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外加颗粒法制备双金属复合材料的组织与性能研究

作　者: 李秀青
导　师: 宋延沛
学　校: 河南科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 离心铸造高碳铬铁双金属复合材料组织与性能摩擦磨损
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文采用一台炉子冶炼复合轧辊表面工作层和芯部所需铁水,并通过外加高碳铬铁颗粒法和离心铸造,将高碳铬铁颗粒直接加入旋转的离心机模具中,制备轧辊辊身,再采用重力铸造法浇注辊芯而制成了尺寸为Φ180mm×500mm的高铬铸铁/球墨铸铁双金属复合轧辊铸件。利用HR-150D型洛氏硬度计和JB-300B型摆锤式冲击试验机等力学性能检测设备测试不同热处理状态下试样的力学性能;借助MH-3数显显微硬度仪对高铬铸铁与球墨铸铁结合界面附近的显微硬度进行测量;采用光学显微镜、配备了EDAX能谱仪的JSM-5610LV型电子扫描电镜和德国布鲁克D8型X射线衍射仪等微观分析仪器观察和分析试样的微观组织;采用MMS-1G高速销-盘摩擦磨损实验机,对不同热处理状态下试样的高速摩擦磨损特性进行研究,并借助电子扫描电镜分析其磨损机理。上述试验结果表明:1.采用外加颗粒法制备的高铬铸铁-球墨铸铁双金属复合轧辊,热处理工艺对其表面工作层的力学性能具有一定的影响。在900¹000℃奥氏体化温度范围内,随着奥氏体化温度的升高,宏观硬度的变化趋势为先增大后减小,而冲击韧度略微下降,在950℃奥氏体化时,力学性能匹配良好。其力学性能可达到:冲击韧性5.2⁶.6J/cm²;硬度HRC56.7⁶4.8。2.复合轧辊表面高铬铸铁层铸态下的微观组织为:合金碳化物+珠光体+残余奥氏体。经热处理,其微观组织变为:回火马氏体+Cr₇C₃+残余奥氏体+少量Cr₂₃C₆和Cr3C,初生碳化物的形貌呈条状、块状和菊花状等;在马氏体基体上分布有大量颗粒状回火碳化物,经EDS分析,这些碳化物是含有Fe、C和Cr等元素的复合式碳化物。3.所制备的双金属复合轧辊,其高铬铸铁与球墨铸铁的连接界面清晰,两种合金呈犬牙状相互交织在一起,结合处无气孔、夹杂、裂纹和空隙等铸造缺陷;从球墨铸铁一侧向高铬铸铁层,球状石墨的数量越来越少,尺寸越来越小;从高铬铸铁一侧向球铁层,条、块状碳化物的数量越来越少,尺寸越来越小。在结合界面高铬铸铁侧的显微硬度约为800HV,球墨铸铁侧的显微硬度约为350HV,可见,复合界面两侧显微硬度的差别比较大,但是在结合界面处显微硬度的降低比较缓和。表明,合金元素在结合界面处发生了扩散,两种金属达到良好的冶金结合。4.高速摩擦磨损试验表明,奥氏体化温度、外加法向载荷和摩擦线速度均对复合轧辊耐磨层材料的高速摩擦磨损性能具有显著影响。在试验温度范围内,磨损失重量随着奥氏体化温度的升高发生变化,在950℃奥氏体化时磨损失重量最小,此时耐磨性最佳;在摩擦线速度不变时,随着外加法向载荷的增加,复合轧辊耐磨层试样的线磨损率逐步增大,而摩擦系数逐步减小;在外加法向载荷不变时,随着摩擦线速度的增大,复合轧辊耐磨层试样的线磨损率逐步增大,而摩擦系数逐渐减小。据分析,耐磨层材料的磨损机制主要为磨粒磨损、氧化磨损和粘着磨损。在相同的试验条件下,所制备复合轧辊耐磨层材料销试样的磨损失重量、线磨损率和摩擦系数均小于高合金耐磨钢的磨损失重量、线磨损率和摩擦系数,表明所制备复合轧辊耐磨层材料的高速摩擦磨损性能优于高合金耐磨钢。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-8
第1章绪论  8-18
  1.1 引言  8-9
  1.2 双金属复合轧辊铸造工艺的研究现状  9-14
    1.2.1 喷射铸造法  9-10
    1.2.2 连续铸造法  10-11
    1.2.3 电渣熔铸法  11-12
    1.2.4 镶铸法  12-13
    1.2.5 离心复合铸造法  13-14
  1.3 耐磨材料的摩擦磨损特性  14-16
  1.4 课题研究的目的和意义  16
  1.5 论文的主要研究内容及技术路线  16-18
第2章双金属复合材料的制备工艺  18-28
  2.1 材料的选取及成分设计  18-21
    2.1.1 高铬铸铁  18-20
    2.1.2 球墨铸铁  20
    2.1.3 高碳铬铁  20-21
  2.2 双金属复合材料的制备  21-24
    2.2.1 铁水的熔炼  21
    2.2.2 高铬铸铁环的离心浇注  21-23
    2.2.3 芯部重力铸造  23-24
  2.3 热处理规范  24-25
  2.4 试验方法  25-27
    2.4.1 力学性能实验  25
    2.4.2 高速干滑动摩擦磨损实验  25-27
    2.4.3 微观组织观察和分析  27
  2.5 本章小结  27-28
第3章力学性能与微观组织分析  28-37
  3.1 力学性能  28-30
    3.1.1 复合轧辊硬度的分布  28-29
    3.1.2 复合轧辊冲击韧度的分布  29-30
    3.1.3 复合界面处显微硬度的变化  30
  3.2 微观组织  30-36
    3.2.1 复合轧辊表面耐磨层的微观组织  30-32
    3.2.2 复合轧辊表面耐磨层初生碳化物的微观形貌  32-33
    3.2.3 回火碳化物的形成  33-35
    3.2.4 复合界面微观形貌  35
    3.2.5 芯部微观组织  35-36
  3.3 本章小结  36-37
第4章高速摩擦磨损性能与磨损机理  37-50
  4.1 奥氏体化温度、摩擦速度和外加载荷对摩擦磨损特性的影响  37-43
    4.1.1 奥氏体化温度、摩擦线速度和外加法向载荷对磨损失重量的影响  38-40
    4.1.2 摩擦线速度和外加法向载荷对线磨损率的影响  40-41
    4.1.3 摩擦线速度和外加法向载荷对摩擦系数的影响  41-43
  4.2 磨损表面形貌观察和磨损机理分析  43-47
    4.2.1 不同奥氏体化温度处理试样磨损表面形貌  43-44
    4.2.2 不同外加法向载荷下试样磨损表面形貌  44-47
  4.3 与高合金耐磨钢高速摩擦磨损性能的比较  47-48
  4.4 本章小结  48-50
第5章结论  50-52
参考文献  52-58
致谢  58-59
攻读硕士学位期间的研究成果  59

外加颗粒法制备双金属复合材料的组织与性能研究

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