1、表面处理对 316L 不锈钢粉末注射成型性能的影响陈泽旭1)，吴盾1)，刘春林1,2)，曹峥1)，成骏峰1)1)常州大学材料科学与工程学院,常州2131642)常州大学怀德学院,靖江214500通信作者,E-mail:摘要以聚乙二醇/环氧树脂（PEG-EP）为粉末表面改性剂，聚甲醛系树脂（POM）为粘结剂体系，混炼制备 316L 不锈钢粉末注射成型喂料，并通过硝酸催化脱脂后烧结得到 316L 烧结样品。通过傅里叶红外光谱仪、扫描电子显微镜、接触角测量仪、旋转流变仪、万能材料试验机、金相显微镜、碳硫分析仪、显微硬度计等研究了 PEG-EP 对 316L 不锈钢粉末的包覆效果以及PEG-EP 表面
2、处理对 316L 不锈钢粉末注射成型喂料和烧结样品性能的影响。结果表明，PEG-EP 成功包覆在 316L 粉末表面，改善了 316L 不锈钢粉末与聚甲醛的界面相容性，提高了喂料流动的性能、生坯的力学性能和烧结样品的力学性能及硬度。当添加 PEG-EP 质量分数为 0.662%、粉末装载量（体积分数）为 63%时，316L 注射生坯的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度分别为 10.57MPa、8.38%、21.24N(mm2)1；烧结样品晶粒尺寸为 50.8m，最大抗拉强度和维氏硬度为 688MPa 和 HV151，烧结样品的综合性能最佳。关键词表面改性；不锈钢粉末；奥氏体不锈钢；金属粉末注射成形
3、分类号TF124Effectofsurfacetreatmentonpowderinjectionmoldingperformanceof316LstainlesssteelpowdersCHEN Zexu1),WU Dun1),LIU Chunlin1,2),CAO Zheng1),CHENG Junfeng1)1)SchoolofMaterialsEngineeringandScience,ChangzhouUniversity,Changzhou213164,China2)HuaideCollege,ChangzhouUniversity,Jingjiang214500,ChinaCor
4、respondingauthor,E-mail:ABSTRACTThe 316L stainless steel powder injection molding feedstock was prepared by melt mixing with polyethyleneglycol/epoxyresin(PEG-EP)asthepowdersurfacemodifierandpolyformaldehyderesin(POM)asthebindersystem.Thesintered316Lsampleswereobtainedbynitricacidcatalyticdegreasing
5、andsintering.TheencapsulationeffectofPEG-EPon316LstainlesssteelpowdersandtheinfluenceofPEG-EPsurfacetreatmentonthepropertiesof316LstainlesssteelpowderinjectionmoldingfeedstockandthesinteredspecimenswerestudiedbyFouriertransforminfraredspectroscope,scanningelectronmicroscope,contactangle measuring in
6、strument,rotary rheometer,universal material tester,metallographic microscope,carbon-sulfur analyzer,andmicrohardnessmeter.Theresultsshowthat,PEG-EParesuccessfullycoatedonthesurfaceof316Lsteelpowders,whichimprovestheinterfacecompatibilitybetween316LstainlesssteelpowdersandPOMandenhancesthefeedstockf
7、luidity,themechanicalpropertiesofrawbillets,andthemechanicalpropertiesandhardnessofthesinteredsamples.WhenthePEG-EPmassfractionis0.662%andthe收稿日期：20211015DOI：10.19591/11-1974/tf.2020110011；http:/第 41 卷第 4 期粉末冶金技术粉末冶金技术Vol.41,No.42023年8月PowderMetallurgyTechnologyAugust2023powderloading(volumefraction
8、)is63%,thetensilestrength,fractureelongation,andbendingstrengthofthe316Linjectionrawbilletsare10.57MPa,8.38%,and21.24N(mm2)1,respectively.Thegrainsize,themaximumtensilestrength,andtheVickershardnessofthesinteredsampleare50.8m,688MPa,and151HV,respectively,leadingtothebestcomprehensiveperformance.KEYW
9、ORDSsurfacemodification;stainlesssteelpowders;austeniticstainlesssteels;metalpowderinjectionmolding金 属 粉 末 注 射 成 型（metalpowderinjectionmolding，MIM）是一种结合粉末冶金技术与高分子注塑成形技术的新型金属加工技术1。相对于传统机械加工和模压烧结，金属粉末注射成型具有精度高、组织均匀、性能优异等特点，且零件的复杂程度越高，金属粉末注射成型成本优势越明显2。因此，国际上普遍认为该技术的发展将会引导零部件成形与加工技术的一场革命3，将其誉为“当今最热门的零部件
10、成形技术”和“21 世纪的成型技术”4。在金属粉末注射成型中，粉末与粘结剂形成的混合物被称为喂料，粉末和粘结剂的特性会直接影响粉末注射成型的后续加工，因此要求喂料具有良好的均匀性、流变特性及脱脂性能56。Hayat 等7通过在钛金属粉末注射成型中掺入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）来抑制水溶性聚乙二醇/聚甲基丙烯酸甲酯（PEG/PMMA）粘结剂体系中PEG 结晶，从而使凝固缺陷最小化，显著改善烧结样品的力学性能，实现 9.2%的伸长率。Muham-mad 等8通过在钛金属粉末注射成型粘结剂体系聚乙二醇/聚丙烯（PEG/PPC）中添加 PMMA，显著提高了生坯强度，真空热脱脂后样品的杂质含量符合 AST
11、MF2989-13 标准。Liu 等9通过钛酸酯偶联剂表面改性氧化锆陶瓷粉末，使得改性粉末可以均匀分散在有机粘结剂中，降低了水基粘结剂的粘度，提高了烧结活性，促进了烧结样品的致密化和晶粒细化，提高了力学性能。刘超等10利用水溶性黏结剂和商用球形 Ti6Al4V 合金粉制备了注射料和烧结试样，通过实验确定了气氛热脱黏结合真空烧结的最佳工艺，其中粉末粒度为 22m 的注射料烧结件整体性能满足外科植入用金属注射成形 Ti6Al4V组件标准。周晚珠等11研究了在 316L 金属粉末注射成形中添加不同质量分数 FeCrBSi 铁基预合金粉末作为烧结助剂，FeCrBSi 与 316L 形成超固相线液相烧结
12、，液相的增加有利于烧结致密化，烧结密度随着 FeCrBSi 质量分数的增加而升高，同时孔隙度逐渐降低，当 FeCrBSi 质量分数为 3%时，烧结件力学性能表现最优异。316L 不锈钢材料性能优异，用途广泛，是金属粉末注射成型的常用材料，常用粘结剂为聚甲醛（POM）1213。但是 316L 粉末表面极性大，与聚甲醛有机粘结剂体系亲和力不足，混炼之后的喂料会产生团聚，粉体在粘结剂中分散不均匀，这会直接影响粉末注射成型的后续加工，导致产生缺陷或者裂纹。环氧树脂（EP）为热固性聚合物，可以提高样品脱脂后成形坯的强度，而聚乙二醇（PEG）可以改善喂料的流动性能14。本文使用聚乙二醇与环氧树脂合成15后
13、的产物（PEG-EP）来改善 316L不锈钢粉末与 POM 粘结剂体系的相容性，研究其对粉末注射成型喂料及烧结试样性能的影响。1实验材料及方法1.1实验试剂和仪器实验原料包括聚乙二醇 4000（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），环氧树脂 E51（分析纯，中海油常州涂料化工研究院有限公司），过硫酸钾（KPS，分析纯，国药集团化学试剂有限公司），316L 不锈钢粉末（D50=12m，湖南恒基粉末科技有限责任公司），聚甲醛系列粘结剂（江苏精研科技股份有限公司提供），无水乙醇（分析纯，国药基团化学试剂有限公司）。实验设备包括集热式恒温加热磁力搅拌器（DF-101D，巩义市予华仪器有限公司），精密电子
14、天平（FA3000，上海天平仪器厂），密炼机（75L-A，上海盈北机械设备厂），注塑机（FT-400，苏州丰铁机械有限公司），傅里叶变换红外光谱仪（Fouriertransforminfraredspectroscope，FTIR，NICOLETIS10，美国塞默飞世尔科技公司），接触角测量仪（JC2000D1，上海中晨数字设备有限公司），旋转流变仪（MCR301，奥地利安东帕公司），碳硫分析仪（CS800，VERDER），扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope，SEM，JSM-6510，日本电子株式会社），万能材料试验机（WDT-30，深圳凯强利机械有限公司），
15、显微硬度计（HVS-1000B，常州三丰仪器有限公司），光学显微镜（LeicaDIM3000，上海成贯仪器有限公司），鼓风干燥箱（DHG-9053A，上海精宏实验设备有限公司）。290粉末冶金技术粉末冶金技术2023年8月1.2样品制备和表征按照 PEG-4000 与环氧树脂 E51 摩尔比 1:1 的比例称取原料，将催化剂过硫酸钾（质量为 PEG-4000 单体质量的 0.5%）加入到三口烧瓶，在 130下通 N2反应 4h，制备 PEG-EP。在 316L 不锈钢粉末中添加质量分数为0，0.166%，0.332%，0.662%，0.99%的 PEG-EP，对混合后的 316L 不锈钢粉末进
16、行表面处理，反应介质为无水乙醇，反应温度 70，反应 1h 后用无水乙醇冲洗抽滤多遍，将得到的产物在鼓风干燥箱 80 干燥 24h，取出备用。设置粉末装载量（体积分数）为 63%，将经过 PEG-EP表面改性的 316L 粉末和聚甲醛系列粘结剂在密炼机中混合均匀，温度 175，制成注射用颗粒，后经注射机注射得到表面无缺陷生坯。生坯经过硝酸催化脱脂，温度 110120，时间 2h，酸流量 4.5gmin1，在真空烧结炉中升温至 1300，烧结 2h 得到 316L 烧结试样。具体制备流程图如图 1 所示。316LPEG-EP/316LPEG-EP包覆混炼粘结剂注射成型脱脂和烧结图1表面处理、粉末注射成型喂料及烧结试样制备流程Fig.1Preparationprocessofthesurfacetreatment,powderinjectionmoldingfeeding,andsinteringsamples利用傅里叶变换红外光谱仪表征 PEG-EP 处理前后 316L 不锈钢粉末结构，采用溴化钾（KBr）压片，分辨率为4cm1，波数为4000cm1500cm1，扫描次数为 32 次。将