MIM用420不锈钢粉末及其水气联合雾化制粉方法与流程

本发明涉及合金材料领域，具体而言，涉及一种420不锈钢粉末及其水气联合雾化制粉方法。
背景技术：
：420不锈钢属于马氏体不锈钢，根据碳含量不同可分为420j1(国标gb2cr13)和420j2(国标gb3cr13)。420j1(2cr13)因硬度、抗拉强度都较低，不满足刀具刃具性能要求。目前常用的420，一般专指420j2(3cr13)。马氏体不锈钢的特点是基体为马氏体组织，有磁性，通过热处理可调整其力学性能。美国钢铁协会对马氏体不锈钢以410、420以及440数字标示。马氏体在高温下具有奥氏体组织，当以适当的速度冷却至室温时，奥氏体组织能够转变为马氏体(淬硬)。420不锈钢因其具有高硬度，良好的耐蚀性，是一种广泛应用于机械零件、阀门、涡轮机叶片、刀具刃具的不锈钢材料。传统420(3cr13)不锈钢的成分及力学性能如表1所示。表1传统420(3cr13)不锈钢的成分及力学性能注：硬度、抗拉强度值为淬火回火后测量。传统420不锈钢无法成为高端刀具刃具的材料是因为传统420不锈钢的硬度经热处理后最高只有hrc53，无法承受对较硬的冻肉、牛骨、猪骨的砍斫，容易造成刀具的卷边、崩边。并且因为硬度偏软，所以刀刃部不耐磨损。其次，传统420不锈钢的耐蚀性不足，容易发生点腐蚀现象，对人体健康带来风险。当前金属注射成型(mim)技术正在逐渐淘汰传统的铸造加工行业。金属注射成型的特点是使用金属粉末与有机高分子材料混合，形成被有机高分子材料包裹的粉体材料，经注射成型机加热加压注射到模腔中，冷却脱模后得到需要形状的注射坯。然后进入脱脂炉进行脱脂成为脱脂坯，最后在烧结炉中进行烧结成为零件。其优势是一次成型避免废料、边角料的产生，烧结后形状可以保持需要的形状，不需要再进行切削等机加工，因此mim技术被称为净加工技术，节省了大量的人力和能源。并且，mim烧结零件因金属组织均匀，成分偏析少，晶粒细小具有细晶强化作用，因此力学性能可以达到铸造机加工零件的水平，甚至超过传统铸造机加工零件。因此，金属注射成型技术已经被广泛应用在机械零件制造，汽车部件制造，工艺装饰品，家用器件和电器零件的制造中。因为420不锈钢的廉价以及较好的性能，mim制造行业希望使用粉末420不锈钢通过mim的方法制造各种刀具刃具和其他零部件。然而，目前420不锈钢粉末制造方法主要是水雾化法，但是水雾化法制备的420不锈钢粉末尚不能满足mim制造的要求。主要原因是：420不锈钢的水雾化粉末球形度差，不规则形状颗粒较多，导致粉末流动性差，因此注射压坯密度低，导致烧结密度低。420不锈钢粉末的流动性差还会影响注射坯尺寸稳定性，烧结收缩率波动大，烧结件的尺寸精度差。水雾化420不锈钢粉末的烧结保型性差，高温烧结后零件有较多变形。水雾化420不锈钢粉末烧结零件的硬度低(热处理回火硬度仅有hrc45-48)，抗拉强度低(约600mpa)，主要原因仍是烧结密度低造成的。综上，420不锈钢(3cr13)被广泛应用于机械制造、刀具刃具制造等行业。但是在刀具刃具行业中，传统420不锈钢(3cr13)因硬度不足，强度差，耐腐蚀性不足等缺点，无法成为高端不锈钢刀具的原材料。同时方兴未艾的mim制造行业迫切需要适合于mim制造工艺特点的420不锈钢粉末，用以制造硬度更高，强度更大，耐腐蚀性更好的刀具刃具。技术实现要素：针对现有技术中存在的水雾化法制备的420不锈钢粉末尚不能满足mim制造的要求的问题，本发明提供了一种420不锈钢粉末及其水气联合雾化制粉方法，为mim制造行业提供适合于mim制造工艺的高硬度，高强度，高耐腐蚀性的新型420不锈钢粉末。具体技术方案如下：一种mim用420不锈钢粉末，其各元素含量按重量百分比如下：c：0.5-0.6％，si≤1.0％，mn：0.7-1.5％，n：0.1-0.7％，cr：12.0-14.0％，ni：1.0-3.0％，mo：0.5-1.5％，co：0.1-0.5％，nb：0.5-1.5％，余量为fe和杂质，且杂质的含量低于0.02％。优选地，杂质主要为s和p，其各自含量均不超过0.01％。优选地，所述420不锈钢粉末粒径小于400目，平均粒径仅有8-10μm，氧含量≤2000ppm。优选地，所述420不锈钢粉末激光粒径d10为2.6-2.9μm，d50为8-9μm，d90为20-21μm。优选地，所述420不锈钢粉末的松装密度为3.02g/cm3，振实密度为4.78g/cm3。在实际的大量研究验证过程中，对不锈钢粉末不同元素含量在其中所起的作用进行更细化的研究和分析，取得了非常多令人惊讶的新奇的研发成果。其中，cr含量12.0-14.0％起到耐腐蚀作用，一般而言，cr含量高于10％会有较好的耐腐蚀效果。cr达到13％时可以保证420不锈钢具有抗氧化和耐腐蚀性能。ni添加1.0-3.0％可有效降低粉末420不锈钢的烧结温度。一般水雾化420不锈钢粉末真空烧结温度是1350-1380℃。ni的添加降低了粉末熔点，所以起到降低烧结温度的作用，在1250-1280℃烧结即可得到较高的烧结密度7.6g/m3。ni的添加不仅可以提高烧结密度，同时ni是强奥氏体形成元素，其意义在于奥氏体对n的溶解度较高。ni也是强碳化物形成元素，在热处理的回火过程中可以形成较为细小的nic均匀分布，起到对位错运动的钉扎作用，可以提高烧结零件的强度。ni的韧性和耐磨性很好，添加ni还可以提高金属的韧性和耐磨性。n添加0.1-0.7％对提高420不锈钢强度具有重要作用。n是有效的固溶强化元素，增加了细晶强化的效果。n还是奥氏体稳定元素，可以降低ni的使用量。n具有比c更高的固溶度，在给定的强度条件下可以降低沉淀析出。n可以提高420不锈钢的抗点腐蚀性能，降低晶界的腐蚀敏感性，提高耐蚀性。n的添加可提高不锈钢退火时的屈服强度和抗拉强度。n对不锈钢的强化机制有两种，一是n作为间隙原子对基体的强化，二是n通过晶格并沿位错进行迁移时，对位错造成一定的拖曳作用而使金属得到强化。由于n的间隙固溶强化作用比碳要大得多，所以既大大提高了钢的强度，又保持了很好的韧塑性。同时，n的加入对提高420不锈钢的耐腐蚀性起到作用。不锈钢的锈蚀分为两个阶段，第一个阶段未腐蚀诱导期，或称孕育期，不锈钢被腐蚀的程度比较轻，腐蚀与晶粒尺寸无关；第二个阶段是稳定的腐蚀期，材料以固定的速度从表面被腐蚀。n的加入可以细化晶粒，造成晶界增多。腐蚀的扩展被大量的晶界阻碍，从而抑制了腐蚀的速度。另外，晶界的增多降低了碳化铬的析出，因此降低了cr的损失，也降低了晶界的敏感性，提高了合金的耐晶间腐蚀的能力。令人惊讶的是，mo加入0.5-1.5％可以提高420不锈钢的耐磨性能。mo是cr以外具有很强抗腐蚀能力的元素，特别对提高不锈钢的高温抗腐蚀能力有很好的作用。其次，mo的添加提高了420不锈钢的淬透性，即可以提高淬火的相变深度，提高其获得马氏体组织的能力，也就是提高420不锈钢的淬硬层的深度。其中，co加入与ni的作用相同，具有降低烧结温度，提高烧结密度的作用。更为重要的是，co与mo的同时加入可以使420粉末不锈钢在热处理的回火处理过程中获得高硬度和良好的综合力学性能。单独加入co会降低钢的淬透性，因此必须与mo同时加入。因为420粉末不锈钢的碳比较高，属于过共析钢，co的加入可以在回火或正火状态下提高钢的硬度、屈服点和抗拉强度，换言之就是使钢更为“强硬”，适合刀具刃具的使用要求。在不锈钢粉末中，nb的加入主要起到了细化晶粒作用，根据holl-petch公式，随着晶粒尺寸的变小，钢会获得强度和韧性“双高”的效果。粉末420不锈钢在烧结过程中，nb首先溶入奥氏体中形成固溶体，淬火时nb以细小的碳化物形式存在，分布非常弥散因此起到了降低形核能，即促进晶粒形核，并且阻碍晶粒长大。因此nb的细晶强化效果非常明显，显著提高钢的硬度和冲击韧性。同时nb增加了420粉末不锈钢的回火稳定性，具有二次强化作用。而si的添加可以在420冶炼过程起到一定的脱氧造渣作用，si与o的结合力很强，是冶金中常用的脱氧剂，在熔化的金属钢液中，si与o形成sio2，以半熔融的固体质点状态存在。sio2可以在钢液搅拌下粘附与冶炼炉壁。因sio2的比重较轻，逐渐上浮至钢液表面形成熔渣被去除。从金属组织性能角度来说，si的添加缩小了奥氏体区，提高420粉末不锈钢的淬透性。si原子与fe形成间隙固溶体，可以提高fe基体硬度和抗拉强度。同时，si也是强碳化物形成元素，可以形成非常细小的碳化硅质点对fe基体形成弥散强化效果。但是si的质量比例超过3％时，钢的塑性和韧性显著降低。因此420粉末不锈钢中，将si的质量分数设计为≤1％。研究发现，mn的添加提高了420不锈钢的强度。由于mn与fe无限固溶，在提高强度的同时，对塑形的影响较小。mn也是强氧化元素，与o的结合力非常强，是冶金中常用的脱氧剂，可以降低420粉末不锈钢冶炼过程的氧含量。mn提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。mn提高了420粉末不锈钢的回火稳定性。mn推迟了420粉末不锈钢在回火过程中的马氏体分解和残余奥氏体的转变，提高铁素体的再结晶温度，使碳化铬难以聚集长大而保持比较大的弥散度，因此提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。使得钢可以在再更高的温度下回火，获得更好的韧性，这对420粉末不锈钢在刀具刃具中使用防止崩边起到了重要的作用。但是mn的含量越高，会降低钢的塑形以及可焊接性。本发明还提供了一种420不锈钢粉末的水气联合雾化制粉方法，具体步骤如下：步骤一，冶炼，采用中频感应炉冶炼，熔炼过程的最高温度控制在1620-1650℃，熔炼时间45-65分钟，包含投料熔化时间40-50分钟和保温脱氧时间5-10分钟；中频炉容量可使用从100到500kg，最大输出功率300kw之间。炉衬材质为高纯镁砂混合偏硅酸钠水溶液(泡花碱)与一定比例的硼酸。步骤二，雾化，使用液压机将中频感应炉倾倒，钢液流入中间包，从中间包的漏眼流出；雾化塔上部安装喷盘，高压水从喷盘的喷嘴中喷出，聚焦在钢液流上，将钢液破碎成细小颗粒，在飞行过程中冷却成金属颗粒；步骤三，过滤，雾化后的金属粉末与水混合，沉降在雾化塔底部，雾化塔底部安装有储粉罐，金属粉末全部沉降在储粉罐中，储粉罐底部有多孔隔板，多孔隔板上设有1000目的滤布；使用抽滤的方式，将储罐底部出水口与抽水泵连接，启动抽水泵排出储罐中的水，至粉体上方没有清水为止；步骤四，真空干燥，将抽滤后的湿粉倒入双锥回转真空干燥机。入粉口密闭后，启动真空泵，并同时加热，等待粉末完全干燥；步骤五，筛分，使用400目的振动筛，将真空干燥后的粉末进行筛分，获得粒径小于400目的细粉。步骤一中为了减少金属在高温下与空气接触时间带来的氧化，在冶炼投料过程中设计了原料的投入顺序。首先将纯fe锭放入冷炉，开始送电升温，至fe锭全熔化；再加入cu、ni、mo、co保持中频炉功率为300kw至全部熔化，此时炉温控制在1600℃；加入mn、si和氮化铬铁合金，观察加入的金属熔化后，进入保温阶段。优选地，步骤一中进入保温阶段后中频炉功率为300kw，每隔2-3分钟进行一次钢液的测温，保持炉温在1620-1650℃状态下5-10分钟，最后降低功率至60-80kw，准备雾化。优选地，步骤二在整个雾化过程中，向雾化塔内充入氮气，氮气入口在喷盘上方，使氮气随着金属液流通过喷盘，采用8喷嘴喷盘，喷嘴直径为1.5-2.0mm，水通过喷嘴喷出后呈扇形喷射，8个喷嘴喷出的雾化水汇聚于一个焦点，中间包的陶瓷漏眼直径使用3-8mm，雾化水流量150-240l/min，雾化压力110-130mpa，氮气流量为8-12l/min。优选地，步骤四中，真空干燥机设定真空度小于0.09mpa，加热温度150℃。使用本发明提供的水气联合雾化工艺可制备合金粉末的中位径d50＝8-10um，氧含量≤2000ppm。采用本发明技术方案产生的有益效果如下：(1)采用本发明所述工艺制备的合金粉末有很好的球形度。良好的球形度可以使粉末在mim工艺的注射进入模腔过程中，获得足够的流动性，可以充分填满模腔，得到密度高的注射坯，且尺寸波动小。(2)采用所述工艺制备的合金粉末具备良好的低温烧结温度性能，1250-1280℃烧结即可得到较高的烧结密度7.6g/m3。附图说明为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1是本发明水气联合雾化制造的粉末420不锈钢sem照片；图2是本发明不锈钢420粉末与粘结剂混合后制成的喂料；图3是本发明三组mim工艺烧结试样块。具体实施方式为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。本实施方式在420(3cr13)不锈钢基础上，通过添加cu、n、nb、ni、mo、co金属和非金属的微量元素，提高粉末烧结后的硬度和强度，以及耐腐蚀性，为mim制造行业提供适合于mim制造工艺的高硬度，高强度，高耐腐蚀性的新型420不锈钢粉末。根据本实施方式制作的粉末420不锈钢，是按照经过成分设计配方，将原料进行高温熔炼，高压水雾化，经过真空烘干过筛后得到产品粉末。把产品粉末用mim方式烧结成为试样块，经过热处理后进行力学性能和耐腐蚀性能测试。使用100kg中频感应冶炼炉，最大功率300kw，炉衬材质为高纯镁砂炉衬。设计粉末420不锈钢成分如下：表2粉末420不锈钢成分元素fecrnimomnnconbc设计含量wt％余量13.01.50.51.20.60.31.50.55其中，n以氮化铬合金的方式投入中频感应炉。本实施方式中420不锈钢粉末的水气联合雾化制粉方法，具体步骤如下：熔炼：中频炉预热至1000℃，首先将纯fe锭放入炉内开始升温，至fe锭全熔化。加入cu，ni，mo，co保持中频炉功率为300kw至全部熔化，此时炉温控制在1600℃。加入mn、si和氮化铬铁合金，观察加入的金属熔化后，进入保温阶段。中频炉功率为300kw，每隔2-3分钟进行一次钢液的测温，保持炉温在1620-1650℃的时间5-10分钟。最后降低功率至60-80kw，去除熔液表面的熔渣，准备雾化。雾化：使用液压机将中频感应炉倾倒，钢液流入中间包，从中间包的漏眼流出。雾化塔上部安装喷盘，高压水从喷盘的喷嘴中喷出，聚焦在钢液流上，将钢液破碎成细小颗粒，在飞行过程中冷却成金属颗粒。在整个雾化过程中，向雾化塔内充入氮气，氮气入口在喷盘上方，使氮气随着金属液流通过喷盘。氮气流量由浮子式n2气流量计控制，设定流量为10l/min。采用8喷嘴喷盘，喷嘴直径为1.5mm，中间包的陶瓷漏眼直径使用4mm，设定雾化水流量200l/min。雾化压力125mpa。至中频炉内钢液全部倒完为止。过滤：雾化后的水粉混合物沉淀进入雾化塔底部的储粉罐，取下储粉罐与抽水泵连接开始抽滤至粉层表面没有清水为止。真空干燥：将湿粉装入真空干燥器进行真空干燥。真空干燥机设定真空度小于0.09mpa，加热温度150℃。大约4小时后停止干燥，打开干燥机取出粉末。筛分：使用400目的振动筛，将真空干燥后的粉末进行筛分，获得小于400目的细粉。粉末检测结果如表3：表3水气联合雾化制造的420不锈钢粉末特性粉末420不锈钢的颗粒微观形貌如图1所示，可见水气联合雾化制造的420不锈钢粉末粒度较细，平均粒径仅有8-10μm，并且粉末球形很好，从而粉末流动好，符合mim制造工艺对粉末的要求。使用聚甲醛(pom)、聚乙烯(pe)和硬脂酸(sa)的混合物作为420不锈钢粉末的粘结剂，在密炼机中加热搅拌混合后制成喂料(feedstock)，喂料尺寸在4-5mm，直径2-3mm的小圆柱体，如图2所示。使用金属注射机将喂料注射进入模腔，取出冷却后在脱脂炉中脱脂，最后进入真空烧结炉进行烧结，烧结最高温度为1280℃，保温1小时。烧结试块尺寸为50mm×8mm×5mm。热处理，将烧结块在热处理炉加热至1080℃保温1小时，取出空冷。再进行回火，回火温度250℃保温1小时，随炉冷却。对三组烧结块进行力学性能测试，测试结果如表3，硬度测量为56hrc，使用万能力学试验机进行烧结块的抗拉测试，抗拉强度为832-903mpa，测试烧结样块的三点抗弯强度为1830-1880mpa。表4420不锈钢粉末mim烧结块的力学性能1#2#3#传统420(3cr13)烧结块硬度hrc56575646抗拉强度σbmpa854832903623抗弯强度σbbmpa1850188018301450使用盐雾试验机测试烧结块的耐腐蚀能力，盐水配比为5wt％浓度nacl溶液，温度为35℃。测试结果如表5，可见在盐雾中的耐腐蚀性能开始随着时间的推移腐蚀速度先加快，经过96小时后，腐蚀速度下降。粉末420不锈钢的mim烧结零件的耐腐蚀性能较好。表5420不锈钢粉末mim烧结块的耐盐雾腐蚀性能以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12