金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及馬氏體時效鋼及其制造方法【技術領域】，具體涉及金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼及其制造方法，以重量百分比計，其成份組成含有Ni17-19%，Co8-10%，Mo4.5-6.5%，C≤0.08%，鐵以及不可避免的雜質；它是將上述各粉末材料按一定的配比并添加粘結劑的組合物經混合、混煉、破碎、注射成形、脫脂、燒結、固溶、時效制成的金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼材料，采用金屬注射成形工藝替代冶煉的生產工藝，可以一次成形制作三維異形金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼材料結構零件，采用二次固溶工藝處理及時效處理，使其材料的抗拉強度達1500MPa以上，延伸率達10%以上，沖擊強度達50J/cm2以上，材料的硬度為HRC40-48。
【專利說明】金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及馬氏體時效鋼及其制造方法【技術領域】，具體涉及金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼及其制造方法。
【背景技術】
[0002]馬氏體時效鋼是超高強度鋼中的一種，這種鋼突出的優(yōu)點是熱處理工藝簡單方便，固溶后先進行機械加工再進行時效，熱處理變形小，加工性能及焊接性能都很好。近年來，國外用馬氏體時效鋼制作模具較為廣泛；但在國內，由于馬氏體時效鋼含N1、Co等貴重金屬元素，且含量高，價格昂貴，尚難以廣泛應用。該類鋼主要用于精密鍛模及塑料模具，主要生產工藝有冶煉。
[0003]金屬注射成形(Metal Injection Molding,簡稱MIM)是一種從塑料注射成形行業(yè)中引伸出來的新型粉末冶金近凈成形技術。眾所周知，塑料注射成形技術低廉的價格生產各種復雜形狀的制品，但塑料制品強度不高，為了改善其性能，可以在塑料中添加金屬或陶瓷粉末以得到強度較高、耐磨性好的制品。近年來，這一想法已發(fā)展演變?yōu)樽畲笙薅鹊靥岣吖腆w粒子的含量并且在隨后的燒結過程中完全除去粘結劑并使成形坯致密化。這種新的粉末冶金成形方法稱為金屬注射成形，金屬注射成形的基本工藝步驟是:首先是選取符合MIM要求的金屬粉末和粘結劑，然后在一定溫度下采用適當?shù)姆椒▽⒎勰┖驼辰Y劑混合成均勻的喂料，經制粒后再注射成形，獲得的成形坯經過脫脂處理后燒結致密化成為最終成品。對于小型 、復雜、精密、和高性能的金屬零部件，MIM是一種行之有效的制造工藝。在形狀復雜、材料高性能(強度高、耐腐蝕、高磁導率)等塑料和輕合金不能滿足的應用場合，MIM的是突出的。MIM進一步鞏固了他的地位，使它成為富有競爭力的機械裝備，傳統(tǒng)的金屬加工技術在設計和成本上的局限性，MIM可以很容易克服。
[0004]目前MM材料分為:鐵基合金鋼、不銹鋼、鎢基合金、軟磁合金、可控膨脹合金。今天，MIM的高性能應用廣泛的服務各個行業(yè)和產品，包括汽車、航空航天、國防、移動電話、牙科儀器、電子散熱器和密封包裝、電子連接器硬件、工業(yè)工具、光纖連接器、噴霧系統(tǒng)、盤驅動器、制藥設備、手持電動工具、手術器械和運動器材。隨著粉末冶金技術的快速發(fā)展，特殊行業(yè)領域的應用要求越來越高，利用粉末冶金金屬成形的技術工藝一次完成馬氏體時效鋼材料的零件加工，可以替代冶煉工藝生產及機加工，提高了生產效率，節(jié)約生產成本。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種采用粉末冶金金屬注射成形工藝生產超高強度時效鋼材料的零件，其具有良好的塑性、沖擊和抗拉強度，從而能夠滿足上述特殊行業(yè)領域的應用零件生產的金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼及其制造方法。
[0006]為了解決【背景技術】所存在的問題，本發(fā)明是采用以下技術方案:金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼及其制造方法，以重量百分比計，所述馬氏體時效鋼成份包含:Ni17~19%，Co 8~10% , Mo 4.5~6.5%，C≤0.08%，余量為鐵以及不可避免的雜質。[0007]進一步地，本發(fā)明還提供了金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼的制造方法，所述具體步驟如下:
(一)、MM粉末混合:以重量百分比計，將羰基Ni粉末17~19%、精細Co元素的粉末8~10%、超細Mo元素的粉末4.5~6.5%，其余為羰基鐵粉及不可避免的粉末配比組成的組合物充分混合；采用Y型混料設備混合，轉速10~15轉/分鐘，時間3~4小時；
(二)、粘結劑混合:采用蠟基組合，以重量比將高密度聚乙稀50%、石蠟10%和巴西蠟40%，配比組成的組合粘結劑；
(三)、喂料制作:采用雙螺旋擠出機，通過混煉的方法先加入高熔點組元熔化，然后降溫，加入低熔點組元，然后分批加入金屬粉末，混煉3~5小時，混合料制作完成后空冷，采用鄂式破碎機破碎；
(四)、注射成形:首先將粒狀喂料加熱至一定高的溫度使之具有流動性，然后將其注入模腔中冷卻下來得到所需形狀的具有一定剛性的坯體，然后將其從模具中取出得到MIM成形坯；其中，注射工藝參數(shù):料筒溫度:150~180°C，注射時間:30S，模溫50~65°C，注射壓力:80 ~120MPa ；
(五)、脫脂:脫脂方法分為兩個步驟:一是超聲波溶劑脫脂:溶劑溫度55~65°C，溶脫時間15小時，溶脫率≥50%;二是熱脫脂:290~310°C /lh，590~610°C /4h，氣分流量:4mVh,檢測碳含量0.08%以下；
(六)、燒結:將上述 經脫脂處理的零件裝入金屬粉末注射成形零件真空保護氣氛兩用燒結爐中，采用氣氛工藝燒結，工藝參數(shù):室溫加熱至995~1005°C，時間3~4小時，再保溫I~2小時，1315~1325°C保溫2~3小時，隨爐冷卻；
(七)、固溶處理:采用二次固溶處理，第一次采用1150~1200°C保溫4小時，第二次采用750~850°C保溫2小時，空冷；
(八)、時效處理:采用450~520°C保溫3~5小時，隨爐冷卻。
[0008]本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明所述的金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼及其制造方法，與現(xiàn)有技術相比，首先采用添加金屬注射成形工藝替代冶煉的生產工藝，使得該制造方法可以一次成形制作三維異形結構零件；其次采用二次固溶工藝處理及時效處理，使其材料的抗拉強度達1500MPa以上，延伸率達10%以上，沖擊強度達50J/cm2以上，材料的硬度為HRC40-48。綜上所述，該馬氏體時效鋼及其制造方法不但可以提高生產效率，而且能夠降低產品的制作成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明中金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼制造方法的流程圖。
[0010]圖2為本發(fā)明中燒結工序中的燒結體溫度變化的曲線圖。
[0011]圖3為本發(fā)明中金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼制造方法的金相組織圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
[0013]實施例一:金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼及其制造方法，以重量百分比計，所述馬氏體時效鋼成份包含=Ni 17%，Co 8%，Mo 4.5%，C 0.08%，余量為鐵以及不可避免的雜質。
[0014]如圖1、圖2、圖3所示，所述金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼的制造方法，所述具體步驟如下:
(一)、MM粉末混合:MM對原料粉末要求較高，粉末的選擇有有利于混煉、注射成形、脫脂和燒結。以重量百分比計，將羰基Ni粉末17%、精細Co元素的粉末8% (平均粒度≤2.5um)、超細Mo元素的粉末(320目)4.5%，其余為羰基鐵粉及不可避免的粉末配比組成的組合物充分混合(裝載量92%);采用Y型混料設備混合，轉速10轉/分鐘，時間3小時；
(二)、粘結劑混合:粘結劑是MIM技術的核心，在MIM中粘結劑具有增強流動性以適合注射成形和維持坯塊形狀這兩個最基本的職能，此外它還應具有易于脫除、無污染、無毒性、成本合理等特點；該步驟中采用蠟基組合，以重量比將高密度聚乙稀50%、石蠟10%和巴西蠟40% (裝載量8%)，配比組成的組合粘結劑；
(三)、喂料制作:該步驟包括混煉和破碎，混煉是將金屬粉末與粘結劑混合得到均勻喂料的過程，由于喂料的性質決定了最終注射成形產品的性能，所以混煉這一工藝步驟非常重要。這牽涉到粘結劑和粉末加入的方式和順序、混煉溫度、混煉裝置的特性等多種因素。MIM喂料的混合是在熱效應和剪切力的聯(lián)合作用下完成的，因此混料溫度不能太高，否則粘結劑可能發(fā)生分解或者由于粘度太低而發(fā)生粉末和粘結劑兩相分離現(xiàn)象。首先由混料裝置采用雙螺旋擠出機，通過混煉的方法先加入高熔點組元熔化，然后降溫，加入低熔點組元，然后分批加入金屬粉末，混煉3小時，混合料制作完成后空冷，采用鄂式破碎機破碎；
(四)、注射成形:注射成形的目的是獲得所需形狀的無缺陷、顆粒均勻排由的MIM成形坯體。首先將粒狀喂料加熱至一定高的溫度使之具有流動性，然后將其注入模腔中冷卻下來得到所需形狀的具有一定剛性的坯體，然后將其從模具中取出得到MM成形坯；這個過程同傳統(tǒng)塑料注射成形過程一致，但由于MIM喂料高的粉末含量，使得其注射成形過程在工藝參數(shù)上及其它一些方面存在很大差別，控制不當則易產生各種缺陷。其中，注射工藝參數(shù):料筒溫度:150°C，注射時間:30S，模溫50°C，注射壓力:80MPa ；
(五)、脫脂:脫脂方法分為兩個步驟:一是超聲波溶劑脫脂:溶劑溫度55°C，溶脫時間15小時，溶脫率≤50%;二是熱脫脂:2900C /lh，590°C /4h，氣分流量:4m3/h，檢測碳含量0.08%以下；
(六)、燒結:燒結是MM工藝中的特殊過程，燒結消除了粉末顆粒之間的孔隙.使得MM產品達到全致密或接近全致密化。金屬注射成形技術中由于采用大量的粘結劑，所以燒結時收縮非常大，這樣就存在一個變形控制和尺寸精度控制的問題。尤其是因為MIM產品大多數(shù)是復雜形狀的異形件，這個問題顯得越發(fā)突出，均勻的喂料對于最終燒結產品的尺寸精度和變形控制是一個關鍵因素。高的粉末搖實密度可以減小燒結收縮，也有利于燒結過程的進行和尺寸精度控制。對于鐵基和不銹鋼等制品，燒結中還有一個碳勢控制問題。該步驟中將上述經脫脂處理的零件裝入金屬粉末注射成形零件真空保護氣氛兩用燒結爐中，采用氣氛工藝燒結，工藝參數(shù):室溫加熱至995°C，時間3小時，再保溫I小時，1315°C保溫2小時，隨爐冷卻；
(七)、固溶處理:金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼的主要成份為鐵和鎳，為了確保能完全轉變成奧氏體組織，該步驟中采用二次固溶處理，第一次采用1150°C保溫4小時，第二次采用750°C保溫2小時，空冷；(八)、時效處理:當馬氏體時效鋼加熱到低于向奧氏體轉變的溫度的中間溫度時，將顯著提高材料的強度。該步驟中采用450°C保溫3小時，隨爐冷卻。
[0015]其中，在圖3的金相組織圖中，其組織結構為馬氏體。本實施例首先采用添加金屬注射成形工藝替代冶煉的生產工藝，使得該制造方法可以一次成形制作三維異形結構零件；其次采用二次固溶工藝處理及時效處理，使其材料的抗拉強度達1500MPa以上，延伸率達10%以上，沖擊強度達50J/cm2以上，材料的硬度為HRC40-48。
[0016]實施例二:金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼及其制造方法，以重量百分比計，所述馬氏體時效鋼成份包含:Ni 18% ,Co 9%，Mo5.5%，C 0.07%，余量為鐵以及不可避免的雜質。
[0017]如圖1、圖2、圖3所示，所述金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼的制造方法，所述具體步驟如下:
(一)、MIM粉末混合:以重量百分比計，將羰基Ni粉末18%、精細Co元素的粉末9%、超細Mo元素的粉末5.5%，其余為羰基鐵粉及不可避免的粉末配比組成的組合物充分混合；采用Y型混料設備混合，轉速13轉/分鐘，時間3.5小時；
(二)、粘結劑混合:采用蠟基組合，以重量比將高密度聚乙稀50%、石蠟10%和巴西蠟40%，配比組成的組合粘結劑；
(三)、喂料制作:采用雙螺旋擠出機，通過混煉的方法先加入高熔點組元熔化，然后降溫，加入低熔點組元，然后分批加入金屬粉末，混煉4小時，混合料制作完成后空冷，采用鄂式破碎機破碎；
(四)、注射成形:首先將粒狀喂料加熱至一定高的溫度使之具有流動性，然后將其注入模腔中冷卻下來得到所需形狀的具有一定剛性的坯體，然后將其從模具中取出得到MM成形坯；其中，注射工藝參數(shù):料筒溫度:165°C，注射時間:30S，模溫58°C，注射壓力:IOOMPa ；
(五)、脫脂:脫脂方法分為兩個步驟:一是超聲波溶劑脫脂:溶劑溫度58°C，溶脫時間15小時，溶脫率≥50% ;二是熱脫脂:300°C /lh，600°C /4h，氣分流量:4m3/h，檢測碳含量0.08%以下；
(六)、燒結:將上述經脫脂處理的零件裝入金屬粉末注射成形零件真空保護氣氛兩用燒結爐中，采用氣氛工藝燒結，工藝參數(shù):室溫加熱至1000°c，時間3.5小時，再保溫1.5小時，1320°C保溫2.5小時，隨爐冷卻；
(七)、固溶處理:采用二次固溶處理，第一次采用1175°C保溫4小時，第二次采用800°C保溫2小時，空冷；
(八)、時效處理:采用485°C保溫4小時，隨爐冷卻。
[0018]其中，在圖3的金相組織圖中，其組織結構為馬氏體。本實施例首先采用添加金屬注射成形工藝替代冶煉的生產工藝，使得該制造方法可以一次成形制作三維異形結構零件；其次采用二次固溶工藝處理及時效處理，使其材料的抗拉強度達1500MPa以上，延伸率達10%以上，沖擊強度達50J/cm2以上，材料的硬度為HRC40-48。其它均與實施例一相同。
[0019]實施例三:金屬粉 末注射成形高強度馬氏體時效鋼及其制造方法，以重量百分比計，所述馬氏體時效鋼成份包含:Ni 19% ,Co 10% ,Mo 6.5%，C 0.06%，余量為鐵以及不可避免的雜質。[0020]如圖1、圖2、圖3所示，所述金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼的制造方法，所述具體步驟如下:
(一)、MM粉末混合:以重量百分比計，將羰基Ni粉末19%、精細Co元素的粉末10%、超細Mo元素的粉末6.5%，其余為羰基鐵粉及不可避免的粉末配比組成的組合物充分混合；采用Y型混料設備混合，轉速15轉/分鐘，時間4小時；
(二)、粘結劑混合:采用蠟基組合，以重量比將高密度聚乙稀50%、石蠟10%和巴西蠟40%，配比組成的組合粘結劑；
(三)、喂料制作:采用雙螺旋擠出機，通過混煉的方法先加入高熔點組元熔化，然后降溫，加入低熔點組元，然后分批加入金屬粉末，混煉5小時，混合料制作完成后空冷，采用鄂式破碎機破碎；
(四)、注射成形:首先將粒狀喂料加熱至一定高的溫度使之具有流動性，然后將其注入模腔中冷卻下來得到所需形狀的具有一定剛性的坯體，然后將其從模具中取出得到MM成形坯；其中，注射工藝參數(shù):料筒溫度:180°C，注射時間:30S，模溫65°C，注射壓力:120MPa ；
(五)、脫脂:脫脂方法分為兩個步驟:一是超聲波溶劑脫脂:溶劑溫度65°C，溶脫時間15小時，溶脫率≥50% ;二是熱脫脂:310。。/lh, 610。。/4h，氣分流量:4m3/h，檢測碳含量0.08%以下；
(六)、燒結:將上述經脫脂處理的零件裝入金屬粉末注射成形零件真空保護氣氛兩用燒結爐中，采用氣氛工藝燒結，工藝參數(shù):室溫加熱至1005°C，時間4小時，再保溫2小時，1325°C保溫3小時，隨爐冷卻；
(七)、固溶處理:采用二次固溶處理，第一次采用1200°C保溫4小時，第二次采用850°C保溫2小時，空冷；
(八)、時效處理:采用520°C保溫5小時，隨爐冷卻。
[0021]其中，在圖3的金相組織圖中，其組織結構為馬氏體。本實施例首先采用添加金屬注射成形工藝替代冶煉的生產工藝，使得該制造方法可以一次成形制作三維異形結構零件；其次采用二次固溶工藝處理及時效處理，使其材料的抗拉強度達1500MPa以上，延伸率達10%以上，沖擊強度達50J/cm2以上，材料的硬度為HRC40-48。其它均與實施例一相同。
[0022]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，本領域普通技術人員對本發(fā)明的技術方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼，其特征在于，以重量百分比計，所述馬氏體時效鋼成份包含:Ni 17~19% ,Co 8~10% ,Mo 4.5~6.5%，C≤0.08%，余量為鐵以及不可避免的雜質。
2.根據(jù)權利要求1所述的金屬粉末注射成形高強度馬氏體時效鋼的制造方法，其特征在于，所述具體步驟如下: (一)、MM粉末混合:以重量百分比計，將羰基Ni粉末17~19%、精細Co元素的粉末8~10%、超細Mo元素的粉末4.5~6.5%，其余為羰基鐵粉及不可避免的粉末配比組成的組合物充分混合；采用Y型混料設備混合，轉速10~15轉/分鐘，時間3~4小時； (二)、粘結劑混合:采用蠟基組合，以重量比將高密度聚乙稀50%、石蠟10%和巴西蠟40%，配比組成的組合粘結劑； (三)、喂料制作:采用雙螺旋擠出機，通過混煉的方法先加入高熔點組元熔化，然后降溫，加入低熔點組元，然后分批加入金屬粉末，混煉3~5小時，混合料制作完成后空冷，采用鄂式破碎機破碎； (四)、注射成形:首先將粒狀喂料加熱至一定高的溫度使之具有流動性，然后將其注入模腔中冷卻下來得到所需形狀的具有一定剛性的坯體，然后將其從模具中取出得到MIM成形坯；其中，注射工藝參數(shù):料筒溫度:150~180°C，注射時間:30S，模溫50~65°C，注射壓力:80 ~I2OMPa ； (五)、脫脂:脫脂方法分為兩個步驟:一是超聲波溶劑脫脂:溶劑溫度55~65°C，溶脫時間15小時，溶脫率≥50% ;二是熱脫脂:290~310°C /lh，590~610°C /4h，氣分流量:4mVh,檢測碳含量0.08%以下； (六)、燒結:將上述經脫脂處理的零件裝入金屬粉末注射成形零件真空保護氣氛兩用燒結爐中，采用氣氛工藝燒結，工藝參數(shù):室溫加熱至995~1005°C，時間3~4小時，再保溫I~2小時，1315~1325°C保溫2~3小時，隨爐冷卻； (七)、固溶處理:采用二次固溶處理，第一次采用1150~1200°C保溫4小時，第二次采用750~850°C保溫2小時，空冷； (八)、時效處理:采用450~520°C保溫3~5小時，隨爐冷卻。
【文檔編號】B22F3/24GK103981436SQ201410248360
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權日:2014年6月6日
【發(fā)明者】申承秀, 王春官 申請人:海安縣鷹球粉末冶金有限公司