余鵬 莫畏
近年來，隨著制造工藝和技術的不斷發(fā)展，人們意識到氮在穩(wěn)定鋼中奧氏體方面存在巨大優(yōu)勢，并可以保留奧氏體所具有的無磁性等優(yōu)良特性。對于不銹鋼產(chǎn)品而言，亦如此。并且，隨著3D打印技術的不斷發(fā)展、應用，金屬注射成型（Metal injection molding,MIM）高氮不銹鋼在電子工業(yè)中的應用優(yōu)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(fā)展史上最偉大的發(fā)明之一，如今已經(jīng)滲透到人類生產(chǎn)與生活的方方面面。由于具有優(yōu)秀的耐腐蝕性，不銹鋼在工業(yè)領域被廣泛應用于各種惡劣的工業(yè)環(huán)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(chǎn)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(fā)展早期，含氮不銹鋼的研究并沒有引起重視。一是受生產(chǎn)工藝限制，將氣態(tài)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(wěn)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(xù)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(zhàn)期間，由于鎳資源的短缺，促使以氮代鎳穩(wěn)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(jié)構(gòu)和強度的影響外，還首次發(fā)現(xiàn)了氮對不銹鋼耐腐蝕性的有利影響。
在高氮鋼的發(fā)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(chǎn)高強度的奧氏體不銹鋼。當AOD爐法（氬氧脫碳法）實現(xiàn)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(diào)整氮和錳的含量來替代鎳，可以生產(chǎn)質(zhì)優(yōu)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(yè)上有著廣泛的應用。傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼中含有大量鎳。鎳的存在雖然穩(wěn)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(yī)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(tǒng)奧氏體不銹鋼相比較，高氮不銹鋼具有相對優(yōu)勢。例如，氮對奧氏體的穩(wěn)定性遠高于鎳，少量的氮即可有效地穩(wěn)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(yè)上的應用也越來越多。
用MIM技術制造高氮不銹鋼
早期開發(fā)高氮奧氏體不銹鋼大多基于鑄造技術，在金屬熔融狀態(tài)下加入氮元素。由于氮在液態(tài)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(yè)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(tài)鐵中的溶解度，所以不銹鋼粉末在固態(tài)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(jīng)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(xiàn)產(chǎn)品的近凈成形，減少后續(xù)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(chǎn)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(jié)劑，然后在適當?shù)墓に嚄l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(tài)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(jié)劑，再通過燒結(jié)得到致密化金屬產(chǎn)品。燒結(jié)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(yōu)勢在于能以極低的成本大批量生產(chǎn)形狀復雜的精密金屬零件，現(xiàn)在已經(jīng)可以使用MIM技術制造高氮無鎳不銹鋼產(chǎn)品。目前，工業(yè)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(zhì)量分數(shù)）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(chǎn)品原始粉末的氮含量不超過0.3%，依靠燒結(jié)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(yōu)異，但目前實現(xiàn)量產(chǎn)仍存在技術壁壘。比如，這種材料中的氮是在燒結(jié)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(tài)與材料熱處理的過程相關；由于不同廠商使用的燒結(jié)爐不一樣，最優(yōu)化的燒結(jié)條件需要在生產(chǎn)前期就充分驗證等。這些因素都增大了這種材料穩(wěn)定生產(chǎn)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(tǒng)奧氏體不銹鋼，抗腐蝕能力優(yōu)異，而且沒有磁性，是制造電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的優(yōu)良材料。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(jīng)兩代手機產(chǎn)品。目前，已有四款攝像頭支架被大批量生產(chǎn)，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(jīng)典應用案例。隨著華為公司的推廣，越來越多的手機結(jié)構(gòu)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(fā)展機遇。
《中國冶金報》（2019年07月17日 03版三版）
