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粉末冶金高钒钢显微组织演变与性能研究

张霞  
【摘要】:本文采用氮气雾化粉末+超固相液相烧结(SLPS)工艺制备钒含量为9.5%的高钒钢,并与氮气雾化粉末+SLPS工艺制备的高铬铸铁进行对比。通过对高钒钢显微组织、密度、硬度、冲击韧性、抗弯强度和耐磨性比较分析,研究制备工艺对粉末冶金高钒钢组织和性能的影响。首先,实验对气雾化高钒钢粉末的形貌、大小,显微组织以及物相组成进行了研究。结果表明,气雾化高钒钢粉末颗粒为规则球形,粒度大小为-200目;显微组织有细小的球形碳化物弥散分布在基体中。其次,实验对气雾化高钒钢粉末的压制性能进行了研究。结果表明,气雾化高钒钢粉末的压制性能较差,需要加入成形剂来改善其成形性能。实验对比研究了丁苯橡胶和硬脂酸锌两种成形剂对其成形性能的影响。结果表明,丁苯橡胶的成形性能优于硬脂酸锌。坯样密度随着压制压力的升高而增加,当压制压力超过300MPa后,坯样密度增加不明显,当压制压力达到400MPa时,坯样出现了裂纹和分层等缺陷。合适的压制工艺为:丁苯橡胶加入量为1.1wt%,压制压力为300MPa,此工艺下压坯密度为5.65g/cm3。为了获得高密度高钒钢制品,实验采用SLPS真空烧结技术。DSC差热分析表明高钒钢烧结温度区间为1230-1300℃。实验结果表明,烧结样显微组织主要为针状M+残余γ+VC,碳化物主要呈球形,均匀地分布在晶界和晶粒内。保温时间一定时,随着烧结温度的升高,晶粒和碳化物逐渐长大,单位面积内碳化物数量逐渐减少,碳化物分布均匀性逐渐下降。当烧结温度一定时,随着保温时间的延长,显微组织演变呈现与上面相同的规律。通过烧结实验得到最佳的烧结工艺为1265℃×120min。在此工艺下,制品密度为7.59g/cm3,硬度为HRC 68.2,冲击韧性和抗弯强度分别为6.6J/cm2和1706MPa。实验分别研究了淬火温度和回火温度对高钒钢显微组织和力学性能的影响,并对比分析了不同热处理状态下的高钒钢物相组成。结果表明,淬火态高钒钢的物相组成为淬火M+残余γ+VC,回火态高钒钢的物相组成为回火M+残余γ+VC。在550℃左右出现回火脆性现象,所以高钒钢回火时应避免此温度区间。回火后性能最佳值如下:硬度HRC67.5,冲击韧性为7.0J/cm2,抗弯强度1967MPa。实验对比分析了粉末冶金高钒钢与高铬铸铁的显微组织与力学性能。结果发现,高钒钢与高铬铸铁显微组织基体都为M+残余γ,两者主要的区别为碳化物和晶粒尺寸的不同。高钒钢的晶粒尺寸大于高铬铸铁,碳化物主要为弥散分布的近球形VC,而高铬铸铁中的碳化物主要为杆状的(Fe,Cr)7C3;高钒钢的硬度、冲击韧性和抗弯强度高于高铬铸铁。最后,实验研究了烧结温度与高钒钢耐磨性能的关系,并对比研究了粉末冶金高钒钢与粉末冶金高铬铸铁耐磨性能。结果表明,随着随着冲击功的增加,粉末冶金烧结态高钒钢耐磨性逐渐下降;随着烧结温度的升高,粉末冶金高钒钢试样的耐磨性先增加后降低。通过对比分析粉末冶金高钒钢与粉末冶金高铬铸铁冲击磨粒磨损实验结果发现,粉末冶金高钒钢的耐磨性能优于粉末冶金高铬铸铁,在相同工况下,粉末冶金高钒钢的冲击磨粒磨损耐磨性能约为粉末冶金高铬铸铁的3倍;通过观察分析试样磨损的表面发现,粉末冶金高钒钢冲击磨粒磨损机制主要为疲劳磨损,而粉末冶金高铬铸铁的磨损机制为切削磨损和疲劳磨损的交互作用。


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