D0I:10.13374/i.issnl00It03.2008.0L.014 第30卷第1期 北京科技大学学报 Vol.30 No.1 2008年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2008 工艺参数对凝胶注模成型不锈钢坯体强度和烧结密度 的影响 李艳郭志猛 郝俊杰高玉喜 北京科技大学粉末冶金研究所，北京100083 摘要为了制备高坯体强度和烧结密度的凝胶注模成型不锈钢制件，研究了凝胶注模工艺参数包括预混液单体含量和单 体/交联剂比例、浆料固相含量及引发剂加入量等对坯体抗弯强度及烧结体密度的影响规律.结果表明，对于316L不锈钢的 凝胶注模成型，可同时获得较好的坯体强度和烧结密度的工艺条件为：预混液单体质量分数18%~22%，单体/交联剂比例 90:1~240:1:浆料固相体积分数52%~55%；引发剂用量约为单体质量的0.8%~1.4%.最终获得坯体强度高于30.0MPa、 烧结密度高于97%的复杂形状烧结不锈钢零件，其烧结体力学性能略低于粉末注射成型时的性能，但远高于美国MPF标 准。 关键词316L不锈钢：凝胶注模成型；复杂形状：坯体强度；烧结密度 分类号TF124.3 Effects of process parameters on the gelcasting green strength and sintered density of stainless steel LI Yan,GUO Zhimeng.HAO Junjie,GAO Yuxi Institute of Powder Metallurgy University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT An approach for fabricating sintered stainless steel with high green strength and sintered density by gelcasting was pre- sented.The effects of gelcasting process parameters such as monomer content,ratio of monomer/cross-linker in premixed solution. solid loading of slurry.and initiator content on the green strength and sintered density of stainless steel were investigated.The results show that the appropriate process parameters of 316L stainless steel gelcasting are as follows:monomer mass fraction 18%-22%, ratio of monomer/cross-linker 90:1-240:1,solid loading 52%-55%.and initiator content 0.8%-1.4%(based on the mass of monomer).Under the above condition,complex"shaped stainless steel parts with green strength more than 30.0 MPa,sintered densi- ty more than 97%and mechanical properties slightly less than those of parts by metal powder injection molding (MIM)were ob- tained. KEY WORDS 316L stainless steel:gelcasting:complex-shape:green strength:sintered density 烧结不锈钢优异的抗氧化和耐蚀性能令其在许 的局限使得大尺寸零件制备比较困难：粉浆浇注所 多工程领域获得广泛应用山，但是，现有的烧结不 得坯体强度很低，并且生产周期长，生产率低]， 锈钢成型方法，例如传统粉末冶金压制成型、注射成 20世纪90年代初，美国橡树岭国家实验室 型及粉浆浇注成型，均存在一定局限。传统粉末治 (Oak Ridge National Laboratory)发明了一种原位固 金压制成型难于获得复杂形状的零部件：注射成型 化成型技术一凝胶注模成型(gelcasting)·其成型 及粉浆浇注虽然容易获得复杂形状制件，但注射成 机理是利用有机单体的交联反应，将金属或陶瓷粉 型由于坯体含质量分数6%~10%的有机物（包括 料颗粒原位固定于高分子三维网络中，从而获得复 石蜡、高密度聚乙烯、硬脂酸等成分)，脱脂过程 杂形状、大尺寸的制品1.与金属注射成型及粉 收稿日期：2006-09-30修回日期：2006-12-14 浆浇注相比，凝胶注模成型具有易制备复杂形状、大 作者简介：李艳(1979一)，女，博士研究生：郭志猛(1959一)男， 尺寸、组分均匀、密度均匀、有机物含量少的高强度 教授，博士生导师 坯体（有机物总量约为干坯质量的1.0%~2.5%）
工艺参数对凝胶注模成型不锈钢坯体强度和烧结密度 的影响 李 艳 郭志猛 郝俊杰 高玉喜 北京科技大学粉末冶金研究所北京100083 摘 要 为了制备高坯体强度和烧结密度的凝胶注模成型不锈钢制件研究了凝胶注模工艺参数包括预混液单体含量和单 体／交联剂比例、浆料固相含量及引发剂加入量等对坯体抗弯强度及烧结体密度的影响规律．结果表明对于316L 不锈钢的 凝胶注模成型可同时获得较好的坯体强度和烧结密度的工艺条件为：预混液单体质量分数18％～22％单体／交联剂比例 90∶1～240∶1；浆料固相体积分数52％～55％；引发剂用量约为单体质量的0∙8％～1∙4％．最终获得坯体强度高于30∙0MPa、 烧结密度高于97％的复杂形状烧结不锈钢零件其烧结体力学性能略低于粉末注射成型时的性能但远高于美国 MPIF 标 准． 关键词 316L 不锈钢；凝胶注模成型；复杂形状；坯体强度；烧结密度 分类号 TF124∙3 Effects of process parameters on the gelcasting green strength and sintered density of stainless steel LI Y anGUO ZhimengHA O JunjieGA O Y uxi Institute of Powder MetallurgyUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT An approach for fabricating sintered stainless steel with high green strength and sintered density by gelcasting was presented．T he effects of gelcasting process parameters such as monomer contentratio of monomer／cross-linker in premixed solution solid loading of slurryand initiator content on the green strength and sintered density of stainless steel were investigated．T he results show that the appropriate process parameters of 316L stainless steel gelcasting are as follows：monomer mass fraction18％－22％ ratio of monomer／cross-linker90∶1－240∶1solid loading52％－55％and initiator content 0∙8％－1∙4％ （based on the mass of monomer）．Under the above conditioncomplex-shaped stainless steel parts with green strength more than30∙0MPasintered density more than97％ and mechanical properties slightly less than those of parts by metal powder injection molding （MIM） were obtained． KEY WORDS 316L stainless steel；gelcasting；complex-shape；green strength；sintered density 收稿日期：2006-09-30 修回日期：2006-12-14 作者简介：李 艳（1979－）女博士研究生；郭志猛（1959－）男 教授博士生导师 烧结不锈钢优异的抗氧化和耐蚀性能令其在许 多工程领域获得广泛应用［1］．但是现有的烧结不 锈钢成型方法例如传统粉末冶金压制成型、注射成 型及粉浆浇注成型均存在一定局限．传统粉末冶 金压制成型难于获得复杂形状的零部件；注射成型 及粉浆浇注虽然容易获得复杂形状制件但注射成 型由于坯体含质量分数6％～10％的有机物（包括 石蜡、高密度聚乙烯、硬脂酸等成分） ［2－4］脱脂过程 的局限使得大尺寸零件制备比较困难；粉浆浇注所 得坯体强度很低并且生产周期长生产率低［5－6］． 20世纪90年代初美国橡树岭国家实验室 （Oak Ridge National Laboratory）发明了一种原位固 化成型技术－－－凝胶注模成型（gelcasting）．其成型 机理是利用有机单体的交联反应将金属或陶瓷粉 料颗粒原位固定于高分子三维网络中从而获得复 杂形状、大尺寸的制品［7－9］．与金属注射成型及粉 浆浇注相比凝胶注模成型具有易制备复杂形状、大 尺寸、组分均匀、密度均匀、有机物含量少的高强度 坯体（有机物总量约为干坯质量的1∙0％～2∙5％）、 第30卷 第1期 2008年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．1 Jan．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．01．014
第1期 李艳等：工艺参数对凝胶注模成型不锈钢坯体强度和烧结密度的影响 .31. 不需专门的脱脂工序、模具成本低廉等独特优 径的不锈钢粉料沉降.之后将316L不锈钢粉料及 势10 消泡剂加入预混液中，在不锈钢球磨罐、氨气气氛下 坯体强度的提高对于凝胶注模成型技术而言， 球磨24h,以制备具有良好分散性、低黏度、均匀的 不仅意味着在烧结前的搬运过程中坯体的损坏大大 浆料，经过真空除泡，加入引发剂和催化剂的浆料 减少，而且大尺寸零件的生产变得相对容易，甚至可 被注入非多孔模具中并在60℃保温以保证固化反 以对坯体进行直接机械加工2].对于烧结不锈 应完全，脱模后的湿坯经真空室温干燥后，按照典 钢材料来说，高的烧结密度和低孔隙度非常重要， 型316L不锈钢烧结路线于氢气气氛中烧结2h. 这是因为烧结不锈钢的性能，尤其是机械强度和耐 有机单体 交联剂 腐蚀性，大大取决于材料烧结后的致密度).实验 水 凝胶剂 分散剂 发现，一些凝胶注模成型工艺参数对于坯体强度和 烧结密度同时存在影响，本文通过对预混液单体浓 不锈钢粉料 预混液 消泡剂 度和单体/交联剂比例、浆料固相含量及引发剂加入 在N,气氛下球磨 量等因素对坯体抗弯强度及烧结体密度的影响规律 真空除泡 的研究，制备出高坯体强度和烧结密度的复杂形状 催化剂 引发剂 烧结不锈钢零件 注模 1实验 60℃保温凝胶 脱模 1.1实验原料 真空干燥 实验所用不锈钢粉料为市售316L气雾化粉， 烧结 其平均粒径为17.4m,松装密度3.9gcm-3,振实 密度为4.9gcm-3.其显微形貌如图1所示. 图2316L不锈钢凝胶注模成型工艺 Fig.2 Flow chart of gelcasting process for 316L stainless steel 1.3分析方法 316L不锈钢坯体抗弯强度以及烧结体的力学 性能以Instron材料试验机、采用三点弯曲法测定， 取10个试条测量结果的平均值.试条大小为3mm× 4mm×36mm,加载速率3.0mm·min1,跨距 24mm.以扫描电镜观察样品微观形貌(Cambridge 20 um S一250MK2).烧结密度依据阿基米德定律测定 图1316L不绣钢粉末扫描电镜照片 2实验结果及讨论 Fig-1 SEM micrograph of 316L stainless steel powder 2.1预混液组成对坯体强度及烧结密度的影响 凝胶体系中，有机单体为丙烯酰胺(AM, 与粉末注射成型和粉浆浇注工艺相比，凝胶注 C2H3CONH2),交联剂为N,N一亚甲基双丙烯酰胺 模的一个主要优点是含有较少有机粘结剂（总量约 (MBAM,(C2H3CONH)zCH2),引发剂为过硫酸铵 为干坯质量的1.0%~2.5%)的坯体具有足够的强 (APS,(NH4)2S2O8),催化剂为N,N,N',N一四甲 度，甚至能够进行机械加工·预混液的组成是影响 基乙二胺(TEMED,C6H6N2),分散剂DP-1为自 坯体强度和烧结密度的关键因素之一，其中适当的 制.以上试剂均为分析纯 单体含量、单体/交联剂比例等对于获得较高的坯体 1.2成型工艺过程 强度和烧结密度具有重要意义， 丙烯酰胺体系不锈钢凝胶注模成型工艺过程示 图3为预混液单体浓度对坯体强度及烧结密度 意图见图2。首先，将适当比例的丙烯酰胺单体及 的影响曲线（固相体积分数55%，单体/交联剂比例 N,N亚甲基双丙烯酰胺交联剂均匀混合，此混合 AM/MBAM为901).可以发现，坯体的强度随着 物以适当浓度溶解于去离子水中，即制得预混液， 单体含量的增加而明显增强，当单体质量分数为 将适量自制分散剂溶于预混液，以防止高密度、大粒 20%时，坯体的强度可以达到33.7MPa,对于凝胶
不需专门的脱脂工序、模具成本低廉等独特优 势［10－11］． 坯体强度的提高对于凝胶注模成型技术而言 不仅意味着在烧结前的搬运过程中坯体的损坏大大 减少而且大尺寸零件的生产变得相对容易甚至可 以对坯体进行直接机械加工［12－13］．对于烧结不锈 钢材料来说高的烧结密度和低孔隙度非常重要． 这是因为烧结不锈钢的性能尤其是机械强度和耐 腐蚀性大大取决于材料烧结后的致密度［14］．实验 发现一些凝胶注模成型工艺参数对于坯体强度和 烧结密度同时存在影响．本文通过对预混液单体浓 度和单体／交联剂比例、浆料固相含量及引发剂加入 量等因素对坯体抗弯强度及烧结体密度的影响规律 的研究制备出高坯体强度和烧结密度的复杂形状 烧结不锈钢零件． 1 实验 1∙1 实验原料 实验所用不锈钢粉料为市售316L 气雾化粉 其平均粒径为17∙4μm松装密度3∙9g·cm －3振实 密度为4∙9g·cm －3．其显微形貌如图1所示． 图1 316L 不锈钢粉末扫描电镜照片 Fig．1 SEM micrograph of 316L stainless steel powder 凝 胶 体 系 中有 机 单 体 为 丙 烯 酰 胺 （AM C2H3CONH2）交联剂为 NN′－亚甲基双丙烯酰胺 （MBAM（C2H3CONH）2CH2）引发剂为过硫酸铵 （APS（NH4）2S2O8）催化剂为 NNN′N′－四甲 基乙二胺（TEMEDC6H16N2）分散剂 DP－1为自 制．以上试剂均为分析纯． 1∙2 成型工艺过程 丙烯酰胺体系不锈钢凝胶注模成型工艺过程示 意图见图2．首先将适当比例的丙烯酰胺单体及 NN′－亚甲基双丙烯酰胺交联剂均匀混合此混合 物以适当浓度溶解于去离子水中即制得预混液． 将适量自制分散剂溶于预混液以防止高密度、大粒 径的不锈钢粉料沉降．之后将316L 不锈钢粉料及 消泡剂加入预混液中在不锈钢球磨罐、氮气气氛下 球磨24h以制备具有良好分散性、低黏度、均匀的 浆料．经过真空除泡加入引发剂和催化剂的浆料 被注入非多孔模具中并在60℃保温以保证固化反 应完全．脱模后的湿坯经真空室温干燥后按照典 型316L 不锈钢烧结路线于氢气气氛中烧结2h． 图2 316L 不锈钢凝胶注模成型工艺 Fig．2 Flow chart of gelcasting process for316L stainless steel 1∙3 分析方法 316L 不锈钢坯体抗弯强度以及烧结体的力学 性能以 Instron 材料试验机、采用三点弯曲法测定 取10个试条测量结果的平均值．试条大小为3mm× 4mm ×36mm加载速率 3∙0mm·min －1跨距 24mm．以扫描电镜观察样品微观形貌（Cambridge S－250MK2）．烧结密度依据阿基米德定律测定． 2 实验结果及讨论 2∙1 预混液组成对坯体强度及烧结密度的影响 与粉末注射成型和粉浆浇注工艺相比凝胶注 模的一个主要优点是含有较少有机粘结剂（总量约 为干坯质量的1∙0％～2∙5％）的坯体具有足够的强 度甚至能够进行机械加工．预混液的组成是影响 坯体强度和烧结密度的关键因素之一其中适当的 单体含量、单体／交联剂比例等对于获得较高的坯体 强度和烧结密度具有重要意义． 图3为预混液单体浓度对坯体强度及烧结密度 的影响曲线（固相体积分数55％单体／交联剂比例 AM／MBAM 为90∶1）．可以发现坯体的强度随着 单体含量的增加而明显增强当单体质量分数为 20％时坯体的强度可以达到33∙7MPa．对于凝胶 第1期 李 艳等： 工艺参数对凝胶注模成型不锈钢坯体强度和烧结密度的影响 ·31·
.32 北京科技大学学报 第30卷 注模工艺，浆料中单体的聚合能够形成一个较强的 “节点”的作用，把有机单体的分子链联结起来，如 三维网络来固定固体粉末，所以单体含量较高时，所 果交联剂越少，也就是“节点”越少，聚合物的分子链 形成的网络较密集，因而强度较高，尽管进一步增 就越长，分支越少，聚合物弹性越好，具有足够链长 加单体含量有助于坯体强度的提高，如预混液单体 的聚合物可在粉末颗粒之间架桥，形成不规则网状 质量分数为30%时坯体强度可以达到42MPa,但烧 结构，将粉末颗粒包裹，因而生坯强度升高；当交联 结体密度只有93.8%.这种密度的降低可能是由于 剂的量少到一定程度时，坯体的强度基本上就是丙 粘结剂较多，脱除后留下较多的孔隙：与较少的粘结 烯酰胺的聚合物聚丙烯酰胺的长链所决定，强度不 剂相比，坯体脱脂后将更难烧结致密 再有明显变化.同时，由图4可见，随AM/MBAM 45 比例的变化烧结密度只有一些微小的波动，即AM/ 40 MBAM比例对烧结密度没有明显影响 96 2.2浆料固相含量对坯体强度和烧结密度的影响 9 为了获取具有优良力学性能的致密烧结体，在 凝胶注模成型中，在保证满足注模所需黏度的前提 一口-坯体强度 一●-相对密度 92 下，往往倾向于选择提高浆料的固相含量，但是，实 验发现，高固相含量浆料所制得的坯体强度往往较 90 10 15 20 25 低 单体质量分数% 图5显示了不锈钢凝胶注模成型中浆料固相含 图3预混液单体含量对不锈钢坯体强度及烧结密度的影响 量对坯体强度和烧结体密度的影响（预混液有机单 Fig.3 Effects of monomer content on the green strength and sin- 体质量分数20%，AM/MBAM为90：1)·由图5可 tered density 以看出，随着固相含量的升高，坯体的抗弯强度呈下 同时，实验发现，单体/交联剂比例(AM/ 降趋势，这主要是由于随着固相体积分数的提高， MBAM)对坯体抗弯强度存在很大影响，图4为预 颗粒的总表面积增加，有机物在颗粒单位表面的吸 混液中单体/交联剂比例对坯体强度和烧结密度的 附量减少，有机物的粘结力量减弱，从而坯体强度下 影响曲线（预混液中有机单体质量分数为20%，固 降.但是也可以看出，即使在固相体积分数为58% 相体积分数55%)，可以看出，坯体的抗弯强度随着 时，坯体强度仍能保持15MPa以上，这个强度足以 AM/MBAM比例的升高而增大；当AM/MBAM比 承受一定程度的机械加工·同时，在固相含量相对 例很小（如3：1）时，即凝胶网络中单体的相对量较 较低时，随着固相含量的升高，烧结密度逐渐增大； 少、交联剂较多时，坯体的强度很低；AM/MBAM比 但固相体积分数提高至55%以上时，烧结密度的变 例处于15：1到60：1之间时，坯体强度处于15~ 化曲线首先出现一个平台期，然后下降，这是因为固 30MPa之间；当该比例大于90：1后，坯体强度即大 相含量较高时，浆料的黏度较大，其中存在的气泡不 于30MPa,基本上处于水平状态，这是因为凝胶注 易排出，固化成型后坯体中残留较多的气孔等缺陷， 模的成型原理是有机单体和交联剂的凝胶聚合成空 导致烧结密度降低， 间网状结构从而使坯体具有强度，其中交联剂充当 45 100 35 102 40 100 25 20 30 9 -坯体强度 15 96 ■-坯体强度 -△·相对密度 88 -△-相对密度 20 94 15 9 5 53 55 57 92 60 120 180 240 固相体积分数% 单体/交联剂比例 图5浆料固相含量对坯体强度和烧结密度的影响 图4预混液单体/交联剂比例对坯体强度和烧结密度的影响 Fig.5 Effects of the solid loading of slurry on the green strength Fig.4 Effects of AM/MBAM on the green strength and sintered and sintered density density
注模工艺浆料中单体的聚合能够形成一个较强的 三维网络来固定固体粉末所以单体含量较高时所 形成的网络较密集因而强度较高．尽管进一步增 加单体含量有助于坯体强度的提高如预混液单体 质量分数为30％时坯体强度可以达到42MPa但烧 结体密度只有93∙8％．这种密度的降低可能是由于 粘结剂较多脱除后留下较多的孔隙；与较少的粘结 剂相比坯体脱脂后将更难烧结致密． 图3 预混液单体含量对不锈钢坯体强度及烧结密度的影响 Fig．3 Effects of monomer content on the green strength and sintered density 图4 预混液单体／交联剂比例对坯体强度和烧结密度的影响 Fig．4 Effects of AM／MBAM on the green strength and sintered density 同 时实 验 发 现单 体／交 联 剂 比 例 （AM／ MBAM）对坯体抗弯强度存在很大影响．图4为预 混液中单体／交联剂比例对坯体强度和烧结密度的 影响曲线（预混液中有机单体质量分数为20％固 相体积分数55％）．可以看出坯体的抗弯强度随着 AM／MBAM 比例的升高而增大；当 AM／MBAM 比 例很小（如3∶1）时即凝胶网络中单体的相对量较 少、交联剂较多时坯体的强度很低；AM／MBAM 比 例处于15∶1到60∶1之间时坯体强度处于15～ 30MPa之间；当该比例大于90∶1后坯体强度即大 于30MPa基本上处于水平状态．这是因为凝胶注 模的成型原理是有机单体和交联剂的凝胶聚合成空 间网状结构从而使坯体具有强度其中交联剂充当 “节点”的作用把有机单体的分子链联结起来．如 果交联剂越少也就是“节点”越少聚合物的分子链 就越长分支越少聚合物弹性越好具有足够链长 的聚合物可在粉末颗粒之间架桥形成不规则网状 结构将粉末颗粒包裹因而生坯强度升高；当交联 剂的量少到一定程度时坯体的强度基本上就是丙 烯酰胺的聚合物聚丙烯酰胺的长链所决定强度不 再有明显变化．同时由图4可见随 AM／MBAM 比例的变化烧结密度只有一些微小的波动即 AM／ MBAM 比例对烧结密度没有明显影响． 2∙2 浆料固相含量对坯体强度和烧结密度的影响 为了获取具有优良力学性能的致密烧结体在 凝胶注模成型中在保证满足注模所需黏度的前提 下往往倾向于选择提高浆料的固相含量．但是实 验发现高固相含量浆料所制得的坯体强度往往较 低． 图5显示了不锈钢凝胶注模成型中浆料固相含 量对坯体强度和烧结体密度的影响（预混液有机单 体质量分数20％AM／MBAM 为90∶1）．由图5可 以看出随着固相含量的升高坯体的抗弯强度呈下 降趋势．这主要是由于随着固相体积分数的提高 颗粒的总表面积增加有机物在颗粒单位表面的吸 附量减少有机物的粘结力量减弱从而坯体强度下 降．但是也可以看出即使在固相体积分数为58％ 时坯体强度仍能保持15MPa 以上这个强度足以 承受一定程度的机械加工．同时在固相含量相对 较低时随着固相含量的升高烧结密度逐渐增大； 但固相体积分数提高至55％以上时烧结密度的变 化曲线首先出现一个平台期然后下降这是因为固 相含量较高时浆料的黏度较大其中存在的气泡不 易排出固化成型后坯体中残留较多的气孔等缺陷 导致烧结密度降低． 图5 浆料固相含量对坯体强度和烧结密度的影响 Fig．5 Effects of the solid loading of slurry on the green strength and sintered density ·32· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第1期 李艳等：工艺参数对凝胶注模成型不锈钢坯体强度和烧结密度的影响 33 2.3引发剂加入量及固化气氛对坯体强度和烧结 含量、引发剂用量等因素的同时影响 密度的影响 表1烧结316L不锈钢性能 引发剂的加入量是控制浆料固化过程的主要因 Table 1 Properties of sintered 316L stainless steel prepared by gelcast- 素之一·在调整引发剂加入量以获得适当注模时间 ing or metal powder injection molding 的实验中，发现引发剂加入量对坯体强度和烧结密 密度/ 屈服强度/抗拉强度/硬度 成型工艺 度也存在一定程度的影响，如图6所示（预混液有机 (g'cm-3) MPa MPa (HRB) 单体质量分数20%，AM/MBAM为90：1，固相体积 凝胶注模成型 7.67(97.1%) 189 553 67 分数55%). 注射成型[] 7.84(99.2%) 263 630 70 MPIF 140 455 100 67 36 98 (2)对于316L不锈钢的凝胶注模成型，可同时 24 名 获得较好的坯体强度和烧结密度的工艺条件为：预 194 混液单体质量分数为18%~22%，单体/交联剂比 一-口-坯体强度 一●-相对密度 例为90：1~240：1；浆料固相体积分数为52%~ 92 55%;引发剂用量约为单体质量的0.8%~1.4%. 0.5 1.0 1.5 % (3)凝胶注模气雾化316L不锈钢可制备坯体 引发剂和单体质量比% 强度高于30.0MPa、烧结相对密度高于97%的复杂 形状烧结不锈钢零件，其烧结体力学性能略低于粉 图6引发剂浓度对坯体强度的影响 Fig.6 Effects of initiator content on the green strength and sintered 末注射成型件的性能，但是远高于美国MPIF标准. density 参考文献 可以看出，随着引发剂用量的增加坯体强度是 [1]Wu C J.Chen G L,Qiang W J.Metal Material Science.Bei- 增加的，当引发剂用量为单体质量的0.8%~1.4% jing:Metallurgical Industry Press,2000 时，坯体强度可以达到33.0MPa以上，但是进一步 (吴承建，陈国良，强文江、金属材料学.北京：冶金工业出版 社，2000) 增加引发剂用量，坯体强度反而下降，并且烧结密度 [2]Jiang F,Li Y M.LiS L.Influence of sintering atmosphere on 也随之下降，尽管少量的引发剂即可使浆料聚合， microstructure and properties of MIM 316L stainless steel.Pow- 但是坯体由于引发过快、交联没有充分进行而表现 der Metall Ind.2003.13(6):18 出较低的强度，所以为了使坯体具有足够强度，需要 (姜峰，李益民，李松林.烧结气氛对MIM316L不锈钢微观 组织和性能的影响.粉末治金工业，2003,13(6)：18) 增加引发剂用量；但是过量的引发剂可以使局部聚 [3]ZhongS Y.Powder injection molding technology and its recent 合快速发生从而在坯体中产生凝胶肿块，降低了坯 development.China Plast.2005.19(11):12 体强度和烧结体密度 (钟世云.粉末注射成型技术及其发展.中国塑料，2005,19 综上所述，对于316L不锈钢的凝胶注模成型， (11):12) 可同时获得较好的坯体强度和烧结密度的工艺条件 [4]Huang S J.Zhang H C.Zhang Z R.et al.Investigation and 为：预混液单体质量分数18%~22%，单体/交联剂 prospect in the metal powder injection molding.Mod Plast Pro- cess Appl,2005,17(6):58 比例90：1~240：1；浆料固相体积分数52%~55%； (黄诗君，张宏超，章争荣，等.金属粉末注射成型工艺·现代 引发剂用量约为单体质量的0.8%1.4% 塑料加工应用，2005,17(6)：58) 凝胶注模气雾化316L不锈钢粉末的烧结体性 [5]Omatete 00.Janney M A.Nunn S D.Gelcasting:From Labo- 能如表1所示.比较粉末注射成型的316L烧结不 ratory development toward industrial production.J Eur Ceram Sc,1997,17(2/3):407 锈钢性能和美国MPIF标准，采用凝胶注模制备的 [6]Xie Z P.Cheng Y B.Huang Y.Formation of silicon nitride bon- 烧结不锈钢的力学性能略低于粉末注射成型时的性 der silicon carbide by aqueous gelcasting.Mater Sci Eng A. 能，但是远高于美国MPIF标准. 2003,349(1/2):20 [7]Janney M A.Method for Forming Ceramic Pow ders into Com- 3结论 plex Shapes:America.4894194.1990 [8]Janney M A.Omatete Method for Molding Ceramic Pow- (1)凝胶注模成型不锈钢坯体强度、烧结密度 ders Using Water-based Gelcasting:America.5028362.1991 受预混液单体含量、单体/交联剂比例以及浆料固相 [9]Walls C.A.Kirby G H.Janney M A.et al.Gelcasting Methods:
2∙3 引发剂加入量及固化气氛对坯体强度和烧结 密度的影响 引发剂的加入量是控制浆料固化过程的主要因 素之一．在调整引发剂加入量以获得适当注模时间 的实验中发现引发剂加入量对坯体强度和烧结密 度也存在一定程度的影响如图6所示（预混液有机 单体质量分数20％AM／MBAM 为90∶1固相体积 分数55％）． 图6 引发剂浓度对坯体强度的影响 Fig．6 Effects of initiator content on the green strength and sintered density 可以看出随着引发剂用量的增加坯体强度是 增加的当引发剂用量为单体质量的0∙8％～1∙4％ 时坯体强度可以达到33∙0MPa 以上．但是进一步 增加引发剂用量坯体强度反而下降并且烧结密度 也随之下降．尽管少量的引发剂即可使浆料聚合 但是坯体由于引发过快、交联没有充分进行而表现 出较低的强度所以为了使坯体具有足够强度需要 增加引发剂用量；但是过量的引发剂可以使局部聚 合快速发生从而在坯体中产生凝胶肿块降低了坯 体强度和烧结体密度． 综上所述对于316L 不锈钢的凝胶注模成型 可同时获得较好的坯体强度和烧结密度的工艺条件 为：预混液单体质量分数18％～22％单体／交联剂 比例90∶1～240∶1；浆料固相体积分数52％～55％； 引发剂用量约为单体质量的0∙8％～1∙4％． 凝胶注模气雾化316L 不锈钢粉末的烧结体性 能如表1所示．比较粉末注射成型的316L 烧结不 锈钢性能和美国 MPIF 标准采用凝胶注模制备的 烧结不锈钢的力学性能略低于粉末注射成型时的性 能但是远高于美国 MPIF 标准． 3 结论 （1） 凝胶注模成型不锈钢坯体强度、烧结密度 受预混液单体含量、单体／交联剂比例以及浆料固相 含量、引发剂用量等因素的同时影响． 表1 烧结316L 不锈钢性能 Table1 Properties of sintered316L stainless steel prepared by gelcasting or metal powder injection molding 成型工艺 密度／ （g·cm －3） 屈服强度／ MPa 抗拉强度／ MPa 硬度 （HRB） 凝胶注模成型 7∙67（97∙1％） 189 553 67 注射成型［2］ 7∙84（99∙2％） 263 630 70 MPIF － 140 455 67 （2） 对于316L 不锈钢的凝胶注模成型可同时 获得较好的坯体强度和烧结密度的工艺条件为：预 混液单体质量分数为18％～22％单体／交联剂比 例为90∶1～240∶1；浆料固相体积分数为52％～ 55％；引发剂用量约为单体质量的0∙8％～1∙4％． （3） 凝胶注模气雾化316L 不锈钢可制备坯体 强度高于30∙0MPa、烧结相对密度高于97％的复杂 形状烧结不锈钢零件其烧结体力学性能略低于粉 末注射成型件的性能但是远高于美国 MPIF 标准． 参 考 文 献 ［1］ Wu C JChen G LQiang W J．Metal Material Science．Beijing：Metallurgical Industry Press2000 （吴承建陈国良强文江．金属材料学．北京：冶金工业出版 社2000） ［2］ Jiang FLi Y MLi S L．Influence of sintering atmosphere on microstructure and properties of MIM316L stainless steel．Powder Metall Ind200313（6）：18 （姜峰李益民李松林．烧结气氛对 MIM316L 不锈钢微观 组织和性能的影响．粉末冶金工业200313（6）：18） ［3］ Zhong S Y．Powder injection molding technology and its recent development．China Plast200519（11）：12 （钟世云．粉末注射成型技术及其发展．中国塑料200519 （11）：12） ［4］ Huang S JZhang H CZhang Z Ret al．Investigation and prospect in the metal powder injection molding．Mod Plast Process Appl200517（6）：58 （黄诗君张宏超章争荣等．金属粉末注射成型工艺．现代 塑料加工应用200517（6）：58） ［5］ Omatete O OJanney M ANunn S D．Gelcasting：From Laboratory development toward industrial production．J Eur Ceram Soc199717（2／3）：407 ［6］ Xie Z PCheng Y BHuang Y．Formation of silicon nitride bonder silicon carbide by aqueous gelcasting． Mater Sci Eng A 2003349（1／2）：20 ［7］ Janney M A．Method for Forming Ceramic Pow ders into Complex Shapes：America4894194．1990 ［8］ Janney M AOmatete O O．Method for Molding Ceramic Powders Using Water-based Gelcasting：America5028362．1991 ［9］ Walls C AKirby G HJanney M Aet al．Gelcasting Methods： 第1期 李 艳等： 工艺参数对凝胶注模成型不锈钢坯体强度和烧结密度的影响 ·33·
.34. 北京科技大学学报 第30卷 America,6066279.2000 [13]Janney M A.Ren W J.Kirby G H.et al.Gelcast tooling:net [10]Gillissen R.Erauw J P,Smolders A.et al.Gelcasting.a near shape casting and green machining.Mater Manuf Process. net shape technique.Mater Des,2000.21(4):251 1998,13(3):389 [11]Stampfl J.Liu HC.Nam S W.et al.Rapid prototyping and [14]Guo S J.Yang X.Chen B F.Enhanced sintering of P/M 316L manufacturing by gelcasting of metallic and ceramic slurries. stainless steel for high sintered density.Mater Mech Eng. Mater Sci Eng A,2002,334(1/2):187 2004,28(7):7 [12]Janney M A.Gelcasting superalloy powder//Proceedings of the (果世驹，杨霞，陈邦蜂.粉末316L不锈钢的高密度强化烧 International Conference on Pow der Metallurgy in Aerospae 结.机械工程材料，2004,28(7)：7) Defense and Demanding Applications.America.1995:139 (上接第20页) content of low alloy steels.Corros Sci,2003.45:2609 [3]Liu L H.Qi H B.Lu Y P.et al.A review on weathering steel [7]Chen Y Y.Corrosion resistance and mechanical properties of low- research.Corros Sci Prot Technol,2003,15(2):86 alloy steels under atmospheric conditions.Corros Sci.2005,47: (刘丽宏，齐慧滨，卢燕平，等.耐大气腐蚀钢的研究概况·腐 1001 蚀科学与防护技术，2003,15(2)：86) [8]Piao X Y.Yue L J.Wang L M,et al.Evaluation of weathering [4]Nishimura T.Effect of Co and Ni on the corrosion behavior of steel's corrosion resistant performances.JUnie Sci Technol Bei- low alloy steels in wet/dry environments.Corros Sci.2000.42: jig:2005,27(5):549 1611 (朴秀玉，岳丽杰，王龙妹，等.耐候钢耐蚀性能的评定，北京 [5]Hou B R,Zhang J L.Wang J,et al.Study on influence of alloy 科技大学学报，2005,27(5)：549) elements on the corrosion resistance of low alloy steel.Stud Mar [9]Zhang C L.A study on the dual phase treatment of weathering Sim,1995,36:137 steel 09CuPCrNi.Mater Lett,2004.58:1524 (侯保荣，张经磊，王佳，等，合金元素对低合金钢耐腐蚀性能 [10]Zhang QC.Corrosion behavior of weathering steel in marine at- 影响的研究海洋科学集刊，1995,36：137) mosphere.Mater Chem Phys.2002.77:603 [6]Melchers R E.Effect on marine immersion corrosion of carbon
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