金属丝增韧耐熔锌腐蚀合金的研究制备及应用

论文摘要

由于陶瓷锌锅内加热技术具有加热效率高、节约能耗、锌锅使用寿命长和维护方便等诸多优点,解决了传统铁锅外加热方式的许多弊端,该技术正在热镀锌生产领域广泛推广。解决热镀锌内加热技术的关键是加热器的外套管材料,要求材料既要耐高温熔锌腐蚀,又要满足一定的力学性能。本课题采用Fe-B耐熔锌腐蚀合金作为内加热器的外套管材料,目前该材料的耐蚀性能明显提高,但是力学性能比较差,经常在未达到设计使用寿命而突然失效,因此通过在耐熔锌合金中添加金属丝网来增加材料的韧性。本文主要研究了金属丝增韧机理本文首先利用软件模拟实际工况内加热器的应力分布,分析断裂原因,然后用离心铸造的成型方法制成内加热器,分析材料的腐蚀性能和力学性能,为实现金属基复合材料的产业化奠定理论基础。本课题首先利用模拟软件I-DEAS内热器,分析应力分布图发现断裂原因为应力分布不均导致的局部应力过度集中;然后研究试样的制备工艺,分析比较后,试验采用离心铸造工艺,浇铸温度最佳值为1280～1350℃,转速为1400 r/ min。本课题主要研究了丝网韧化后的材料的抗弯、冲击和耐蚀性等。试验发现金属丝网加入后,材料的抗冲击性能和抗弯性能有很大提高,抗冲击性能可提高50%,抗弯性能最高可提高3倍;耐熔锌复合材料在锌液中的腐蚀是扩散反应,优先腐蚀耐蚀性较差的α（Fe）,而且受温度和材料的添加成分的影响比较大。通过比较失重法和深度法两种耐腐蚀性检测方法,对于金属丝增韧耐熔锌复合材料失重法更为精确。600℃时腐蚀速率为12.168 g/m2·h,460℃时腐蚀速率为3.0289g/m2·h,较以前的材料有很大提高。研究材料的微观结构发现,加入增韧耐熔锌合金金属丝在成型时,一般会发生扩散反应,形成有铁硼合金和α（Fe）组成的过渡层（反应层）,如工艺控制合适,金属丝会很好保留下来,而且结合非常好。金属丝网增韧耐熔锌合金材料制成的内加热器已在的工业中应用,截至目前加热器已使用6个月,且情况良好,较未加进丝网的内加热器使用寿命有很大提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 热镀锌工艺和内加热器材料
• 1.1.1 热镀锌的发展现状
• 1.1.2 热镀锌加热方式
• 1.1.3 内加热器材料研究现状
• 1.2 液锌对材料的腐蚀机制
• 1.2.1 固体金属在液体金属的腐蚀形式
• 1.2.2 液态锌对铁基材料的腐蚀
• 1.3 金属基复合材料的研究进展
• 1.3.1 金属基复合材料分类及其应用
• 1.3.2 金属基复合材料的韧化
• 1.4 计算机辅助工程的研究进展
• 1.4.1 计算机辅助工程的技术特点
• 1.4.2 CAE技术的发展历程及现状
• 1.4.3 CAE与有限元分析
• 1.5 问题的提出
• 1.6 研究目标及内容
• 1.6.1 研究方法和目标
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 实验方法与设备
• 2.1 实验总体步骤
• 2.2 加热器应力模拟方法
• 2.2.1 应力分析试验研究步骤
• 2.2.2 可行性试验研究条件和方法
• 2.3 实验室试验研究方法
• 2.3.1 原料配比
• 2.3.2 试样成型
• 2.4 工业试验研究方法
• 2.4.1 试验方案设计
• 2.4.2 金属网的制作
• 2.4.3 表面处理
• 2.4.4 砂型铸造
• 2.4.5 离心铸造工艺
• 2.5 材料性能检测
• 2.5.1 抗冲击检测
• 2.5.2 试样抗弯的检测
• 2.6 试样耐锌液腐蚀检测
• 2.6.1 腐蚀试验条件
• 2.6.2 腐蚀速度的计算方法
• 2.7 材料的微观分析
• 2.7.1 试样的光学显微检测
• 2.7.2 试样的显微硬度检测
• 2.7.3 试样电子扫描显微镜和能谱检测
• 第三章 内加热器应力分布的数值模拟
• 3.1 内加热器的应力分布模拟
• 3.1.1 I-DEAS 分析过程
• 3.1.2 内加热器数据采集
• 3.1.3 合金加热器的几何模型的建立
• 3.1.4 合金加热器的约束和载荷
• 3.1.5 合金加热器的有限元模型的建立
• 3.1.6 合金加热器的模型求解
• 3.2 模拟结果分析
• 3.2.1 内加热器模拟结果分析
• 3.2.2 加热器结构改进方案
• 3.3 本章小结
• 第四章 金属丝增韧耐熔锌腐蚀合金的制备
• 4.1 砂型铸造工艺
• 4.1.1 制备试验的设计
• 4.1.2 砂型铸造结果
• 4.1.3 砂型铸造影响因素
• 4.1.4 金属丝添加数量
• 4.1.5 砂型铸造试验小结
• 4.2 工业试验
• 4.2.1 铸型转速的选择
• 4.2.2 浇注温度的控制
• 4.2.3 冷却制度
• 4.2.4 试验结果
• 4.2.5 工业试验小结
• 第五章 金属丝增韧耐熔锌复合材料的性能
• 5.1 冲击试验
• 5.1.1 冲击试样
• 5.1.2 实验结果分析
• 5.1.3 冲击试样的端口分析
• 5.2 抗弯实验
• 5.2.1 试样的制备
• 5.2.2 抗弯试验结果及分析
• 5.3 锌液腐蚀实验
• 5.3.1 锌液对复合材料的腐蚀研究
• 5.3.2 锌液对复合材料的影响因素
• 5.3.3 耐锌液腐蚀实验结果分析
• 5.4 微观组织和显微硬度
• 5.4.1 渗硼铁丝的微观结构和显微硬度
• 5.4.2 1#试样微观结构和显微硬度
• 5.4.3 3#试样微观结构和显微硬度
• 5.4.4 4#试样微观结构和显微硬度
• 5.4.5 5#试样微观结构和显微硬度
• 5.4 本章小结
• 第六章 金属丝增韧耐熔锌合金内加热的工业试验
• 6.1 合金外套管的服役环境
• 6.2 工业试验结果及分析
• 6.2.1 内加热器的工业应用试验
• 6.2.2 试验问题及改进措施
• 6.2.3 工业试验结果
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论
• 第八章 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文