碳化钨颗粒增强钢（铁）基复合材料离心复合工艺及其磨损性能

论文摘要

本论文针对外表面局部或整体承受载荷或严重磨损的回转体零件,设计了回转体表面陶瓷颗粒局部复合强化结构,采用离心铸造的方法实现复合、成型一体化,成功制备了碳化钨颗粒增强钢（铁）基复合材料回转体。分别选取0.190-0.710mm间不同尺寸的铸造碳化钨颗粒作为增强相,贝氏体-马氏体耐磨铸钢、灰铸铁HT200作为基材,首先从理论上分析了预制块法、颗粒随流浇入法和预铺法三种不同制备方法中颗粒受力情况、颗粒运动方式、颗粒运动时间、铸型冷却时间以及成型工艺对所制备复合材料的影响；然后利用离心铸造工艺,在前期理论研究的指引下系统研究了三种制备工艺对回转体复合材料成型质量的影响；考察了所制备的颗粒增强回转体复合材料相对于标样高速钢（W18Cr4V）、高铬铸铁（Cr12）和40Cr的三体磨料磨损性能。预制块工艺中通过改变预制块中增强颗粒粒径大小以及体积分数的梯度变化,调整离心铸造工艺（提高浇注温度,铸型保温条件）,成功制备了颗粒选区增强钢（铁）基复合材料,但用这种方法成型的颗粒增强回转体复合材料复合层中存在缺陷、制备工艺繁琐以及生产周期较长等问题。颗粒随流浇入工艺中通过改变增强颗粒加入位置,实现颗粒与金属液的随流浇入,利用颗粒与基材的密度差,在理论计算指导下改变离心铸造工艺（铸型保温条件,浇注温度）,成功制备了颗粒梯度增强回转体材料,但由于这种工艺在轴向上没有用于将碳化钨颗粒均匀分布的动力,利用颗粒随流浇入法成型颗粒梯度增强复合材料时仅适用于成型轴向不长的回转体材料。为解决颗粒轴向分布问题以及提高生产效率,通过改变增强颗粒加入方式,自行设计铺粉机构,利用预铺法成型颗粒增强回转体材料,所成型的回转体复合材料中增强颗粒在轴向以及径向上均匀分布,回转体材料表面质量较好。颗粒与基材结合良好,没有气孔、裂纹和夹杂等缺陷,颗粒与颗粒之间无缠结、团聚现象。碳化钨颗粒因为粒径大小的不同而发生溶解,溶解的碳化钨与基材形成一层反应层实现冶金结合。常温三体磨料磨损条件下,增强相碳化钨颗粒凸起产生的”阴影效应”有效的保护了基体。复合材料平均体积磨损量是传统轧辊所用材料高速钢W18Cr4V的4.6倍,高铬铸铁Cr12的6倍,淬火40Cr的11.2倍,表现出了非常优越的耐三体磨料磨损性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外轧辊、磨辊材质综述
• 1.3 国内外轧辊、磨辊成型方法综述
• 1.3.1 国内外磨辊生产综述
• 1.3.2 国内外轧辊生产综述
• 1.3.3 几种轧辊成型方法的比较
• 1.4 课题研究意义和内容
• 第二章 离心铸造工艺及试验材料
• 2.1 离心铸造工艺参数
• 2.1.1 离心铸造机及铸型
• 2.1.2 铸型涂料
• 2.1.3 铸型预热
• 2.1.4 铸型转速
• 2.2 试验材料
• 2.2.1 基材选择
• 2.2.2 增强颗粒的选择
• 第三章 碳化钨颗粒增强钢（铁）基复合材料离心复合工艺
• 3.1 预制块法制备颗粒选区增强复合材料
• 3.1.1 预制块法工艺原理
• 3.1.2 颗粒选区增强复合材料制备工艺
• 3.2 颗粒随流浇入法制备梯度增强复合材料
• 3.2.1 颗粒在离心力场中的运动分析
• 3.2.2 增强颗粒在液态金属中的迁移时间
• 3.2.3 颗粒梯度增强复合材料制备工艺
• 3.3 预铺法制备颗粒增强复合材料
• 3.3.1 离心力场下多孔预制层铸渗分析
• 3.3.2 多孔预制层中铸渗前沿推进方式
• 3.3.3 颗粒增强回转体复合材料制备工艺
• 3.4 本章小结
• 第四章 工艺条件对离心复合材料复合质量影响
• 4.1 预制块法制备颗粒选区增强复合材料实验结果及分析
• 4.1.1 不同预制工艺对复合层质量的影响
• 4.1.2 不同基材对复合层质量的影响
• 4.2 颗粒随流浇入法制备梯度增强复合材料实验结果及分析
• 4.2.1 不同粒径增强颗粒及铸型保温条件对梯度增强材料复合层质量的影响
• 4.2.2 复合层界面分析及碳化钨颗粒的溶解
• 4.3 预铺法制备颗粒增强复合材料实验结果及分析
• 4.3.1 不同铺粉工艺对回转体零件中颗粒分布的影响
• 4.3.2 不同铸件壁厚及浇注温度对复合层质量的影响
• 4.3.3 复合层界面分析
• 4.4 三种不同工艺间实验结果的比较
• 第五章 颗粒增强回转体复合材料磨损试验
• 5.1 试验原理与方法
• 5.1.1 试验原理
• 5.1.2 试验方法
• 5.2 试验结果及分析
• 5.2.1 试验结果
• 5.2.2 磨损试验结果分析
• 5.3 小结
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究生期间主要成果