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铸渗工艺及表面复合层冲击磨损性能研究毕业论文.doc

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铸渗工艺及表面复合层冲击磨损性能研究毕业论文.doc

0目录1绪论.............................................................................................................................11.l课题的研究背景..................................................................................................11.2铸渗技术概述......................................................................................................11.2.1铸渗的基本原理...........................................................................................21.2.2铸渗工艺.......................................................................................................22试验方案.....................................................................................................................22.1铸渗成型工艺研究..............................................................................................22.1.1材料的选用...................................................................................................22.1.2工艺参数的确定...........................................................................................32.2冲击磨损性能研究..............................................................................................62.2.1不同成分试样的冲击磨损性能检测...........................................................62.2.2试验条件对试样冲击磨损性能的影响.......................................................82.2.3试验机参数的确定.......................................................................................82.3冲击磨损机理研究............................................................................................102.4微观试验............................................................................................................102.4.1金相组织观察.............................................................................................102.4.2硬度测试.....................................................................................................102.4.3扫描电镜观察.............................................................................................103表面复合材料的冲击磨损性能...............................................................................103.1表面复合材料的冲击磨损性能.......................................................................103.1.1三类试样的冲击磨损性能比较.................................................................103.1.2渗剂中WC含量对试样冲击磨损性能的影响........................................123.1.3基体硬度对试样冲击磨损性能的影响.....................................................153.2表面复合层对配副的影响................................................................................163.3试验参数对表面材料冲击磨损性能的影响....................................................173.3.1冲击次数对表面复合材料冲击磨损性能的影响.....................................173.3.2冲击功对试样冲击磨损性能的影响.........................................................183.4冲击功分布对表面复合材料冲击磨损性能的影响........................................203.5小结....................................................................................................................204结论...........................................................................................................................215谢辞...........................................................................................................................23参考文献......................................................................................................................2411绪论1.l课题的研究背景铁路是国民经济的大动脉。与其它运输手段相比,铁路运输具有运量大、能耗低、污染轻、占地少、速度快、全天候、安全舒适等优点。高速重载是铁路运输发展的方向。然而,随着运行速度的提高与载重量的增加,车辆之间的纵向与横向冲击力呈平方关系大幅度提高,其结果不但造成车辆转向架、轮轨等走行部分损伤失效周期缩短,而且导致连接车辆的关键部件一车钩磨损的显著增加。国外发达国家由于铁路线路的平顺性较好,这一问题并不突出,而我国现有的铁路线路大部分是原有的按低速要求修建的,平顺性较差,车钩磨损的问题非常突出。目前,我国高速车辆车钩材料仍沿用低速车辆的材质低碳钢ZG230450,该材料虽然具有足够的强度和韧性,但耐磨性较差。低速运行条件下,铁路部门一般规定每年进行一次段修,即将车钩钩体分解,对配件中发生磨损的部位,采用焊补办法,应用低碳钢焊条堆焊修复。这种修复仅能基本保证车钩配件的几何外形恢复原尺寸。列车提速后,由于磨损的加剧,新的车钩配件在很短时间内就发生严重磨损,段修修复的车钩磨损失效时间更短,因此这种单一整体材质的车钩耐磨性低的矛盾己日益突出。车钩主要承受随机载荷谱的冲击应力及牵引力所引起的材质,不但要求它具有高的强度与韧性,而且要求具有高的磨损抗力。冲击引起的疲劳与过量的塑性变形是钩腔配件磨损失效的主要形式。因此在保证车钩整体强度与韧性的条件下,通过表面强化手段,提高钩腔配件易磨损面的局部强度和硬度,是提高车钩耐磨性能的有效手段。在各种表面强化手段中,铸渗法能够使表面复合层与母体之间为冶金结合,具有非常高的结合强度,因此可以抵抗大的冲击载荷而不致产生表面强化层的剥离。因此,作为提高火车车钩使用寿命研究的基础,本课题对铸渗工艺以及用该工艺制备的表面复合材料的冲击磨损性能进行了研究,以便为该项技术在列车车钩配件上的应用奠定基础。1.2铸渗技术概述铸渗技术是利用浇注时金属液的凝固余热使铸件表面形成一层具有特殊组织和性能的复合层。这种方法主要用于生产耐磨、耐热、耐蚀件等,与其它非铸造方法的表面强化技术如化学热处理、激光堆焊、等离子喷涂等相比,它具有不需要专用设备、复合层厚、工艺简单、成本低廉等优点,近年来越来越受到材料工作者的重视。铸渗技术发展至今,己具有一定的理论水平和许多成功的生产应用范例。21.2.1铸渗的基本原理铸渗法是将一定成分的合金粉末调成涂料或预制成块,涂刷或放在铸型的特定部位需要提高表面性能的部位,通过浇注时金属液浸透涂料或预制块的毛细孔隙,使合金粉末熔解、融化,并与基体金属融合为一体,从而在铸件表面上形成一层具有特殊组织和性能的复合层可达l0mm或更厚。若合金粉剂中含有一定量的B,Cr,Mn等活性原子,则这些活性原子就会利用铸件凝固过程中的余热向母材扩散,形成铸渗层。研究表明,渗层由包容层和扩散层两部分组成【1】包容层是浇注的金属液浸润到合金粉剂中使其熔化、烧结并发生特定的化学反应形成的扩散层是合金粉剂分解后在基体内部扩散形成的。在渗层和基体之间有一个过渡层,过渡层和渗层之间还有一犬牙交错的结合层。需要指出的是,铸渗过程中合金粉末分解出的活性原子是直接渗入到基体金属中占据有利位置形成固溶体的,由于液体中扩散阻力小,所以扩散距离远,形成的渗层较厚。1.2.2铸渗工艺铸渗技术是铸造技术与冶金强化技术的统一结合,在铸件凝固过程中一次完成合金化,工艺简单。铸渗工艺有多种分类方法按照铸渗剂形成的方式不同,可分为涂覆法、膏块法、负压铸渗法按照浇注工艺不同,可分为重力场铸渗、超重力场铸渗、离心力场铸渗等按照造型材料的不同,可分为普通砂型铸渗、石墨砂型铸渗、干砂消失模铸渗等。2试验方案2.1铸渗成型工艺研究2.1.1材料的选用1.基体金属的选择从经济、实用的角度考虑,基体金属应选用强度高、塑韧性好且成本较低的常用合金。但除应具有足够的强韧性外,更重要的是对渗剂材料要有良好的润湿性和一定的溶解度,以保证界面呈冶金结合,提高结合强度。车钩的作用是连接机车车辆和缓冲列车的冲击力,因此作车钩用的材料要具有一定的强度和韧性。我国现用的车钩材料为普通低碳钢ZG230450,这种材料具有足够的强韧性,而且,安全是铁路运输的首要保证,更换车辆连接系统的材料,将牵涉到一系列实际应用问题。因此,本着经济、实用的原则,我们决定在现有车辆连接系统零件的表面形成一层复合材料,在不改变整体性能的前提下,提高其耐磨性,以达到延长使用寿命的目的,所以在试验时我们选用ZG2304503作为基体材料。2.铸渗剂的选择渗剂的化学成分是按照所形成渗层使用性能的要求进行选择的,其化学成分又是由构成渗剂的合金粉的组分来提供和控制的。本文所设计的渗层组织是高硬度的钨碳化物弥散分布于坚硬的高铬铸铁基体上,充分利用阴影作用和支撑作用【10】,使渗层具有较高的耐磨性。为获得高性能的表面复合层,铸渗剂应选用硬度、刚度高且粒度适中的陶瓷或金属粉末,如AL2O3,WC、CrFe,BFe等,同时还要加入Ni,Nb,Ti,Co等元素以改善抗氧化性和耐高温性等其他性能。WC因具有很高的硬度和一定的韧性,来源广泛,价格适中,且与黑色金属的润湿角为零,易于结合【2】,成为钢铁铸件表面复合材料研究中最常使用的铸渗剂。高铬铸铁是良好的耐磨材料,其中的Fe,Cr7C3硬度较高约HV1300,WC硬度约HV1800高于Fe,Cr7C3加果将二者结合起来,在铸件表面形成钨铬复合层,并保证该复合层与基体金属为冶金结合,就能使材料的耐磨性大大提高。如果采用强度较高的金属作为基体材料,则零件的整体性能就会得到极大改善。钨铬表面复合材料能够在不改变金属基体塑韧性同时,大幅度提高材料的表面性能,且具有工艺简单、成本低廉的优点,成为近年来材料工作者的研究热点之一。为此,本实验选用WC和高碳铬铁为主要铸渗剂,并用还原铁粉来调整渗剂中各组分的百分含量,所使用渗剂中各组分的主要成分见表1。为了考察这种复合材料的耐磨性能,用不含WC的高碳铬铁渗剂作为对比材料,比较两种复合材料以及复合材料和基体材料的冲击磨损性能。表1渗剂中各组分的主要成分材料名称铸造碳化物高碳铬铁还原铁粉主要成分W9596C.3.9Gr59.7C.7.4Fe98Mn0.35Si.0.1C0.05S0.025P0.0252.1.2工艺参数的确定1.渗剂成分、粒度的确定能否形成表面平整且与基体结合良好的渗层,主要看渗剂的成分和粒度是否合适。为了考察渗剂的熔点在多高时能与基体的熔点相匹配,形成高质量的渗层,我们固定WC的含量不变,通过变化高碳铬铁的含量来调整渗剂的含碳量,从而调整其熔点。试验选用的高碳铬铁含碳量为7左右,当渗剂中高碳铬铁含量从5变化到70时,其含碳量将在0.355范围内变化为了筛选出合适的粉末粒度,试验时将粒度的变化范围定为60目200目。

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