余鵬 莫畏
近年來(lái)，隨著(zhù)制造工藝和技術(shù)的不斷發(fā)展，人們意識到氮在穩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(wú)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(zhù)3D打印技術(shù)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(lái)越明顯。
高氮不銹鋼為替代鎳而誕生
不銹鋼是人類(lèi)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(lèi)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(lǐng)域被廣泛應用于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境中；在生活領(lǐng)域被用來(lái)制成各種消費品的零部件或最終產(chǎn)品（如餐具），并能長(cháng)期保持銀亮的金屬光澤，受到消費者的喜愛(ài)。
在不銹鋼發(fā)展早期，含氮不銹鋼的研究并沒(méi)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(huì )導致不銹鋼變脆在當時(shí)具有爭議。直到1912年，才有文獻首次記載了氮對鋼力學(xué)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(lèi)似的影響。從20世紀30年代開(kāi)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(diǎn)。當時(shí)，除了已知的氮對不銹鋼結構和強度的影響外，還首次發(fā)現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(gè)因素促進(jìn)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(shí)現了氮作為合金元素的可能時(shí)，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(guò)調整氮和錳的含量來(lái)替代鎳，可以生產(chǎn)質(zhì)優(yōu)價(jià)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(wú)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(wú)磁性，在工業(yè)上有著(zhù)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(wèn)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(wú)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(guò)敏反應，限制了其在消費電子和生物醫療領(lǐng)域的應用。
為了解決這些問(wèn)題，氮被引入到奧氏體不銹鋼中來(lái)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(yōu)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(guò)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(wú)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(shí)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(diǎn)蝕和裂紋腐蝕的能力。
因此，高氮奧氏體不銹鋼近年來(lái)成為研究的熱點(diǎn)，在工業(yè)上的應用也越來(lái)越多。
用MIM技術(shù)制造高氮不銹鋼
早期開(kāi)發(fā)高氮奧氏體不銹鋼大多基于鑄造技術(shù)，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(shí)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(shí)現產(chǎn)品的近凈成形，減少后續加工，同時(shí)獲得比鑄造更加均勻的組織和性能。
MIM技術(shù)是在粉末冶金領(lǐng)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(shù)。在金屬注射成型過(guò)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(guò)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(guò)脫脂過(guò)程去除生坯中的粘結劑，再通過(guò)燒結得到致密化金屬產(chǎn)品。燒結后成品的密度可達到理論密度的96%~98%，力學(xué)性能接近鍛造材料。
MIM技術(shù)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，現在已經(jīng)可以使用MIM技術(shù)制造高氮無(wú)鎳不銹鋼產(chǎn)品。目前，工業(yè)中使用最多的應用MIM技術(shù)制造的高氮無(wú)鎳不銹鋼牌號為PANACEA，其化學(xué)成分（質(zhì)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(chǎn)品原始粉末的氮含量不超過(guò)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(wú)鎳奧氏體不銹鋼。雖然這款不銹鋼的性能優(yōu)異，但目前實(shí)現量產(chǎn)仍存在技術(shù)壁壘。比如，這種材料中的氮是在燒結的過(guò)程中滲入，其氮含量的控制涉及到對滲氮過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理解；氮在不銹鋼中的存在狀態(tài)與材料熱處理的過(guò)程相關(guān)；由于不同廠(chǎng)商使用的燒結爐不一樣，最優(yōu)化的燒結條件需要在生產(chǎn)前期就充分驗證等。這些因素都增大了這種材料穩定生產(chǎn)的難度。
使用MIM技術(shù)制造的高氮無(wú)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(yōu)異，而且沒(méi)有磁性，是制造電子產(chǎn)品結構件的優(yōu)良材料。華為公司從2017年底開(kāi)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(wàn)件，是注射成型高氮無(wú)鎳不銹鋼的經(jīng)典應用案例。隨著(zhù)華為公司的推廣，越來(lái)越多的手機結構件將選擇這款高氮無(wú)鎳奧氏體不銹鋼材料。相信在不遠的將來(lái)，應用MIM技術(shù)制造的高氮無(wú)鎳不銹鋼將迎來(lái)更多的發(fā)展機遇。
《中國冶金報》（2019年07月17日 03版三版）
