纳米改性Cr-Mo-Cu合金铸铁磨损性能的研究

论文摘要

本文通过对Cr-Mo-Cu合金铸铁材料中加入纳米改性剂,制备出改性的合金铸铁材料。对制得的试样进行了组织结构分析和基本性能测试,并在销盘式磨损试验机上与GCr15钢磨球对磨进行了摩擦磨损试验,然后对该合金铸铁材料进行了摩擦磨损的有限元模拟,分析磨损过程中石墨形态对合金铸铁材料磨损性能的影响。SEM分析,Cr-Mo-Cu合金铸铁经纳米改性以后,其石墨形态由粗长、分散分布、数量较少的片状转变成了细小、菊花瓣分布、数量较多的蠕虫状;XRD分析,经过纳米改性的合金铸铁试样的衍射峰向小角度偏移和衍射峰的宽化。经纳米改性后材料密度由7.35g/cm3增加为7.43g/cm3;普通淬火态合金铸铁硬度为HV30348.55,纳米改性淬火态的硬度为HV30606.67,即使是纳米改性铸态的硬度也达到HV30516.55;经过纳米改性之后,合金铸铁的拉伸强度提高了1.4倍,冲击韧性增加了0.5倍。摩擦磨损试验表明:普通淬火态的合金铸铁的摩擦系数具有很大的波动,从0.480.56之间曲折变化,经纳米改性后,铸态的摩擦系数有微小的波动,数值为0.58,淬火态的摩擦系数基本没有变化,数值保持在0.63;经纳米改性后Cr-Mo-Cu合金铸铁的磨损率大幅度的下降,然而与之对磨的GCr15钢磨球的磨损率磨损率却大幅度增加。磨损机理研究表明:未进行纳米改性的主导磨损机制是粘着磨损;经过纳米改性后,氧化磨损的程度增加。磨削的生产实践表明:纳米改性的Cr-Mo-Cu合金铸铁制成的磨板,在磨削轴承钢球和钨合金球的过程中,磨板的耐用度、表面层磨削效率和使用寿命均有大幅度的提高。采用有限元模拟了摩擦磨损过程中磨损深度及应力-应变的变化规律,在只考虑表面石墨的情况下,石墨的长宽比在2时的磨损深度最小;考虑亚表面有石墨存在石墨的长宽比在5时的磨损深度最小。石墨长宽比为2只有表面石墨时的磨损性能略优于石墨长宽比为5具有亚表面石墨的磨损性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的
• 1.1.1 铸铁的发展趋势
• 1.1.2 铸铁的质量要求
• 1.1.3 研究目的
• 1.2 提高铸铁性能的方法
• 1.2.1 热处理
• 1.2.2 深冷处理
• 1.2.3 变质处理
• 1.2.4 合金化处理
• 1.3 纳米改性剂的作用
• 1.3.1 对耐磨铸铁力学性能的影响
• 1.3.2 对耐磨铸铁组织的影响
• 1.3.3 在铸铁中的应用
• 1.4 磨损
• 1.4.1 磨损的研究现状
• 1.4.2 磨损分类及特点
• 1.5 摩擦磨损的有限元描述
• 1.5.1 有限元法理论概述
• 1.5.2 ANSYS研究磨损问题的现状
• 1.5.3 有限元计算的过程简单描述
• 1.5.4 总体分析
• 1.5.5 引入边界约束条件
• 1.5.6 两类平面问题
• 1.5.7 PLANE182 单元简介
• 1.5.8 ANSYS中的力学模型简介
• 1.6 研究的主要内容
• 第2章 试验材料及研究方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 磨损试验
• 2.3 力学性能测试
• 2.3.1 密度
• 2.3.2 硬度
• 2.3.3 抗拉强度
• 2.3.4 冲击韧性
• 2.4 组织分析
• 2.5 ANSYS有限元模拟
• 2.5.1 建立模型的基本假设
• 2.5.2 模型的建立
• 2.5.3 模拟的基本过程
• 第3章 组织结构及性能表征
• 3.1 引言
• 3.2 组织分析
• 3.2.1 石墨形态
• 3.2.2 物相分析
• 3.3 材料的基本物理性能
• 3.3.1 密度
• 3.3.2 硬度
• 3.3.3 抗拉强度与冲击韧性
• 3.4 本章小结
• 第4章 铸铁磨损性能的表征与机理
• 4.1 引言
• 4.2 铸铁的磨损性能
• 4.2.1 摩擦系数
• 4.2.2 磨损率
• 4.2.3 G’值
• 4.3 材料的磨损形貌
• 4.3.1 磨损表面形貌
• 4.3.2 磨屑分析
• 4.4 磨损机理分析
• 4.4.1 粘着磨损机理
• 4.4.2 石墨形态的影响
• 4.4.3 硬度的影响
• 4.4.4 氧化过程的影响
• 4.4.5 晶粒大小的影响
• 4.5 实际生产应用
• 4.6 本章小结
• 第5章 摩擦磨损的ANSYS仿真计算
• 5.1 引言
• 5.2 接触问题简介
• 5.3 模拟结果的分析
• 5.3.1 只存在表面石墨的磨损模拟
• 5.3.2 存在亚表层石墨的磨损模拟
• 5.3.3 磨损深度的对比分析
• 5.4 磨损失效的机理
• 5.4.1 磨损过程分析
• 5.4.2 铸铁材料磨损的特点
• 5.4.3 铸铁磨损的破坏方式
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢