無錫國勁合金有限公司*銷售氣閥鋼、葉片鋼、高溫合金、耐蝕合金等汽車、核火電廠、化工造船等行業(yè)圓鋼、鍛件、合金管等產(chǎn)品。
4Cr14Ni14W2Mo圓鋼高溫、高速和磨損等環(huán)境對材料的性能要求很高,普通的金屬材料已經(jīng)難以滿足該環(huán)境下要求的性能,高性能的粉末冶金材料逐漸成為了研究熱點(diǎn)之一。為了研制高性能鐵基粉末冶金材料,本文在課題組前期研究基礎(chǔ)上,采用熱壓燒結(jié)技術(shù)對WC或Nb C增強(qiáng)的納米晶Fe-10Cr-1Cu-1Ni-1Mo-2C粉末進(jìn)行燒結(jié),并研究了燒結(jié)鐵基合金材料的微觀組織、增強(qiáng)相、力學(xué)性能以及耐磨性能。采用高能球磨技術(shù)預(yù)處理混合粉末,得到含增強(qiáng)相的納米晶復(fù)合粉末,并研究了球磨時間、增強(qiáng)相含量對球磨后粉末的影響。進(jìn)而利用制得的含WC的納米晶復(fù)合粉末在900℃~1100℃進(jìn)行熱壓燒結(jié),燒結(jié)得到的WC顆粒增強(qiáng)Fe–10Cr–1Cu–1Ni–1Mo–2C合金。燒結(jié)態(tài)合金組織主要由富Cr鐵素體、WC、Fe3C以及M7C3(M=Fe、Cr、Mo)組成,對比不同溫度燒結(jié)試樣的組織形貌,900℃燒結(jié)合金組織還存在明顯的孔隙,而1000℃和1050℃試樣的組織致密且均勻細(xì)小,1100℃燒結(jié)合金的組織出現(xiàn)晶粒長大現(xiàn)象。燒結(jié)合金的萃取物尺寸細(xì)小(<1μm),主要由M7C3、WC、Fe3C和Cr2O3這幾個物相組成,其中原位自生的M7C3尺寸大概在200~500 nm之間,均勻的分布在基體上并且與基體間有良好的界面結(jié)合環(huán)境。當(dāng)燒結(jié)溫度由900℃提高至950℃時,燒結(jié)樣孔隙率急劇降低,密度、硬度顯著提高;燒結(jié)溫度繼續(xù)升高,試樣的密度、硬度逐漸增加,但在1100℃燒結(jié)得到的合金密度、硬度出現(xiàn)下降現(xiàn)象。此外,隨著燒結(jié)溫度的升高,燒結(jié)態(tài)合金的抗壓強(qiáng)度不斷增大。在以上研究基礎(chǔ)上,采用熱壓燒結(jié)制備Nb C顆粒增強(qiáng)Fe–10Cr–1Cu–1Ni–1Mo–2C合金,同時對合金組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能進(jìn)行分析,并進(jìn)一步研究了燒結(jié)態(tài)顆粒增強(qiáng)高鉻鐵基粉末冶金材料的增強(qiáng)相種類、尺寸和分布。熱壓燒結(jié)態(tài)合金組織主要由富Cr鐵素體、Nb C、Fe3C以及M7C3組成。燒結(jié)合金的萃取物尺寸細(xì)小(<1μm),主要由M7C3、Nb C、Fe3C和Cr2O3這幾個物相組成。在基體內(nèi)的所有增強(qiáng)相中,自生M7C3相尺寸大,可以達(dá)到500 nm以上,并且其與鐵素體基體之間的界面很整潔。隨著燒結(jié)溫度的升高,燒結(jié)態(tài)試樣的密度逐漸提高,當(dāng)燒結(jié)溫度為1000℃以上時,已經(jīng)可以獲得基本全致密的試樣,其中1100℃燒結(jié)的試樣致密度高(理論密度的99.7%)。燒結(jié)態(tài)合金的抗壓強(qiáng)度隨著燒結(jié)溫度的升高而增大,燒結(jié)溫度在1000℃以上得到的樣品抗壓強(qiáng)度均高達(dá)2100 MPa以上。針對高性能鐵基合金的實(shí)際應(yīng)用條件,對制備的材料進(jìn)行高溫拉伸性能和摩擦磨損性能測試,研究了不同溫度、不同WC含量的試樣的高溫拉伸性能,以及燒結(jié)溫度、增強(qiáng)相含量對摩擦磨損性能的影響。經(jīng)過高能球磨和熱壓燒結(jié)得到的不含WC、含5wt.%WC和含8wt.%WC的燒結(jié)合金試樣在室溫下均具有較高的抗拉強(qiáng)度(≥1160MPa);隨著拉伸試驗(yàn)溫度的提高,各試樣的抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降的趨勢,從室溫到400℃區(qū)間內(nèi),各試樣抗拉強(qiáng)度下降的不明顯,在400~600℃間,試樣的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)直線下降;在600℃時,所有試樣仍可以保持很高的高溫強(qiáng)度值(≥780 MPa),試樣拉伸斷口具有準(zhǔn)解理斷裂的特征。在摩擦磨損試驗(yàn)中,摩擦系數(shù)隨著時間的變化均呈現(xiàn)很大的波動,試樣的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和粘著磨損;材料的耐磨性能隨著燒結(jié)溫度以及增強(qiáng)相含量的升高先增后減,其中含5wt.%WC的材料在1050℃燒結(jié)得到的合金具有的耐磨性能。
本文通過粉末合金化的方法對鐵基高溫合金的成分配比進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn),首先對工件樣品進(jìn)行成分分析和抗氧化性檢測,然后通過單因素實(shí)驗(yàn)分別考察了Al、Si、Cr和Ni等成分對鐵基高溫合金基體抗氧化性的影響,在此基礎(chǔ)上運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)探究各因素的綜合影響程度并終獲得12009下抗氧化性的合金粉末成分配比的參數(shù),即Al<4%,Cr在20%左右,含量Si不低于1.5%,Ni>8%,這也為今后改進(jìn)爐用鐵基高溫合金的抗氧化性能、降低制造成本和提高工件使用壽命提供了技術(shù)路線和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
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