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金屬注射成型(MIM)技術制造高氮不銹鋼迎來發展機遇
發布日期：[2024/6/13]
近年來，隨著制造工藝和技術的不斷發展，人們意識到氮在穩定鋼中奧氏體方面存在巨大優勢，并可以保留奧氏體所具有的無磁性等優良特性。對于不銹鋼產品而言，亦如此。并且，隨著3D打印技術的不斷發展、應用，金屬注射成型（Metal injection molding,MIM）高氮不銹鋼在電子工業中的應用優勢越來越明顯。
高氮不銹鋼為替代鎳而誕生
不銹鋼是人類材料發展史上最偉大的發明之一，如今已經滲透到人類生產與生活的方方面面。由于具有優秀的耐腐蝕性，不銹鋼在工業領域被廣泛應用于各種惡劣的工業環境中；在生活領域被用來制成各種消費品的零部件或最終產品（如餐具），并能長期保持銀亮的金屬光澤，受到消費者的喜愛。
在不銹鋼發展早期，含氮不銹鋼的研究并沒有引起重視。一是受生產工藝限制，將氣態氮加入鋼液較為困難；二是氮是否會導致不銹鋼變脆在當時具有爭議。直到1912年，才有文獻首次記載了氮對鋼力學性能及穩定奧氏體方面的重大影響。之后，1926年，又有研究報導了氮對鉻、鐵鉻合金有類似的影響。從20世紀30年代開始，陸續有文獻記載了將氮加入鐵鉻合金以提高合金強度的研究。二戰期間，由于鎳資源的短缺，促使以氮代鎳穩定奧氏體的可能性研究成為熱點。當時，除了已知的氮對不銹鋼結構和強度的影響外，還首次發現了氮對不銹鋼耐腐蝕性的有利影響。
在高氮鋼的發展歷史中，有兩個因素促進了人們對氮作為不銹鋼合金元素意義的思考：一是不銹鋼中重要的合金元素鎳的供應量逐漸減少；二是為了生產高強度的奧氏體不銹鋼。當AOD爐法（氬氧脫碳法）實現了氮作為合金元素的可能時，不銹鋼的氮合金化就被迅速推廣。特別是在奧氏體不銹鋼中，通過調整氮和錳的含量來替代鎳，可以生產質優價廉的高氮不銹鋼，甚至能將鎳含量降至低于0.1%的水平，從而誕生了高氮無鎳型的奧氏體不銹鋼。
奧氏體不銹鋼是最重要的工程材料之一，由于其具有較強的耐腐蝕性、高延展性、無磁性，在工業上有著廣泛的應用。傳統奧氏體不銹鋼中含有大量鎳。鎳的存在雖然穩定了鋼中的奧氏體組織，但也存在一些難以解決的問題。比如，鎳的成本較高；在奧氏體中以替換式固溶原子存在，無法有效提高材料的強度和硬度；生物兼容性差，容易引起人體過敏反應，限制了其在消費電子和生物醫療領域的應用。
為了解決這些問題，氮被引入到奧氏體不銹鋼中來替代鎳，高氮不銹鋼由此誕生。與傳統奧氏體不銹鋼相比較，高氮不銹鋼具有相對優勢。例如，氮對奧氏體的穩定性遠高于鎳，少量的氮即可有效地穩定不銹鋼中的奧氏體組織，減少材料在加工過程中形成鐵素體和馬氏體，從而保存奧氏體不銹鋼所具有的高抗腐蝕性和無磁性。氮作為間隙式固溶體元素，可以有效地提高奧氏體的硬度和強度，同時保持材料良好的延展性。氮取代鎳后可以降低材料的鎳釋放，改善材料的生物兼容性，并能有效提高奧氏體不銹鋼抗點蝕和裂紋腐蝕的能力。
因此，高氮奧氏體不銹鋼近年來成為研究的熱點，在工業上的應用也越來越多。
用MIM技術制造高氮不銹鋼
早期開發高氮奧氏體不銹鋼大多基于鑄造技術，在金屬熔融狀態下加入氮元素。由于氮在液態鐵中的溶解度低，所以需要使用較高的氮分壓才能使鋼液中溶解足夠的氮。但這種方法需使用昂貴的高溫高壓設備，且具有一定的危險性，因此在工業推廣中受阻。
與此相比，氮在奧氏體中的固溶度要遠高于在液態鐵中的溶解度，所以不銹鋼粉末在固態時就可以在低壓下滲入較多的氮。這使得粉末冶金工藝成為一種更經濟、有效的高氮奧氏體不銹鋼制造方法。此外，利用粉末冶金工藝還可以實現產品的近凈成形，減少后續加工，同時獲得比鑄造更加均勻的組織和性能。
MIM技術是在粉末冶金領域引入注塑成型工藝，從而產生的一種新的近凈成形技術。在金屬注射成型過程中，首先，選取符合要求的金屬粉末和高分子粘結劑，然后在適當的工藝條件下混煉并擠出，制造成均勻的顆粒狀喂料。其次，通過注射成型，使喂料在熔融狀態下注射到模腔里形成生坯。最后，通過脫脂過程去除生坯中的粘結劑，再通過燒結得到致密化金屬產品。燒結后成品的密度可達到理論密度的96%~98%，力學性能接近鍛造材料。
MIM技術的優勢在于能以極低的成本大批量生產形狀復雜的精密金屬零件，現在已經可以使用MIM技術制造高氮無鎳不銹鋼產品。目前，工業中使用最多的應用MIM技術制造的高氮無鎳不銹鋼牌號為PANACEA，其化學成分（質量分數）為：碳≤0.2%，氮≥0.65%，鉻為16.5%~17.5%，鎳≤0.1%，鉬為3.0%~3.5%，錳為10%~12%，硅≤0.1%，余量為鐵。該產品原始粉末的氮含量不超過0.3%，依靠燒結工藝可以將氮含量提高到0.65%以上，最終獲得性能良好的高氮無鎳奧氏體不銹鋼。雖然這款不銹鋼的性能優異，但目前實現量產仍存在技術壁壘。比如，這種材料中的氮是在燒結的過程中滲入，其氮含量的控制涉及到對滲氮過程的熱力學和動力學的理解；氮在不銹鋼中的存在狀態與材料熱處理的過程相關；由于不同廠商使用的燒結爐不一樣，最優化的燒結條件需要在生產前期就充分驗證等。這些因素都增大了這種材料穩定生產的難度。
使用MIM技術制造的高氮無鎳不銹鋼，其強度和硬度高于傳統奧氏體不銹鋼，抗腐蝕能力優異，而且沒有磁性，是制造電子產品結構件的優良材料。深圳市御嘉鑫科技股份有限公司采用金屬粉末注射成型技術，制造各種高精密、復雜結構金屬零部件，在高氮無鎳不銹鋼制造領域有著豐富的經驗，致力于中高端產品組件，如醫療、工業、軍工、消費電子等，不斷突破行業技術壁壘。華為公司從2017年底開始選用這種材料制造該公司旗艦手機的攝像頭支架，迄今已歷經兩代手機產品。目前，已有四款攝像頭支架被大批量生產，每一款的出貨量都多達幾百萬件，是注射成型高氮無鎳不銹鋼的經典應用案例。隨著華為公司的推廣，越來越多的手機結構件將選擇這款高氮無鎳奧氏體不銹鋼材料。相信在不遠的將來，應用MIM技術制造的高氮無鎳不銹鋼將迎來更多的發展機遇。
高氮不銹鋼為替代鎳而誕生
不銹鋼是人類材料發展史上最偉大的發明之一，如今已經滲透到人類生產與生活的方方面面。由于具有優秀的耐腐蝕性，不銹鋼在工業領域被廣泛應用于各種惡劣的工業環境中；在生活領域被用來制成各種消費品的零部件或最終產品（如餐具），并能長期保持銀亮的金屬光澤，受到消費者的喜愛。
在不銹鋼發展早期，含氮不銹鋼的研究并沒有引起重視。一是受生產工藝限制，將氣態氮加入鋼液較為困難；二是氮是否會導致不銹鋼變脆在當時具有爭議。直到1912年，才有文獻首次記載了氮對鋼力學性能及穩定奧氏體方面的重大影響。之后，1926年，又有研究報導了氮對鉻、鐵鉻合金有類似的影響。從20世紀30年代開始，陸續有文獻記載了將氮加入鐵鉻合金以提高合金強度的研究。二戰期間，由于鎳資源的短缺，促使以氮代鎳穩定奧氏體的可能性研究成為熱點。當時，除了已知的氮對不銹鋼結構和強度的影響外，還首次發現了氮對不銹鋼耐腐蝕性的有利影響。
在高氮鋼的發展歷史中，有兩個因素促進了人們對氮作為不銹鋼合金元素意義的思考：一是不銹鋼中重要的合金元素鎳的供應量逐漸減少；二是為了生產高強度的奧氏體不銹鋼。當AOD爐法（氬氧脫碳法）實現了氮作為合金元素的可能時，不銹鋼的氮合金化就被迅速推廣。特別是在奧氏體不銹鋼中，通過調整氮和錳的含量來替代鎳，可以生產質優價廉的高氮不銹鋼，甚至能將鎳含量降至低于0.1%的水平，從而誕生了高氮無鎳型的奧氏體不銹鋼。
奧氏體不銹鋼是最重要的工程材料之一，由于其具有較強的耐腐蝕性、高延展性、無磁性，在工業上有著廣泛的應用。傳統奧氏體不銹鋼中含有大量鎳。鎳的存在雖然穩定了鋼中的奧氏體組織，但也存在一些難以解決的問題。比如，鎳的成本較高；在奧氏體中以替換式固溶原子存在，無法有效提高材料的強度和硬度；生物兼容性差，容易引起人體過敏反應，限制了其在消費電子和生物醫療領域的應用。
為了解決這些問題，氮被引入到奧氏體不銹鋼中來替代鎳，高氮不銹鋼由此誕生。與傳統奧氏體不銹鋼相比較，高氮不銹鋼具有相對優勢。例如，氮對奧氏體的穩定性遠高于鎳，少量的氮即可有效地穩定不銹鋼中的奧氏體組織，減少材料在加工過程中形成鐵素體和馬氏體，從而保存奧氏體不銹鋼所具有的高抗腐蝕性和無磁性。氮作為間隙式固溶體元素，可以有效地提高奧氏體的硬度和強度，同時保持材料良好的延展性。氮取代鎳后可以降低材料的鎳釋放，改善材料的生物兼容性，并能有效提高奧氏體不銹鋼抗點蝕和裂紋腐蝕的能力。
因此，高氮奧氏體不銹鋼近年來成為研究的熱點，在工業上的應用也越來越多。
用MIM技術制造高氮不銹鋼
早期開發高氮奧氏體不銹鋼大多基于鑄造技術，在金屬熔融狀態下加入氮元素。由于氮在液態鐵中的溶解度低，所以需要使用較高的氮分壓才能使鋼液中溶解足夠的氮。但這種方法需使用昂貴的高溫高壓設備，且具有一定的危險性，因此在工業推廣中受阻。
與此相比，氮在奧氏體中的固溶度要遠高于在液態鐵中的溶解度，所以不銹鋼粉末在固態時就可以在低壓下滲入較多的氮。這使得粉末冶金工藝成為一種更經濟、有效的高氮奧氏體不銹鋼制造方法。此外，利用粉末冶金工藝還可以實現產品的近凈成形，減少后續加工，同時獲得比鑄造更加均勻的組織和性能。
MIM技術是在粉末冶金領域引入注塑成型工藝，從而產生的一種新的近凈成形技術。在金屬注射成型過程中，首先，選取符合要求的金屬粉末和高分子粘結劑，然后在適當的工藝條件下混煉并擠出，制造成均勻的顆粒狀喂料。其次，通過注射成型，使喂料在熔融狀態下注射到模腔里形成生坯。最后，通過脫脂過程去除生坯中的粘結劑，再通過燒結得到致密化金屬產品。燒結后成品的密度可達到理論密度的96%~98%，力學性能接近鍛造材料。
MIM技術的優勢在于能以極低的成本大批量生產形狀復雜的精密金屬零件，現在已經可以使用MIM技術制造高氮無鎳不銹鋼產品。目前，工業中使用最多的應用MIM技術制造的高氮無鎳不銹鋼牌號為PANACEA，其化學成分（質量分數）為：碳≤0.2%，氮≥0.65%，鉻為16.5%~17.5%，鎳≤0.1%，鉬為3.0%~3.5%，錳為10%~12%，硅≤0.1%，余量為鐵。該產品原始粉末的氮含量不超過0.3%，依靠燒結工藝可以將氮含量提高到0.65%以上，最終獲得性能良好的高氮無鎳奧氏體不銹鋼。雖然這款不銹鋼的性能優異，但目前實現量產仍存在技術壁壘。比如，這種材料中的氮是在燒結的過程中滲入，其氮含量的控制涉及到對滲氮過程的熱力學和動力學的理解；氮在不銹鋼中的存在狀態與材料熱處理的過程相關；由于不同廠商使用的燒結爐不一樣，最優化的燒結條件需要在生產前期就充分驗證等。這些因素都增大了這種材料穩定生產的難度。