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、化工造船等行業圓鋼、鍛件、合金管等產品。
4Cr14Ni14W2Mo圓鋼高溫、高速和磨損等環境對材料的性能要求很高,普通的金屬材料已經難以滿足該環境下要求的性能,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上,采用熱壓燒結技術對WC或Nb C增強的納米晶Fe-10Cr-1Cu-1Ni-1Mo-2C粉末進行燒結,并研究了燒結鐵基合金材料的微觀組織、增強相、力學性能以及耐磨性能。采用高能球磨技術預處理混合粉末,得到含增強相的納米晶復合粉末,并研究了球磨時間、增強相含量對球磨后粉末的影響。進而利用制得的含WC的納米晶復合粉末在900℃~1100℃進行熱壓燒結,燒結得到的WC顆粒增強Fe–10Cr–1Cu–1Ni–1Mo–2C合金。燒結態合金組織主要由富Cr鐵素體、WC、Fe3C以及M7C3(M=Fe、Cr、Mo)組成,對比不同溫度燒結試樣的組織形貌,900℃燒結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小,1100℃燒結合金的組織出現晶粒長大現象。燒結合金的萃取物尺寸細小(<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合環境。當燒結溫度由900℃提高至950℃時,燒結樣孔隙率急劇降低,密度、硬度顯著提高;燒結溫度繼續升高,試樣的密度、硬度逐漸增加,但在1100℃燒結得到的合金密度、硬度出現下降現象。此外,隨著燒結溫度的升高,燒結態合金的抗壓強度不斷增大。在以上研究基礎上,采用熱壓燒結制備Nb C顆粒增強Fe–10Cr–1Cu–1Ni–1Mo–2C合金,同時對合金組織結構以及力學性能進行分析,并進一步研究了燒結態顆粒增強高鉻鐵基粉末冶金材料的增強相種類、尺寸和分布。熱壓燒結態合金組織主要由富Cr鐵素體、Nb C、Fe3C以及M7C3組成。燒結合金的萃取物尺寸細小(<1μm),主要由M7C3、Nb C、Fe3C和Cr2O3這幾個物相組成。在基體內的所有增強相中,自生M7C3相尺寸大,可以達到500 nm以上,并且其與鐵素體基體之間的界面很整潔。隨著燒結溫度的升高,燒結態試樣的密度逐漸提高,當燒結溫度為1000℃以上時,已經可以獲得基本全致密的試樣,其中1100℃燒結的試樣致密度高(理論密度的99.7%)。燒結態合金的抗壓強度隨著燒結溫度的升高而增大,燒結溫度在1000℃以上得到的樣品抗壓強度均高達2100 MPa以上。針對高性能鐵基合金的實際應用條件,對制備的材料進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,以及燒結溫度、增強相含量對摩擦磨損性能的影響。經過高能球磨和熱壓燒結得到的不含WC、含5wt.%WC和含8wt.%WC的燒結合金試樣在室溫下均具有較高的抗拉強度(≥1160MPa);隨著拉伸試驗溫度的提高,各試樣的抗拉強度均呈現下降的趨勢,從室溫到400℃區間內,各試樣抗拉強度下降的不明顯,在400~600℃間,試樣的抗拉強度呈現直線下降;在600℃時,所有試樣仍可以保持很高的高溫強度值(≥780 MPa),試樣拉伸斷口具有準解理斷裂的特征。在摩擦磨損試驗中,摩擦系數隨著時間的變化均呈現很大的波動,試樣的磨損機制主要為磨粒磨損和粘著磨損;材料的耐磨性能隨著燒結溫度以及增強相含量的升高先增后減,其中含5wt.%WC的材料在1050℃燒結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行優化試驗,首先對工件樣品進行成分分析和抗氧化性檢測,然后通過單因素實驗分別考察了Al、Si、Cr和Ni等成分對鐵基高溫合金基體抗氧化性的影響,在此基礎上運用正交實驗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,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路線和實驗依據。
