15Cr系亚共晶高铬铸铁的烧结制备与性能研究

肖平安 肖璐琼 顾景洪 李忠涛 卢瑞青 石管华

摘  要：研究了15Cr系亞共晶高铬铸铁超固相线液相烧结的制备工艺，利用光学显微镜和扫描电镜对合金的微观组织及冲击试样断口进行了观察和分析，探讨了烧结温度对高铬铸铁组织和力学性能的影响;并采用计算机定量分析金相组织，确定了组织与性能的相关性.研究结果表明，超固相线液相烧结制备的15Cr系亚共晶高铬铸铁相对致密度达99%以上.与普通铸造高铬铸铁相比，烧结制品碳化物外形圆润，呈短杆状均匀分布.随烧结温度的升高，基体晶粒和碳化物逐渐长大，合金力学性能呈现先升后降的规律;1 210 ℃×1.5 h烧结制品的冲击韧性和抗弯强度达到最大值11.3 J/cm2和2 506.8 MPa.试样的冲击断裂为准解理断裂机制，韧性较普通铸造试样大幅提高.烧结温度主要通过影响试样组织中碳化物数量、分布、形态以及尺寸，来影响合金力学性能.碳化物体积分数是影响高铬铸铁硬度的主要因素.

关键词：高铬铸铁;超固相线液相烧结;金相分析;力学性能

中图分类号：TF124                            文献标志码：A

Study on Sintering Preparation and Properties of

15Cr Hypoeutectic High-chromium Cast Iron

XIAO Ping′an?，XIAO Luqiong，GU Jinghong，LI Zhongtao，LU Ruiqing，SHI Guanhua

（College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha  410082，China）

Abstract： The preparation process for supersolidus liquid phase sintering of 15Cr series hypoeutectic high-chromium cast iron was studied. The microstructure and impact specimen fractures of the alloy were observed and analyzed by an optical microscope and a scanning electron microscope. The effect of sintering temperature on the microstructure and mechanical properties of high-chromium cast iron was discussed. Quantitative analysis of the metallographic structure was performed using a computer software to determine the correlation between microstructures and performance. The results show that the relative density of 15Cr-based hypoeutectic high chromium cast iron prepared by supersolidus liquid phase sintering is of more than 99%. Compared with ordinary cast high-chromium cast iron， the carbide of the sintered one is of a short rod shape and evenly distributed in its matrix. With the increase of sintering temperatures， both the grains of the matrix and carbides gradually grew up， and the mechanical properties of the alloy increased firstly and then declined gradually. The impact toughness and bending strength reached the maximum of 11.3 J/cm2 and 2 506.8 MPa as the alloy was sintered at 1 210 ℃ for 1.5 h. The impact fracture of the specimen is of a quasi-cleavage fracture mechanism， and the toughness is greatly improved when compared with the common cast specimens. The sintering temperature mainly affects the alloy's mechanical properties by changing the volume fraction， distribution， morphology and size of the carbides in the microstructure. The hardness of the sintered cast iron has close relationship with carbide volume fraction.

Key words： high chromium cast iron;supersolidus liquid phase sintering;metallographic analysis;mechanical property

高铬铸铁以其优异的抗磨性能受到世人瞩目，这主要是因为高铬铸铁基体中分布着高硬度的M7C3型碳化物.然而铸造高铬铸铁（CHCCI）由于碳化物粗大且呈连续网状沿分布，对基体割裂严重，产生很强的应力集中，从而导致其韧性不足，限制了耐磨性能的充分发挥，并且难以满足苛刻工况（如高冲击载荷条件）提出的性能要求. 因此，如何提高高铬铸铁强韧性以适应各种苛刻磨损工况的需求一直是研究人员致力解决的焦点问题.不同于合金化、变质处理和热处理等方法有限的实际效果[1-4]，粉末冶金方法能有效改变显微组织的热力学生长条件，大大改善高铬铸铁的组织，明显提高力学性能.采用超固相线液相真空烧结（SLPS）[5-7]制备的15Cr系亚共晶高铬铸铁的强韧性相比于相近成分的铸造高铬铸铁大幅度提高，可以在高冲击磨粒磨损工况下服役.

粉末冶金方法制备的高铬铸铁（SHCCI）成本要比铸造法的高一倍左右，但是它的力学与耐冲击磨粒磨损性能提高一倍以上，具有良好的性能价格比.本文对较少研究的15Cr系烧结高铬铸铁的烧结制备技术和力学性能影响因素开展系统的研究，以期获得成本更低和具有优秀综合力学性能的烧结高铬铸铁.

1   实验方案与方法

本实验使用水雾化制备的15Cr系亚共晶高铬铸铁预合金粉末作为原料粉末，合金成分如表1所示. 如图1中的扫描电子显微镜照片所示，粉末大部分呈椭球状，少数接近球形.采用BT-9300H型激光粒度分布仪对原料粉末粒度特性进行检测，得到D50为26.43 μm.

原料粉末在WE-10A型液压机上进行坯样压制，使用丁苯橡胶作为成形剂，其加入量为1%左右，压制压力为300 MPa.采用超固相线液相烧结技术进行合金的制备.为此，使用NETZSCHSTA 449C型差热分析仪对原料粉末进行分析，确定其液固两相区温度，测得的结果为：1 205～1 240 ℃.在GSL1600X型管式炉中进行超固相线液相真空烧结.在实验中通过改变烧结温度，来研究烧结工艺对高铬铸铁致密化、显微组织和力学性能的影响，并研究它们的相关性.

使用Leitz-MM6光学显微镜观察合金的显微组织，样品腐蚀剂为Villela溶液;采用D8-advance型X射线衍射仪分析材料的物相组成，扫描角度为20°～90°，扫描速度为10°/min，步长为0.02°;用FEIQUANTA200型环境扫描电镜对粉末和试样冲击断口形貌进行观察分析，通过扫描电镜自带的能谱分析（EDS）仪分析合金中基体和碳化物的元素组成和冲击断口断裂位置;使用Toup View软件采集合金的显微组织图像，用Image-Pro Plus软件开展图像分析，测定烧结样品的基体晶粒尺寸和M7C3型碳化物的体积分数及单个碳化物的平均面积、平均直径和长宽比.每个试样采集20幅金相图进行分析测定，取平均值作为结果.

根据排水法测量烧结样品的密度，在HBRV-187.5型布洛维电动硬度计上对其进行洛氏硬度测试，最终的硬度为5个测量点检测结果的平均值;在本实验中冲击韧性试样选择无缺口试样，尺寸为5 mm × 5 mm × 50 mm，在XJ-40A型冲击试验机上进行检测;合金的抗弯强度检测在Instron3369型材料力学试验机上进行，试样尺寸为5 mm × 5 mm × 35 mm.

2   实验结果与讨论

2.1   工艺参数对致密化的影响

烧结密度直接反映烧结致密化程度.实验根据DSC分析初步确定烧结温度区间，由于SLPS时液相形成后的烧结致密化速率很大，不需要过于延长保温时间，因此保温时间采用90 min，主要研究密度随烧结温度的变化趋势. 从图2可以看到，随烧结温度的升高，烧结密度先快速增加后趋于平缓，然后又有减小的趋势.这是因为在超固相线液相烧结的过程中，烧结温度的升高使液相数量增加，不仅有利于粉末颗粒重排和液相充分充填压坯中的孔隙，而且液相传质的效率越来越高，使致密化过程快速进行，导致烧结密度增加很快;温度继续升高时，由于液相量已经能够保障完全致密化，制品的致密值逐渐趋于稳定，并在1 220 ℃达到最大值7.69 g/cm3.但是当温度进一步升高时，密度反而降低.这是因为过高的烧结温度会使得液相生成过多，促使试样在烧结过程中发生“坍塌”现象[8]，或者在冷却过程中形成缩孔或疏松缺陷.

2.2   15Cr烧结亚共晶高铬铸铁显微组织对材料性 能的影响

2.2.1   合金显微组织

高铬铸铁的力学性能取决于其显微组织，包括基体的类型，碳化物的数量、大小、形貌和分布.图3是经不同烧结温度制备的15Cr亚共晶高铬铸铁试样以及作为对比用的原料粉末的XRD图谱.由图3可知，粉末含奥氏体、碳化物和少量马氏体，而烧结制品则由马氏体、碳化物和少量残余奥氏体组成.这是因为水雾化粉末的粒度为微米级，由于冷却速度很快，过冷奥氏体相中Cr含量高，导致Ms点降低，故粉末中奥氏体峰强于马氏体峰[9];而烧结制品基体主要为马氏体是因为坯样烧结后在真空管式炉内随炉冷却，碳化物较充分析出，过冷奥氏体含Cr量较低，其Ms点升高，马氏体转变临界冷却速度降低，故得到了更多的马氏体.可以发现，随着烧结温度的提高，马氏体峰慢慢减弱而奥氏体峰逐渐增强，这是由于碳化物的溶解降低了Ms点，导致保留了更多的残余奥氏体.

图4是在不同烧结温度制备的合金的显微组织图.可以看出，烧结温度较低时，细小的碳化物均匀地分布在基体中，此时基体晶粒细小. 随着烧结温度的提高，液相数量逐渐增加，提供了晶粒和碳化物长大的有利条件，它们逐渐粗化.但是在SLPS过程中由于液相在晶界和亚晶界处形成，碳化物也优先在这些位置上生长，有效地阻碍了晶粒快速长大，所以晶粒粗化速率较缓慢.烧结温度继续升高时，不仅晶粒尺寸粗大，而且沿晶界生长的碳化物逐渐连接成塊状，分布在晶界周围.

图5是基体晶粒尺寸和碳化物数量、大小、分布情况随温度的变化曲线.平均面积和平均直径表征基体晶粒和碳化物的大小，碳化物体积分数表征碳化物数量，长宽比表征碳化物的分布情况.可以发现，与显微组织的变化情况对应，随烧结温度升高，基体单个晶粒平均面积与直径缓慢增大，且单个碳化物的面积、直径和长宽比值也逐步加大;后者在

1 225 ℃烧结后达到最大值，面积、直径和长度比值分别为33 μm2、4.5 μm和2. 说明随着烧结温度的升高，碳化物不仅尺寸变大，而且形貌也变得越来越尖锐，同时其分布越来越不均匀.但是烧结温度过高会使得液相量很高，而析出的碳化物数量减少，因而如图5所示，碳化物的特征值又开始变小.

图6是烧结高铬铸铁基体和碳化物的EDS分析结果.从图中可看出，铬元素主要分布在碳化物中，小部分溶入基体.这是因为固溶于基体中的硅降低铬的溶解度，促使较多的铬进入碳化物，导致碳化物数量增加.另外，硅特别有助于提高马氏体型转变产物的硬度，基体中硅和铬的存在能降低碳的溶解度，提高Ms点，有助于提高材料的淬透性，使基体组织的抗磨能力得到提高[10].

2.2.2   烧结高铬铸铁的力学性能

为使抗磨件获得最良好的耐用性，要求材料不仅有优良的耐磨性，还要有足够的强韧性.硬度对高铬铸铁的耐磨性有直接影响，冲击韧性和抗弯强度则反映了其承受静载荷和冲击力的性能.

1）硬度. 高铬铸铁优良的耐磨性源于其含有

大量高硬度的M7C3型碳化物，其显微硬度高达

HV1 300～1 800.图7为合金硬度随烧结温度的变化曲线. 与图5中碳化物体积分数的变化规律一致，随温度的升高，硬度先快速增加，到达接近完全致

密化烧结温度区间时，硬度缓慢增加至最大值，之后硬度开始降低.在1 220 ℃时硬度达到最大值61.7HRC，此时碳化物体积分数也达到最大值31.66%. 这是因为烧结温度较低时，液相量少，使得制品致密化不充分而残留较多孔隙，此时致密性是影响烧结制品硬度的主要因素.在烧结温度达到完全致密化区间后，硬度主要受碳化物数量和尺寸的影响.随烧结温度的升高，碳化物体积分数和单个碳化物平均面积越来越大，硬度峰值的出现是碳化物数量和尺寸大小共同影响的结果.当烧结温度过高时，碳化物和晶粒过分长大，硬度因碳化物体积分数的减小而减小.

2）冲击韧性和抗弯强度. 图8为15Cr烧结亚共晶高铬铸铁力学性能随烧结温度的变化曲线.随烧结温度的升高，冲击韧性值和抗弯强度值先升高后下降.烧结温度影响烧结制品的致密化程度和组织中碳化物数量、分布、形态以及尺寸，从而改变冲击韧性和抗弯强度.分析可知，随烧结温度的升高，烧结制品的密度增加，当烧结温度在较低的温度区间里时，碳化物细小而圆润，对基体的割裂作用小，故烧结制品的冲击韧性和抗弯强度表现为逐渐增大.亚共晶高铬铸铁的冲击韧性和抗弯强度在1 210 ℃达到最大值，分别为11.3 J/cm2和2 506.8 MPa.但是当烧结温度继续升高时，圆润细杆状的碳化物逐渐演变成具有尖锐棱角的粗大杆状，在基体中较连续地分布，对基体的割裂作用越发严重，成为烧结制品断裂时的裂纹源.此时，碳化物的长大粗化对合金的力学性能起着主导性的消极作用，直接表现为冲击韧性和抗弯强度的下降.

图9是经不同温度烧结的高铬铸铁的冲击断口SEM照片.观察断口形貌可知，断面存在多个解理面，不是一个严格的解理面，裂纹向四周的扩展不连续，并且存在韧窝和撕裂棱，所以15Cr烧结亚共晶高铬铸铁冲击试验时的断裂机制为准解理断裂.图中，在烧结温度为1 205 ℃的试样断口中存在很多孔隙，此时致密度不够是导致试样韧性差的主要原因. 烧结温度为1 210 ℃時，试样断口形貌中几乎没有孔隙，碳化物和晶粒尺寸细小，并且存在大量韧窝和撕裂棱，此时冲击韧性最好.之后随着烧结温度升高，韧窝逐渐减少，撕裂棱逐渐消失，碳化物粗大，严重割裂基体，所以试样的冲击韧性急剧

下降. 图10是图9（c）中断裂位置（十字架处）的EDS分析结果，由图可知发生准解理断裂的主要是碳化物.

2.3   不同Cr系烧结和铸造亚共晶高铬铸铁力学性能对比

表2是15Cr烧结亚共晶高铬铸铁与卢瑞青[11-12]等所制备的碳含量相近的20Cr、25Cr烧结亚共晶高铬铸铁，以及石安君等[13]所得到的成分相近的15Cr、20Cr和25Cr亚共晶铸造高铬铸铁[14-15]的力学性能对比.可见，烧结高铬铸铁的力学性能明显优于相近成分铸造高铬铸铁，尤其是冲击韧性提高了近一倍左右. 15Cr系烧结态亚共晶高铬铸铁相比于相近成分的铸造态高铬铸铁硬度提高约17HRC，冲击韧性提高了135%;15Cr系烧结亚共晶高铬铸铁由于铬含量的减少，碳化物体积分数降低，因此其硬度相比于20Cr、25Cr烧结亚共晶高铬铸铁降低，分别降低约1HRC和3HRC，但是冲击韧性则分别提高了17.7%和57%. 因此，烧结15Cr高铬铸铁是一种具有更高性价比的优秀耐磨材料.

3   结   论

1）15Cr系烧结态亚共晶高铬铸铁物相由马氏体、M7C3型碳化物和少量残余奥氏体组成. 通过超固相线液相烧结可以获得全致密度的样品（相对密度>98.5%），并且细小的圆润短杆状的M7C3型碳化物沿晶界和亚晶界较均匀分布，使得高铬铸铁具有高硬度的同时冲击韧性和抗弯强度良好.

2）高铬铸铁的最佳烧结温度为1 210 ℃.此时，合金密度为7.62g/cm3，硬度为59.6 HRC，冲击韧性和抗弯强度分别为11.3 J/cm2和2 506.8 MPa.

3）不同Cr系烧结和铸造亚共晶高铬铸铁力学

性能对比表明，15Cr性能价格比最优，尤其是冲击韧性性能优势明显.

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