用粉末冶金工艺制备高性能高铬铸铁

高铬铸铁是一种优良的耐磨、抗磨材料，有广泛的应用，尤其在矿山、建材、电力球磨机中的应用取得了良好的经济效益。但是，目前高铬铸铁的生产制备基本上采用铸造方法，虽然有工艺性好、成本低廉和性能稳定的特点，但是显微组织粗大和调控碳化物生长与形态困难、稳定性不理想等问题依然十分突出。采用铸造方法生产高铬铸铁，要实现碳化物形态的有效控制和改善相当困难，经常在合金组织中形成粗大、边缘棱角锐利的碳化物，造成“孔洞效应”与“切割效应”，很难实现硬度与韧性的良好兼顾。
最近，湖南大学材料科学与工程学院提出了采用粉末冶金烧结技术制备高铬铸铁的思路，并且研究了相应的工艺条件，取得了良好效果，有望探索出一种有效控制高铬铸铁显微组织和碳化物生长的新技术，从而获得综合力学性能更佳的高铬铸铁耐磨材料。他们采用氮气雾化方法制取亚共晶高铬铸铁原料粉末，其碳当量为3.2%，Cr与C质量百分比为7.2；原料粉末基本呈球形，粒度分布范围较窄，d50为20.11μm。将原料粉末进行压制，为保证粉末具有良好的压制性能，使用石蜡作为成形剂，其添加量为3%，压制压力350MPa。然后在真空管式炉上进行压坯的烧结，真空度为5~50Pa。
他们研发的工艺最重要的关键点是采用超固相线液相烧结技术。在液固二相区中适当提高烧结温度可以增加液相的生成量，有利于液相烧结的充分进行，从而使得烧结样品的密度与硬度得以同步提高。实验表明，密度和硬度随烧结温度升高先增大后减小，当烧结温度为1262℃时，高铬铸铁的密度和硬度同时达到最大值，分别为7.65g/cm3和HRC66.4。但当烧结温度过高时会引起液相体积分数过量，不仅导致制品发生外部变形，而且液相烧结过程中的毛细管力不能充分发挥作用，导致致密度和硬度下降。实验还表明，合适的烧结温度范围很窄，约在正负3℃之内。由于在超固相线液相烧结中液相是在晶界和亚晶界部位生成，而碳化物也是在这些位置优先长大和粗化，能够有效阻碍基体晶粒的长大和相互合并因而烧结高铬铸铁具有比较细小的晶粒尺寸。与此同时，在研究的烧结温度范围内抗弯强度和冲击韧性也随烧结温度升高先增大后降低，当温度为1264℃时达到最大值，分别为1199MPa和4.6J/cm2。与成分相近的铸造态高铬铸铁相比，抗弯强度和冲击韧性得到有效提高。强度和冲击韧性属于对材料密度与显微组织敏感的力学性能指标。烧结态高铬铸铁由马氏体、奥氏体和M7C3型杆状碳化物组成，晶粒细小，碳化物为一次晶，分布均匀。这是所制备的高铬铸铁在拥有高硬度的同时具有高强度和良好的韧性的组织基础。
他们的工作表明，通过超固相线液相烧结技术可以获得相对密度达99%以上的高铬铸铁，其综合力学性能明显优于铸造态高铬铸铁。（钢研）