用粉末冶金工藝制備高性能高鉻鑄鐵

高鉻鑄鐵是一種優(yōu)良的耐磨、抗磨材料，有廣泛的應(yīng)用，尤其在礦山、建材、電力球磨機(jī)中的應(yīng)用取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但是，目前高鉻鑄鐵的生產(chǎn)制備基本上采用鑄造方法，雖然有工藝性好、成本低廉和性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，但是顯微組織粗大和調(diào)控碳化物生長與形態(tài)困難、穩(wěn)定性不理想等問題依然十分突出。采用鑄造方法生產(chǎn)高鉻鑄鐵，要實(shí)現(xiàn)碳化物形態(tài)的有效控制和改善相當(dāng)困難，經(jīng)常在合金組織中形成粗大、邊緣棱角銳利的碳化物，造成“孔洞效應(yīng)”與“切割效應(yīng)”，很難實(shí)現(xiàn)硬度與韌性的良好兼顧。

最近，湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院提出了采用粉末冶金燒結(jié)技術(shù)制備高鉻鑄鐵的思路，并且研究了相應(yīng)的工藝條件，取得了良好效果，有望探索出一種有效控制高鉻鑄鐵顯微組織和碳化物生長的新技術(shù)，從而獲得綜合力學(xué)性能更佳的高鉻鑄鐵耐磨材料。他們采用氮?dú)忪F化方法制取亞共晶高鉻鑄鐵原料粉末，其碳當(dāng)量為3.2%，Cr與C質(zhì)量百分比為7.2；原料粉末基本呈球形，粒度分布范圍較窄，d50為20.11μm。將原料粉末進(jìn)行壓制，為保證粉末具有良好的壓制性能，使用石蠟作為成形劑，其添加量為3%，壓制壓力350MPa。然后在真空管式爐上進(jìn)行壓坯的燒結(jié)，真空度為5~50Pa。

他們研發(fā)的工藝最重要的關(guān)鍵點(diǎn)是采用超固相線液相燒結(jié)技術(shù)。在液固二相區(qū)中適當(dāng)提高燒結(jié)溫度可以增加液相的生成量，有利于液相燒結(jié)的充分進(jìn)行，從而使得燒結(jié)樣品的密度與硬度得以同步提高。實(shí)驗(yàn)表明，密度和硬度隨燒結(jié)溫度升高先增大后減小，當(dāng)燒結(jié)溫度為1262℃時(shí)，高鉻鑄鐵的密度和硬度同時(shí)達(dá)到最大值，分別為7.65g/cm3和HRC66.4。但當(dāng)燒結(jié)溫度過高時(shí)會(huì)引起液相體積分?jǐn)?shù)過量，不僅導(dǎo)致制品發(fā)生外部變形，而且液相燒結(jié)過程中的毛細(xì)管力不能充分發(fā)揮作用，導(dǎo)致致密度和硬度下降。實(shí)驗(yàn)還表明，合適的燒結(jié)溫度范圍很窄，約在正負(fù)3℃之內(nèi)。由于在超固相線液相燒結(jié)中液相是在晶界和亞晶界部位生成，而碳化物也是在這些位置優(yōu)先長大和粗化，能夠有效阻礙基體晶粒的長大和相互合并因而燒結(jié)高鉻鑄鐵具有比較細(xì)小的晶粒尺寸。與此同時(shí)，在研究的燒結(jié)溫度范圍內(nèi)抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性也隨燒結(jié)溫度升高先增大后降低，當(dāng)溫度為1264℃時(shí)達(dá)到最大值，分別為1199MPa和4.6J/cm2。與成分相近的鑄造態(tài)高鉻鑄鐵相比，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性得到有效提高。強(qiáng)度和沖擊韌性屬于對(duì)材料密度與顯微組織敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。燒結(jié)態(tài)高鉻鑄鐵由馬氏體、奧氏體和M7C3型桿狀碳化物組成，晶粒細(xì)小，碳化物為一次晶，分布均勻。這是所制備的高鉻鑄鐵在擁有高硬度的同時(shí)具有高強(qiáng)度和良好的韌性的組織基礎(chǔ)。