毕业设计（论文）-双金属复合锤头生产工艺及性能的研究.doc

0郑州大学毕业设计（论文）题目：双金属复合锤头生产工艺及性能的研究ResearchonProductionTechnologyandPerformanceofBimetalHammers指导教师：职称：教授学生姓名：学号：专业：材料成型及控制工程院（系）：材料科学与工程学院完成时间：2008年5月30日2008年6月2日i摘要本文采用镶铸工艺铸造双金属复合锤头。锤端材料为含铬量18%的高铬铸铁，锤柄材料为型号ZG35的中碳钢。造型时锤端和浇注系统内浇道的成型分别采用木模和消失模模型。先铸造出锤柄材料，再在欲复合端浇注高铸铁液。复合时将砂型整体放频率为1400HZ的入感应线圈中感应加热，加热过程中消失模受热汽化。当锤柄升到预定温度(800左右)时，开始浇注复合层金属液。所得的界面为完全冶金结合。浇注温度为1500。复合部分经热处理后组织为Cr7C3共晶碳化物+马氏体+少量残奥，基体为珠光体+铁素体。HRC58，ak6Jcm2。锤头使用寿命是同等工况下高锰钢的5倍左右。关键词：双金属；锤头；型内感应加热；消失模。iiAbstractTheinlaycastingwasusedtocastthebi-metalhammerinthispaper.Thehammerheadofbi-metalhammerismadeupofhigh-chromiumcastironandbasematrixmaterialofhammerhandleisZG35.Thecombiningtechnologyiscarriedoutbyin-moldinductionheatingwithafrequencyof1400HZ.Thehammerhandlewithfoampatternofhammerheadisplacedinthesandmoldwhenmolding.Thehammerhandlewasfistcastedandthenwasthehammerhead.Thesandmoldwiththehammerhandlesandfoampatternofhammerheadiswhollyplacedintheinduction-heatring.Thehammerhandleispreheatedbytheintermediatefrequencyinductionheating.Whileitstemperatureisraisingthefoampatternisgraduallyvaporized.Thepourisbegunwhenthetemperature(about800)isreached.Thecompositeinterfaceofbi-metaliswhollymetallurgicalbonding.ThecompositebedisCr7C3eutecticcarbide+martensite+littleresidualaustenite.HRC58,ak6Jcm2.Matrixispearlier+ferrite.Theservicelifeofthiskindofhammerisabout5timesoverausteniticmanganesesteel.Keywords:Bi-metal；Hammer；In-moldinductionheating；Lostformcasting.I目录摘要.iAbstract.ii1概述.11.1研究的目的和意义.11.2常用双金属复合工艺现状及发展.11.3研究目标和研究内容.32实验方法.42.1工况分析.42.2成分设计.52.3加工工艺与过程.72.2.1复合工艺方案的制定.72.2.2复合铸造工艺.82.2.3热处理工艺.92.4高铬铸铁的组织观测和性能测试.102.4.1硬度的测试.102.4.2冲击韧性的测定.112.4.3金相组织观察.112.5双金属结合界面的测试.113实验结果与讨论.123.1高铬铸铁的性能测试.123.2高铬铸铁的金相组织的观察.123.2双金属复合材料界面的测试结果.134结论.15参考文献.16附件1.18附件2.19附件3.20附件4.21附件5.22外文翻译.23外文原文.30致谢.3511概述1.1研究的目的和意义随着工业的发展，对材料的要求日益提高，单一材料的零件难以满足生产过程中多方面的要求。在实际生产中，有些部件常要求材料既有良好的韧性，以抵抗工作过程中物料的冲击作用，防止部件发生意外断裂，同时又要求其具有高的硬度及优良的磨损性能。对于单一成分的材料，难以同时具有高韧性、高硬度和高耐磨性。为此，生产中常采用复合工艺进行生产。复合双金属材料能在零件不同部位提供不同性能，通过表面材料与芯部材料的合理组合，可以使材料获得所需的冶金性能。双金属复合铸件不仅可同时拥有良好的力学性能和高的使用寿命，而且适用面广、成本低廉。目前常用的复合铸造工艺分为液液和液固两大类，其中又因液固复合铸造几乎不受铸件形状的影响以及其制造工艺简单，所以越来越受到人们的重视界面是复合材料特有的极其重要的组成部分，双金属复合材料的性能与界面性质密切相关。而复合工艺，直接关系到复合材料性能的发挥，因此对复合工艺进行研究不仅具有较高的理论价值，而且具有一定的实用价值。11.2常用双金属复合工艺现状及发展双金属复合材料生产方法主要有：爆炸复合法、扩散焊接法、堆焊法、轧制复合法、挤压复合法和铸造复合法等。爆炸复合的优点是复合界面上看不到明显的扩散层，不会生成脆性的金属间化合物，产品性能稳定。缺点是由于射流的作用使复合界面呈波浪形，同时由于炸药的存放、爆破地点的选择、噪音的处理、人身安全的保障及污染严重等一系列问题而使得该法不易被推广使用。扩散焊接是一种精密连接方法，特别适合于异种金属材料、复合材料等之间的连接。扩散焊接是在温度和压力的共同作用下完成的，但连接压力不能引起试件的宏观塑性变形。固相扩散焊接时母材不发生熔化，液相扩散焊接时靠近界面处母材仅发生少量熔化。堆焊法是采用普通钢材作为基体，在基体上堆焊一层或多层耐磨合金，使这些合金与金属基体表面达到金属冶金结合，形成双金属复合材料从而达到零件表面耐磨的目的。堆焊前需对基进行彻底的清理，对操作工人技术要求高，如果操作方法和工艺不当易出现堆焊层脱落、开裂和剥落、气孔等缺陷，焊渣不易清理。不适用于于大平面工件，而且成本高。轧制复合法一般分为热轧复合法和冷轧复合法等。热轧复合法是将待轧制金属材料加2热到在再结晶以上的轧制。金属在再结晶温度以下进行轧制变形叫冷轧，一般指不经加热而在室温直接进行轧制加工。冷轧固相复合法加工温度低，所生产的复合带材具有综合强度高，复层厚度变化范围广且层厚比稳定，尺寸精度高等特点。挤压复合法是先把界面清洁的组元金属组装成挤压坯，选定合适的挤压比和温度等参数挤压成型，是清洁金属表面在压力的作用下实现界面的冶金结合。挤压复合法主要用于生产双金属管、棒、线材。铸造复合法是应用最早的制备层状金属复合材料的一种方法。铸造复合法又具体有铸渗法、双液双金属复合法、镶铸法等。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。此方法具有合金层深度大，生产工艺简便，成本低等优点，但是存在如下问题：其一，铸渗过程中产生的气体、熔渣等不能及时排出，在合金化层中形成气孔、夹渣，合金层质量较难控制。其二，铸渗效果对工艺参数的变化较为敏感，必须具备良好的设备条件和严格的工艺条件才能在批量生产中得到质量稳定可靠的铸渗件。双液双金属复合法的两种金属较易形成质量良好的冶金结合，双金属复合管件，目前双金属复合管主要采用离心铸造法，将固体外套和液体金属在离心条件下复合成型。如耐磨套筒，其外层为低碳钢，内层为高铬铸铁。通过冶金离心铸造热处理等工艺，使套筒过度层组织逐渐变化而结合为一个整体，耐磨性能大大提高。但是此工艺需要两台熔炼炉同时进行两种金属的熔炼并同时浇注，其工艺过程较复杂，并且难以控制。此外，该工艺在实际应用上也有其局限性，只适用于形状简单的铸件而无法用于形状复杂的铸件。2镶铸复合法是将一种材料(固相)和另一种材料(液相)在铸模内进行组合，利用金属液的热量，在铸件凝固时使液相材料与基体结合在一起的工艺。镶铸工艺操作简单，形状简单或复杂的耐磨铸件都可以加工，生产成本低，铸件综合性能优越，是双金属复合铸造中近乎完美的一种工艺方法。双金属复合铸造工艺已经在世界范围内得到良好的发展。常见的复合锤头镶铸工艺可归结为镶块、预置锤柄和预置锤端三种工艺。镶块工艺是采用类似固定内冷铁的方法将具有一定形状的耐磨合金块（高铬铸铁）固定在锤头型腔的端部，利用随后浇入的高温金属液的热量，在铸件凝固过程中使耐磨金属块与基体结合在一起。由于铸件的形状决定镶块的大小和数量均受到限制，使用中可能会出现脱落现象。预置锤端的复合方法是将锤头使用过程中真正起破碎作用的端部采用耐磨合金（高铬铸铁）预制成形，放入锤头型腔内然后浇入锤柄金属（普通碳钢），从而实现端部与锤柄间的结合，通常两者结合部位被设计成燕尾的形式以增加结合的可靠程度。由于后浇入钢液温度较高，高铬铸铁产生热应力交变较大，容易出现裂纹。预置锤柄的复合方法是将普通碳钢的锤柄预置在锤头型腔内，然后浇入高铬铸铁金属3液，并使高铬铸铁包覆在锤柄的四周。通常芯材采用镂空方式，达到了机械和冶金的两重结合。1.3研究目标和研究内容本文主要对锤头进行工况分析，合理选择锤头的复合材质，使锤头达到生产中要求的条件，意在提高双金属复合铸件界面结合质量问题并提高锤头的使用寿命。本课题将进行如下的研究内容：（1）分析各种元素在高铬铸铁中的作用，选择合适的化学成分。（2）从液体部分的浇注温度、芯材（锤柄）部分的预热温度、液固双金属界面冶金结合关系的研究中，提出优化的工艺参数。（3）选择合适的热处理方法，使其达到最优的力学性能。