鑄滲工藝及表面復(fù)合層沖擊磨損性能研究畢業(yè)論文.doc

0目錄1緒論.11.l課題的研究背景.11.2鑄滲技術(shù)概述.11.2.1鑄滲的基本原理.21.2.2鑄滲工藝.22試驗(yàn)方案.22.1鑄滲成型工藝研究.22.1.1材料的選用.22.1.2工藝參數(shù)的確定.32.2沖擊磨損性能研究.62.2.1不同成分試樣的沖擊磨損性能檢測(cè).62.2.2試驗(yàn)條件對(duì)試樣沖擊磨損性能的影響.82.2.3試驗(yàn)機(jī)參數(shù)的確定.82.3沖擊磨損機(jī)理研究.102.4微觀試驗(yàn).102.4.1金相組織觀察.102.4.2硬度測(cè)試.102.4.3掃描電鏡觀察.103表面復(fù)合材料的沖擊磨損性能.103.1表面復(fù)合材料的沖擊磨損性能.103.1.1三類試樣的沖擊磨損性能比較.103.1.2滲劑中WC含量對(duì)試樣沖擊磨損性能的影響.123.1.3基體硬度對(duì)試樣沖擊磨損性能的影響.153.2表面復(fù)合層對(duì)配副的影響.163.3試驗(yàn)參數(shù)對(duì)表面材料沖擊磨損性能的影響.173.3.1沖擊次數(shù)對(duì)表面復(fù)合材料沖擊磨損性能的影響.173.3.2沖擊功對(duì)試樣沖擊磨損性能的影響.183.4沖擊功分布對(duì)表面復(fù)合材料沖擊磨損性能的影響.203.5小結(jié).204結(jié)論.215謝辭.23參考文獻(xiàn).2411緒論1.l課題的研究背景鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈。與其它運(yùn)輸手段相比，鐵路運(yùn)輸具有運(yùn)量大、能耗低、污染輕、占地少、速度快、全天候、安全舒適等優(yōu)點(diǎn)。高速重載是鐵路運(yùn)輸發(fā)展的方向。然而，隨著運(yùn)行速度的提高與載重量的增加，車輛之間的縱向與橫向沖擊力呈平方關(guān)系大幅度提高，其結(jié)果不但造成車輛轉(zhuǎn)向架、輪軌等走行部分損傷失效周期縮短，而且導(dǎo)致連接車輛的關(guān)鍵部件一車鉤磨損的顯著增加。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家由于鐵路線路的平順性較好，這一問(wèn)題并不突出，而我國(guó)現(xiàn)有的鐵路線路大部分是原有的按低速要求修建的，平順性較差，車鉤磨損的問(wèn)題非常突出。目前，我國(guó)高速車輛車鉤材料仍沿用低速車輛的材質(zhì)低碳鋼ZG230-450,該材料雖然具有足夠的強(qiáng)度和韌性，但耐磨性較差。低速運(yùn)行條件下，鐵路部門一般規(guī)定每年進(jìn)行一次段修，即將車鉤鉤體分解，對(duì)配件中發(fā)生磨損的部位，采用焊補(bǔ)辦法，應(yīng)用低碳鋼焊條堆焊修復(fù)。這種修復(fù)僅能基本保證車鉤配件的幾何外形恢復(fù)原尺寸。列車提速后，由于磨損的加劇，新的車鉤配件在很短時(shí)間內(nèi)就發(fā)生嚴(yán)重磨損，段修修復(fù)的車鉤磨損失效時(shí)間更短，因此這種單一整體材質(zhì)的車鉤耐磨性低的矛盾己日益突出。車鉤主要承受隨機(jī)載荷譜的沖擊應(yīng)力及牽引力所引起的材質(zhì)，不但要求它具有高的強(qiáng)度與韌性，而且要求具有高的磨損抗力。沖擊引起的疲勞與過(guò)量的塑性變形是鉤腔配件磨損失效的主要形式。因此在保證車鉤整體強(qiáng)度與韌性的條件下，通過(guò)表面強(qiáng)化手段，提高鉤腔配件易磨損面的局部強(qiáng)度和硬度，是提高車鉤耐磨性能的有效手段。在各種表面強(qiáng)化手段中，鑄滲法能夠使表面復(fù)合層與母體之間為冶金結(jié)合，具有非常高的結(jié)合強(qiáng)度，因此可以抵抗大的沖擊載荷而不致產(chǎn)生表面強(qiáng)化層的剝離。因此，作為提高火車車鉤使用壽命研究的基礎(chǔ)，本課題對(duì)鑄滲工藝以及用該工藝制備的表面復(fù)合材料的沖擊磨損性能進(jìn)行了研究，以便為該項(xiàng)技術(shù)在列車車鉤配件上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。1.2鑄滲技術(shù)概述鑄滲技術(shù)是利用澆注時(shí)金屬液的凝固余熱使鑄件表面形成一層具有特殊組織和性能的復(fù)合層。這種方法主要用于生產(chǎn)耐磨、耐熱、耐蝕件等，與其它非鑄造方法的表面強(qiáng)化技術(shù)(如化學(xué)熱處理、激光堆焊、等離子噴涂等)相比，它具有不需要專用設(shè)備、復(fù)合層厚、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)越受到材料工作者的重視。鑄滲技術(shù)發(fā)展至今，己具有一定的理論水平和許多成功的生產(chǎn)應(yīng)用范例。21.2.1鑄滲的基本原理鑄滲法是將一定成分的合金粉末調(diào)成涂料或預(yù)制成塊，涂刷(或放)在鑄型的特定部位需要提高表面性能的部位，通過(guò)澆注時(shí)金屬液浸透涂料(或預(yù)制塊)的毛細(xì)孔隙，使合金粉末熔解、融化，并與基體金屬融合為一體，從而在鑄件表面上形成一層具有特殊組織和性能的復(fù)合層(可達(dá)l0mm或更厚)。若合金粉劑中含有一定量的B,Cr,Mn等活性原子，則這些活性原子就會(huì)利用鑄件凝固過(guò)程中的余熱向母材擴(kuò)散，形成鑄滲層。研究表明，滲層由包容層和擴(kuò)散層兩部分組成【1】:包容層是澆注的金屬液浸潤(rùn)到合金粉劑中使其熔化、燒結(jié)并發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng)形成的；擴(kuò)散層是合金粉劑分解后在基體內(nèi)部擴(kuò)散形成的。在滲層和基體之間有一個(gè)過(guò)渡層，過(guò)渡層和滲層之間還有一犬牙交錯(cuò)的結(jié)合層。需要指出的是，鑄滲過(guò)程中合金粉末分解出的活性原子是直接滲入到基體金屬中占據(jù)有利位置形成固溶體的，由于液體中擴(kuò)散阻力小，所以擴(kuò)散距離遠(yuǎn)，形成的滲層較厚。1.2.2鑄滲工藝鑄滲技術(shù)是鑄造技術(shù)與冶金強(qiáng)化技術(shù)的統(tǒng)一結(jié)合，在鑄件凝固過(guò)程中一次完成合金化，工藝簡(jiǎn)單。鑄滲工藝有多種分類方法:按照鑄滲劑形成的方式不同，可分為涂覆法、膏塊法、負(fù)壓鑄滲法；按照澆注工藝不同，可分為重力場(chǎng)鑄滲、超重力場(chǎng)鑄滲、離心力場(chǎng)鑄滲等；按照造型材料的不同，可分為普通砂型鑄滲、石墨砂型鑄滲、干砂消失模鑄滲等。2試驗(yàn)方案2.1鑄滲成型工藝研究2.1.1材料的選用1.基體金屬的選擇從經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的角度考慮，基體金屬應(yīng)選用強(qiáng)度高、塑韌性好且成本較低的常用合金。但除應(yīng)具有足夠的強(qiáng)韌性外，更重要的是對(duì)滲劑材料要有良好的潤(rùn)濕性和一定的溶解度，以保證界面呈冶金結(jié)合，提高結(jié)合強(qiáng)度。車鉤的作用是連接機(jī)車車輛和緩沖列車的沖擊力，因此作車鉤用的材料要具有一定的強(qiáng)度和韌性。我國(guó)現(xiàn)用的車鉤材料為普通低碳鋼ZG230-450，這種材料具有足夠的強(qiáng)韌性，而且，安全是鐵路運(yùn)輸?shù)氖滓ＷC，更換車輛連接系統(tǒng)的材料，將牽涉到一系列實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。因此，本著經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的原則，我們決定在現(xiàn)有車輛連接系統(tǒng)零件的表面形成一層復(fù)合材料，在不改變整體性能的前提下，提高其耐磨性，以達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的，所以在試驗(yàn)時(shí)我們選用ZG230-4503作為基體材料。2.鑄滲劑的選擇滲劑的化學(xué)成分是按照所形成滲層使用性能的要求進(jìn)行選擇的，其化學(xué)成分又是由構(gòu)成滲劑的合金粉的組分來(lái)提供和控制的。本文所設(shè)計(jì)的滲層組織是高硬度的鎢碳化物彌散分布于堅(jiān)硬的高鉻鑄鐵基體上，充分利用“陰影作用”和“支撐作用”【10】，使?jié)B層具有較高的耐磨性。為獲得高性能的表面復(fù)合層，鑄滲劑應(yīng)選用硬度、剛度高且粒度適中的陶瓷或金屬粉末，如AL2O3,WC、Cr-Fe,B-Fe等，同時(shí)還要加入Ni,Nb,Ti,Co等元素以改善抗氧化性和耐高溫性等其他性能。WC因具有很高的硬度和一定的韌性，來(lái)源廣泛，價(jià)格適中，且與黑色金屬的潤(rùn)濕角為零，易于結(jié)合【2】，成為鋼鐵鑄件表面復(fù)合材料研究中最常使用的鑄滲劑。高鉻鑄鐵是良好的耐磨材料，其中的(Fe,Cr)7C3硬度較高(約HV1300),WC硬度(約HV1800)高于(Fe,Cr)7C3加果將二者結(jié)合起來(lái)，在鑄件表面形成鎢鉻復(fù)合層，并保證該復(fù)合層與基體金屬為冶金結(jié)合，就能使材料的耐磨性大大提高。如果采用強(qiáng)度較高的金屬作為基體材料，則零件的整體性能就會(huì)得到極大改善。鎢鉻表面復(fù)合材料能夠在不改變金屬基體塑韌性同時(shí)，大幅度提高材料的表面性能，且具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)材料工作者的研究熱點(diǎn)之一。為此，本實(shí)驗(yàn)選用WC和高碳鉻鐵為主要鑄滲劑，并用還原鐵粉來(lái)調(diào)整滲劑中各組分的百分含量，所使用滲劑中各組分的主要成分見(jiàn)表1。為了考察這種復(fù)合材料的耐磨性能，用不含WC的高碳鉻鐵滲劑作為對(duì)比材料，比較兩種復(fù)合材料以及復(fù)合材料和基體材料的沖擊磨損性能。表1滲劑中各組分的主要成分材料名稱鑄造碳化物高碳鉻鐵還原鐵粉主要成分W:95-96%；C:.3.9%Gr:59.7%；C:.7.4%Fe:98%；Mn:0.35%；Si:.0.1%C:0.05%；S:0.025%；P:0.025%2.1.2工藝參數(shù)的確定1.滲劑成分、粒度的確定能否形成表面平整且與基體結(jié)合良好的滲層，主要看滲劑的成分和粒度是否合適。