Y-PSZ/316L不锈钢复合材料的制备及性能研究

穆红红，邓子玉，施伟森

(沈阳理工大学，材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

Y-PSZ/316L不锈钢复合材料的制备及性能研究

穆红红，邓子玉，施伟森

(沈阳理工大学，材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

采用粉末注射成形的方法制备了Y-PSZ/316L不锈钢复合材料，研究了Y-PSZ含量对复合材料微观组织、烧结后的致密度、收缩率及硬度的影响。结果表明：当Y-PSZ体积分数为30%时，复合材料基本形成Y-PSZ基体；当Y-PSZ体积分数为25%时，复合材料基本形成不锈钢基体。随着Y-PSZ体积分数的增加，复合材料的致密度、线收缩率、硬度随之增大。在试验研究条件下，复合材料的致密度可达91.5%～95.6%。

粉末注射成形； Y-PSZ/316L复合材料； 微观组织； 烧结性能

金属陶瓷复合材料，既包含了陶瓷材料又包含金属材料，此类复合材料既具有陶瓷的耐磨性，高硬度及耐酸碱腐蚀性能等，又具有金属的塑韧性等，因此制备出的复合材料具有高硬度、高强度、高韧性、高耐磨性以及低密度等优点[1-3]。该类材料已经被广泛应用于军事防弹、汽车工业、航空航天、食品和医药加工机械等领域[4-6]。

在金属材料中316L不锈钢(00Cr17Ni14Mo2)具有良好的塑性、韧性、耐蚀性及较高的强度[7]。ZrO2陶瓷本身由于相变引起的体积效应使得其本身不能作为结构材料使用，必须对其进行稳定[8]。由氧化钇部分稳定的氧化锆(3%Y2O3-ZrO2简称Y-PSZ，摩尔分数)粉末具有良好的耐磨耐蚀性[9]，其热膨胀系数与316L不锈钢的热膨胀系数相接近，将二者混合制备成的复合材料具有性能优良、成本低、用途广泛等特点[10]。本文利用粉末注射成形的方法将316L不锈钢和Y-PSZ混合制备成复合材料并对其性能进行研究。

1 实验材料及研究方法

1.1 复合材料的制备

本文采用316L不锈钢粉末均为球形颗粒，平均粒径(D50)为11.36μm；3%mol氧化钇部分稳定氧化锆粉末(以下记为Y-PSZ)为不规则的球形，平均粒径(D50)为2.3μm。粘结剂采用蜡基热塑性粘结剂，其组分(质量分数)：石蜡(PW,50%)、聚乙烯(PE,45%)、硬脂酸(SA,5%)。

采用粉末注射成形的方法制备Y-PSZ/316L不锈钢复合材料。试样制备工艺如图1所示。首先将体积分数为50%、60%、70%、75%、80%、90%的316L不锈钢粉末与体积分数为50%、40%、30%、25%、20%、10%的Y-PSZ粉末在三维混料机上球磨混合4h。将混合好的粉末和粘结剂按照粉末装载量为56%在转矩流变仪上150℃下进行混料，观察扭矩变化，转矩稳定一段时间后喂料混炼均匀。喂料完成后将混料进行造粒，使得混料进一步均匀。然后在立式注射成形机上进行注射。注射温度150℃，注射压力为50MPa，保压时间3s。随后进行脱脂，针对本文选择的粘结剂，采用两步脱脂法(溶剂脱脂+热脱脂)。脱脂溶剂为正庚烷，在45℃的水浴锅内进行溶剂脱脂，4h后石蜡脱除了总量的80%以上，此时连通孔隙已打开可以进行热脱脂。热脱脂工艺曲线如图2所示。最后，在氮气保护气氛下进行烧结，烧结工艺曲线如图3所示。

图1 试样制备工艺流程

图2 试样热脱脂工艺升温曲线

图3 试样烧结工艺升温曲线

1.2 表征方法与评价

采用LS900型号激光粒度仪对粉末进行粒度测量，无水乙醇为分散剂；采用倒置光学显微镜对复合材料的微观组织进行观察；采用XRD衍射仪对复合材料的物相成分进行分析；通过阿基米德排水法测得烧结后试样的真实密度，从而计算出试样的相对密度(即致密度)；通过对试样烧结前后的尺寸测量计算出材料的线收缩率；采用HVS-50型数显维氏硬度计对烧结后试样进行硬度测试，实验所测得的硬度均为八点平均值，由维氏硬度直接换算成洛氏硬度。

2 结果与讨论

2.1 结构组织分析

图4为不同Y-PSZ含量的复合材料XRD图谱。由图可以看出，烧结后的复合材料除了不锈钢(奥氏体)和ZrO2的XRD衍射峰之外，并无其它新相的生成，因此说明316L不锈钢与ZrO2之间化学兼容性良好，并且在氮气保护气氛下不锈钢并未发生氧化。Y-PSZ陶瓷在烧结前后组分相同，所以能够在烧结体中发挥其优越的性能。

图5a ～ 图5f分别为50%Y-PSZ/50%316L、40%Y-PSZ/60%316L、30%Y-PSZ/70%316L、25%Y-PSZ/75%316L 、20%Y-PSZ/80%316L 、 10%Y-PSZ/90%316L复合材料烧结后的组织特征图，其中白色部分为316L不锈钢，灰色部分为Y-PSZ陶瓷。不锈钢与Y-PSZ之间结合紧密，未发现裂纹，但有孔隙存在，如图6所示。

图4 不同Y-PSZ含量的复合材料XRD图谱

图5 复合材料抛光后金相组织(未浸蚀)

图6 50%Y-PSZ/316L复合材料烧

由复合材料的微观组织还可以得到：当Y-PSZ陶瓷的体积分数为50%时(图5a)，由于316L不锈钢的含量相对较少，所以不锈钢颗粒较均匀地分散在Y-PSZ基体上；随着Y-PSZ陶瓷体积分数的减少即不锈钢体积分数的增加，不锈钢颗粒之间接触的机会增加，烧结过程中不锈钢烧结融合到一起的机会也会随之增加， Y-PSZ陶瓷的体积分数为30%时(图5c)，不锈钢颗粒之间产生了结合，但大多都是较少颗粒之间的结合，此时Y-PSZ颗粒间基本形成网状骨架；当Y-PSZ陶瓷的体积分数为25%时(图5d)，大部分不锈钢颗粒之间产生融合，不锈钢颗粒之间基本上形成了网状骨架；当Y-PSZ陶瓷的体积分数为20%时，不锈钢颗粒融合到一起形成了较密的不锈钢网络骨架，Y-PSZ陶瓷颗粒较均匀地分布在不锈钢颗粒间隙中，见图5e；当Y-PSZ陶瓷的体积分数为10%时，在不锈钢基体上只有少量的Y-PSZ陶瓷颗粒分布于不锈钢基体的间隙中，见图5f。

2.2 Y-PSZ的体积分数对烧结后复合材料致密度、硬度及线收缩率的影响

由复合材料的微观组织图5可知，Y-PSZ粉末颗粒较均匀地分布在不锈钢颗粒形成的角隅处或不锈钢颗粒之间的间隙中。文献11认为，在烧结复合材料时，由于基体与第二相粒子的烧结速率不同，会在烧结界面处产生应力，从而影响烧结的致密化。由于316L不锈钢的粒径大于Y-PSZ的粒径，烧结时Y-PSZ烧结致密化速率大，收缩率大。当φ(Y-PSZ)为10%时，复合材料中316L不锈钢的含量相对较高，不锈钢颗粒之间形成的空隙也相对较多，但由于Y-PSZ含量相对较少，不足以完全填充不锈钢颗粒之间的空隙，因此致密度相对较低。随着φ(Y-PSZ)的增加，不锈钢颗粒之间形成的空隙能够被较完全地填充。当φ(Y-PSZ)为30%时，Y-PSZ基本形成骨架，Y-PSZ烧结致密化速率大，且不锈钢与Y-PSZ混合后Y-PSZ颗粒包覆在不锈钢颗粒的表面，随着φ(Y-PSZ)增大，Y-PSZ越容易烧结到一起，所以复合材料的致密度也随之增大。综上，复合材料的致密度随φ(Y-PSZ)的增加而增大，如图7所示。

图7 致密度与φ(Y-PSZ)关系

图8为Y-PSZ体积分数与复合材料长度方向线收缩率的关系曲线，其变化规律与致密度变化规律一致。致密度高，收缩率大；致密度低，收缩率小。

图8 线收缩率与φ(Y-PSZ)关系

图9为Y-PSZ体积分数与复合材料的硬度的关系。烧结复合材料的硬度主要受复合材料的致密度与第二相粒子的含量影响。进行硬度测试时，使用的压头尺寸比较大，负荷也相对较大，此时测得的硬度与复合材料的致密度(孔隙度)有关。此外，复合材料的硬度还受其各组分的硬度(尤其第二相粒子的硬度)影响。由图7可知，随着Y-PSZ体积分数的增加，复合材料的致密度增大，同时复合材料中相对的硬质点Y-PSZ陶瓷颗粒的含量增加，因此，复合材料的硬度随着Y-PSZ体积分数的增加而增大。

图9 硬度与φ(Y-PSZ)关系

3 结论

(1)当Y-PSZ体积分数为30% 时，复合材料基本形成Y-PSZ基体，当Y-PSZ体积分数为25% 时，复合材料基本形成不锈钢基体。

(2)随着Y-PSZ体积分数的增加，复合材料的致密度、线收缩率、硬度随之增大。本试验研究条件下，复合材料的致密度在91.5%～95.6%。

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(责任编辑：马金发)

Research on the Preparation and Properties of Y- PSZ/ 316L Stainless Steel Composites

MU Honghong,DENG Ziyu,SHI Weisen

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Y-PSZ/316L stainless steel composites were prepared by the method of powder injection molding.The effect of the content of Y-PSZ on microstructure,relative density,shrinkage rate and hardness of the composites were researched.The results show that,when the volume fraction of Y-PSZ is 30 percent,the composites forms basically Y-PSZ matrix；when the volume fraction of Y-PSZ is 25 percent,the composites forms basically stainless steel matrix.The relative density,shrinkage rate and hardness of the sintered samples increase with the increasing of Y-PSZ content.The relative density of the composites is in the range from 91.5% to 95.6% in the experiment conditions.

powder injection molding;Y-PSZ/316L composites;microstructure;sintering character

2014-10-10

穆红红(1989—)，女，硕士研究生；通讯作者：邓子玉(1961—)，男，教授，博士，研究方向：特种塑性成形技术及计算机模拟.

1003-1251(2015)04-0005-05

TF124

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