D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.09.015 第30卷第9期 北京科技大学学报 Vol.30 No.9 2008年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep·2008 不同类型粉末对金属注射成形耐热合金性能的影响 林冰涛段柏华 曲选辉 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要研究了不同类型耐热合金粉末对金属注射成形(metal injection molding,MIM)烧结样品的致密度、金相组织、力学性 能及耐蚀性能的影响·结果表明：只要工艺控制得当，以羰基铁粉为主体的元素混合粉制备的MM耐热合金的力学性能和耐 蚀性能均优于气雾化预合金粉：前者的致密度、抗拉强度及饱和失重率分别达到98.1%、510MPa及1.3mgcm-2:而两者的 显微组织均为FeCr铁素体a相，并未呈现显著的差异. 关键词耐热合金；金属注射成形：力学性能：耐蚀性能 分类号TF125.4 Effects of different powders on the properties of heat-resistant alloys prepared by metal injection molding LIN Bingtao,DUAN Bohua,QU Xuanhui School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China ABSTRACT The paper investigated the effects of different powders on the properties of heat-resistant alloys prepared by metal injec- tion molding (MIM),which include sintered density,microstructure,mechanical properties and corrosion resistance.The properties of heat-resistant alloys made of element mixed powders with iron carbony1 powder and gas"atomized powders were tested.The results show that both the mechanical properties and corrosion resistance of the former are superior to those of the latter.For the best sin- tered samples made of element mixed powders,the relative density,tensile strength and corrosion loss weight rate are 98.1%, 510 MPa andmgmrespectively There are no oious difference in their microstructurewhich are composed of Fer fer rite a phase. KEY WORDS heat-resistant alloy:metal injection molding:mechanical properties:corrosion resistance 金属粉末注射成形作为当今最热门的近净成形 及加工性进行了深入研究，认为粉末球形度越好，其 技术，适合制造几何形状复杂，组织结构均匀，高性 流动性能越好且能得到更大的装载量门.在传统粉 能的小型零部件，已广泛应用于不锈钢、高密度合 末冶金耐热合金中，多采用等离子体旋转电极或离 金、钛合金及硬质合金等材料体系中[].近年来， 心气雾化等工艺制备]粉末，这类粉末制备成本 有学者试图把金属注射成形(metal injection mold- 高，而且粉末粒度较粗，因而影响零部件最终性能及 ig,MIM)技术应用于发动机零部件的生产，因为 成本，导致MIM在此领域缺乏竞争力· 发动机零件多采用耐热合金或高温合金异形件，其 本文拟采用元素混合粉作为原料，并与传统的 合金元素种类多且用量大，不利于传统的机加 气雾化法粉末进行对比，考察它们对MIM耐热合 工6. 金性能的影响，以期探索一条低成本制备耐热合金 良好的MIM产品的获得依赖于许多因素，其 零部件的生产方法，从而推动MIM技术在高温合 中所采用的粉末类型及其性能就是重要因素·李益 金制备中的应用 民就不同类型的Fe一Ni粉末对喂料体系的流变性 收稿日期：2007-08-10修回日期：2007-10-23 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(No.2001AA337050):国家重点基础研究发展计划资助项目(N。,G2000067203) 作者简介：林冰涛(1982-)：男，硕士研究生；段柏华(1971一)，男，副教授，博士，Emal:lbtjim1@163.com
不同类型粉末对金属注射成形耐热合金性能的影响 林冰涛 段柏华 曲选辉 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 研究了不同类型耐热合金粉末对金属注射成形（metal injection moldingMIM）烧结样品的致密度、金相组织、力学性 能及耐蚀性能的影响．结果表明：只要工艺控制得当以羰基铁粉为主体的元素混合粉制备的 MIM 耐热合金的力学性能和耐 蚀性能均优于气雾化预合金粉；前者的致密度、抗拉强度及饱和失重率分别达到98∙1％、510MPa 及1∙3mg·cm －2；而两者的 显微组织均为 Fe－Cr 铁素体 α相并未呈现显著的差异． 关键词 耐热合金；金属注射成形；力学性能；耐蚀性能 分类号 TF125∙4 Effects of different powders on the properties of heat-resistant alloys prepared by metal injection molding LIN BingtaoDUA N BohuaQU Xuanhui School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he paper investigated the effects of different powders on the properties of heat-resistant alloys prepared by metal injection molding （MIM）which include sintered densitymicrostructuremechanical properties and corrosion resistance．T he properties of heat-resistant alloys made of element mixed powders with iron carbony1powder and gas-atomized powders were tested．T he results show that both the mechanical properties and corrosion resistance of the former are superior to those of the latter．For the best sintered samples made of element mixed powdersthe relative densitytensile strength and corrosion loss weight rate are 98∙1％ 510MPa and1∙3mg·cm －2respectively．T here are no obvious differences in their microstructureswhich are composed of Fe-Cr ferrite αphase． KEY WORDS heat-resistant alloy；metal injection molding；mechanical properties；corrosion resistance 收稿日期：2007－08－10 修回日期：2007－10－23 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目（No．2001AA337050）；国家重点基础研究发展计划资助项目（No．G2000067203） 作者简介：林冰涛（1982－）男硕士研究生；段柏华（1971－）男副教授博士E-mail：lbtjim1＠163．com 金属粉末注射成形作为当今最热门的近净成形 技术适合制造几何形状复杂组织结构均匀高性 能的小型零部件已广泛应用于不锈钢、高密度合 金、钛合金及硬质合金等材料体系中［1－5］．近年来 有学者试图把金属注射成形（metal injection moldingMIM）技术应用于发动机零部件的生产因为 发动机零件多采用耐热合金或高温合金异形件其 合金元素种类多且用量大不利于传统的机加 工［6］． 良好的 MIM 产品的获得依赖于许多因素其 中所采用的粉末类型及其性能就是重要因素．李益 民就不同类型的 Fe－Ni 粉末对喂料体系的流变性 及加工性进行了深入研究认为粉末球形度越好其 流动性能越好且能得到更大的装载量［7］．在传统粉 末冶金耐热合金中多采用等离子体旋转电极或离 心气雾化等工艺制备［8］ 粉末这类粉末制备成本 高而且粉末粒度较粗因而影响零部件最终性能及 成本导致 MIM 在此领域缺乏竞争力． 本文拟采用元素混合粉作为原料并与传统的 气雾化法粉末进行对比考察它们对 MIM 耐热合 金性能的影响以期探索一条低成本制备耐热合金 零部件的生产方法从而推动 MIM 技术在高温合 金制备中的应用． 第30卷 第9期 2008年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．9 Sep．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．09．015
第9期 林冰涛等：不同类型粉未对金属注射成形耐热合金性能的影响 ,1025 而得到耐热合金粉末；第二种粉末以平均粒径约为 1 实验 17m气雾化预合金粉末为原料，合金成分同上；第 1.1实验原料 三种粉末则是上述两种粉末按1：1比例混合而得到 实验中所用粉末原料有三种：第一种粉末为元 的混合粉，图1则分别给出了三种粉末的形貌，其 素混合粉（简称元素粉），它是以平均粒径约为 中元素粉是由多数球形度较好的羰基铁粉和少量不 5.86m羰基铁粉、33.74m铬铁粉、43.89m钼铁 规则的铬铁等粗粉组成 粉及25.82m硅铁粉按Fe20Cr1 SilMo的比例混合 20m 图1不同粉末SEM形貌图.(a)元素粉：(b)气雾化粉：(c)混合粉 Fig.I SEM images of different powers:(a)element powders:(b)gas atomized powders:(c)mixed powders 实验采用石蜡基多聚合物粘结剂体系，其组成 粉末制备样品的致密度、表观硬度、抗拉强度及碳含 (质量分数)为60%石蜡PW,15%高密度聚乙烯 量进行考察，结果如表1所示 HDPE,15%聚丙烯PP及10%硬脂酸SA,各组元 表1不同粉末MIM耐热合金力学性能 按一定顺序加入到混料器中加热熔化，充分混合均 Table 1 Effects of different powders on the properties of heat-resistant 匀后，冷却备用 alloys by MIM 1.2实验过程 相对 抗拉强度， 硬度， C质量 将三种不同类型的粉末分别与配制好的粘结剂 粉末种类 密度/% a/MPa HRB 分数/% 以57%的装载量于开放式炼塑机上155℃混炼均 元素粉 98.1 510 68.5 0.006 匀，随后在单螺杆挤出机于温度150℃、转速 气雾化粉 97.3 480 56.5 0.017 30rmin的条件下经三次挤出制粒，使混合料进 混合粉 97.7 490 58.0 0.012 一步均匀密实，得到适合注射的粒状喂料，喂料再 在CJ80E型注塑机以155℃注射温度及100MPa注 从表1可以看出：同等工艺条件下，元素混合粉 射压力下注射，模具采用标准拉伸式样模具，得到 所制得MIM耐热合金烧结样品的致密度、表观硬 的注射坯采用“溶剂脱脂十热脱脂”两步脱脂法进行 度及抗拉强度分别达到98.1%、HRB68.5和 脱脂.随后在真空下1350℃烧结120min,得到所 510MPa,要好于气雾化预合金粉烧结样品的 需要的MIM耐热合金测试样品， 97.3%、HRB56.5和480MPa,而碳含量仅仅是后 1.3测试方法 采用排水法测量烧结样品的密度，硬度计测量 者的1/3：用两种粉末的混合粉末制备样品的致密 烧结样品的HRB硬度，INSTRON材料试验机测量 度、抗拉强度及碳含量则均界于两者之间. 抗拉强度，拉伸速率为2 mm'min一，每种实验分别 粉末冶金制品的性能除了与烧结温度、气氛及 测取五个实验值，最终性能则取其平均值；采用碳硫 时间等工艺条件有关外，与所采用粉末的类型及特 分析仪分析合金的碳含量，同时用光学显微镜对合 点也有很大关系，特别是MIM中，为了保证注射过 金的微观组织进行观察；采用S360型描电子显微镜 程中的加工流动性，加入了大量的粘结剂（本实验加 对腐蚀形貌进行观察， 入量（体积分数）约为43%)，在脱脂后，成形坯中留 有大量的孔隙，为了达到烧结致密化，就必须要求粉 2结果及讨论 末具有高烧结活性，本实验中，以羰基铁粉为主体 2.1不同粉末对MM耐热合金力学性能的影响 的元素粉，其粉末粒度细小，表面扩散及晶界扩散活 在相同装载量、脱脂及烧结工艺条件下，对三种 跃，烧结活性大，在同等烧结条件下，烧结颈长大最
1 实验 1∙1 实验原料 实验中所用粉末原料有三种：第一种粉末为元 素混合粉 （简称元素粉）它是以平均粒径约为 5∙86μm羰基铁粉、33∙74μm 铬铁粉、43∙89μm 钼铁 粉及25∙82μm 硅铁粉按Fe20Cr1Si1Mo 的比例混合 而得到耐热合金粉末；第二种粉末以平均粒径约为 17μm 气雾化预合金粉末为原料合金成分同上；第 三种粉末则是上述两种粉末按1∶1比例混合而得到 的混合粉．图1则分别给出了三种粉末的形貌其 中元素粉是由多数球形度较好的羰基铁粉和少量不 规则的铬铁等粗粉组成． 图1 不同粉末 SEM 形貌图．（a） 元素粉；（b） 气雾化粉；（c） 混合粉 Fig．1 SEM images of different powers：（a） element powders；（b） gas-atomized powders；（c） mixed powders 实验采用石蜡基多聚合物粘结剂体系其组成 （质量分数）为60％石蜡 PW15％高密度聚乙烯 HDPE15％聚丙烯 PP 及10％硬脂酸 SA．各组元 按一定顺序加入到混料器中加热熔化充分混合均 匀后冷却备用． 1∙2 实验过程 将三种不同类型的粉末分别与配制好的粘结剂 以57％的装载量于开放式炼塑机上155℃混炼均 匀随 后 在 单 螺 杆 挤 出 机 于 温 度 150 ℃、转 速 30r·min －1的条件下经三次挤出制粒使混合料进 一步均匀密实得到适合注射的粒状喂料．喂料再 在 CJ80E 型注塑机以155℃注射温度及100MPa 注 射压力下注射模具采用标准拉伸式样模具．得到 的注射坯采用“溶剂脱脂＋热脱脂”两步脱脂法进行 脱脂．随后在真空下1350℃烧结120min得到所 需要的 MIM 耐热合金测试样品． 1∙3 测试方法 采用排水法测量烧结样品的密度硬度计测量 烧结样品的 HRB 硬度INSTRON 材料试验机测量 抗拉强度拉伸速率为2mm·min －1每种实验分别 测取五个实验值最终性能则取其平均值；采用碳硫 分析仪分析合金的碳含量同时用光学显微镜对合 金的微观组织进行观察；采用 S360型描电子显微镜 对腐蚀形貌进行观察． 2 结果及讨论 2∙1 不同粉末对 MIM耐热合金力学性能的影响 在相同装载量、脱脂及烧结工艺条件下对三种 粉末制备样品的致密度、表观硬度、抗拉强度及碳含 量进行考察结果如表1所示． 表1 不同粉末 MIM 耐热合金力学性能 Table1 Effects of different powders on the properties of heat-resistant alloys by MIM 粉末种类 相对 密度／％ 抗拉强度 σ／MPa 硬度 HRB C 质量 分数／％ 元素粉 98∙1 510 68∙5 0∙006 气雾化粉 97∙3 480 56∙5 0∙017 混合粉 97∙7 490 58∙0 0∙012 从表1可以看出：同等工艺条件下元素混合粉 所制得 MIM 耐热合金烧结样品的致密度、表观硬 度及 抗 拉 强 度 分 别 达 到 98∙1％、HRB 68∙5 和 510MPa要 好 于 气 雾 化 预 合 金 粉 烧 结 样 品 的 97∙3％、HRB56∙5和480MPa而碳含量仅仅是后 者的1／3；用两种粉末的混合粉末制备样品的致密 度、抗拉强度及碳含量则均界于两者之间． 粉末冶金制品的性能除了与烧结温度、气氛及 时间等工艺条件有关外与所采用粉末的类型及特 点也有很大关系．特别是 MIM 中为了保证注射过 程中的加工流动性加入了大量的粘结剂（本实验加 入量（体积分数）约为43％）在脱脂后成形坯中留 有大量的孔隙为了达到烧结致密化就必须要求粉 末具有高烧结活性．本实验中以羰基铁粉为主体 的元素粉其粉末粒度细小表面扩散及晶界扩散活 跃烧结活性大在同等烧结条件下烧结颈长大最 第9期 林冰涛等： 不同类型粉末对金属注射成形耐热合金性能的影响 ·1025·
.1026 北京科技大学学报 第30卷 快，烧结致密度最高，故其力学性能就最好，而气雾 貌图可以看出：对于元素粉末烧结样品，样品中孔隙 化预合金粉则粒度较粗，表面积小，烧结活性较差， 更细小，分布更均匀，这是因为粉末粒径越细，粒度 且在脱脂后其最初的粉末颗粒接触点少，致使烧结 分布越宽，越能实现粉末的密堆积；相反，气雾化预 时扩散慢，扩散点少，因而烧结致密化能力弱，所得 合金粉由于粉末粗且呈球形，因而其孔隙也基本呈 样品密度低、孔隙率高，图2所示烧结样品表面形 圆形、且孔径较大，其孔隙率也大， (a) L100m 100Hm 1004mJ 图2不同粉末烧结样品孔隙形貌图，(a)元素粉：(b)气雾化粉：()混合粉 Fig-2 Pore pictures of sintered samples made of different powders:(a)element powders:(b)gas atomized powders:(c)mixed pow ders 2.2不同粉末对M1M耐热合金显微组织的影响 致密化即可，而对于元素粉末而言，在烧结过程不 由于在雾化之前，先对合金元素进行了充分熔 仅要完成颗粒的致密化，而且要完成成分的均匀化 融，其合金成分已达到均匀一致，故采用气雾化预 即成分及组织均匀，对不同粉末烧结样品的显微组 合金粉作为原料，则烧结时仅仅需完成粉末颗粒的 织进行分析，结果见图3. (al (b) e 100μm 00μm 100山m 图3不同粉末绕结样品显微组织、(a)元素粉；(b)气雾化粉：(c)混合粉 Fig.3 Microstructures of sintered samples made of different powders:(a)element powders:(b)gas atomized powders:(c)mixed powders 由图3可见，三者的晶粒形状均呈不规则状，尺 寸大小不一，气雾化预合金粉末所得样品的晶粒尺 16000 寸更细些；而用元素粉制得样品的晶粒尺寸则更大 些，且在某些晶粒内出现了明显的呈平行排列的孪 12000 晶组织，这可能是由于粉末混合不均匀，造成的局部 8000 液相，使烧结过程中局部发生相变，也可能是由于烧 气雾化粉 结过程中热应力过大所致.图4所示的XRD结果 4000 元素粉 则显示，三者的相组织基本相似，均为FeCr基铁 混合粉 素体α相，也说明以羰基铁粉为主体的元素混合粉 20 406080100120 在烧结过程中，其Fe、Cr、Si和Mo等元素成分能通 20) 过扩散而达到最终成分均匀，可见，采用元素混合 粉来制备耐热合金零部件的方法是可行的， 图4不同粉末烧结样品的XRD谱 Fig.4 XRD patterns of sintered samples made of different powders
快烧结致密度最高故其力学性能就最好．而气雾 化预合金粉则粒度较粗表面积小烧结活性较差 且在脱脂后其最初的粉末颗粒接触点少致使烧结 时扩散慢扩散点少因而烧结致密化能力弱所得 样品密度低、孔隙率高．图2所示烧结样品表面形 貌图可以看出：对于元素粉末烧结样品样品中孔隙 更细小分布更均匀这是因为粉末粒径越细粒度 分布越宽越能实现粉末的密堆积；相反气雾化预 合金粉由于粉末粗且呈球形因而其孔隙也基本呈 圆形、且孔径较大其孔隙率也大． 图2 不同粉末烧结样品孔隙形貌图．（a） 元素粉；（b） 气雾化粉；（c） 混合粉 Fig．2 Pore pictures of sintered samples made of different powders：（a） element powders；（b） gas-atomized powders；（c） mixed powders 2∙2 不同粉末对 MIM耐热合金显微组织的影响 由于在雾化之前先对合金元素进行了充分熔 融其合金成分已达到均匀一致．故采用气雾化预 合金粉作为原料则烧结时仅仅需完成粉末颗粒的 致密化即可．而对于元素粉末而言在烧结过程不 仅要完成颗粒的致密化而且要完成成分的均匀化 即成分及组织均匀．对不同粉末烧结样品的显微组 织进行分析结果见图3． 图3 不同粉末烧结样品显微组织．（a） 元素粉；（b） 气雾化粉；（c） 混合粉 Fig．3 Microstructures of sintered samples made of different powders：（a） element powders；（b） gas-atomized powders；（c） mixed powders 由图3可见三者的晶粒形状均呈不规则状尺 寸大小不一．气雾化预合金粉末所得样品的晶粒尺 寸更细些；而用元素粉制得样品的晶粒尺寸则更大 些且在某些晶粒内出现了明显的呈平行排列的孪 晶组织这可能是由于粉末混合不均匀造成的局部 液相使烧结过程中局部发生相变也可能是由于烧 结过程中热应力过大所致．图4所示的 XRD 结果 则显示三者的相组织基本相似均为 Fe－Cr 基铁 素体 α相也说明以羰基铁粉为主体的元素混合粉 在烧结过程中其 Fe、Cr、Si 和 Mo 等元素成分能通 过扩散而达到最终成分均匀．可见采用元素混合 粉来制备耐热合金零部件的方法是可行的． 图4 不同粉末烧结样品的 XRD 谱 Fig．4 XRD patterns of sintered samples made of different powders ·1026· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第9期 林冰涛等：不同类型粉末对金属注射成形耐热合金性能的影响 ,1027 2.3不同粉末对IM耐热合金耐蚀性能的影响 素混合粉、气雾化粉以及两者的混合粉而言，其饱和 对不同粉末的烧结试样用800#砂纸打磨去除 腐蚀失重率分别为1.3,3.0及2.6mgmm-2,而达 氧化皮，酒精清洗，烘干.用游标卡尺测量试样的尺 到饱和腐蚀失重率所需时间分别为23,51及47h. 寸，并算出其表面积.将样品放入盛有5%HC1溶 说明采用元素粉制得的样品，耐腐蚀性更强，而气雾 液的烧杯中，置于50℃水浴中75h,每间隔15h取 化法最差，混合则居中.其原因有：(1)元素粉制备 样品一次，在流水中用软刷刷净表面的腐蚀物，同时 的样品致密更高，其残留孔隙率更低且呈细小弥散 记录腐蚀情况，然后烘干，称量，计算腐蚀失重率 分布；而雾化粉则相反，样品致密度低、残留孔隙多 (mgmm-2),其结果如图5所示 而大·从腐蚀机制来看，孔隙越小，一旦被侵蚀，四 4.0 周产生的腐蚀产物与孔隙的接触面积小，可有效地 3.5 防止进一步腐蚀的发生；孔隙越大，增加了腐蚀溶液 0 和样品的接触面积，使腐蚀加剧，降低了耐腐蚀性 2.5 能.(2)如表1所示，雾化粉含碳量更高，使得生成 一■一元素粉 2.0 一·一混合粉 的碳化铬相更多，从而产生局部的贫铬区，导致腐蚀 一▲一气雾化粉 性变差 1.0 实验中发现，三种粉末的烧结样品在5%HC1 0.5 溶液中，溶液很快就变成绿色，说明开始腐蚀速度非 常快.这是由于CI厂对FeCr相具有强的腐蚀性， 20 40 60 100 时间h 在钝化膜的破坏点出现被广大阴极区包围的微阳 极，在微阳极内，金属快速溶解，形成金属离子，在 图5不同粉末烧结样品的耐蚀性能 阳极极化条件下，介质中只要含有氯离子，金属就很 Fig.5 Corrosion resistant property of sintered samples made of dif- 容易发生点蚀，点蚀町多发生在晶界夹杂或含抗点 ferent powders 蚀元素较低的析出相附近的贫铬区域中，点蚀一旦 从图中可以看出：各种粉末制备的MIM耐热 出现并迅速发展而形成较大的浸蚀坑，有些坑底还 合金，其腐蚀规律基本相似，开始时腐蚀失重率随 存留有许多腐蚀产物.图6给出了三种粉末的样品 腐蚀时间的增长而迅速增加，随后则达到饱和，此时 经腐蚀后的表面SEM图，可以看出，三种试样表面 其腐蚀失重率不再随腐蚀时间而变化，说明此时耐 都有明显的点蚀坑，但气雾化粉末样品的点蚀坑数 热合金已产生表面钝化现象阻止腐蚀的进一步深 量相对更多些，且深度大·这是由于气雾化粉含碳 入·其差别在于，粉末不同，其饱和腐蚀失重率不 量高，从而造成局部区域贫铬造成的 同，且达到饱和腐蚀失重率的时间也不同·对于元 (a) (b) 20 um 20m 20 um 图6不同粉末烧结样品腐蚀sEM图，(a)元素粉；(b)气雾化粉：(c)混合粉 Fig.6 Corrosive SEM images of sintered samples made of different powders:(a)element powders:(b)gas-atomized powders:(c)mixed pow- ders 3结论 气雾化预合金粉，其致密度及抗拉强度分别达到 98.1%及510MPa;而两者的混合粉末性能则介于 (1)不同粉末制得MIM耐热合金样品的力学 中间 性能不同，以羰基铁粉为主体的元素混合粉要好于 (2)元素混合粉制得的MIM耐热合金的耐腐
2∙3 不同粉末对 MIM耐热合金耐蚀性能的影响 对不同粉末的烧结试样用800＃砂纸打磨去除 氧化皮酒精清洗烘干．用游标卡尺测量试样的尺 寸并算出其表面积．将样品放入盛有5％ HCl 溶 液的烧杯中置于50℃水浴中75h每间隔15h 取 样品一次在流水中用软刷刷净表面的腐蚀物同时 记录腐蚀情况然后烘干称量计算腐蚀失重率 （mg·mm －2）其结果如图5所示． 图5 不同粉末烧结样品的耐蚀性能 Fig．5 Corrosion-resistant property of sintered samples made of different powders 从图中可以看出：各种粉末制备的 MIM 耐热 合金其腐蚀规律基本相似．开始时腐蚀失重率随 腐蚀时间的增长而迅速增加随后则达到饱和此时 其腐蚀失重率不再随腐蚀时间而变化说明此时耐 热合金已产生表面钝化现象阻止腐蚀的进一步深 入．其差别在于粉末不同其饱和腐蚀失重率不 同且达到饱和腐蚀失重率的时间也不同．对于元 素混合粉、气雾化粉以及两者的混合粉而言其饱和 腐蚀失重率分别为1∙33∙0及2∙6mg·mm －2而达 到饱和腐蚀失重率所需时间分别为2351及47h． 说明采用元素粉制得的样品耐腐蚀性更强而气雾 化法最差混合则居中．其原因有：（1）元素粉制备 的样品致密更高其残留孔隙率更低且呈细小弥散 分布；而雾化粉则相反样品致密度低、残留孔隙多 而大．从腐蚀机制来看孔隙越小一旦被侵蚀四 周产生的腐蚀产物与孔隙的接触面积小可有效地 防止进一步腐蚀的发生；孔隙越大增加了腐蚀溶液 和样品的接触面积使腐蚀加剧降低了耐腐蚀性 能．（2）如表1所示雾化粉含碳量更高使得生成 的碳化铬相更多从而产生局部的贫铬区导致腐蚀 性变差． 实验中发现三种粉末的烧结样品在5％ HCl 溶液中溶液很快就变成绿色说明开始腐蚀速度非 常快．这是由于 Cl －对 Fe－Cr 相具有强的腐蚀性 在钝化膜的破坏点出现被广大阴极区包围的微阳 极．在微阳极内金属快速溶解形成金属离子．在 阳极极化条件下介质中只要含有氯离子金属就很 容易发生点蚀点蚀［9］多发生在晶界夹杂或含抗点 蚀元素较低的析出相附近的贫铬区域中点蚀一旦 出现并迅速发展而形成较大的浸蚀坑有些坑底还 存留有许多腐蚀产物．图6给出了三种粉末的样品 经腐蚀后的表面 SEM 图．可以看出三种试样表面 都有明显的点蚀坑但气雾化粉末样品的点蚀坑数 量相对更多些且深度大．这是由于气雾化粉含碳 量高从而造成局部区域贫铬造成的． 图6 不同粉末烧结样品腐蚀 SEM 图．（a）元素粉；（b） 气雾化粉；（c） 混合粉 Fig．6 Corrosive SEM images of sintered samples made of different powders：（a） element powders；（b） gas-atomized powders；（c） mixed powders 3 结论 （1） 不同粉末制得 MIM 耐热合金样品的力学 性能不同．以羰基铁粉为主体的元素混合粉要好于 气雾化预合金粉其致密度及抗拉强度分别达到 98∙1％及510MPa；而两者的混合粉末性能则介于 中间． （2） 元素混合粉制得的 MIM 耐热合金的耐腐 第9期 林冰涛等： 不同类型粉末对金属注射成形耐热合金性能的影响 ·1027·
.1028 北京科技大学学报 第30卷 蚀性能要大大好于气雾化预合金粉，其饱和失重率 cess Technol,2006,176(1/3).205 其达到的时间分别为1.3mgcm~2及23h.这是由 [5]Qu X H.Gao J X,Qin M L.et al.Application of a wax-based binder in PIM of WC-TiC-Co cemented carbides.Int Refract 于致密度、残留孔隙形态及含碳量不同所致 Met Hard Mater.2005.23(4/6):273 (3)由元素混合粉所制备的MIM耐热合金的 [6]Bose A.Valencia JJ.Spirko J.et al.Powder injection molding 组织结构与气雾化粉末基本相似，说明以低成本元 of Inconel 718 alloy//Advances in Powder Metallurgy and Par- 素混合粉代替高成本的气雾化粉末制备MIM耐热 ticulate Materials.New Jersey:Genamics JournalSeek.1997: 合金的方法是可行， Part 3,18 [7]Li Y M.Huang B Y,Zhang J.The effects of different powders 参考文献 on the injection molding process of Fe-Ni alloys.Mech Eng Mater,2001,25(6):17 [1]Eroglu S,Bakan H I.Solvent debinding kinetics and sintered (李益民，黄伯云，张健.不同粉末对Fe一Ni合金注射成形工 properties of injection moulded 316L stainless steel powder.Pow- 艺过程的影响.机械工程材料，2001,25(6)：17) der Metall,2005,48(4):329~332 [8]Tao Y.Feng D,Zhang Y W,et al.Effect of PREP process pa- [2]Cao Y J.Metal injection molding of stainless steels.Pow der Met- all Technol,2000,18(4):274 rameters on powder properties for FGH95 superalloy.JIron Steel Bes,2003,15(5):46 (曹勇家.金属注射成形不锈钢，粉末治金技术，2000,18 (陶宇，冯涤，张义文，等.PREP工艺参数对FGH95高温合 (4):274) 金粉末特性的影响.钢铁研究学报，2003,15(5)：46) [3]Suri P,Atre S V.German R M.et al.Effect of mixing on the [9]Wohlfromm H.Blomacher M.Uggowitzer P J.et al.Corrosion rheology and particle characteristics of tungsten-based powder in- resistance of MIM stainless steels//Advances in Powder Metal- jection molding feedstock.Mater Sci Eng A.2003.A356(1/2): 337 lurgy and Particulate Materials.New Jersey:Genamics Jour nalSeek,1999:Part 6,6 [4]Scott W K,Nyberg E.Simmons K.A new binder for powder in- jection molding titanium and other reactive metals.J Mater Pro- (上接第996页) (11):1323 [7]Ferry M.Hamilton N E.Humphreys F J.Continuous and dis- [10]Storojeva L,Ponge D.Kaspar R.et al.Development of mi- continuous grain coarsening in a fine-grained particle-containing crostructure and texture of medium carbon steel during heavy Al-Se alloy.Acta Mater.2005.53(4):1097 warm deformation Acta Mater,2004.52(8):2209 [8]Gawne DT,Higgins G T.Associations between spherical parti- [11]Habiby F,Humphreys F J.Effect of particle stimulated nucle- dles of two dissimilar phases.J Mater Sci,1971,6(5):403 ation on the recrystallization texture of an Al-Si alloy.Scripta [9]Humphreys F J.The nucleation of recrystallization at second Metall Mater.1994.30(6):787 phase particles in deformed Aluminium.Acta Metall,1977,25 (上接第1001页) [8]Lee C H,Bhadeshia H K D H,Lee H C.Effect of plastic defor- [5]Madariaga I,Gutierrez I.Role of the particle-matrix interface on mation on the formation of acicular ferrite.Mater Sci Eng. the nucleation of acicular ferrite in a medium carbon microalloyed 2003,A360:249 steel.Acta Mater.1999,47(3):951 [9]Liu S X.Study of Microstructure Evolution in a Medium Car- [6]Madariaga I.Gutierrez I.Nucleation of acicular ferrite enhanced bon Microalloyed Steel Used for Hot-rolling Non quenched/tem- by the precipitation of Cus on Mns particles.Seripta Mater, pered Seamless Oil-well Ttubes [Dissertation].Beijing:Univer- 1997,37(8):1185 sity of Science and Technology Beijing.2003 [7]Diaz-Fuentes M.Gutierrez I.Analysis of different acicular ferrite (刘胜新.中碳微合金热轧非调质无缝油井管钢的组织演化规 microstructures generated in a medium carbon molybdenum steel. 律研究[学位论文]北京：北京科技大学，2003) Mater Sci Eng.2003.A363:316
蚀性能要大大好于气雾化预合金粉其饱和失重率 其达到的时间分别为1∙3mg·cm －2及23h．这是由 于致密度、残留孔隙形态及含碳量不同所致． （3） 由元素混合粉所制备的 MIM 耐热合金的 组织结构与气雾化粉末基本相似说明以低成本元 素混合粉代替高成本的气雾化粉末制备 MIM 耐热 合金的方法是可行． 参 考 文 献 ［1］ Eroglu SBakan H I．Solvent debinding kinetics and sintered properties of injection moulded316L stainless steel powder．Powder Metall200548（4）：329～332 ［2］ Cao Y J．Metal injection molding of stainless steels．Pow der Metall Technol200018（4）：274 （曹勇家．金属注射成形不锈钢．粉末冶金技术200018 （4）：274） ［3］ Suri PAtre S VGerman R Met al．Effect of mixing on the rheology and particle characteristics of tungsten-based powder injection molding feedstock．Mater Sci Eng A2003A356（1／2）： 337 ［4］ Scott W KNyberg ESimmons K．A new binder for powder injection molding titanium and other reactive metals．J Mater Process Technol2006176（1／3）：205 ［5］ Qu X HGao J XQin M Let al．Application of a wax-based binder in PIM of WC-TiC-Co cemented carbides．Int J Ref ract Met Hard Mater200523（4／6）：273 ［6］ Bose AValencia J JSpirko Jet al．Powder injection molding of Inconel718alloy∥ A dv ances in Pow der Metallurgy and Particulate Materials．New Jersey：Genamics JournalSeek1997： Part 318 ［7］ Li Y MHuang B YZhang J．The effects of different powders on the injection molding process of Fe-Ni alloys． Mech Eng Mater200125（6）：17 （李益民黄伯云张健．不同粉末对 Fe－Ni 合金注射成形工 艺过程的影响．机械工程材料200125（6）：17） ［8］ Tao YFeng DZhang Y Wet al．Effect of PREP process parameters on powder properties for FGH95superalloy．J Iron Steel Res200315（5）：46 （陶宇冯涤张义文等．PREP 工艺参数对 FGH95高温合 金粉末特性的影响．钢铁研究学报200315（5）：46） ［9］ Wohlfromm HBlomacher MUggowitzer P Jet al．Corrosion resistance of MIM stainless steels∥ A dv ances in Pow der Metallurgy and Particulate Materials．New Jersey：Genamics JournalSeek1999：Part 66 （上接第996页） ［7］ Ferry MHamilton N EHumphreys F J．Continuous and discontinuous grain coarsening in a fine-grained particle-containing A-l Sc alloy．Acta Mater200553（4）：1097 ［8］ Gawne D THiggins G T．Associations between spherical particles of two dissimilar phases．J Mater Sci19716（5）：403 ［9］ Humphreys F J．The nucleation of recrystallization at second phase particles in deformed Aluminium．Acta Metall197725 （11）：1323 ［10］ Storojeva LPonge DKaspar Ret al．Development of microstructure and texture of medium carbon steel during heavy warm deformation．Acta Mater200452（8）：2209 ［11］ Habiby FHumphreys F J．Effect of particle stimulated nucleation on the recrystallization texture of an A-l Si alloy．Scripta Metall Mater199430（6）：787 （上接第1001页） ［5］ Madariaga IGutiérrez I．Role of the particle-matrix interface on the nucleation of acicular ferrite in a medium carbon microalloyed steel．Acta Mater199947（3）：951 ［6］ Madariaga IGutiérrez I．Nucleation of acicular ferrite enhanced by the precipitation of CuS on MnS particles． Scripta Mater 199737（8）：1185 ［7］ Díaz-Fuentes MGutiérrez I．Analysis of different acicular ferrite microstructures generated in a medium-carbon molybdenum steel． Mater Sci Eng2003A363：316 ［8］ Lee C HBhadeshia H K D HLee H C．Effect of plastic deformation on the formation of acicular ferrite． Mater Sci Eng 2003A360：249 ［9］ Liu S X．Study of Microstructure Evolution in a Medium Carbon Microalloyed Steel Used for Hot-rolling Non-quenched／tempered Seamless Oil-well Ttubes ［Dissertation ］Beijing：University of Science and Technology Beijing2003 （刘胜新．中碳微合金热轧非调质无缝油井管钢的组织演化规 律研究［学位论文］．北京：北京科技大学2003） ·1028· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷