超高强钢粉末及超高强钢复杂零件的制备工艺的制作方法

本发明涉及粉末成型领域，特别涉及超高强钢粉末、喂料及超高强钢复杂零件制备工艺。

背景技术：

1、超高强钢作为一款性能优异的高强度、高韧性、超高强且易加工成型和焊接的特种金属材料，主要用于能源开发、石油化工及飞机起落架、主梁、涡轮发动机主轴、发动机壳体和承力螺栓等关键承力构件，传统的超高强钢零部件的制备方法是采用熔铸的方法制备，制备的效率和产品尺寸精度及复杂性均较低。

2、随着消费电子行业对金属材料力学性能的要求日益严苛，特别是目前折叠手机铰链的高精密度、复杂性，所以对铰链要求高强度、高韧性、耐磨等特性，因此，超高强钢成为该零件的首选材料。目前已有将超高强钢应用到这些零部件的制备上，但其性能还有待进一步的提高，比如随着折叠屏手机轻量化等使用要求的提高，对材料的性能要求也越来越高，亟需进一步提高超强钢的力学性能。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的是提供一种能够用于粉末成型工艺，且通过粉末成型工艺能够获得高性能产品的超高强钢粉末。

2、实现本发明第一个目的的技术方案是：本发明中超高强钢粉末，以质量百分比包含如下成分：c＜0.1％，cr：7-10％，ni：5-9％，mo：5-9％，co：8-12％，si＜0.5％，nb：0.1-1.0％，其余为fe。

3、由于超高强钢粉末的成分(元素)含量控制，会直接影响后期产品，因此对于成分含量控制尤为重要。本发明在研发超高强钢粉末时，进行了大量的技术研究，其各元素之间含量的相互影响是本发明的难点之一。本发明主要添加了nb等微量元素，其机理如下：

4、nb(铌)：细晶强化和弥散强化，nb能和钢中的碳、氮生成稳定的碳化物和碳氮化物。而且还可以使碳化物分散并形成具有细晶化的钢。nb还可以通过诱导析出和控制冷却速度，实现析出物弥散分布。在较宽的范围内调整钢的韧性水平。因此，加入nb不仅可以提高钢的强度，还可以提高钢的韧性、抗高温氧化性和耐蚀性。

5、同时nb含量需要控制在0.1-1.0％，才能起到较好的效果。其中较为优化的nb含量分别为0.35％或者0.5％。

6、由此可见，为了获得本发明中的超高强钢粉末，需要进行大量的研究。

7、本发明的第二个目的是提供一种可用于粉末成型复杂零件的超高强钢喂料，该超高强钢喂料通过严格的元素含量控制，能够为后期获得高性能的超高强钢复杂零件(尤其是微型零件)提供有利条件。

8、实现本发明第二个目的的技术方案是：本发明中超高强钢喂料，包括均匀混合的上述超高强钢粉末和粘结剂；超高强钢粉末的最佳装载量φ2以如下公式获得：

9、式1：

10、式2：φ2＝0.96φ1

11、式1中，ρz表示超高强钢粉末的振实密度，ρl表示超高强钢粉末的理论密度，φ1表示装载量；式2中φ2表示最佳装载量。装载量是指超高强钢粉末占总喂料的体积百分比。而最佳装载量即最佳的体积百分比。

12、上述粘结剂包括pom、骨架剂、分散剂、润滑剂、稳定剂。

13、作为另一种方案，上述粘结剂包括分散剂和润滑剂。

14、本发明的第三个目的是提供一种超超高强钢复杂零件的制备工艺；由于金属粉末注射成型(metal powder injection molding)技术作为粉末冶金成型技术的一种。本发明正是通过粉末成型技术，有效解决了通过超高强钢制备复杂零件，尤其是复杂微型零件的困境。并通过改良的热处理工艺(增加了深冷处理)，进一步提高了其力学性能(屈服强度2100mpa+延伸率4.1％)。

15、实现本发明第三个目的的技术方案是：本发明中超高强钢复杂零件的制备工艺，包括如下步骤：

16、s1、原材料准备：准备上述的超高强钢粉末和粘结剂；

17、s2、制备上述的超高强钢喂料：将上述超高强钢粉末和粘结剂按照最佳装载量放入喂料制备机内均匀混合制备形成喂料；

18、s3、成型：通过注射成型获得成型坯。将步骤s1制备的超高强钢喂料置于粉末注射成型机中，注射到模具型腔内，形成成型坯；

19、s4、脱脂：对于成型坯进行脱脂，形成脱脂坯；

20、s5、烧结：将脱脂坯置于单体烧结炉中，进行烧结获得烧结坯。

21、s6、热处理：对烧结坯进行热处理获得最终件。

22、上述步骤s3，当采用注射成型时，将步骤s1制备的超高强钢喂料置于粉末注射成型机中，在100～180mpa注射压力和150～200℃的注射温度条件下注射到模具型腔内，形成成型坯。

23、上述步骤s4中，对通过注射成型的成型坯进行硝酸催化脱脂，形成脱脂坯，硝酸的流量为2～5ml/min，催化温度为80～120℃，脱脂时间t≥(240+60*h)min，其中h为复杂零件的最大壁厚，单位为mm。

24、上述步骤s5中，将脱脂坯置于单体烧结炉中，在ar气氛下进行烧结，得到烧结坯；烧结温度t控制在1360～1390℃，保温时间为5小时。

25、上述步骤s6中，固溶热处理的温度为1060～1090℃，保温1h；深冷热处理的温度为-70～-196℃，保持1小时；时效热处理的温度为490-530℃，保温3-4h。

26、本发明中热处理主要是在固溶和时效中间增加了深冷处理。通过深冷，使得低温下残余奥氏体发生分解转变为马氏体，提高了材料的硬度和强度。深冷处理还改变了残余奥氏体的形状、分布和亚结构，有利于提高钢的强韧性。

27、当采用注射成型时，所述粘结剂包括pom、骨架剂、分散剂、润滑剂、稳定剂。

28、本发明具有积极的效果：

29、(1)为满足超高强钢粉末成型高精度复杂零件的性能要求，本发明深入研究了超高强钢粉末的元素含量对产品性能的影响，通过严格的元素含量控制，获得了高性能超高强钢复杂零件。目前粉末成型工艺得到的超强钢屈服强度在2000mpa以内，本发明得到的超强钢屈服强度达到了2100mpa，同时延伸率也有4.1％。

30、(2)本发明首次用粉末成型工艺制备超高强钢零件，通过独特的烧结工艺及在热处理中添加深冷处理工艺，获得了高性能(屈服强度2100mpa+延伸率4.1％)的超高强钢复杂零件。

31、(3)通过本发明制备的超高强钢复杂零件，能够运用在3c类产品中，对于促进粉末成型材料体系扩展以及消费电子行业的发展，具有革命性的创新。

技术特征：

1.一种超高强钢粉末，其特征在于以质量百分比包含如下成分：c＜0.1％，cr：7-10％，ni：5-9％，mo：5-9％，co：8-12％，si＜0.5％，nb：0.1-1.0％，其余为fe。

2.超高强钢复杂零件的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的超高强钢复杂零件的制备工艺，其特征在于：所述步骤s3的注射成型过程为，将步骤s2制备的超高强钢喂料置于粉末注射成型机中，在100～180mpa注射压力和150～200℃的注射温度条件下注射到模具型腔内，形成成型坯。

4.根据权利要求2所述的超高强钢复杂零件的制备工艺，其特征在于：所述步骤s4的催化脱脂过程为，对通过注射成型的成型坯进行硝酸催化脱脂，形成脱脂坯，硝酸的流量为2～5ml/min，催化温度为80～120℃，脱脂时间t≥(240+60*h)min，其中h为复杂零件的最大壁厚，单位为mm。

5.根据权利要求2所述的超高强钢复杂零件的制备工艺，其特征在于：所述步骤s5的烧结过程为，将脱脂坯置于单体烧结炉中，在ar气氛下进行烧结，得到烧结坯；烧结温度t控制在1360～1390℃，保温时间为5小时。

6.根据权利要求2所述的超高强钢复杂零件的制备工艺，其特征在于：所述步骤s6的热处理过程为，固溶热处理的温度为1060～1090℃，保温1h；深冷热处理的温度为-70～-196℃，保持1小时；时效热处理的温度为490-530℃，保温3-4h。

7.根据权利要求2所述的超高强钢复杂零件的制备工艺，其特征在于：当采用注射成型时，所述粘结剂包括pom、骨架剂、分散剂、润滑剂、增韧剂和稳定剂。

技术总结
本发明涉及超高强钢粉末及超高强钢复杂零件的制备工艺，其中超高强钢粉末以质量百分比包含如下成分：C＜0.1％，Cr：7‑10％，Ni：5‑9％，Mo：5‑9％，Co：8‑12％；Si＜0.5％，Nb：0.1‑1.0％，其余为Fe。而超高强钢复杂零件的制备工艺包括如下步骤：S1、制备上述超高强钢喂料；S2、成型：通过注射成型获得成型坯；S3、脱脂：对于成型坯进行脱脂，形成脱脂坯；S4、烧结：将脱脂坯置于单体烧结炉中，进行烧结获得烧结坯；S5、热处理：对烧结坯进行热处理获得最终件。本发明通过粉末成型技术拓展了超高强钢零件的制备方式，并且通过优化粉末配比、改良的热处理工艺(增加了深冷处理)，达到了超高强度(屈服强度2100MPa+延伸率4.1％)的性能。

技术研发人员：苏绍华,马超,包涵,邬均文,王明喜
受保护的技术使用者：江苏精研科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15