高综合性能粉末冶金高铬铸铁和其力学与耐磨性能及机理的基础研究

Taking advantage of both rapid chilling microstructure of atomized powders and nice controllability of supersolidus liquid phase sintering over microstructure evolution, fabrication of sintered high chromium cast iron with unique microstructure and its properties will be systematically investigated in this project. Densification, microstructure evolution and phase constitution of high chromium cast iron with different compositions during supersolidus liquid phase sintering will be firstly evaluated in order to optimize fabrication process and obtain the knowledge how to control microstructure growth. Then, mechanical properties of the PM alloys will be minutely tested to understand the underlying relationship among their composition-microstructure-property. With that, the effect of heat treatment on element distribution, phase constitution, phase morphology and properties will be inquired thoroughly to optimize the process and understand the inherent law. Both wear resistance properties and wear-resistant mechanism of the alloys will be finally detected and explored so as to construct principles of selection for future users..The research results of this project will not only establish a complete set of fabrication techniques of PM high chromium cast iron, but also enrich knowledge and theory on the alloy and drastically expand selection range of its properties.So that, high chromium cast iron will be an outstanding wear-resistant alloy with high performance for harsh application.

利用雾化粉末的快速凝固组织和超固相线液相烧结对显微组织生长可控性好的技术优势，实现具有新型微观组织结构高铬铸铁的研制。首先按照合金成分系列系统地研究高铬铸铁在超固相线液相烧结过程中的致密化行为、显微组织演变和相组成，掌握全致密化烧结和显微组织生长优化控制技术和理论，在全面评价合金力学性能的基础上建立成分-组织-性能关系和数学模型。然后全面研究热处理对合金成分分布、相构成、碳化物形态和力学性能的影响作用与机理，揭示内在规律并优化热处理工艺，形成指导理论。最后对新型高铬铸铁的耐磨性能及磨损机制进行综合评价和探究，揭示其中的变化规律与特点，确定选用原则。.通过本项目的研究将获得高性能粉末冶金高铬铸铁的成套制备技术，形成烧结致密化、显微组织形态控制、热处理和选材方面的指导理论与原则，不仅可丰富相关知识体系，而且使得高铬铸铁的性能范围大幅扩展，成为一种竞争力突出、经济且具有高性能的优异耐磨材料。

系统研究了15%Cr、20%Cr和25%Cr三个系列高铬铸铁的烧结制备成套技术。揭示了烧结高铬铸铁成分-烧结致密化-显微组织-热处理-力学/耐磨性能的内在关系，以及其中的超固相线液相烧结(SLPS)致密化规律、显微组织演变和冲击磨粒磨损机制。研究结果表明，SLPS能够使烧结高铬铸铁实现全致密化(相对密度≥98.5%)，其中烧结温度是决定致密化效果的最重要因素。为解决使用SLPS技术经常面临的烧结温度窗口太窄的问题，项目课题组发明了变温超固相线液相烧结技术，能够同时实现全致密化、显微组织调控和碳化物的充分析出，使得烧结高铬铸铁强韧性均得到提高。烧结态高铬铸铁主要由M7C3型铬的碳化物和马氏体构成，并含有少量残余奥氏体，合金硬度可以达到58~61HRC。后续空气/水冷淬火可以进一步提高合金的马氏体含量，能够使硬度提高2~3HRC；低温失稳热处理使得二次碳化物充分析出，合金的硬度可再提高0.5~1.5HRC。烧结高铬铸铁具有高强韧性源于其内部的碳化物呈三维镂空杆状生长，显著降低了在承载过程中的应力集中。这一显微结构特点也使得热处理在改善烧结高铬铸铁强韧性的作用明显降低。烧结高铬铸铁的高强韧性和高硬度理想组合，使得其具有媲美钢结硬质合金TM52的抗冲击磨粒磨损性能。其中的原因是良好的性能组合使得其在冲击磨粒磨损过程中微裂纹的萌生、扩展和交集概率和速度下降，延长了磨损面发生破碎与脱落的周期，减少了磨损量的波动幅度。主要磨损机制为显微切削和脆性破碎，当合金韧性高且冲击功小于2J/cm2时前一种机制发挥主要作用，否则疲劳破坏和脆性断裂是主要磨损机制。.在研制的高铬铸铁中最佳的力学性能组合为：硬度≥62HRC，冲击韧性≥20J/cm2(采用10×10×55mm无缺口试样)和抗弯强度≥2500MPa，是优秀的工模具和耐磨材料。烧结高铬铸铁与碳素钢之间具有良好的焊接性能，接头抗拉强度可超过500MPa。此外，烧结高铬铸铁是微纳TiC颗粒增强复合材料的良好基体材料，二者可以实现全致密复合烧结。