含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球新型热处理工艺及磨球失效机理研究

论文摘要

含碳化物奥铁体球墨铸铁（Carbidic Austempered Ductile Iron,简称CADI）是近些年由等温淬火球墨铸铁发展而来的新型耐磨材料,在冶金矿山等行业中有很好的应用前景。本文对CADI磨球的新型热处理工艺及磨球的失效机理进行了系统研究,主要内容包括:1)硝盐淬火介质冷却能力的研究;2) CADI材质与硝盐淬火介质间表面综合换热系数的测定;3) CADI磨球新型热处理工艺的试验研究;4) CADI磨球落球疲劳试验中的应力数值模拟;5) CADI磨球的失效机理研究等。研究表明:1)在试验范围内（02%）随熔盐中含水量的增加,相同温度下盐浴冷却能力不断增强;在试验范围内（250℃350℃）随盐浴淬火温度的提高,相同温度下盐浴冷却能力有降低的趋势;2)淬火介质的冷却特性曲线不代表热探头表面的淬火信息,淬火介质的冷却特性曲线有其特定的用途;3)在一维传热模型条件下,采用ANSYS软件求得了CADI热探头与淬火盐之间的表面综合换热系数,并验证了结果的可靠性;4)采用ANSYS软件模拟了CADI磨球淬火过程温度场,得出了磨球内外温度均匀所需时间;5)在试验范围内（4min150min）随着盐浴淬火时间的延长,CADI磨球淬透性增强;磨球的硬度和冲击韧性均随盐浴淬火时间的延长而提高,6)在新型热处理工艺中,盐浴淬火480s时,φ100mmCADI磨球的体积硬度为HRC54.1,冲击韧性8.5J/cm2,排除试验误差的影响,可以认定新型热处理工艺已基本达到等温淬火工艺的水平;7)在试验范围内（1%3%）随着熔盐中加水量的增加,磨球不同深度层硬度有上升的趋势,而磨球的冲击韧性有所降低;8) CADI磨球在单次落球试验冲击过程中,碰撞接触界面剪应力峰值出现在皮下略偏离接触界面中心位置,等效应力峰值出现在接触界面表层中心位置;残余等效应力峰值和残余剪应力峰值均出现在撞击部位周围挤压区。9) CADI磨球亚表层二次夹渣及一次夹渣的存在是导致其在球磨机中失圆失效的主要内因。根据本文研究结果,采用“盐浴淬火+电阻炉保温”的新型热处理工艺来代替传统等温淬火工艺是切实可行的,该工艺在保证磨球热处理质量的同时极大提高了劳动生产率。CADI磨球在落球冲击过程中残余应力的累积、应力诱发马氏体相变和加工硬化等因素综合引起的材料疲劳损伤导致了磨球的表层剥落失效;磨球材质及其冶金质量也对磨球的剥落失效有重要影响;磨球亚表层夹渣物的存在是引发其剥落失效和失圆失效的主要内因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 贝氏体球铁热处理工艺概述
• 1.3 工件淬火过程温度场的数值模拟
• 1.3.1 淬火介质的传热过程
• 1.3.2 淬火过程温度场数值模拟的意义
• 1.4 磨球磨损失效机理及其影响因素
• 1.4.1 磨球磨损机理
• 1.4.2 影响磨球磨损的主要因素
• 1.4.3 常用磨球的失效形式
• 1.5 热处理及力学数值模拟软件简介
• 1.5.1 热处理数值模拟简介及相关软件
• 1.5.2 应力数值模拟简介及相关软件
• 1.6 本课题研究内容
• 1.7 本课题创新成果
• 第二章 试验方案
• 2.1 磨球及试样化学成分的确定
• 2.1.1 CADI 中的常见元素
• 2.1.2 试样化学成分
• 2.2 试样的制备
• 2.2.1 试验设备与检测仪器
• 2.2.2 熔炼和浇注
• 2.3 磨球热处理工艺方案的设计
• 2.3.1 奥氏体化温度和时间的确定
• 2.3.2 等温淬火温度和时间的确定
• 第三章 硝盐淬火介质冷却能力研究
• 3.1 硝盐淬火介质冷却能力研究背景
• 3.2 试验方案
• 3.3 加水量对盐浴冷却能力的影响
• 3.4 盐浴淬火温度对盐浴冷却能力的影响
• 3.5 淬火介质冷却能力的新认识
• 3.5.1 淬火介质的冷却特性曲线并不是热探头表面的淬火信息
• 3.5.2 冷却特性曲线和实际工件的冷却情况的关系
• 3.5.3 淬火介质冷却特性曲线的合理用途
• 3.6 本章小结
• 第四章 表面综合换热系数的测定
• 4.1 表面综合换热系数测定原理及方法
• 4.2 热探头的选取及传热模型的验证
• 4.2.1 热探头的选取
• 4.2.2 热探头传热模型的验证
• 4.3 淬火冷却曲线的采集
• 4.3.1 实验设备简介
• 4.3.2 淬火冷却曲线的采集
• 4.3.3 实验结果分析
• 4.4 逆向求解表面综合换热系数
• 4.5 本章小结
• 第五章 CADI 磨球新型热处理工艺试验研究
• 5.1 CADI 磨球等温淬火过程温度场数值模拟
• 5.2 CADI 磨球新型热处理工艺试验方案
• 5.3 盐浴停留时间对磨球组织及力学性能的影响
• 5.3.1 盐浴停留时间对磨球组织的影响
• 5.3.2 盐浴淬火时间对磨球力学性能的影响
• 5.4 加水量对磨球力学性能的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 CADI 磨球失效机理研究
• 6.1 落球疲劳试验原理及试验结果
• 6.1.1 落球疲劳试验原理
• 6.1.2 磨球失效判断标准
• 6.1.3 CADI 磨球落球疲劳试验结果及磨球失效形式
• 6.2 CADI 磨球落球疲劳试验中的应力数值模拟
• 6.2.1 ANSYS/LS-DYNA 有限元软件简介
• 6.2.2 有限元弹塑性模型的建立和求解
• 6.2.3 应力模拟结果及分析
• 6.3 CADI 磨球落球疲劳试验中表层剥落失效分析
• 6.3.1 落球冲击残余应力的影响
• 6.3.2 马氏体相变和加工硬化的作用
• 6.3.3 磨球材质及冶金质量的影响
• 6.4 CADI 磨球在矿山球磨机中的失效分析
• 6.4.1 CADI 磨球在矿山球磨机中的应用现状及失效形式
• 6.4.2 夹渣的形成机理及其对磨球失圆失效的影响
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果
• 致谢