摘要
叶导轮作为潜油电泵的主要工作部件，在工作时易发生磨损失效和腐蚀失效。目前，高镍铸铁因具有良好的耐磨损性能和耐腐蚀性能常用作于叶导轮。然而高镍铸铁制备叶导轮的过程存在镍资源稀缺、成本高和铸造浇注工艺不易控制等问题。为了解决以上问题，本文基于低成本、高性能奥氏体铁基合金的性能要求和粉末冶金技术的特点，制备了粉末冶金奥氏体铁基材料，对其工艺参数、合金成分和组织性能进行设计和优化。 （1）为确定合适烧结温度，本文研究了1050、1100、1150、1200℃四个烧结温度下试样的微观组织、磨损机制和腐蚀机理。结果表明：1200℃时，试样发生熔化。当烧结温度为1050℃时，烧结机制为固相烧结。而在1100℃和1150℃时，其机制为瞬时液相烧结。根据磨损形貌可知，三组试样主要磨损机制为氧化磨损和黏着磨损，且烧结温度为1150℃时试样表现最好的耐磨损性能。电化学腐蚀后，烧结温度1050℃的试样由于致密性差，基体破坏严重，腐蚀表面出现大量腐蚀坑。烧结温度1100℃时，基体破坏减弱，但在腐蚀表面仍存在较多点蚀孔。随着烧结温度升高至1150℃，在试样上可观察到腐蚀表面有少量腐蚀坑，但基体组织具有较好完整性。因此综上可知，烧结温度1150℃为最合适的烧结温度范围。 （2）初步确定烧结温度后，通过合金成分优化设计，本文根据镍当量公式利用等量Mn代替Ni以降低成本，并分析了Mn添加量对材料微观组织、物理力学性能、抗磨性能和耐腐性能的影响。同时对比了烧结试样Mn0-P和传统试样Mn0-C。结果表明：烧结试样与传统铸铁试样相比游离石墨的形态、分布和尺寸有显著差异。烧结试样的石墨更细、分布更均匀。在烧结试样中，Mn的添加促进了(Fe,Mn)3C相的生成。在烧结试样中添加5wt.%Mn后，试样表现出最好的抗磨损性能。电化学腐蚀后，当增加5wt.%Mn后，试样的耐腐蚀性增强，其原因是添加Mn后生成了(Fe,Mn)3C相从而降低了基体与第二相的电势差。在继续增加10wt.%Mn后，试样的耐腐蚀性能急剧降低，这可能是大量Ni的减少降低了基体的电势。因此，试样含5wt.%Mn时表现为较好的耐磨性能和最好的耐腐蚀性能。 （3）Mn与N相结合代替Ni可进一步强化奥氏体组织。但高镍铸铁中引入氮元素较困难，需采用高压熔炼，对设备要求高。本文旨在利用粉末冶金氮气烧结引入氮以稳定奥氏体组织，并研究真空、氩气、氮气烧结气氛烧结后的微观组织、磨损机制和腐蚀机理。结果表明：真空烧结试样的基体组织为奥氏体和珠光体，氩气烧结试样和氮气烧结试样的基体组织为奥氏体。此外，氮气烧结试样组织中还存在暗灰色的块状物。通过EPMA微区分析和TEM分析，确认灰色的块状物为MnSiN2，且在氮气烧结试样中固溶0.5wt.%N，氮的强化机制包括固溶强化和析出强化。三组试样的磨损机制主要是氧化磨损。氮气烧结试样表现为较好的耐磨损性能，这是因为氮元素对奥氏体的固溶强化以及MnSiN2的析出强化，使其初始硬度更高，在磨损过程中可以有效抵抗磨削带来的材料损失。电化学腐蚀后，氮气烧结试样的耐腐蚀性能比氩气烧结试样的耐腐蚀性能差，其原因是：MnSiN2的形成使基体损失了Si元素，从而降低了基体材料的电极电势，且基体表面无法形成SiO2氧化膜，因此耐腐蚀性变差。综上可知，三种气氛烧结中，氮气烧结最利于试样的硬度和耐磨性能。与氮气烧结和真空烧结相比，氩气烧结对试样的耐腐蚀性具有更有利的影响。 （4）为进一步确定氮气压力的影响，本文研究了0.05Mpa、0.5Mpa和1Mpa氮气烧结压力对试样微观组织、抗磨损性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明：烧结压力0.05Mpa时，基体氮含量为0.05wt.%；烧结压力0.5Mpa时，基体氮含量为0.27wt.%；烧结压力1Mpa时，基体氮含量为0.47wt.%。烧结压力从1Mpa降至0.5Mpa时，MnSiN2相含量减少。当烧结压力为1Mpa时，试样表面具有较好的完整性，表现为最好的抗磨损性能。烧结压力从1Mpa减至0.5Mpa时，腐蚀倾向减小，腐蚀速度变慢，表现为更好的耐腐蚀性能，其原因可能是MnSiN2的析出量减少。当烧结压力继续减少至0.05Mpa时，腐蚀倾向增大，腐蚀速度变快，耐腐蚀性能变弱。这可能是由于试样中的N含量减少导致基体的电势降低，所以耐腐蚀性能变差。 本文全面研究了粉末冶金法制备低镍奥氏体铁基合金的组织和性能，为镍奥氏体铸铁的制备方法提供了一种新思路，也为制备具有低成本和良好综合性能的低镍奥氏体铸铁提供了理论依据和参考。
NETL