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烧结高铬铸铁的制备及碳化物与性能的研究

李忠涛  
【摘要】:高铬铸铁由高硬度的碳化物和强韧耐磨的基体组成,是一种广泛应用于工业领域的金属耐磨材料。目前,高铬铸铁主要采用传统的铸造方法进行制备,难以有效调控碳化物的形貌,无法实现硬度和冲击韧性的良好匹配,在磨粒磨损工况下表现出耐磨性能的不足。采用粉末冶金工艺制备材料,烧结温度低于铸造方法中的熔炼温度,且能在较大范围内调节原材料与工艺,可为材料设计出理想的组织生长条件,目前已制备出具有独特组织结构和综合力学性能更佳的烧结高铬铸铁。因此,本文以水雾化粉末为原料,选用粉末冶金超固相线液相烧结(SLPS)工艺制备过共晶Cr15、亚共晶Cr15、亚共晶Cr20烧结高铬铸铁(SHCCI),以期为优化制备与选用综合性能优异、成本相对低廉的烧结高铬铸铁提供依据。首先,研究烧结温度对过共晶Cr15、亚共晶Cr15、亚共晶Cr20烧结高铬铸铁组织和性能的影响规律,并借助Image J软件对碳化物进行参数化定量分析。结果表明:过共晶Cr15、亚共晶Cr15、亚共晶Cr20高铬铸铁原料粉末的液-固两相温度区间分别为1160℃~1198℃、1191℃~1238℃、1222℃~1262℃。烧结高铬铸铁的物相主要为M_7C_3碳化物、马氏体和奥氏体。随着烧结温度的升高,碳化物尺寸逐渐增大,形态趋于圆润,并保持着较高的碳化物体积分数。烧结高铬铸铁的密度先快速增加后趋于稳定,过烧后出现密度略有下降的现象,其中过共晶Cr15、亚共晶Cr15、亚共晶Cr20烧结高铬铸铁的密度最高值分别为7.64g/cm~3、7.66g/cm~3、7.55g/cm~3。过共晶Cr15烧结高铬铸铁在烧结温度为1180℃时,力学性能为:硬度64.3HRC,冲击韧性3.04J/cm~2,抗弯强度1625MPa,延长烧结时间,力学性能没有明显的变化;亚共晶Cr15烧结高铬铸铁在烧结温度为1200℃时,力学性能为硬度63.9HRC,冲击韧性7.92J/cm~2,抗弯强度2113MPa;亚共晶Cr20烧结高铬铸铁在烧结温度为1250℃时,力学性能为硬度63.3HRC,冲击韧性7.05J/cm~2,抗弯强度1923MPa。通过电解腐蚀萃取烧结高铬铸铁的碳化物,对碳化物三维形貌进行观察分析。过共晶Cr15烧结高铬铸铁中萃取的碳化物出现了类似核壳分离的现象,优先形成的初生碳化物可能成为共晶碳化物的生长基底,形成具有核壳结构的碳化物;亚共晶Cr15烧结高铬铸铁中细小弥散分布的共晶碳化物三维形貌呈珊瑚状,侧面光滑但不十分平整;亚共晶Cr20烧结高铬铸铁中碳化物呈六方形长杆状,尺寸较为粗大,侧面整体上较平直规则,基本没有侧向分枝,不存在尖锐的棱角。最后,在不同冲击功条件下,对烧结高铬铸铁进行冲击磨粒磨损实验,研究磨粒磨损规律,分析磨损机制。烧结高铬铸铁在冲击磨粒磨损工况下的磨损量呈峰、谷波动变化趋势。过共晶Cr15烧结高铬铸铁的磨损机制主要为脆性碎裂和疲劳剥落磨损;亚共晶Cr15烧结高铬铸铁具有硬度和冲击韧性的良好匹配,在不同的冲击功条件下,磨损过程较为平稳,耐磨性能优良。在2J/cm~2、3J/cm~2冲击功条件下,亚共晶Cr15烧结高铬铸铁的冲击磨粒磨损性能分别比亚共晶Cr20烧结高铬铸铁提高了35.4%、11.2%,磨损机制主要为显微切削磨损。


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