陶瓷辊棒颗粒增强高铬铸铁铸渗层的组织和耐磨性

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　　铸渗工艺能够在材料表面形成一层具有较高耐磨性的合金层，从而满足导卫板、衬板等工件局部具有足够耐磨性的工况要求，是一种非常经济实用的方法。将陶瓷辊棒颗粒以特定方式加入到铸渗层中，能够进一步提高表面合金层的耐磨性，是改良铸件铸渗层耐磨性的一个重要尝试。同时陶瓷辊棒颗粒增强钢铁基材料的研究在国内尚属起步阶段，在铸渗工艺中的应用在国内外还未见报道，能够为陶瓷辊棒颗粒在钢铁基材料的应用提供实验依据和理论基础。采用高碳铬铁粉为铸渗剂合金粉末，分别以陶瓷辊棒颗粒和纳米变质合金（将纳米颗粒熔炼于合金中）为增强体材料，ZG270-500为母材，通过传统的砂型铸渗工艺在中碳铸钢ZG270-500表面分别得到：纳米粉末增强高铬铸铁铸渗层和纳米变质合金增强高铬铸铁铸渗层。运用SEM、TEM、XRD、EDS等微观分析方法，结合硬度和耐磨性能测试结果，得出以下结论：通过普通砂型铸渗工艺能够制备出厚度为5mm左右的纳米颗粒增强高铬铸铁铸渗层和约80μm的过渡层。过渡层的性能介于铸渗层和母材之间。铸渗层主要由奥氏体、M7C3碳化物以及少量的马氏体和珠光体组成，碳化物呈粒状、杆状或层片状。铸渗层组织致密，没有气孔和粉末熔化不完全等问题，界面结合良好。陶瓷辊棒颗粒能够细化铸渗层的组织，优化碳化物的形态和分布，提高铸渗层的硬度和耐磨性。陶瓷辊棒颗粒弥散分布于奥氏体基体或者聚集于碳化物与基体界面处，对基体起到细晶强化和弥散强化作用。随着陶瓷辊棒颗粒加入量的增加，铸渗层中紧凑的网状分布的碳化物趋向于均匀弥散分布，当含量达到1.5%后变化不明显；铸渗层的耐磨性先提高后降低。当铸渗剂中含1.5%的纳米TiC颗粒时，铸渗层的组织和性能优化效果最为明显，碳化物弥散分散，硬度和耐磨性均比高铬铸铁铸渗层提高了19%左右。与陶瓷辊棒颗粒相比，以纳米变质合金形式加入铸渗剂中，能够进一步优化铸渗层的组织。

　　磨料磨损性能测试在ML-100型磨料磨损实验机上进行，结果表明纳米增强体材料为TiC时，材料耐磨性能较好且含量为1.5%时最好；以纳米变质合金形式加入，铸渗层的耐磨性能得到进一步提高。在不同实验条件下进行的高温高速磨损实验表明：纳米变质合金增强体材料能够大幅度的提高铸渗层的抗高温高速磨损性能，在200℃-0.20MPa-10m/s条件下提升幅度最大。当加入1%纳米TiN变质合金（加Ni）或纳米TiN变质合金（加稀土）时，铸渗层具有较好的抗高温高速磨损性能。随着放电等离子烧结工艺及装备制造技术的不断发展，关于放电等离子烧结机理的研究已经成为粉末冶金领域的重要基础理论课题之一。本文通过放电等离子烧结试验制备了Sialon/Si2N2O陶瓷辊棒，并采用放电超塑性成形工艺锻造出了Sialon/Si2N2O陶瓷辊棒齿轮，得到了试验过程的温度、电流、电压、位移等的变化曲线，以此为依据，采用MARC软件对Sialon/Si2N2O陶瓷辊棒的SPS烧结过程和齿轮SPS超塑性锻造过程进行了有限元模拟，得到了烧结过程中坯料的温度、相对密度、等效应力等的分布规律。采用放电等离子烧结工艺，分别在1150℃保温7min、1240℃保温7min和1300℃保温3min的条件下烧结制备了Sialon/Si2N2O陶瓷辊棒圆柱试样。

　　依据试验得到的数据，在确定当量辐射系数变化曲线的基础上，采用MARC软件对烧结过程进行了模拟，得到了保温初始阶段和保温结束阶段粉末的温度、相对密度、等效应力等的分布规律。在保温初始阶段温度到达烧结所需温度时，此时温度分布差较大，粉末相对密度较小。在保温结束时，由于经过一段时间的保温，粉末温度分布均匀，温度差较小，粉末接近致密；烧结材料心部温度最高且最致密；SPS烧结升温速度越快，烧结电流越大，粉末的温度、相对密度、应力分布越不均匀；Sialon/Si2N2O陶瓷辊棒烧结时等效应力小于10MPa。依据在1200℃条件下Sialon/Si2N2O陶瓷辊棒齿轮超塑性锻造成形试验所得数据，对这一过程进行了仿真模拟。由于Sialon/Si2N2O陶瓷辊棒材料的超低温超塑性，所以变形流动性好，整个齿顶表面的径向流动速度差距较小；齿轮温度分布规律与圆柱形试样烧结一致；齿轮中心部分相对密度较大，轮齿表面相对密度最小；最大的等效应力发生在齿根圆与齿形的交汇位置，该位置是材料变形过程中材料流入轮齿型腔的初始位置，轮齿的上下表面以及齿侧与模腔接触区域的等效应力也较大。

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