FeNiCrWRE 粉末冶金材料的研究
张振宇，梁补女
云南冶金
摘 要: 研究了含稀土元素的 FeNiCrWRE 粉末的研制工艺及其在粉末冶金制品和热喷涂方面的应用。探讨了稀土元素对 FeNiCrWRE 粉末性能的影响。结果表明，加入稀土元素可以获得致密化程度较高、分布均匀的组织，明显增加了合金碳化物中铬的含量，使碳化物的显微硬度提高，从而提高了材料的耐磨能力。
关键词: FeNiCrWRE 粉末; 稀土元素; 显微组织; 耐磨性能；热喷涂www.sunspraying.com/news/shichanghangqing/20121209/378.html
粉末冶金指制取金属粉末或用金属粉末 ( 或非金属粉末) 作原料，经成形和烧结制取具有所需形状和性能的金属材料和制品的一种冶金方法。常用的金属粉末有铁、铜、镍、钴、钨、钼、铬和钛粉等; 铁镍合金粉末是粉末冶金工业中的重要材料，铁镍合金粉末在冶金、矿山、机械、电力、金属制品、轻工、石油、化工、汽车、船舶、煤炭和模具等行业广泛应用，获得了显著的直接经济效益和社会效益［1 －4］。为了进一步提高铁镍合金粉末的性能，我们采用气雾化制粉工艺研制出了含稀土元素的铁镍合金粉末 ( 本文称之为 FeNiCrWRE) ，并对其性能进行了检测，以探讨稀土元素对铁镍粉末的组织结构及抗氧化性的影响。并将其应用到了粉末制品及热喷涂中，取得了良好的实践效果。
1 实验部分
1. 1 化学成分
研制 FeNiCrWRE 粉末的化学成分可见表 1。
1. 2 FeNiCrWRE 合金粉末制备工艺
研制 FeNiCrWRE 粉末采用惰性气体雾化法制粉工艺，其简要工艺流程如图 1。其主要工艺参数如表 2 所示。
1. 3 FeNiCrWRE 合金粉末成形工艺
本研制试验的粉末成形工艺方法采用氧乙炔二步法火焰喷涂工艺，分别对 6 件泥浆泵缸套内套( 抗磨层) 进行氧乙炔二步法火焰喷涂，涂层厚度为 1. 5 mm。
2 结果与讨论
2. 1 FeNiCrWRE 粉末的物理性能
稀土元素对合金液具有强烈的脱氧作用，稀土元素与合金液中的氧及液面的浮渣起作用，在整个熔炼池表面形成保护层，有利于提高合金液的纯度，粉末的氧含量比较低［5］。而不含稀土的 Fe－Ni粉末的氧含量为 0. 14% ～ 0. 18%。这说明，含稀土元素合金粉末的抗氧化性比不含稀土元素的合金粉末好，这也是加稀土元素后的显著效果［6 －8］。FeNiCrWRE 粉末的物理性能如表 3 所示。
2. 2 稀土对 FeNiCrWRE 合金组织及性能的影响
利用场发射扫描电子显微镜 ( FEGSEM) 观察合金的微观组织并结合 X 衍射法鉴定的手段，对试样的组织进行分析，FeNiCrWRE 合金和不加稀土的 FeNiCrW 合金金相组织见图 2，FeNiCrWRE合金中含有稀土，组织均匀细化，从合金粉末内部组织看，加入稀土元素后晶粒细化。由于晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目就愈多，同样的变形量由较多晶粒来承担变形就比较均匀，就不致造成严重的应力集中，从而改善了材料的塑性［9］。由于细晶粒的晶界曲折多变，有利于阻遏裂纹的扩张，裂纹穿越晶界需要消耗更多的能量，就会使使用 FeNiCrWRE 粉末制备材料的韧性有所改善。另外，稀土元素可以起到强化合金粉末内部组织的作用。当稀土元素均匀分布在合金粉末中时，与基体相的相界明显增加，在相界附近发生晶格严重畸变，从而起到晶界强化作用，使合金粉末制备材料的强度有所提高［10 －11］。
稀土合金元素铬的分布，随着稀土元素加入量的增加 ( 经试验，稀土含量一般不能超过 3%) ，合金碳化物 ( Cr，Fe)7C3中铬的含量增加，所以碳化物硬度大大提高，同时碳化物表面的氧化膜被去除，这一方面减小了元素的扩散阻力，另一方面也有利于提高基体与碳化物的结合强度，提高材料的冲击韧性值［12］。同时由于稀土为表面活性元素，加入以后可以降低体系中碳的活度，阻碍其脱溶到内应力区及晶体缺陷中去，促使其溶于基体和碳化物中，提高基体和碳化物的显微硬度［13 －14］。
另外，稀土元素有较大的电负性，因而具有极其活泼的化学性质，极易与硫、氧等元素发生化学反应，生成稳定的稀土硫氧化物。在粉末冶金制品的制备过程中，加入适量的稀土元素，除了发生常规的基本过程以外，还会发生一些独特的物理化学变化。稀土元素有降低亚稳共晶转变温度的作用，使冷却过程中结晶过冷度加大，从而提高了奥氏体的形核率，使晶粒细小。另一方面，由于稀土的氧( 硫) 化物具有 NaCl 型点阵结构，其原子间距与奥氏体原子间距非常接近，两者的错配度很小，可以作为异质晶核起到细化晶粒的作用，对材料的性能尤其是冲击韧性有利。可以缓解粉末材料的高耐磨、高硬度与韧性的矛盾［15 －16］。
3 FeNiCrWRE 合金粉末的工业应用试验
根据 FeNiCrWRE 合金粉末材料的优异性能，可应用于水电厂转轮、叶片、以及石油钻井泥浆泵缸套等零件，因此，选用泥浆泵缸套进行工业应用试验，采用气雾化制粉，氧－乙炔喷焊工艺制的样件 6 件，3 件在上海海洋钻井工程公司钻探 2#平台上型号为 10－P－130 泥浆泵进行了工业试验，平均使用寿命达到677. 67 h，超过从美国进口的钢套寿命，3 件在玉门青西油田天津大港油田集团钻井工程公司进行了工业试验，平均运行时间超过1 000h，较原用钢套寿命提高 3 倍以上。
4 结 论
1) 含稀土元素的 FeNiCrWRE 合金粉末的气雾化制粉工艺的成功，对稀土元素在 Fe －Ni 合金粉末中的应用做了有益的探索。
2) 含稀土元素的 FeNiCrWRE 合金粉末具有晶粒细化、纯度高、抗氧化性好、成形性好等优点，并且已经在粉末冶金零件制造及热喷涂领域成功应用，取得较好的效果。
3) 由于稀土元素的加入，使合金固溶体中铬的含量增加，提高了碳化物的硬度; 同时，由于稀土为表面活性元素，加入体系后可以降低碳的活度，阻碍其脱溶到缺陷部位，使其充分溶于基体和碳化物中，提高基体和碳化物的硬度。同时，稀土及其氧化物的加入阻碍了晶界迁移，可以明显细化晶粒增加晶界数量，提供了更多的合金元素扩散通道，有利于得到均匀致密的合金组织。
参考文献略
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