不锈钢粉末热压成形方法及注意事项

　　专利名称：一种不锈钢粉末热压成形方法

　　技术领域：

　　本发明属粉末冶金技术领域，特别是提供了一种316L不锈钢粉末热压成形方法，为金属粉末高密度压制成形提供了新途径。

　　背景技术：

　　由于具有优异的耐蚀性和良好的压力加工性，用铸锻及机械加工工艺制造的致密不锈钢零件广泛地应用于手表、医疗机械、家用电器、食品加工机具乃至珠宝等行业。粉末冶金技术可实现零件的近终形成形，减少大量的机械加工工序，降低生产成本。因而，人们越来越希望用混粉、精密压制成形和烧结的工艺制备上述行业相关的粉末冶金316L不锈钢零件，以降低器具与器械综合生产成本。

　　粉末冶金316L不锈钢零件能否替代致密不锈钢零件取决于两个主要因素它的强度及耐腐蚀性。通常，粉末冶金结构零件组织内部有一定量的残留孔隙。这些残留孔隙会降低零件的强度。粉末冶金工艺不断发展，已有诸如温压、模壁润滑和合金化等技术可以在很大程度上消除这些残留孔隙，增加材料的强度。

　　不锈钢通常指含铬量在12％-30％的铁基耐蚀合金。由于不锈钢具有耐腐蚀性、抗氧化性、外观好、加工性能好，近几十年来，不锈钢的使用范围向轻工和家庭生活方面迅速发展。不锈钢的价格通常都远高于钢铁，由于粉末冶金在生产零件中成本低，与铸造方法相对照，精密度和成本这两方面是非常有竞争力的，铸造中存在的一些问题，如偏析、机加工量大等用粉末冶金的方法则可以避免，或者减少，因此粉末冶金不锈钢零件是粉末冶金技术中的一个重要的正在发展的领域。

　　提高生坯密度与加速烧结致密化，是消除孔隙提高粉末不锈钢零件的两个重要途径。由于不锈钢粉末表面存在难以被还原的氧化物，如铬的氧化物，许多工艺研究主要集中于如何在烧结过程去除氧化物，如何选择烧结气氛保持不锈钢不被氧化方面，而对于如何提高不锈钢粉末的模压压制性，增加其生坯密度的研究较少。

　　近年来，静电模壁润滑技术得到了较快的发展，在以下文献中有记载Mongeon，Pelletier，Sylvain.Die wall Iubrication method and apparatus.Canadian Patent，01/36132.2001-0525；Pelletier Sylvain，Ziani Abdelouahab，Mongeon Paulemile.Die wall Iubrication method and apparatus.American Patent，US6299690.2001-1009。其工作原理利用摩擦起电的原理，通过摩擦枪使润滑粉带上静电荷，其后将带电的润滑粉喷射在接地的模具内壁上，由于静电吸附力的作用，带电润滑粉能够在模具内壁上连续的、均匀的形成了一薄润滑粉层，在压制过程中，这层润滑粉层并起到减少金属粉与模具内壁间摩擦力的作用，若采用温压压制，则这层润滑粉层的润滑效果表现的更为明显。采用该项技术，烧结后的样品外表光洁度高，克服了湿法模壁润滑的缺陷，同时该技术容易实现自动化，在国外已部分应用于铁基零件的生产中，据报道，纯铁粉压坯的密度以提高到7.50g/cm3左右。但国外的这项技术仍存在着较大的缺陷和不足，成本较高，不利于应用和广泛推广。

　　在粉末烧结钢中，残留孔隙降低零件的强度和恶化零件的耐腐蚀性。1994，在加拿大多伦多举行的粉末冶金国际会议上，提出了温压工艺技术，在以下文献有记载Rutz H G，Harejjo F G，Luk S H.“Warm Compactioon Offers High Density at LowCost”.MPR，1994，49(9)40-47；Musella V and D’angelo M.“Process for PreheatingMetal in Preparation for Compacting Operations”.US Patent，No.4,955,798；Chagono F，Gelinas C and Trudel Y.“Development of High Density Materials for PMApplications”.Advances jn Powder Metallurgy and Particulate Materials，1994，vol.3.Edited by Lall C and Newpaver A J.MPIF，Princeton，N.J.，1994199。这一工艺不仅将铁基生坯密度提高了0.1～0.25g/cm3，大大提高了生坯强度，使纯铁粉一次压制/烧结密度达到了7.50g/cm3，而且该工艺的压制压力和脱模力均较传统粉末冶金方法低，提高了模具寿命，降低了成本。温压工艺的关键技术，包括预混和粉末的制备以及温压压制系统的设计。其中预混合粉末的制备主要在于选择可以在100～150℃正常使用的高温润滑剂。目前高温润滑剂的添加与制备工艺已经专利化。温压系统的设计主要是在压制过程中，将粉末加热、粉末传输和压机的模具加热结合在一起。一旦粉末加热到所需的温度，控温的传输与进料系统就将粉末送入模腔进行压制。其中粉末的加热温度、模具的加热温度以及二者的相互匹配以期获得最高压坯密度是需考虑的主要问题。

　　基于上述考虑，本发明提出“新型模壁润滑装置”技术，(已申请专利保护，申请号03146264.2，)和温压技术相结合来获得高的316L不锈钢压坯密度，并对采用的润滑粉的润滑特性进行分析研究，以求取得较好润滑剂，从而形成一种提高316L不锈钢压坯密度的新方法。

　　发明内容

　　本发明的目的在于一种316L不锈钢粉末的高密度成形方法，即采用复合润滑粉与静电模壁润滑技术和温压技术相结合的方法压制316L不锈钢粉末，以此获得高密度生坯零件，同时提高生坯零件的外观和尺寸精度。

　　该发明内容包括先对316L不锈钢压制粉末与模具进行加热，并用热电偶分别控制316L不锈钢压制粉末与模具的温度，316L不锈钢压制粉末加热温度控制在100℃～140℃，模具加热温度控制在100℃～160℃。使用静电模壁润滑装置对模具内壁喷涂复合润滑粉，使用的复合润滑粉组成为25质量％～75质量％EBS蜡+25质量％～75质量％石墨或25质量％～75质量％W-special蜡+25质量％～75质量％石墨，模具引导线接地，从而使模具内壁上带上一层薄的、连续的、均匀的复合润滑粉末。复合润滑粉喷涂完毕后，即可把加热后的316L不锈钢压制粉末倒入模具的模腔中进行压制。

　　本发明与传统压制和润滑技术相比存在以下的优点1、在相对较低压制压力下能获得较高密度生坯；2、脱模力小，且压坯表面干净光滑，对环境污染小；

　　3、压坯尺寸变形小，能达到较好的尺寸精度要求；4、操作简单，压制效率高。

　　图1是本发明压制混合粉生坯密度与压制力间的关系(例1)。横坐标为压制压力(MPa)，纵坐标为混合粉生坯密度(g/cm3)。

　　图2是本发明混合粉在不同外润滑作用下生坯密度与压制压力的关系(例2)。横坐标为压制压力(MPa)，纵坐标为混合粉生坯密度(g/cm3)。

　　图3是本发明在810MPa温压压制下，使用复合润滑粉2为外润滑的混合粉生坯的SEM照片(例3)。

　　图4是本发明图3的局部放大图。

　　具体实施例方式

　　采用的单质润滑粉有EBS蜡(细度≤74μm)、石墨(细度≤74μm)、W-special蜡(细度≤15μm)。

　　原料粉末为国产(京元公司产，细度≤74μm)316L不锈钢粉末。含氧量低于0.3％，其它Cr，Ni，Mo的含量与标准316L不锈钢成分相同，见表1。

　　表1 实验用316L不锈钢粉末成分

　　例1316L不锈钢粉和0.2wt％EBS蜡粉作为压制混合粉，该混合粉摇匀0.5h。用新型静电模壁润滑喷射装置进行模壁润滑，润滑粉为EBS蜡，静电电压控制在10KV以下，模具引导线接地，以利于带电润滑粉在模壁上的吸附，称重5g混合粉，倒入直径为φ10.55mm圆柱形模腔中，在压制压力550～950MPa下，分别采用室温或温压压制混合粉。在温压过程中，粉末与模具的温度用热电偶分别控制在110℃和110℃。用螺旋测微器测量压坯尺寸(误差0.001mm)，用感量为0.0001g的电子天平称重，计算得到密度值。如表1所示表1 在不同压制力下混合粉(0.2wt％EBS蜡)在EBS蜡外润滑和室/温压下的生坯密度

　　在压制力为580MPa下，室温压制的生坯密度仅为6.52g/cm3，而采用温压技术生坯密度达到7.03g/cm3；在压制力为915MPa时，室温压制的生坯密度为6.91g/cm3，而温压达到7.20g/cm3。温压所得到生坯密度比室温压制高0.3～0.5g/cm3。其原因在于一方面，温压温度的作用延缓铁粉压制过程的加工硬化程度和提高铁粉的塑性变形能力；另一方面，润滑剂在最佳的温压温度下呈玻璃态，具有较好粘流性，有效的减小铁粉颗粒之间及颗粒与模壁之间的摩擦，降低了脱模压力。

　　图1为该混合粉在室温和温压下生坯密度与压制力的曲线关系。其中，曲线1为温压混合粉生坯密度与压制力间的关系，曲线2为室温压制下混合粉生坯密度与压制力间的关系。由图1示可知，在不锈钢粉末的压制过程中，使用过高的压制压力是不合适的，即便对于温压来说，在800MPa后生坯密度趋于平衡，不再提高；而室温压制时，压制压力超过800MPa后，生坯密度仅能从6.84g/cm3提高到6.91g/cm3，提高幅度不明显，更重要的是压坯表面的滑痕很多，脱模力明显增大。

　　例2不锈钢粉和0.2wt％W-special蜡粉作为压制混合粉，该混合粉摇匀0.5h。用新型静电模壁润滑喷射装置(以申请专利)进行模壁润滑，润滑粉分别采用EBS蜡、石墨、复合润滑粉1、复合润滑粉2，静电电压控制在10KV以下，模具引导线接地，以利于带电润滑粉在模壁上的吸附，称重5g混合粉，倒入直径为φ10.55mm圆柱形模腔中，在压制压力550～950MPa下，采用温压压制混合粉。在温压过程中，粉末与模具的温度用热电偶分别控制在120℃和130℃。用螺旋测微器测量压坯尺寸(误差0.001mm)，用感量为0.0001g的电子天平称重，计算得到密度值。如表2所示表2 不同外润滑方式下的混合粉(0.2wt％W-special蜡)生坯密度

　　由表2所示，采用不同的外润滑剂，混合粉压制后得到的生坯密度不等，其中采用复合润滑粉2作为静电模壁润滑的外润滑剂，混合粉压制后的生坯密度相对而言最大，在580压制力时，生坯密度为7.19g/cm3，在915MPa压制力时，生坯密度达到7.38g/cm3；而石墨作为静电模壁润滑的外润滑剂，混合粉压制后的生坯密度相对而言较小，在580压制力时，生坯密度为6.99g/cm3，在915MPa压制力时，生坯密度为7.24g/cm3。二者间密度的差距为0.1～0.3g/cm3，其原因在于虽然石墨是较好的润滑剂，但较低的温压温度对其润滑效果并没有多大的促进作用。得到的生坯表面光洁，脱模力小。从表2可得各润滑粉的总体润滑效果比较复合润滑粉2＞复合润滑粉1＞EBS蜡＞石墨。由此可见，采用静电模壁润滑和温压技术相结合，为得到高密度的316L不锈钢生坯，复合润滑粉2作为外润滑剂是最佳选择。

　　图2是在温压条件下混合粉在不同外润滑作用下生坯密度随压制压力的曲线图。其中曲线3为复合润滑粉2外润滑；曲线4为复合润滑粉1外润滑；曲线5为EBS蜡外润滑；曲线6为石墨外润滑。由图2所示可知在此压力范围内，混合粉加热120℃，模具加热130℃，复合润滑粉2为外润滑时，混合粉的生坯密度增幅最小，在压制力800MPa后，生坯密度几乎达饱和；而采用其它的润滑粉作为外润滑剂时，混合粉的生坯密度与压制压力几乎呈线性关系，增幅最大的是采用复合润滑粉1为外润滑剂的混合粉生坯。

　　例3不锈钢粉和0.2wt％W-special蜡粉作为压制混合粉，该混合粉摇匀0.5h。用新型静电模壁润滑喷射装置(以申请专利)进行模壁润滑，润滑粉分别采用复合润滑粉1、复合润滑粉2，静电电压控制在10KV以下，模具引导线接地，以利于带电润滑粉在模壁上的吸附，称重5g混合粉，倒入直径为φ10.55mm圆柱形模腔中，在压制压力550～950MPa下，采用温压压制混合粉。在温压过程中，温度用热电偶控制，混合粉加热至120℃，模具分别加热至130℃、140℃和150℃。用螺旋测微器测量压坯尺寸(误差0.001mm)，用感量为0.0001g的电子天平称重，计算得到密度值。如表3所示表3 不同模具加热温度下的混合粉(0.2wt％W-special蜡)的生坯密度

　　由表2所示，随着模具加热温度的上升，得到的混合粉生坯密度逐渐增大。在800MPa的压制压力下，复合润滑粉1为外润滑时，模具加热温度由130℃～150℃时，混合粉的生坯密度由7.24g/cm3～7.30g/cm3，增幅达0.6g/cm3；而复合润滑粉2为外润滑时，混合粉的生坯密度由7.35g/cm3～7.43g/cm3，增幅达0.8g/cm3。据此可知，复合润滑粉2随温压温度的上升，表现出较好的模壁润滑效果。其原因在于温压用W-special蜡粉的熔点较高，可以适当提高粉末的加热温度而不损失粉末的流动性。同时，生坯外表面光亮没有划痕。

　　图3是使用复合润滑粉2温压(粉末120℃，模具150℃，800MPa)的混合粉生坯的SEM照片。图3是低倍SEM照片，从照片上样品相当致密。该样品局部放大的细节如图4所示。可以看到粉末颗粒变形较大，颗粒紧密接触。在颗粒内出现了大量的微细亚晶结构，尺寸为2～3μm或更小。其中，必定存在大量的位错。这表明，在使用复合模壁润滑剂温压获得高密度压坯的致密化主要机理是温压的塑性变形机理。另一方面，颗粒内出现了大量的微细亚晶结构的压坯储存了较高的应变能。这个应变能将在而后的烧结过程中转变为烧结驱动力，活化烧结过程。由此表明，温压和静电模壁润滑的综合作用可以大幅度地提高316L粉末压坯的生坯密度。

　　例4压制混合粉有316L不锈钢粉和0.2wt％EBS、316L不锈钢粉和0.2wt％EBS以及0.6wt％Fe-Mo-b(粗)、316L不锈钢粉和0.2wt％EBS以及0.6wt％Fe-Mo-b(细)、316L不锈钢粉和0.2wt％EBS以及0.6wt％Cu-P。混合粉摇匀0.5h。用新型静电模壁润滑喷射装置(以申请专利)进行模壁润滑，采用EBS蜡外润滑，静电电压控制在10KV以下，模具引导线接地，以利于带电润滑粉在模壁上的吸附，称重5g混合粉，倒入直径为φ10.55mm圆柱形模腔中，在压制压力550～950MPa下，采用温压压制混合粉。在温压过程中，粉末与模具的温度用热电偶分别控制在110℃和110℃。用螺旋测微器测量压坯尺寸(误差0.001mm)，用感量为0.0001g的电子天平称重，计算得到密度值。如表4所示表4 在915MPa室/温压压制下掺有硬质合金粉的混合粉(0.2wt％EBS蜡)生坯密度

　　压制混合粉中存在硬质粉末，可能降低生坯密度。采用静电模壁润滑和温压技术相结合能够一定程度上提高混合粉的生坯密度。如表4所示，在915MPa的室温压制下，添加硬质粉末混合粉的生坯密度比无硬质粉末混合粉的生坯密度高，如有6wt％Fe-Mo-B(粗)的混合粉生坯密度为7.09g/cm3，比无硬质粉末的混合粉生坯密度高0.18g/cm3；而采用温压压制，则掺有硬质粉的混合粉生坯密度比·室温压制的高，最大幅度达到0.14g/cm3，除掺有6wt％Fe-Mo-B(粗)的混合粉生坯密度相对而言来得大外，其余均比未掺有硬质粉的混合粉生坯密度小。但总的来说，采用静电模壁润滑与温压技术相结合，可以提高掺有硬质粉末的混合粉生坯密度。

　　权利要求

　　1.一种316L不锈钢粉末热压成形方法，其特征在于先对316L不锈钢压制粉末与模具进行加热，并用热电偶分别控制316L不锈钢压制粉末与模具的温度，316L不锈钢压制粉末加热温度控制在100℃～140℃，模具加热温度控制在100℃～160℃；使用静电模壁润滑装置对模具内壁喷涂复合润滑粉，使用的复合润滑粉组成为25质量％～75质量％EBS蜡+25质量％～75质量％石墨或25质量％～75质量％W-special蜡+25％～75％石墨，模具引导线接地，复合润滑粉喷涂完毕后，把加热后的316L不锈钢压制粉末倒入模具的模腔中进行压制成形。

　　全文摘要

　　本发明提供了一种316L不锈钢粉末热压成形方法，先对316L不锈钢压制粉末与模具进行加热，并用热电偶分别控制316L不锈钢压制粉末与模具的温度，316L不锈钢压制粉末加热温度控制在100℃～140℃，模具加热温度控制在100℃～160℃；使用静电模壁润滑装置对模具内壁喷涂复合润滑粉，使用的复合润滑粉组成为25％～75％EBS蜡+25％～75％石墨或25％～75％W－special蜡+25％～75％石墨，模具引导线接地，复合润滑粉喷涂完毕后，把加热后的316L不锈钢压制粉末倒入模具的模腔中进行压制成形。其优点在于能获得较高密度生坯，达到较好的尺寸精度要求，操作简单，压制效率高。

　　文档编号C22C33/02GK1472027SQ03146328

　　公开日2004年2月4日 申请日期2003年7月9日 优先权日2003年7月9日

　　发明者果世驹, 陈邦峰, 杨霞, 胡学晟, 魏延平 申请人:北京科技大学