翁 廷，朱 杰，李 志，罗 浩，曾克里

广东省材料与加工研究所，广东 广州 510650

金属注射成形17-4PH不锈钢时效性能的研究

翁 廷，朱 杰，李 志，罗 浩，曾克里

广东省材料与加工研究所，广东 广州 510650

用金属注射成形技术制备了17-4PH不锈钢的拉伸试样，经真空烧结及时效处理，测试了四种状态下合金的金相组织、抗拉强度、屈服强度、硬度及延伸率．结果表明：在烧结状态下17-4PH的组织为铁素体和马氏体两相共存，抗拉强度为926 MPa、屈服强度为760 MPa、硬度为27HRC、延伸率为6%；通过固溶处理后合金组织为铁素体、马氏体及奥氏体共存，虽然强度和硬度有所下降，但延伸率升高；通过固溶及加低温时效处理后，合金组织主要为回火马氏体，同时随着富铜相的析出，其强度及硬度均提高；在固溶及高温时效后再经150 ℃保温10 min，得到塑性很好的17-4PH试样，其金相组织以奥氏体为主，抗拉强度为753 MPa、屈服强度为582 MPa、硬度为16HRC、延伸率为15%．

金属注射成形；17-4PH；时效处理；机械性能；金相组织

17-4PH沉淀强化型不锈钢由于具有优异的机械性能，广泛应用于医疗器械、化学化工、汽车、武器军工及航空航天等领域中[1]．沉淀强化造成的高硬度往往给机械加工带来很大的困难，而金属注射成形技术(MIM)[2]结合了塑料注塑复杂快速及粉末冶金零件高强度的优势，可以快速大批量的生产出复杂精密的零部件，很好地解决17-4PH加工难度大的问题．作为在MIM技术中应用最为广泛的不锈钢牌号之一[3]，17-4PH零部件的机械性能变化范围很大，烧结工艺及时效对于零件最终的性能影响至关重要，最终的组织决定了零部件的机械性能．关于17-4PH不锈钢热处理已有学者进行了一些研究[4-7]，但都是针对铸造材料，对于金属注射成形的17-4PH不锈钢而言，其性能与铸造块体材料的不尽相同．

目前，对金属注射成形17-4PH热处理性能的研究均集中在沉淀强化方面，为了更好地理解时效工艺对金属注射成形17-4PH不锈钢性能的影响，本文研究了不同时效温度下金属注射成形17-4PH不锈钢的金相组织及机械性能．

1.1 原 料

实验选用自产的17-4PH不锈钢粉末为原料，粉末的性能及成分分别列于表1和表2．

表1 原料粉末的性能

表2 原料粉末的化学成分

图1为粉末形貌．从图1可见，17-4PH不锈钢粉末粒度细，形貌近球形，表明该粉末合金适合金属注射成形使用．

图1 17-4PH不锈钢粉末的SEM形貌Fig.1 The SEM of 17-4PH stainless steel powder

1.2 方 法

首先在17-4PH不锈钢粉末中加入塑基粘结剂，混炼成为喂料，粉末装载量为63.25%，在注塑机上以90 MPa的压力注射成形为拉伸试样条(图2)，然后将其在脱脂炉中进行催化脱脂，脱脂率为7.9%．最后将脱脂后的试样条在真空烧结炉中烧结，烧结真空度保持在10 Pa以内，从而得到烧结态17-4PH不锈钢拉伸样品(图3)，其平均密度为7.72 g/cm3．烧结工艺如图4所示．

图2 17-4PH注射成形生坯Fig.2 Green part of MIM 17-4PH

图3 17-4PH注射成形烧结件Fig.3 Sintering part of MIM 17-4PH

图4 MIM 17-4PH不锈钢的烧结工艺Fig.4 Sintering process of 17-4PH stainless steel

将烧结态试样置于KTL1400-Ⅲ型管式炉内，在氮气保护下进行时效处理，时效处理工艺参数列于表3．

表3 17-4PH时效处理工艺参数表

1.3 性能表征

利用FA12004电子天平，采用排水法测量注射成形17-4PH不锈钢样品的密度；使用HR-150A洛氏硬度计，测量试样的硬度；在Zwick-250KN型万能材料试验机上，测试试样的抗拉强度、屈服强度及延伸率；使用DMI3000M金相显微镜，观测试样的金相组织．

2.1 金相组织

不同时效状态下17-4PH不锈钢的金相组织如图5所示．试样A(图5(a))的金相组织为马氏体与铁素体两相共存，这是由于粉末冶金烧结过程是粉末颗粒间发生扩散及合金均匀化的过程，其烧结完成后的平衡相的组成与化学成分密切相关[8]．试样B(图5(b))的金相组织为铁素体、马氏体和奥氏体相共存，这是由于在1050 ℃下合金组织转化成为奥氏体相，合金元素固溶在奥氏体相中，随着淬火的急冷工艺，碳元素来不及析出，在α-Fe相中形成过饱和的固溶体，从而形成了马氏体组织，同时一部分奥氏体转化为了铁素体，还有一部分奥氏体得以保留下来[9]．试样C的金相组织(图5(c))主要为回火马氏体和少量残余奥氏体，因为时效处理在480 ℃温度下进行，实际上也是一个回火的过程，淬火的马氏体转变为回火马氏体，残余奥氏体来源于少量的淬火马氏体逆转变为奥氏体及淬火过程中残留下来的少量奥氏体，同时过饱和的铜在基体中析出，起到沉淀强化的效果．试样D的金相组织(图5(d))主要为奥氏体相，这是因为产生了逆变奥氏体．在820 ℃高温时效保温后基体向奥氏体转变，当时效终了温度为150 ℃时，残余奥氏体的量为43.08%，同时在此温度下保温10 min，奥氏体进一步热稳定化不再向马氏体转变[10-11]．因此，得到韧、塑性很好的注射成形17-4PH，可满足高韧性工况要求．

图5 不同时效下金属注射成形17-4PH的金相组织Fig.5 Microstructural of MIM 17-4PH under different conditions

2.2 机械性能

图6为不同时效下金属注射成形17-4PH不锈钢试样的机械性能．从图6(a)可见，试样A的抗拉强度为926 MPa，屈服强度为760 MPa，硬度为27HRC，延伸率为6%，均达到或超过了MPIF-35标准中关于金属注射成形烧结态17-4PH不锈钢机械性能的标准(密度为7.6 g/cm3，抗拉强度为900 MPa，屈服强度为730 MPa，硬度为27HRC，延伸率为6%)．这主要得益于所用的注射成形不锈钢粉末粒度细小且分布合理，促进了烧结过程中的致密化．

从图6(b)可见，经过1050 ℃固溶处理后的试样B，其抗拉强度为780 MPa，屈服强度为620 MPa，硬度为22HRC，延伸率为12%．与试样A相比较，试样B的抗拉强度、屈服强度及硬度均下降，但延伸率提高．这主要是因为试样中存在少量的奥氏体相．

从图6(c)可见，经过固溶及480 ℃时效处理的试样C，其抗拉强度为1210 MPa，屈服强度为1100 MPa，硬度为43HRC，延伸率为6%．与试样A相比较，试样C拥有很高的抗拉强度、屈服强度及硬度，延伸率也在合理的范围．这主要是过饱和的铜在试样的晶界及晶粒内析出，由于析出物为纳米级，阻碍了位错的移动，使试样的抗拉强度、屈服强度和硬度有了大幅度地提升[12]．因此，17-4PH称之为沉淀强化不锈钢．

从图6(d)可见，经过820 ℃高温时效及150 ℃保温的试样D，其抗拉强度为753 MPa，屈服强度为582 MPa，硬度为16HRC，延伸率为15%．与试样A相比较，试样D的抗拉强度、屈服强度和硬度均大幅下降，但延伸率则有大幅度地提升，这主要是试样中存在大量的奥氏体相．

图6 不同时效下金属注射成形17-4PH的机械性能 (a)抗拉强度；(b)屈服强度；(c)硬度；(d)延伸率Fig.6 Mechanical properties of MIM 17-4PH under different conditions (a) tensile strength；(b) yield strength；(c) hardness；(d) ductility

(1)在烧结状态下17-4PH的组织为铁素体和马氏体两相共存，抗拉强度为926 MPa，屈服强度为760 MPa，硬度为27HRC，延伸率为6%．

(2)通过固溶处理后17-4PH的组织为铁素体、马氏体和奥氏体共存，虽然强度及硬度有所下降抗，但延伸率升高，抗拉强度为780 MPa、屈服强度为620 MPa、硬度为22HRC、延伸率为12%．

(3)通过固溶处理加480 ℃时效处理后，17-4PH的组织主要为回火马氏体，同时随着富铜相的析出，其强度和硬度提高，抗拉强度为1210 MPa、屈服强度为1100 MPa、硬度为43HRC、延伸率为6%．

(4)在固溶和820 ℃高温时效，然后再150 ℃保温10 min，得到塑性很好的17-4PH试样，其金相组织以奥氏体为主，抗拉强度为753 MPa，屈服强度为582 MPa，硬度为16HRC， 延伸率为15%．高温时效下的高塑性主要源于金相组织发生了奥氏体的逆转变．

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Mechanical properties of MIM 17-4PH in aging processes

WENG Ting，ZHU Jie，LI Zhi，LUO Hao，ZENG Keli

GuangdongInstituteofMaterialsandProcessing，Guangzhou510650，China

The17-4PHstainlesssteeltensilesampleswerepreparedbymetalinjectionmolding(MIM)．Themicrostructural，tensilestrength，yieldstrength，hardnessandductilitywereevaluatedunderdifferentconditions．ThemicrostructureofMIM17-4PHisthecoexistencewiththetwo-phaseofferriteandmartensite，thetensilestrengthwas926MPa，theyieldstrengthwas760MPa，thehardnesswas27HRCandtheductilitywas6%undersinteringstate．Insolid-solutiontreatmentstate，themicrostructureofMIM17-4PHincludedferrite，martensiteandaustenitic，thestrengthandhardnessweredecreased，theductilitywasincreased．Aftersolidsolutiontreatmentandageingat480 ℃，themicrostructureofMIM17-4PHwasmainlytemperedmartensitewithfinecopper-richphaseprecipitating，thestrengthandhardnesswereincreased．Aftersolidsolutiontreatmentandageingat820 ℃andholdingat150 ℃for10min，themicrostructureofMIM17-4PHwasmainlyaustenitic，thetensilestrengthwas753MPa，theyieldstrengthwas582MPa，thehardnesswas16HRCandtheductilitywas15%．

metalinjectionmolding；17-4PH；aging；mechanicalproperties；metallographicstructure

2017-03-28

翁廷(1960-)，广东惠来人，工程师，本科.

1673-9981(2017)02-0089-05

TF124

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