CN112077313A - 采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法，包括以下步骤：S1、粉末选择：选择优化设计后的不锈钢粉末或Fe‑Mn‑Al‑C系钢粉末；S2、喂料制备：将选择的粉末与粘结剂均匀混合，并通过喂料制备机制备形成喂料；S3、成型：通过注射成型或干压成型获得成型坯；S4、脱脂：将成型坯进行脱脂，形成待烧结坯；S5、烧结：将待烧结坯进行烧结，得到烧结坯。本发明即能够制备出低密度钢复杂零件，而且能够在显著降低该低密度钢复杂零件的密度的同时，还能够有效调控零件的基体组织和析出相构成、形态，平衡零件的轻度和塑韧性；从而使得低密度钢复杂零件具有高的强塑积和低密度的优点。

Description

采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法
技术领域
本发明涉及采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法。
背景技术
随着节能环保和经济性的驱动，轻量化已成为汽车及3C行业的迫切需求，低密度高强钢因具有低密度与优异的力学性能而受到了广泛的关注。而金属粉末注射成型(MetalPowder 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。
基于先进钢铁材料在“强度、韧性、轻量化”这三大性能指标的要求，作为汽车及3C类用合金的一个新的研发方向，高强韧性低密度钢主要通过在Fe中添加较多的轻质元素Al、Mn、Si等元素进行合金成分设计，显著降低钢材密度，通过调控基体组织和析出相构成、形态，平衡钢材的强度和塑韧性，使之具有高的强塑积和低的密度等特征。
其中添加的Al元素会导致合金密度和杨氏模量的降低。大量Al、Mn和C元素的添加导致Fe-Mn-Al-C系列钢的冶炼和连铸、成形性和焊接性、微观结构演变和变形机制等与传统钢种大不相同。高Al低密度钢的研究仍然处于初级阶段，还存在大量有待解决的科学问题，如模铸与热轧过程中的开裂，制备时的氧化，多组织的控制及变形机制，以及应用过程中的成形性和工艺性等。Al元素的添加及C、Mn等合金元素含量的增加，在降低密度，提高强塑积、耐蚀性和抗氧化性的同时，会带来一些复杂的金属学问题。有研究表明，随钢中合金元素成分及含量的不同，随成型工艺及后续热处理工艺的不同，组织中可能会出现碳化物相，甚至出现以B2(FeAl)和DO3(Fe3Al)为代表的金属间化合物第二相，组织可能分别呈现以铁素体、奥氏体或双相为基体的状况，这或许会导致不同的加工硬化方式，钢的变形机制也会有所差异。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法，该方法即能够制备出低密度钢复杂零件，而且能够在显著降低该低密度钢复杂零件的密度的同时，还能够有效调控零件的基体组织和析出相构成、形态，平衡零件的轻度和塑韧性；从而使得低密度钢复杂零件具有高的强塑积和低密度的优点。
实现本发明目的的技术方案是：本发明包括以下步骤：
S1、粉末选择：选择不锈钢粉末，其中不锈钢粉末按重量百分比包括如下元素：Ni：3-5％，Cr：15.5-17.5％；Cu：3-5％；Nb：0.15-0.45％；C≤0.07％；Mo≤0.5％；Si≤1％；Mn：≤1％；其余为Fe；
或者，选择Fe-Mn-Al-C系钢粉末，其中Fe-Mn-Al-C系钢粉末按重量百分比包括如下元素：Mn：14-16％；Al：0.1-20％；C：0.4-0.7％；Cr：1-2％；Cu：0.3-0.5％；Ni≤0.1％；Si≤1％；Mn：≤0.05％；其余为Fe；
S2、喂料制备：将选择的粉末与粘结剂均匀混合，并通过喂料制备机制备形成喂料；
S3、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，将步骤S2制备的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，将步骤S2制备的喂料置于干压机中，干压至模具型腔内，形成成型坯；
S4、脱脂：将成型坯进行脱脂，形成待烧结坯；
S5、烧结：将待烧结坯进行烧结，得到烧结坯。
喂料制备中，粉末的最佳装载量φ2以如下如下公式获得：
式1：
Figure BDA0002668251870000021
式2：φ2＝0.96φ1
式1中，ρZ表示粉末的振实密度，ρL表示粉末的理论密度，φ1表示装载量；式2中φ2表示最佳装载量。
上述步骤S3中，将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复杂零件的模具型腔内，形成注射坯。
上述步骤S4通过以下方式进行脱脂：对通过注射成型的成型坯进行硝酸催化脱脂，形成待烧结坯，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，形成待烧结坯；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S5通过以下方式进行烧结：将待烧结坯置于连续烧结炉或单体炉中，在H2或N2气氛下进行烧结，得到烧结坯；在H2气氛下烧结时烧结温度范围为1360-1380℃，在N2气氛下烧结时烧结温度范围在1180-1200℃。其中选用的不锈钢粉末的粒度为：D10：21-25μm，D50：43-49μm，D90：85-95μm；选用的Fe-Mn-Al-C系钢粉末的粒度为：D10：3-5μm，D50：10-14μm，D90：22-27μm。
作为变形设计，在步骤S2中，将选择的粉末、粘结剂和造孔剂均匀混合，并通过喂料制备机制备形成喂料；其中按质量百分比，粉末占喂料的90％，粘结剂占喂料的8％，造孔剂占喂料的2％。同时选用的不锈钢粉末的粒度为：D10：3-5μm，D50：10-14μm，D90：22-27μm；选用的Fe-Mn-Al-C系钢粉末的粒度为：D10：3-5μm，D50：10-14μm，D90：22-27μm。
上述粘结剂包括主粘结剂POM、骨架剂、分散剂、润滑剂和稳定剂。其具体比例如下表：
Figure BDA0002668251870000031
同时还包括步骤S6、热处理：：固溶处理和时效处理；所述固溶处理温度为1020℃，保温时间1.5h；所述时效处理的温度为520℃，保温时间为2h；以及步骤S7、表面处理。
本发明对于如何设计出低密度且性能稳定的低密度钢复杂零部件主要通过以下手段获得：
(1)选择粒度较粗的粉末进行注射成型。机理：合金化的速度随着粒度减小而增加。因为在其它条件相同时，减小粉末粒度意味着增加颗粒间的扩散界面并且缩短扩散路程，从而增加单位时间内扩散原子的数量。粉末越细，比表面越大，表面的活性原子数越多，表面扩散就越容易进行。粗粉的表面活性较低，在同等温度下烧结出满足低密度且性能符合要求的状态来。
(2)选择在钢粉中增加低密度元素Al、C进行注射成型工艺性能测试。机理：Al和C属于低密度组元，奥氏体基高铝Fe-Mn-Al-C钢是在高锰TWIP钢的基础上派生出来，其中Al、C含量均较高，也叫轻质诱导塑性钢。高的铝含量使其具有优异的高温抗氧化性和腐蚀性。每添加1wt％铝密度降低1.3％。除了降低密度外，Al对奥氏体基Fe-Mn-Al-C钢的性能主要是通过改变合金层错能而达到的。Al可以显著提高层错能，大量Al的加入，使该类钢不论是在静态拉伸还是高速率变形过程中都是依靠位错滑移产生的剪切带、微带产生高塑性。
(3)选择添加造孔剂进行注射成型工艺。造孔剂，是指成型时在坯体内占有一定的体积，在烧成、加工过程中又会被除去，并使其所占据的体积成为气孔的一类物质，也被称为增孔剂、成孔剂等。机理：有机造孔剂造孔，在高温烧制过程中氧化形成气孔。
本发明具有积极的效果：(1)本发明通过对粉末的优化配比，并结合粉末注射成形技术能够获得低密度钢复杂零件的同时，还能够有效调控零件的基体组织和析出相构成、形态，平衡零件的轻度和塑韧性。
(2)本发明通过对烧结温度的控制，能够有效控制烧结后的孔隙率，从而实现对零件综合性能的提升和稳定。
(3)本发明在采用细粒径粉末的前提下，通过造孔剂，在高温烧制过程中氧化形成气孔，形成气孔可以增加材料的孔隙率，降低材料的密度。
(4)密度仅需降低10％就可以保持甚至显著提高其在汽车工业中应用的优越性和竞争力，因此通过本发明可以有效提高低密度钢复杂零件在汽车工业中的竞争力。
(5)本发明中通过Fe-Mn-Al-C系钢粉末能够制备具有高轻量化潜力的低密度其高强度的零件，拥有优异的力学性能，具有优异的强塑积；同时在室温和低温下拥有较高的强度和韧性及良好的疲劳性能，在高温下具有较好的抗氧化性能。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明烧结前颗粒的原始接触示意图；
图2为本发明烧结早期的烧结颈长大示意图；
图3为本发明烧结后期的孔隙球化变化过程示意图；
图4为本发明在1170℃温度下烧结后的孔隙率示意图；
图5为本发明在1280℃温度下烧结后的孔隙率示意图；
图6为本发明在1380℃温度下烧结后的孔隙率示意图。
具体实施方式
(实施例1)
本发明包括以下步骤：
S1、粉末选择：选择不锈钢粉末，其中不锈钢粉末按重量百分比包括如下元素：Ni：3-5％，Cr：15.5-17.5％；Cu：3-5％；Nb：0.15-0.45％；C≤0.07％；Mo≤0.5％；Si≤1％；Mn：≤1％；其余为Fe；其粒度为：D10为22μm，D50为46μm，D90为89μm；其振实密度为4.54g/cm3；
S2、喂料制备：将选择的粉末与粘结剂均匀混合，并通过喂料制备机制备形成喂料；其中按质量百分比，粉末占喂料的89％，粘结剂占喂料的11％。其中粘结剂包括主粘结剂POM：85％，骨架剂PE：10％，分散剂SA：1％；润滑剂PW：3％和稳定剂1010：1％；
S3、成型：将步骤S2制备的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复杂零件的模具型腔内，形成成型坯；
S4、脱脂：将成型坯进行硝酸催化脱脂，形成待烧结坯；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；
S5、烧结：将待烧结坯置于连续烧结炉中，在H2气氛下进行烧结，得到烧结坯，烧结温度控制在1350～1380℃保温时间为2小时；
S6、热处理：将烧结坯加热至1020℃，并在该温度下保持1.5小时，然后降温至室温(CT)，再将钢材加热至450℃，保持4个小时；
S7、表面处理
喂料制备中，粉末的最佳装载量φ2为61.2％。
根据上述方案，其力学性能见表1：
表1
Figure BDA0002668251870000061
(实施例2)
本发明包括以下步骤：
S1、粉末选择：选择Fe-Mn-Al-C系钢粉末，其中Fe-Mn-Al-C系钢粉末按重量百分比包括如下元素：Mn：14-16％；Al：1-2％；C：0.4-0.7％；Cr：1-2％；Cu：0.3-0.5％；Ni≤0.1％；Si≤1％；Mn：≤0.05％；其余为Fe；；其粒度为：D10为4.5μm，D50为12μm，D90为25μm；其振实密度为4.29g/cm3；
S2、喂料制备：将选择的粉末与粘结剂均匀混合，并通过喂料制备机制备形成喂料；其中按质量百分比，粉末占喂料的91％，粘结剂占喂料的9％。其中粘结剂包括主粘结剂POM：85％，骨架剂PE：10％，分散剂SA：1％；润滑剂PW：3％和稳定剂1010：1％；
S3、成型：将步骤S2制备的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复杂零件的模具型腔内，形成成型坯；
S4、脱脂：将成型坯进行硝酸催化脱脂，形成待烧结坯；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；
S5、烧结：将待烧结坯置于连续烧结炉中，在N2气氛下进行烧结，得到烧结坯，烧结温度控制在1180～1200℃保温时间为2小时；
S6、热处理：将烧结坯加热至1040℃，并在该温度下保持2.5小时，然后降温至室温(CT)，再将钢材加热至480℃，保持4个小时；
S7、表面处理
喂料制备中，粉末的最佳装载量φ2为61.2％。
根据上述方案，其力学性能见表2：
表2
Figure BDA0002668251870000071
(实施例3)
本发明包括以下步骤：
S1、粉末选择：选择不锈钢粉末，其中不锈钢粉末按重量百分比包括如下元素：Ni：3-5％，Cr：15.5-17.5％；Cu：3-5％；Nb：0.15-0.45％；C≤0.07％；Mo≤0.5％；Si≤1％；Mn：≤1％；其余为Fe；其粒度为：D10为5μm，D50为12μm，D90为25μm；其振实密度为4.85g/cm3；
S2、喂料制备：将选择的粉末、粘结剂和造孔剂均匀混合，并通过喂料制备机制备形成喂料；其中按质量百分比，粉末占喂料的90％，粘结剂占喂料的8％，造孔剂占喂料的2％。其中粘结剂包括主粘结剂POM：85％，骨架剂PE：10％，分散剂SA：1％；润滑剂PW：3％和稳定剂1010：1％；；所述造孔剂为NH4Cl。
S3、成型：将步骤S2制备的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复杂零件的模具型腔内，形成成型坯；
S4、脱脂：将成型坯进行硝酸催化脱脂，形成待烧结坯；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；
S5、烧结：将待烧结坯置于连续烧结炉中，在H2气氛下进行烧结，得到烧结坯，烧结温度控制在1270～1290℃保温时间为2小时；
S6、热处理：将烧结坯加热至1020℃，并在该温度下保持1.5小时，然后降温至室温(CT)，再将钢材加热至450℃，保持4个小时；
S7、表面处理
喂料制备中，粉末的最佳装载量φ2为61.2％。
根据上述方案，其力学性能见表3：
表3
Figure BDA0002668251870000081
(实施例4)
本发明的步骤S5、烧结：将待烧结坯置于连续烧结炉中，在H2气氛下进行烧结，得到烧结坯，烧结温度控制在1170℃保温时间为2小时。
其他技术特征与实施例1相同。
(实施例5)
本发明的步骤S5、烧结：将待烧结坯置于连续烧结炉中，在H2气氛下进行烧结，得到烧结坯，烧结温度控制在1280℃保温时间为2小时。
其他技术特征与实施例1相同。
(实施例6)
本发明的步骤S5、烧结：将待烧结坯置于连续烧结炉中，在H2气氛下进行烧结，得到烧结坯，烧结温度控制在1370℃保温时间为2小时。
其他技术特征与实施例1相同。
实施例4至6的测试数据对比如下表4：
Figure BDA0002668251870000082
选择适宜的烧结温度进行性能测试对比。其机理为：粉粒通过原子的移动使得未烧结粉末的高表面能降低。烧结致密化通常在材料的熔点附近进行，它是依靠颗粒间的迁移来结合，温度越高，颗粒迁移越快，烧结成形速度也就越快。粉末的等温烧结过程，按时间大致可以划分为三个界限不十分明显的阶段：
a.粘结阶段—烧结初期，颗粒间的原始接触点或面转变成晶体结合，即通过成核、结晶长大等原子过程形成烧结颈。在这一阶段中，颗粒内的晶粒不发生变化，颗粒外形也基本未变，整个烧结体不发生收缩，密度增加也极微，但是烧结体的强度和导电性由于颗粒结合面增大而有明显增加；如图1；
b.烧结颈长大阶段—原子向颗粒结合面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙网络；同时由于晶粒长大，晶界越过孔隙移动，而被晶界扫过的地方，孔隙大量消失。烧结体收缩，密度和强度增加是这个阶段的主要特征；如图2；
c.闭孔隙球化和缩小阶段—孔数量大为增加，孔隙形状趋近球形并不断缩小。在这个阶段，整个烧结体仍可缓慢收缩，但主要是靠小孔的消失和孔隙数量的减少来实现。这一阶段可以延续很长时间，但是仍残留少量的隔离小孔隙不能消除。如图3
等温烧结三个阶段的相对长短主要由烧结温度决定：温度低，可能仅出现第一阶段；在生产条件下，至少应保证第二阶段接近完成；温度愈高，出现第二甚至第三阶段就愈早。在连续烧结时，第一阶段可能在升温过程中就完成。
实施例4中，烧结后的孔隙率为31.36％，如图4。
实施例5中，烧结后的孔隙率为20.70％，如图5。
实施例6中，烧结后的孔隙率为7.79％，如图6。
由此可知不同的烧结温度，会造成不同的孔隙率，从而影响其热处理后力学性能。
(实施例7)
本发明包括以下步骤：
S1、粉末选择：选择不锈钢粉末，其中不锈钢粉末按重量百分比包括如下元素：Ni：3-5％，Cr：15.5-17.5％；Cu：3-5％；Nb：0.15-0.45％；C≤0.07％；Mo≤0.5％；Si≤1％；Mn：≤1％；其余为Fe；其粒度为：D10为22μm，D50为46μm，D90为89μm；其振实密度为4.54g/cm3；
S2、喂料制备：将选择的粉末与粘结剂均匀混合，并通过喂料制备机制备形成喂料；其中按质量百分比，粉末占喂料的97％，粘结剂占喂料的3％；
S3、成型：将S2步骤制备的喂料置于干压机中，干压至模具型腔内，形成成型坯；
S4、脱脂：对于成型坯进行脱脂，形成待烧结坯；
S5、烧结：将待烧结坯置于连续烧结炉中，进行烧结获得烧结坯；烧结温度控制在1350～1380℃；保温时间为2小时
S6、热处理：将烧结坯加热至1020℃，并在该温度下保持1.5小时，然后降温至室温(CT)，再将钢材加热至450℃，保持4个小时；
S7、表面处理
根据上述方案，其力学性能见表1：
Figure BDA0002668251870000101
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 (12)

1.采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、粉末选择：选择不锈钢粉末，其中不锈钢粉末按重量百分比包括如下元素：Ni：3-5％，Cr：15.5-17.5％；Cu：3-5％；Nb：0.15-0.45％；C≤0.07％；Mo≤0.5％；Si≤1％；Mn：≤1％；其余为Fe；
或者，选择Fe-Mn-Al-C系钢粉末，其中Fe-Mn-Al-C系钢粉末按重量百分比包括如下元素：Mn：14-16％；Al：0.1-20％；C：0.4-0.7％；Cr：1-2％；Cu：0.3-0.5％；Ni≤0.1％；Si≤1％；Mn：≤0.05％；其余为Fe；
S2、喂料制备：将选择的粉末与粘结剂均匀混合，并通过喂料制备机制备形成喂料；
S3、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，将步骤S2制备的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，将步骤S2制备的喂料置于干压机中，干压至模具型腔内，形成成型坯；
S4、脱脂：将成型坯进行脱脂，形成待烧结坯；
S5、烧结：将待烧结坯进行烧结，得到烧结坯。
2.根据权利要求1所述的采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法，其特征在于：喂料制备中，粉末的最佳装载量φ2以如下如下公式获得：
式1：
Figure FDA0002668251860000011
式2：φ2＝0.96φ1
式1中，ρZ表示粉末的振实密度，ρL表示粉末的理论密度，φ1表示装载量；式2中φ2表示最佳装载量。
3.根据权利要求1所述的采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法，其特征在于：所述步骤S3中，将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复杂零件的模具型腔内，形成注射坯。
4.根据权利要求1所述的采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法，其特征在于：所述步骤S4通过以下方式进行脱脂：对通过注射成型的成型坯进行硝酸催化脱脂，形成待烧结坯，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，形成待烧结坯；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。
5.根据权利要求1所述的采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法，其特征在于：所述步骤S5通过以下方式进行烧结：将待烧结坯置于连续烧结炉或单体炉中，在H2或N2气氛下进行烧结，得到烧结坯；在H2气氛下烧结时烧结温度范围为1360-1380℃，在N2气氛下烧结时烧结温度范围在1180-1200℃。
6.根据权利要求1所述的采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法，其特征在于：所述步骤S2的喂料制备中，粉末的最佳装载量φ2以如下如下公式获得：
式1：
Figure FDA0002668251860000021
式2：φ2＝0.96φ1
式1中，ρZ表示粉末的振实密度，ρL表示粉末的理论密度，φ1表示装载量；式2中φ2表示最佳装载量；
所述述步骤S3中，将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复杂零件的模具型腔内，形成注射坯；
所述步骤S4通过以下方式进行脱脂：对通过注射成型的成型坯进行硝酸催化脱脂，形成待烧结坯，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，形成待烧结坯；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S5通过以下方式进行烧结：将待烧结坯置于连续烧结炉或单体炉中，在H2或N2气氛下进行烧结，得到烧结坯。
7.根据权利要求1至6所述之一的采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法，其特征在于：选用的不锈钢粉末的粒度为：D10：21-25μm，D50：43-49μm，D90：85-95μm；选用的Fe-Mn-Al-C系钢粉末的粒度为：D10：3-5μm，D50：10-14μm，D90：22-27μm。
8.根据权利要求1所述的采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法，其特征在于：所述步骤S2中，将选择的粉末、粘结剂和造孔剂均匀混合，并通过喂料制备机制备形成喂料；其中按质量百分比，粉末占喂料的90％，粘结剂占喂料的8％，造孔剂占喂料的2％。
9.根据权利要求8所述的采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法，其特征在于：选用的不锈钢粉末的粒度为：D10：3-5μm，D50：10-14μm，D90：22-27μm；选用的Fe-Mn-Al-C系钢粉末的粒度为：D10：3-5μm，D50：10-14μm，D90：22-27μm。
10.根据权利要求1或2或3或4或5或6或8或9所述的采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法，其特征在于：所述粘结剂包括主粘结剂POM、骨架剂、分散剂、润滑剂和稳定剂。
11.根据权利要求1所述的采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法，其特征在于：还包括步骤S6、热处理：固溶处理和时效处理；所述固溶处理温度为1020℃，保温时间1.5h；所述时效处理的温度为520℃，保温时间为2h。
12.根据权利要求11所述的采用粉末冶金制备低密度钢复杂零件的方法，其特征在于：还包括步骤S7、表面处理。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113278896A (zh) * 2021-01-12 2021-08-20 北京科技大学 一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢及其制备方法
CN113584386A (zh) * 2021-07-27 2021-11-02 中航迈特粉冶科技（北京）有限公司 一种3d打印不锈钢材料及其制备方法和应用
WO2022157059A1 (en) * 2021-01-20 2022-07-28 Basf Se Material and process for manufacturing of metal parts with low density and good mechanical properties
CN115044793A (zh) * 2022-06-16 2022-09-13 江苏精研科技股份有限公司 一种采用粉末注射成形制备两相高熵合金制作方法
CN117259758A (zh) * 2023-10-05 2023-12-22 广东三浩铸锻科技有限公司 一种废旧钢铁制备零件的方法
WO2024007427A1 (zh) * 2022-07-04 2024-01-11 江苏精研科技股份有限公司 制备超强耐蚀钢复杂零件的超强耐蚀钢粉末及制备工艺

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102226254A (zh) * 2011-06-10 2011-10-26 钢铁研究总院 一种高强高韧耐蚀高温轴承齿轮钢及制备方法
US20170218491A1 (en) * 2016-02-01 2017-08-03 Rolls-Royce Plc Low cobalt hard facing alloy
CN108907212A (zh) * 2018-08-01 2018-11-30 湖南菲德克材料科技有限公司 一种基于注射成型制备马氏体时效钢的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102226254A (zh) * 2011-06-10 2011-10-26 钢铁研究总院 一种高强高韧耐蚀高温轴承齿轮钢及制备方法
US20170218491A1 (en) * 2016-02-01 2017-08-03 Rolls-Royce Plc Low cobalt hard facing alloy
CN108907212A (zh) * 2018-08-01 2018-11-30 湖南菲德克材料科技有限公司 一种基于注射成型制备马氏体时效钢的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MOON J 等: "A new class of lightweight, stainless steels with ultra high strength and large ductility", 《SCIENTIFIC REPORTS》 *
曹广元 等: "粉末注射成型最佳粉末装载量的确定方法研究", 《新技术新工艺》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113278896A (zh) * 2021-01-12 2021-08-20 北京科技大学 一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢及其制备方法
CN113278896B (zh) * 2021-01-12 2022-01-18 北京科技大学 一种Fe-Mn-Al-C系高强度低密度钢及其制备方法
WO2022157059A1 (en) * 2021-01-20 2022-07-28 Basf Se Material and process for manufacturing of metal parts with low density and good mechanical properties
CN113584386A (zh) * 2021-07-27 2021-11-02 中航迈特粉冶科技（北京）有限公司 一种3d打印不锈钢材料及其制备方法和应用
CN115044793A (zh) * 2022-06-16 2022-09-13 江苏精研科技股份有限公司 一种采用粉末注射成形制备两相高熵合金制作方法
CN115044793B (zh) * 2022-06-16 2023-09-08 江苏精研科技股份有限公司 一种采用粉末注射成形制备两相高熵合金制作方法
WO2024007427A1 (zh) * 2022-07-04 2024-01-11 江苏精研科技股份有限公司 制备超强耐蚀钢复杂零件的超强耐蚀钢粉末及制备工艺
CN117259758A (zh) * 2023-10-05 2023-12-22 广东三浩铸锻科技有限公司 一种废旧钢铁制备零件的方法
CN117259758B (zh) * 2023-10-05 2024-03-29 广东三浩铸锻科技有限公司 一种废旧钢铁制备零件的方法

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