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含钒高铬铸铁的工业工程优化设计

论文编号:lw201708091913446084 所属栏目:工业工程论文 发布日期:2018年01月29日 论文作者:无忧论文网
第一章 绪 论

1.1 引言
材料的破坏形式主要包括断裂、腐蚀和磨损[1]。腐蚀和断裂对金属工件产生的破坏往往都是灾难性的,但磨损对金属工件的影响造成的损失也不低于其他两种破坏形式。二十世纪末美国的数据统计分析,每年仅仅由于磨损对金属工件的破坏所造成的经济损失超过1 000亿美元[2]。而相比国内大约每一年因磨擦磨损耗掉的耐磨性材料为399.95万吨。由此可知磨损不但引起工业上机械装备机器零部件失效,还造成使器械的装备零部件维护及换新的和养护费用增加,有的甚至造成严重安全生产隐患,危及工作人员生命。而且根据调查统计由于磨损造成的零配件和保养费用分别就有291.05亿元和389.97亿元之多。进入新世纪以来,工业现代化技术水平的迅猛发展,使得各类自动化装备机器部件的运行速率要求愈高,针对不同复杂工况条件下高效率生产也更加严格,其安全、长期使用要求越来越成为现代化工业装备中不可不进行考虑的实际存在因素。磨料磨损已成为冶金、矿山、机械、电力、煤炭、石油、交通、军工等部门设备失效或材料破坏的一个重要原因,也是造成经济损失最多的问题之一[3]。材料磨损直接关系到机器设备运转的稳定性、使用寿命和能量利用率,如何有效控制磨损来减少其带来的损耗已经成为当代工程科学亟待解决的问题。提高材料的耐磨性来延长其使用寿命以此来缓解材料和能源日益紧缺的现状已成一种趋势。
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1.2 磨料磨损概况
摩擦面间有硬的颗粒或硬的突起物(如尘土、磨屑、材料组织中的硬点、铸件中的夹砂等),在摩擦过程中,在金属表面产生研磨拉沟等材料脱落现象叫磨料磨损。磨损不仅是一种失效形式,而且也是一种引起二次失效的主要原因。磨损导致零件振动和疲劳加剧,产生冲击载荷和不同心,这一切都加大了设备失效的可能性。此外,磨屑会造成其他零件发生黏附或剥落破坏,还可能使设备的性能变坏。针对磨料磨损环境条件下的其机理大体可这样分为3种基本形式:切削型、疲劳型、脆断型。(1)切削型的主要机理是由于磨料硬度大,并且又是相对在硬磨料条件下,通过磨料对材料层的不同作用力使外界渣粒嵌入其中,并通过水平分力作相对滑动切削金属,形成切屑。切削型磨量的大小主要决于材料的硬度,即硬度大,磨量少,所以通过改变其材料硬度,则能有效地减少磨量。(2)疲劳型有两类,一是变形疲劳,其特点为低周期疲倦损耗,它是通过由复合交杂情况下的硬磨材质的运动变化,对使材料表面引起的塑性变形,通过磨后,导致材料的变形区受到反复的应力,当超过材料的疲极应得力时,变形严重会造成裂缝,造成疲劳张展磨损。因此,则以材质不同的硬韧度搭配好坏综合判别耐磨性能。二是剥层型特殊磨痨,其特点为应力过度交变性质,由于在软硬特殊交变情况下材料基体表面发生硬化变化,随着接触应力的不断变化,在其表层或次表层出现裂纹,裂纹扩展后造成以微薄层片脱离表面形成不规则的剥落微坑。其耐磨性主要是对材质硬度而言。
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第二章 实验设计及方法

2.1 实验用高铬铸铁化学成分的选择
近年来,人们为了提高高铬白口铸铁在不同工况下充分发挥其作用或为了降低成本,进一步提高其综合性能,将不同的合金元素加入高铬铸铁,研究各种元素对其组织的影响,提高高铬铸铁的硬度或韧性。依据各种元素对高铬铸铁组织和性能的作用,对本实验使用的高铬铸铁的合金元素(碳、铬、锰、硅、钒等)进行分析,并初步确其含量范围。碳(C):碳是高铬铸铁中最重要的合金元素,其主要影响高铬铸铁的韧性和硬度。并且碳的含量决定高铬铸铁中碳化物的数量。当碳含量高时,高铬铸铁中碳化物的数量就多,基体的硬度提高,耐磨性好[23]。但碳化物大多分布在晶界上使得其冲击韧性大大降低,脆性增强。另一方面,碳含量的升高使得高铬铸铁中的晶粒细化,其原因是因为当碳含量升高时,其形成的碳化物对高温晶粒的成长起阻碍作用。综上,提高碳的含量可以提高高铬铸铁的硬度及耐磨性,但过高的碳含量将使其韧性降低,故综合考虑碳含量对硬度、耐磨性以及韧性的影响,确定碳含量的范围为3.0 %~4.0 %铬(Cr):铬是高铬铸铁中的基础合金元素,跟碳元素一样也是高铬铸铁中最重要的合金元素[24]。铬和铁在元素周期表中的位置相近,铬的原子半径(1.28A)与铁的原子半径(1.26A)也相近,易形成置换固溶体。铬含量的提高有助于高铬铸铁内碳化物的数量增多。铬还有助于提高铸铁的淬透性,原因在于铬除了形成碳化物,还有另外一部分溶于基体,抑制珠光体的形成[25]。随着铬含量的提高,高铬铸铁的组织和性能也发生着重要的变化,当铬元素含量大于10 %~12 %,碳化物的组织形态由M3C型转变为M7C3型,碳化物的硬度和韧性都得到显著提高和改善。在高铬铸铁中,碳和铬都对组织中的碳化物有重要影响,碳元素影响碳化物的数量,铬元素影响碳化物的类型。因此铬元素与碳元素在高铬铸铁中含量的比例也尤为重要。只有控制好碳铬比例,才能具备良好的力学性能。文献指出,Cr/C大于5能获得大部分的M7C3型碳化物,因而采用优选值Cr/C≈5。确定铬含量的范围为19.0 %~21.0 %[26]。
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2.2 正交实验方案制定
正交实验设计是利用正交表来安排与分析多因素实验的一种设计方法[34]。正交实验设计是由实验因素各级的组合中,挑选部分水平组合的代表性样品进行实验,通过对实验结果的分析,以了解充分实验,找到最佳水平组合。它的基本特点是:用部分实验来代替全面实验,通过对部分实验结果的分析,了解全面实验的情况[35]。正是因为正交实验设计能够用部分实验找到最优的水平组合,减少工作量的同时达到应有的目的,因此正交实验设计应用很广泛。但是它不能像全面实验那样对各因素效应、水平因素逐一分析;当交互作用存在时,有可能出现交互作用的混杂[36]。每一个具体的实验,都可能会由于实验目的的不同或者实验条件的局限性,而不能将每一个对实验结果有影响的因素都用来进行实验,此时就要求我们在进行实验时,尽可能的选出那些对实验结果影响较大的因素。这样不仅可以把实验进行简化,而且还能保证实验结论的可靠性。另外,有时候在某些因素之间还可能存在一定程度的交互作用,这时候影响较大的因素还应该包含那些单独变化水平时效果不显著但与其他因素同时变化水平时交互效果显著的因素。只有这样,在处理具有交互作用的实验时,其结论才能更具说服力。如果在选择实验因素时没有考虑到影响较大的因素,那么一旦这些因素发生变化,实验结果将会受到很大程度上影响。所以,为了保证实验的准确性,我们在设计的时候就必须考虑全面,选中所有対实验影响较大的因素,进行全组和实验。当然,由于实验是具有差别性的,并不是说在实验设计过程中选取越多的因素对实验结果的准确性就越有帮助,选取因素的多少还是要由客观事物的本身以及实验目的来决定的,要依据实际状况酌情定论。
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第三章 基于正交实验的化学成分的优化...... 20
3.1 实验用试样的熔炼和铸造.......... 20
3.2 金相组织分析........ 21
3.3 宏观力学性能分析........... 28
3.4 正交实验化学成分实验结果的分析..... 31
3.5 含钒高铬铸铁的优化设计.......... 33
第四章 钒细化高铬铸铁组织的机理及耐磨性能的研究....37
4.1 XRD 衍射实验结果及分析.........37
4.2 磨损实验结果及分析....... 40
第五章 结论与展望......... 44
5.1 结论............. 44
5.2 展望............. 44

第四章 钒细化高铬铸铁组织的机理及耐磨性能的研究

4.1 XRD 衍射实验结果及分析

使用D8 ADVANCE X射线衍射仪定性地分析1、2、3号和7、8、9号试样组织的物相,具体参数:铜靶辐射,kα1线系,扫描角度是20°~80°,步长为0.02°,扫描速度为4°/min,扫描条件是20 k V,40 m A。其结果如图4-1所示:从图4-1中可以看出,试样中全都出现了奥氏体、马氏体、M7C3型碳化物的波峰。3号试样中存在着钒的碳化物VC和V2C。初步分析是由于这两种钒的碳化物可以细化组织,通过查阅其它文献,了解了钛和铌的细化机理,因为钒、钛、铌都属于强的碳化物生成元素,细化机理类似,是合金化的方法。因此,初步认为应该是VC和V2C作为熔点很高的碳化物,这两种物质的硬度都相当高。由于该碳化物的数目不断增加,促进组织不断地细化,导致硬度也不断提高。这种细化也不能一直持续下去,当钒的含量为6.0 %时,初生碳化物析出,钒优先存在于初生碳化物里,反而降低了基体中钒的含量,因此3号、6号和9号试样的细化的效果不很明显。

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结论

本文研究了碳和钒元素对高铬铸铁组织和性能的影响。通过金相组织观察实验、维氏硬度实验、冲击韧性实验、洛氏硬度实验、耐磨实验、XRD衍射实验对不同化学成分试样进行分析并得出以下结论:(1)从金相组织、维氏硬度、冲击韧性和洛氏硬度等几方面综合分析化学成分含量对试样组织和性能的影响,在高铬铸铁中加入3 %的合金元素钒后,材料的宏观硬度、微观硬度、冲击韧性值和耐磨性能都有明显的提高。并且总体来看,碳含量为3.5 %的高铬铸铁的宏观硬度、微观硬度、冲击韧性值高于含碳量为4 %的高铬铸铁,因此碳与钒元素对高铬铸铁性能有一定的影响。(2)在相同的含碳量下,随着含钒量增加,高铬铸铁的组织也由亚共晶组织转变为过共晶组织,这说明钒的加入使铁碳合金的共晶点左移,钒的含量越高,合金共晶点左移的越多。(3)当钒含量为3 %时,细化效果最为明显。而加入6 %的钒试样从衍射图像中可以看到有大量钒的碳化物的生成,但是细化效果反