用于大批量出产的MIM F75（Co-Cr-Mo）：烧结前提对微观结构和机能的影响

 

颁布日期：[2024/3/19]
 

20世纪20年代出现了电子器件行业第世纪，是当今全球最大的行业之一。社会使用大量内置在自动化或半自动化工厂中的电子设备。这些设备此刻无处不在，数十亿人在日常生涯中使用它们。

智能手机、智能腕表、平板电脑和笔记本电脑等通讯和推算设备都是由复杂的组件组合组成的，其中很多使用针对电子产品出产优化的资料。这些资料是当今电子、信息和通讯技术时期的基础，也是全球经济增长的沉要贡献者。

基于先进金属资料的电磁元件是现代3C行业（推算机、通讯和消费电子产品）中最沉要的发展之一。这些资料结合了杰出的机械强度和相当高的耐侵蚀性、耐磨性和特定的磁性（铁磁性或顺磁性，取决于产品设计和职能）。它们蕴含不锈钢、钴合金和其他尖端合金。

创建上述设备的组件必要大量的技术和精密工程，并且有很多阻碍必要克服。沉要的是，产品设计师可能急剧有效地找到和选择相宜的资料，以跟上快节拍的发展。

钴合金的吸引力

钴基合金持久以来一向被开发用于植入式医疗设备，最近已利用于3C电子行业。它们拥有耐磨、耐侵蚀和耐热的个性。钴基合金最有效的用处是耐磨部件。

钴更宽泛地用作镍基高温合金耐扰爪用的合金元素，钴吨位高于钴基耐热合金中使用迪胲吨位。此表，钴基合金对各类大局的高温侵蚀侵蚀（蕴含氧化、硫化和渗碳反映）阐发出优异的抵抗力。

Elwood Haynes 首先钻研了很多源自 Co-Cr-W 和 Co-Cr-Mo 三元的贸易钴基合金，他于 1907 年发现了铬赋予钴的强化成效和耐侵蚀性。后来，他发现钨和钼是钴铬系统中壮大的强化剂。Co-Cr-Mo合金是先进迪胲基合金之一，宽泛利用于飞机发起机、医疗全髋关节置换术、牙科器械、心脏瓣膜支持结构等。Co-Cr-Mo合金以其壮大的机械机能、耐磨性、耐侵蚀性和可接受的生物相容性而闻名。然而，它们的重要属性是在氯化物环境中的耐侵蚀性。

除了前面提到的Co-Cr-Mo合金的利用表，最近还极度关注它们在3C电信行业的利用。例如，智能手机摄像头支架组件是这些合金的一个很有前途的利用，由于它们结合了强度、耐侵蚀性、耐磨机能和非磁性。

钴基合金被引入此刻所谓的高温合金领域，重要是由于名为“Vitallium”的 Co-Cr-Mo 合金合用于通过精密失蜡铸造再现复杂状态 [1]。钴基合金的很多个性源于钴元素的晶体学性质。这些性质蕴含：铬、钨和钼迪胲和固溶强化作用;金属碳化物的形成;以及铬赋予的耐侵蚀性。钴基合金通过固溶硬化和碳化物沉淀硬化，增长碳、铬和钼进行强化。

铬和钼通过削减磨料磨损和降低堆叠故障能量来加强合金的耐侵蚀性并改善其机械机能。Co-Cr-Mo合金是一种先进迪胲基合金，宽泛利用于核电站、航空发起机叶片和生物医学表科植入物。在后一种情况下，它们用于造作人造金属对金属的髋关节和膝关节。这些 Co-Cr-Mo 合金以其壮大的机械机能、抗委顿性、低蠕变、高耐磨性/耐侵蚀性和生物相容性而闻名，但它们的重要属性是在氯化物环境中的耐侵蚀性。这种个性与它们的主体组成（重要是高铬含量）和；け肀硌趸愕男纬桑迳鲜荂r2O3).

钴基合金植入物能够使用铸造或铸造技术进行通例造作。铸造钴合金是通过在高压下在高温下铸造资料造成的。此表，目前在索求通过金属注射成型（MIM）从金属粉末中形成近净状态零件的新步骤。MIM组件的新利用正趋向于更幼、更复杂的微创手术设备，出格是用于抓取组织、切割和缝合的腹腔镜器械。这种装置的设计拥有更大的移动自由度，这增长了装配中使用的金属部件的数量。

MIM为经济高效地出产此类组件提供了设计自由度。该工艺的一个新索求领域是微型组件的出产，随着微创手术的零件持续缩幼，这应该有助于满足未来的医疗尺度。

ASTM F75 Co-Cr-Mo 合金随后被批改为可铸造，这一进取导致了 ASTM 表科植入物 Co-28Cr-6Mo 合金锻件规范 （F799） 的造订。该合金可用于磨机产品，例如棒料，用于直接加工设备（例如髋关节假体的股骨头）或其铸造（例如胶合髋柄）。在1994年之前，棒料和锻件都蕴含在ASTM F799中。该规范在 1994-95 年分为锻件的 F799 和棒料的 F1537。

为了提高铸造Co-Cr-Mo合金的力学和摩擦学机能，已经做出了很多致力。Co-Cr-Mo合金有几种分歧的前提，重要由其肇始成分（例如，低碳含量或高碳含量）[2]、造作前提（例如，铸造或铸造）[3]、后续热处置（固溶热处置、热等静压或烧结）[4,5]以及通过物理和化学气相沉积的工程表表[6]。

在MIM出产的F75中，这种合金的烧结行为对于获得高机能产品至关沉要。MIM工艺中必要高烧结温度能力获得高烧结密度（理论值的95%以上）和均匀的微观结构。影响这种合金烧结个性的一些变量是肇始粒径、化学性质、孔隙率和烧结空气。[7-13].

在相对宽泛的ASTM F75化学规范中，沉要的是要把稳，碳含量的微幼变动会导致显着分歧的烧结响应以及对密度和机械机能的伴随影响。碳化物通过在凝固过程中从周围区域吸收铬和钼来提供强度和耐磨性。用于手机摄像头支架组件的Co-Cr-Mo F75合金是3C电子产品中成功的贸易MIM利用之一。这种合金有望利用于其他MIM电子设备。

粉末冶金工艺越来越多地用于造作用于多多工业和消费利用的机械部件[14-18]。当与聚合物粘合剂资料适当复应时，这些无机粉末能够以与热塑性塑料一样的方式成型。通过该工艺获得的产品能够预防传统压榨/烧结工艺特有的密度梯度。MIM最常用于大批量造作尺寸幼、状态复杂、公差严格的零件。挤出或单一压缩成型可用于状态单一的零件。MIM的出产带来了塑料注射成型的成型优势，但将利用扩大到很多高机能金属，合金和技术陶瓷。

对几何设计自由度、复杂性、高强度、大批量出产能力、精密表表光洁度、精确公差和矫捷资料选择的刻薄尺度使MIM在3C电子领域蓬勃发展。电子行业是金属注射成型零件的重要用户，占全球销售强劲且不休增长的份额，尤其是在亚洲。拥有复杂几何状态的衔接器此刻是重要的MIM产品。电子设备的幼型化必要更幼的组件，以更低的成本实现更好的机能。MIM在此类利用中拥有竞争优势。

尝试法式

MIM Co-Cr-Mo合金是通过UNEEC的POM基础原料造备的，并使用UNEEC大规模出产规模的陆续炉在各类空气组合下造备。大气组合的变动导致了力学机能和微观结构的差距。烧结后既没有进行热等静压（HIP）也没有进行热处置。

图3 三菱造铁造作AKT F-75粉末：（a）SEM描摹图;（b） EDS元素映射

本钻研中使用的预合金化 Co-Cr-Mo 粉末由三菱造铁造作公司使用其专有的水雾化技术造作。粉末描摹的SEM和重要元素映射分析如图3所示；С煞趾头勰┝６壬⒉甲芙嵩诒1中。

表1 三菱造铁造作AKT F-75粉末化学成分（沉量%）、粒度散布和密度

使用 UNEEC 专有的多组分聚甲醛基 （POM） 粘合剂系统通过 Z-Blade 混合器混合原料。

使用Nissei NEX 50T机械通过注塑成型造备拉伸棒试样，注射参数总结在表2中。而后，通过Winteam HT-220LTZL炉在发烟硝酸中对模造的生坯部件进行脱脂过程。在Cremer Thermoprozessanlagen GmbH步进式梁式陆续炉中进行了各类烧结参数试验。

表2 POM基F75拉伸棒材生坯的注射参数

使用光学显微镜（HM-3006，台湾佳宇仪器有限公司）进行状态学查抄。X射线衍射（XRD）（D2，Bruker，Karlsruhe，Germany）用于晶体结构鉴定。通过EPMA（JXA-8200SX，JEOL，日本）和EDS（X-MAX 50，牛津仪器，英国）评估元素散布。此表，通过带有电子背散射衍射（EBSD）探测器（NordlysNano，Oxford Instruments，UK）的Fesem（JSM-7800F Prime，JEOL，Japan）进行了更高分辨率的显微图像和相位钻研。

了局与会商

首先，凭据氢氩比为22：6 m，在混合空气中进行烧结过程3/h 流速 at 1315°C. 4 种烧结拉伸棒的机械机能如图 4 所示。该了局不切合 ASTM F75 尺度 （UTS ≥ 655 MPa;YS ≥ 455 MPa;伸长率≥ 8%），由于 UTS 和 YS 机能较差。

富氩气空气的了局（6：22 m 时氢气与氩气的流速比3/h at 1315°C）显示出类似的机械机能差的趋向，如图5所示。

图5 基于氢氩比的烧结Co-Cr-Mo合金在6：22 m处的力学机能3/h 1315°C时的流速。 ASTM F75尺度（UTS≥655 MPa;YS ≥ 455 MPa;伸长率≥8%）

本钻研的重要主张是评估低碳级钴合金原料是否能够通过仅调整烧结参数/空气（即不进行任何后处置）来达到ASTM F75尺度。实现这一指标将展示一条拥有成本效益的工业大规模出产路线。

传统上，MIM烧结压块的机械强度能够通过适当的后处置进一步提高，例如HIP或固溶退火热处置。氮（N）溶液强化是实现上述指标的最有前途的步骤之一。多所周知，在不锈钢中增长氮能够不变γ相，而高氮增长量能够大大提高奥氏体不锈钢的拉伸强度和委顿强度[38-39]。此表，Co-Cr-Mo合金中的氮增长有望加强γ相的不变性。Fe-Cr和Co-Cr合金系统在高温下均拥有催化裂化结构，晶格参数类似，约为0.357至0.360 nm[40]。文件中提到，在Co-Cr-Mo合金中增长N是扭转合金微观结构个性和提高合金力学机能的潜在强化元素[40-42]。

图6 14：14 m时基于氢氮比的烧结Co-Cr-Mo合金力学机能3/h 1315°C时的流速。 ASTM F75尺度（UTS≥655 MPa;YS≥ 455 MPa;伸长率≥8%） 图7 14：14 m时基于氢氮比的烧结Co-Cr-Mo合金玄色表表3/h 1315°C时的流量

首先进行光学显微镜分析以进一步钻研这一景象，图8显示了表表积与中心主题区域的比力求像。

图8 （a） 14：14 m处基于氢气造氮的烧结Co-Cr-Mo合金表表和中心主题区域的OM图像3/h 流速 at 1315°C.

表表和中心主题区域的显微硬度值别离为 556 HV 和 416 HV。这些丈量了局还讲了然表表和中心主题区域的微观结构存在差距，并且与图8所示的状态一致。

如图9-14所示，很显著，烧结坤块的主基体是基于FCC晶体的，而一些Cr2上表区域左近存在N降水，这与文件报路的景象一致[43-44]。图 14 显示了在 14：14 m 处以氢氮比烧结的合金的 X 射线衍射图3/h 流速 at 1315°C. 了局批注，FCC结构是Cr含量较少的重要相2N相在烧结坯块中。

图9 烧结Co-Cr-Mo合金的表表积分析，基于14：14 m处的氢氮比31315°C时/h流速：（a）二次电子像（SEI），（b）EBSD钴（FCC）晶体结构相位映射和（c）EBSD Cr2N 相映射 图10 烧结Co-Cr-Mo合金的表表积分析，基于14：14 m处的氢氮比31315°C时/h流速：（a）二次电子图（SEI），（b）Co的EDS元素图，（c）Cr的EDS元素图，（d）Mo的EDS元素图和（e）N的EDS元素图图 图11 14：14 m处基于氢氮比的烧结Co-Cr-Mo合金表表积EPMA定位分析3/h 流速 at 1315°C. 图12 烧结Co-Cr-Mo合金的主题区域分析，基于氢氮比，在14：14 m31315°C时/h流速：（a）二次电子像（SEI）和（b）EBSD相位图比力 图13 烧结Co-Cr-Mo合金的主题区域分析，基于14：14 m处的氢氮比31315°C时/h流速：（a）SEM图像，（b）EDS钴元素图，（c）EDS铬元素图，（d）EDS钼元素图和（e）EDS N元素图图

早年几节的会商来看，将烧结空气中的氮分数进一步降低到氢氮比为22：6 m的流速是合理的3/幼时为 1315°C。 对机械机能的影响如图15所示。即便在这种相对较低的氮馏分烧结前提下，UTS、YS和伸长率机能依然切合F75尺度。烧结合金的色彩为浅灰色。

图15 基于氢氮比的烧结Co-Cr-Mo合金在22：6 m时的力学机能3/h 1315°C时的流速。 ASTM F75尺度（UTS≥655 MPa;YS ≥ 455 MPa;伸长率≥8%）

这种色彩转变的趋向意味着炉内空气中的氮含量起着沉要作用。预防 Cr 是合理的2在烧结坣块中形成氮，氮含量更低。因而，氢氮比为25：3 m3选择1315°C时/h，了局如图16所示。烧结密度高于 7.8 g/cm3，所有机械机能均切合ASTM F75尺度。

图16 基于氢氮比的烧结Co-Cr-Mo合金在25：3 m时的力学机能3/h 1315°C时的流速。 ASTM F75尺度（UTS≥655 MPa;YS ≥ 455 MPa;伸长率≥8%）

如图17（a）所示，烧结试样的深色是由于Cr2N阵型。对于图17（b）所示的22：6大气比，这种趋向不太显著，由于烧结过程中的降水相对较少。图17（c）所示的25：3大气比阐发出传统Co-Cr-Mo金属性质的色彩。其相应的EPMA分析如图18所示，该分析显示Cr的缺失2据估计，由于大气中的氮比力低，因而在地表区域左近存在氮。

图17 Co-Cr-Mo合金在1315°C下分歧氢氮比下烧结状态的表观： （a） 14：14 m时的氢氮比3/h 流速，（b） 22：6 m 时的氢氮比3/h 流速和 （c） 25：3 m 时的氢氮比3/h 流量

图18 烧结Co-Cr-Mo合金的表表积EMPA映射分析，基于25：3 m处的氢氮比3/h 流速 at 1315°C.

结论

MIM是一种很有前途的高精度出产3C电子和医疗零件的步骤。本钻研的尝试了局批注，Co-Cr-Mo F75合金能够使用POM基催化脱脂原料通过MIM造备，并且能够在大型陆续炉中烧结，而无需后处置工艺。烧结空气显著影响Co-Cr-Mo F75合金的力学机能。本钻研索求并会商了烧结空气的各类组合。与在非氮大气前提下烧结的合金相比，在含氮空气中烧结加强了合金的机械机能。在氢气和氩气混合空气中烧结导致机械机能差。优化的烧结前提基于氢氮比为25：3的混合空气，流速为25：3，并在1315°C下进行。 这种效应归因于氮化，氮化赔偿了低碳水平和强度的增长，而 Cr2氮降水问题是相对氮分数的函数。显微结构显示了典型的F75 FCC晶体。为了获得最佳前提，所有机械机能均切合国际尺度ASTM F75。该钻研的拟议指标已经实现。由于原料化学、固体负荷、工装模具几何状态和尺寸差距，本钻研中的陆续炉烧结参数可能并不齐全合用于所有MIM情况，但这些了局仍可作为MIM行业的论证和参考。