Cr/C为7.2的高铬铸铁的烧结制备和组织性能研究

论文摘要

本文对粉末冶金烧结Cr/C为7.2高铬铸铁的压制-烧结制备、热处理和耐磨性展开了系统的研究,为制备高性能高铬铸铁耐磨材料探索一种新的思路和技术。实验首先对气雾化高铬铸铁粉末的压制性能开展了评价。实验结果表明单纯高铬铸铁粉末压制性能差,必须通过添加成型剂来进行有效改善。比较研究了石蜡和硬脂酸锌两种成形剂对改善压坯质量的效果。结果表明,压制密度随压制压力升高而增加,当压制压力超过350MPa后不仅密度增加不明显,而且容易出现分层等缺陷。采用硬脂酸锌做成形剂时容易发生粘模现象,而石蜡更加有益于获得无缺陷高密度坯样。当石蜡添加量为3wt%,压制压力为350MPa时可以得到相对密度达到75%的优质坯样。为保证获得高密度制品在烧结实验采用超固相线液相真空烧结技术。借助高铬铸铁粉末DSC检测结果和相图分析,确定烧结温度范围为：1250-C～1270℃。实验结果表明,烧结样品的密度和硬度随烧结温度的提高呈抛物线变化关系,而晶粒度和碳化物尺寸则会长大明显。烧结温度不变时随保温时间增加,制品的密度会逐渐升高,但幅度不大,与此同时碳化物析出量逐渐增多且有长大现象。在粉末冶金烧结高铬铸铁中基体主要为马氏体,碳化物呈细小杆状均匀地分布在基体中；与铸造高铬铸铁中的碳化物相比,不仅尺寸显著减小而且分布均匀性明显改善。烧结温度对碳化物大小影响最大,保温时间次之。通过烧结实验获得最佳烧结工艺为1264℃120mmin,制品密度达7.65 g/cm3,硬度、抗弯强度和冲击韧性分别为66.4 HRC、1199 MPa和4.6 J/cm2。高铬铸铁耐磨性是碳化物和基体共同作用的结果,要获得高抗磨性的高铬铸铁,需要进行合适的热处理。高铬铸铁热处理工艺分为淬火、回火热处理和亚临界热处理。实验对比了不同热处理温度对显微组织以及力学性能的影响,并分析了不同热处理态的XRD图谱。烧结高铬铸铁的淬火实验工艺为：930℃-1120℃120min+空冷。研究结果显示,随着淬火温度的升高,不仅碳化物的析出量会逐渐增多,还会发生长大现象,而且烧结态时的尖锐棱角也会变得圆滑。此时,制品的冲击韧性和抗弯强度则先小幅度减小,然后再增加。淬火温度为990℃时能够获得冲击韧性和抗弯强度的最高值,分别为3.6 J/cm2和1075 MPa,硬度为63.3 HRC。当回火实验温度范围在350℃-650℃时,研究发现,随回火温度的升高,碳化物数量呈现先增加后减少的规律,二次碳化物析出现象明显。而冲击韧性和抗弯强度则呈现先降低后升高的相应改变。当回火温度为650℃时冲击韧性和抗弯强度出现峰值,分别为3.88 J/cm2和1169 MPa,硬度为59HRC。当亚临界热处理温度低于450℃时,碳化物数量和形貌无明显变化。当温度高于450℃时,随着温度的升高二次碳化物不仅析出量逐渐增多而且越来越呈现细小且均匀的分布,但是当温度达到650℃之后碳化物明显长大。冲击韧性和抗弯强度随亚临界热处理温度提高而有所降低,当亚临界处理工艺为350℃ 120min时可以获得最高的冲击韧性和抗弯强度,分别为4.1 J/cm2和1520 MPa,硬度为59.6HRC。XRD测试结果表明,烧结态高铬铸铁的基体组织大部分为马氏体,经过失稳热处理和亚临界热处理后残余奥氏体进一步减少。此外,淬火实验表明Cr/C为7.2的粉末冶金高铬铸铁可以进行水淬,没有像铸造高铬铸铁出现开裂、掉块等缺陷。以SiC为硬磨粒,在行星球磨机上进行了0～30h的耐磨实验结果表明,高铬铸铁的抗磨性显著优于TM52钢结硬质合金,而粉末冶金高铬铸铁与铸造高铬铸铁的抗磨性能基本相当。钢结硬质合金和粉末冶金高铬铸铁的磨损机理主要为疲劳剥层磨损,铸造高铬铸铁磨损机理为多次塑变、疲劳磨损和微观断裂的综合作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 耐磨材料
• 1.1.1 金属表面
• 1.1.2 金属的磨损
• 1.1.3 材料耐磨性的评定
• 1.2 高铬铸铁
• 1.2.1 高铬铸铁的发展
• 1.2.2 高铬铸铁的凝固行为和组织
• 1.2.3 高铬铸铁中的合金元素
• 1.2.4 高铬铸铁中的共晶碳化物
• 1.2.5 高铬铸铁中的固态相变
• 1.2.5.1 失稳处理中的固态相变
• 1.2.5.2 亚临界或回火处理中的固态相变
• 1.2.5.3 球化处理中的固态相变
• 1.3 粉末冶金技术
• 1.3.1 粉末冶金的基本工序
• 1.3.2 粉末冶金技术特点
• 1.3.3 粉末冶金技术生产高铬铸铁的特点
• 1.4 项目选题背景及研究内容
• 1.4.1 选题背景
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 实验原料、内容与设备
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验内容
• 2.3 基本分析方法
• 2.4 实验设备
• 第3章 粉末压制及烧结研究
• 3.1 原料与烧结工艺的选择
• 3.2 实验结果与分析
• 3.2.1 气雾化高铬铸铁粉末显微组织
• 3.2.2 压制压力对坯样密度的影响
• 3.2.3 烧结工艺对密度和硬度的影响
• 3.2.4 烧结工艺对粉末冶金高铬铸铁显微组织的影响
• 3.2.5 粉末冶金高铬铸铁中合金元素分布
• 3.2.6 粉末冶金高铬铸铁能谱分析
• 3.2.7 烧结温度对高铬铸铁力学性能的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 粉末冶金高铬铸铁热处理
• 4.1 热处理工艺选择
• 4.2 粉末冶金高铬铸铁失稳热处理
• 4.2.1 失稳热处理淬火温度对高铬铸铁显微组织的影响
• 4.2.2 失稳热处理淬火温度对高铬铸铁力学性能的影响
• 4.2.3 失稳热处理回火温度对高铬铸铁显微组织的影响
• 4.2.4 失稳热处理回火温度对高铬铸铁力学性能的影响
• 4.3 粉末冶金高铬铸铁亚临界热处理
• 4.3.1 亚临界热处理温度对高铬铸铁显微组织的影响
• 4.3.2 亚临界热处理温度对高铬铸铁性能的影响
• 4.4 粉末冶金高铬铸铁热处理过程中的相变
• 4.5 对比与讨论
• 4.5.1 粉末冶金和铸造态高铬铸铁显微组织的对比
• 4.5.2 粉末冶金和铸造态高铬铸铁力学性能对比
• 4.5.3 粉末冶金和铸造态高铬铸铁碳化物立体形貌的对比
• 4.6 粉末冶金烧结高铬铸铁模型
• 4.7 本章小结
• 第5章 耐磨性实验
• 5.1 实验结果与分析
• 5.2 磨损机制分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录