成形零件真空保护气氛两用烧结炉中，采用气氛工艺烧结，工艺参数：室温加热至995～1005℃，时间3～4小时，再保温1～2小时，1315～1325℃保温2～3小时，随炉冷却；

（七）、固溶处理：采用二次固溶处理，第一次采用1150～1200℃保温4小时，第二次采用750～850℃保温2小时，空冷；

（八）、时效处理：采用450～520℃保温3～5小时，随炉冷却。