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毕业设计（论文）文献综述学生姓名：xxx学号：xxx专业：材料科学与工程班级：xxx设计（论文）题目：热处理工艺对锤头用高铬铸铁组织和性能的影响指导教师：xxx二级学院：材料科学与工程学院2015年3月19日热处理工艺对锤头用高铬铸铁组织和性能的影响摘要：锤式破碎机在于矿山、冶金、建材及电力行业广泛应用，本课题研究的是用于甘蔗撕裂机蔗刀上面的锤头。蔗刀用锤头在工作过程中，和其他行业使用的锤头相比，有锤头较小，所受应力较低，以及浸润在液体中，会有一定程度的腐蚀磨损等特点。传统的锤头用材质主要有高锰钢，高铬铸铁，以及低碳合金钢三种。根据蔗刀用锤头的性能要求以及工况，我们选择了高铬铸铁作为锤头的材质。由于高铬铸铁硬度高，但是韧性不好，易发生脆性断裂。因此需要热处理来提高其韧性，以及耐腐蚀性能。本课题组已经采用淬火+回火和深冷处理来研究了高铬铸铁的热处理工艺对高铬铸铁组织和性能的影响，获得综合性能更为优异的，可以满足使用要求的锤头用高铬铸铁。本课题是在前面工作的基础上，来研究亚临界热处理对高铬铸铁组织和性能的影响。关键词：高铬铸铁；甘蔗撕裂机锤头；热处理；深冷处理；亚临界处理引言两个物体表面发生接触且相对运动时，接触表面上就会发生摩擦，这是一种自然界非常普遍的，又无法避免的现象。而摩擦的发生就会伴随着材料的磨损。据不完全统计，能源的1/3到1/2消耗于摩擦与磨损。约80%的机器零件失效是由摩擦磨损引起的，所以磨损是机器最常见也是最大量的一种失效方式[1]。根据我国有关部门的统计，仅对我国冶金、煤炭、电力、建筑、农机等5个部门的不完全统计，金属件在与砂土、矿石、水泥相接触过程中被磨损的钢材量就在300万吨以上，再考虑因更换设备而降低的生产效率，每年所浪费的资金估计可高达30亿元[2]。因此，减少由这种摩擦磨损造成的损失是一件意义重大的事。影响摩擦磨损的因素有很多，最显而易见的就是机器零件在使用过程中的工况和材料本身的耐磨性能。摩擦磨损是发生在材料表面的，所以材料本身的耐磨性能是影响摩擦磨损最基本的因素。随着我国经济的飞速发展，科技的进步，耐磨材料的研究也是一个永恒的话题。各种类型的抗磨金属材料应运而生。它们包括一般碳钢和合金钢、高锰钢、镍硬铸铁、锰白口铸铁和铬锰白口铸铁、钨白口铸铁及铬白口铸铁等等。其中，高铬白口铸铁具有十分优良的抗磨料磨损能力，冲击韧性也优于其它合金白口铸铁，使其成为当代较为理想的抗磨材料[3]。锤式破碎机在于矿山、冶金、建材及电力行业广泛应用。而本课题所研究的锤式撕裂机和常见的锤式破碎机的工作原理基本一致，工作原理如图1所示。都是利用高速旋转的锤头冲击物料，使物料而破碎的破碎机械。锤式破碎机在工作过程中，锤头是最主要的易磨损部件，需求量很大，必须大量的储备。而高铬铸铁以其优异的耐磨性能，做成的锤头在使用过程中可以极大的增加使用寿命，因此广受欢迎。而不同的工作条件，对于锤头的性能的要求也有所差异，根据要求，设计不同的生产工艺，来获得在性能上满足需求的高铬铸铁。图1锤式破碎机工作原理1撕裂机锤头的失效机制锤式破碎机的结构如图2所示。锤式破碎机破碎物料时,主要是利用高速旋转的锤头将由高处落下的物料碎。在工作过程中并不是整个锤面全部用于破碎物料,而是只有靠近边缘的区域进行破碎,称之为工作区,随着工作时间的变长，锤头不断磨损,工作区也不断发生变化,物料对锤头的磨损方式随之也发生变化。锤头在工作期间锤头的磨损可以分为两个阶段。第一阶段：工作初期，锤头表面形状未发生改变时，主要受到撞击磨损。锤式破碎机锤头在工作期间，除受到物料的撞击外，还受到物料的冲刷，物料以正向力撞击金属表面产生塑性变形和撞击坑，这样长期反复使用，锤头的工作面就会受到破坏，使表面形状发生变化，如果用在可逆式破碎机上，锤头两侧的棱角就会被磨成光滑的圆弧面[4]；第二阶段：逐渐地转变为后期以冲刷磨损和显微切削为主。当锤头被磨损到一定程度时,锤头的工作面磨成圆弧后破碎效率低很多,表面受力就发生了变化这时主要表现为冲刷磨损，使金属从锤面上迁移[5]。尽管物料的撞击可对锤头产生一定量的加工硬化，但冲击力还不足以使锤头的工作面形成坚固的硬化层，造成锤头的耐磨性不够，最终使得锤头在工作初期失效。只好倒换锤面或更换锤头。以上只是通常情况下的失效机制，当磨损过程伴随着腐蚀磨损时。高铬铸铁的腐蚀是以相界腐蚀为主，它削弱了碳化物与基体的结合强度，使碳化物孤立，在随后的磨料磨损过程中，碳化物易折断或从基体掘出，从而丧失碳化物作为抗磨相的作用。因此相界腐蚀对高铬铸铁材料表面的机械性能破坏效应是腐蚀对磨损速度促进的主要因素[6]图2锤式破碎机结构2锤头材料的选择锤头材质的选择不仅需要从锤头的磨损机制考虑，而且还需要考虑具体的工况和锤头的尺寸。从上面的锤头失效机制可以看出，锤头的磨损过程中有撞击磨损，冲刷磨损和显微切削磨损等磨损形式。而甘蔗撕裂机的锤头在工作过程中由于浸润在液体中，也会有一定程度的腐蚀磨损。一般来说，锤头的硬度越高，其耐磨性也就越好。所以增加硬度是一种有效的提高锤头耐磨性的方式，但随着硬度的的增加，相应的锤头的抗冲击韧性就会降低。因此，如何提高锤头耐磨性的关键要兼顾锤头适宜的硬度和良好的抗冲击韧性，当然，甘蔗撕裂机的锤头在选材时还需要考虑腐蚀磨损，即锤头材料的耐腐蚀磨损性能。锤头常用的材料有：高铬铸铁、高锰钢、低碳合金钢三种。高铬铸铁是一种具有优良抗磨性能的耐磨材料，但是韧性较低，容易发生脆性断裂。由于高铬铸铁合金化程度比较高，用作耐磨材料时高铬铸铁材料是因具有较高的淬透性、淬硬性和耐磨性，以及较好的抗氧化和抗热疲劳能力，综合耐磨性要远高于铸造高锰钢锤头材料，是制作锤头理想的材料。高锰钢韧性好，工艺性好，价格低，在较大的冲击或接触应力的作用下，表面层将迅速产生加工硬化，而且其加工硬化指数比其他材料要高5-7倍，耐磨性得到明显的提高。但如果使用过程中冲击力不够或接触应力小，则不能使表面迅速产生加工硬化，甘蔗撕裂机锤头就是这种工作状态，高锰钢的耐磨性不能得到充分的发挥。所用合金钢的化学成分来看，一般用于锤头的耐磨铸钢属于中、高碳低合金钢和高合金钢。铬、镍、钼等是主要的合金元素，加入这些合金元素可以大幅度提高材料的淬透性。铸造锤头通过热处理可以提高强度和韧性。一般在热处理空冷或淬火条件下可获得马氏体、贝氏体或马氏体-贝氏体等复合组织，配合回火工艺可获得较好的强韧性。铸造合金钢锤头生产工艺简单，初始硬度高，一般热处理后硬度≥46HRC，同时具有一定的韧性，可以满足锤头材料的使用要求[7]。高锰钢锤头在应力较低的工况下，应力不足以使其发生加工硬化，其加工硬化导致的耐磨性不能得到充分的发挥，锤头寿命比较短，从经济性角度虑，不是很适合用来制作甘蔗撕裂机的锤头。而一般的合金钢锤头在破碎物料粒度不大、应力中等工况条件下，使用效果良好。但是甘蔗撕裂机的锤头工作过程中应力不大。综合甘蔗撕裂机使用的工况，以及各种耐磨材料的优缺点，本课题选择高铬铸铁作为制作撕裂机锤头的材料。3高铬铸铁热处理工艺高铬铸铁热处理加热过程，实际上是二次碳化物析出和溶入的动态过程，因此淬火温度和保温时间的选择是至关重要的[8]含铬量在12%～28%之间的白口铸铁就属于高铬铸铁。一般高铬铸铁的组织主要由马氏体、碳化物(共晶和二次碳化物)以及残留奥氏体组成[9]。高铬铸铁中各基体的显微硬度是：铁素体HV70-200，珠光体HV300-460，奥氏体HV300-600，马氏体HV500-1000。其中，马氏体的硬度最高，耐磨性能也最好，一般情况下，希望所得的基体组织是马氏体。但基体的选择应与其的工况相适应。高铬铸铁因为硬度高，具有很好的耐磨性，是用来制作甘蔗撕裂机锤头很好的材质选择。用作耐磨材料时高铬铸铁材料是因具有较高的淬透性、淬硬性和耐磨性，以及较好的抗氧化和抗热疲劳能力，但是其韧性较差，容易发生脆性断裂。而不同的工况对高铬铸铁的性能又提出了不同的要求，所以采取相应的热处理工艺来改善高铬铸铁中碳化物的形貌与分布状态，进而提高高铬铸铁的综合力学性能，以得到所需求的高铬铸铁，并获得高的性价比。对此，国内外研究者先后开发了多种工艺技术。比如通过调整铬碳比，加入各类合金元素，采用稀土变质处理和热处理工艺等来控制碳化物的大小和形态、二次碳化物量及弥散度以及基体组织(马氏体、奥氏体、索氏体)，从而调整性能，满足工件使用要求。目前对高铬铁普遍采用的热处理工艺950℃空冷淬火,230～280℃回火[10]。3.1淬火+回火碳是影响高铬铸铁硬度和韧性的主要元素。碳量高时，碳化物数量多，基体硬度高，耐磨性好。随着碳含量增加，一方面碳化物显著增加，且多分布在晶界上，故冲击韧度下降，另一方面，当碳量升高时，高铬铸铁的晶粒显著细化。主要原因是碳量高时，形成的碳化物阻碍高温晶粒长大，此外碳量升高时，高温发生α→γ转变，而γ相对高温晶粒长大不敏感，因此韧性随碳量增加出现极大值，为兼顾耐磨性和韧性，将碳含量控制在1.8％～2.8％。高铬铸铁在铸态和热处理态都具有很好的耐磨性，但是铸态的高铬铸铁不一定能得到需要的组织，为了充分发挥其耐磨性，常常处理成马氏体基体，使基体本身更耐磨，并能更好地支持碳化物，一旦化学成份和铸造工艺确定之后，碳化物的大小分布随之确定，这时热处理就成为材料耐磨性和韧性的决定性因素。高铬铸铁热处理加热过程，实际上是二次碳化物析出和溶入的动态过程，因此淬火温度和保温时间的选择是至关重要的。在一定温度范围内淬火温度越高，淬透性越高。随合金中含铬量的增加，二次碳化物开始析出的温度范围向高温方向移动，故合适的淬火温度也将随含铬量而变。同时，壁越厚，淬火温度应选得越高。由于高铬铸铁的奥氏体化是靠碳和合金元素的扩散来成，扩散速度决定了相变时间，也就决定了保温时间。保温时间一般可根据壁厚选择，厚壁件还要更长些。高铬铸铁经淬火后的冲击韧性变差，而硬度明显升高。因此在实际生产中，一般采用冷却强度较弱的空冷，避免铸件中出现裂纹，以防产生严重的后果。高铬铸铁件可在淬火状态使用，但淬火组织中往往有残余奥氏体，成为反复冲击工况下材料剥落的原因之一。淬火工件及时地回火处理不但可消除淬火内应力，还能使残余奥氏体量减少并转变为α+M7C3组织，使高铬铸铁产生二次硬化现象[11]。“淬火+回火”工艺高铬铸铁在铸态和热处理态具有很好的耐磨性。但是,其基体主要为r体川,硬度较低。为了充分发挥其耐磨性,常常处理成马氏体基体,使基体本身更耐磨,并能更好的支持、保持碳化物,化学成分和铸造工艺确定以后,碳化物的大小分布随之确定,这时淬火与回火工艺就成为材料耐磨性和韧性的决定因素。3.2深冷处理深冷处理又称超冷处理或超低温处理，是热处理工艺冷却过程的延续。深冷处理，是冷处理中的一种超低温处理方法。冷处理（SZ）可分为常规冷处理（CSZ）和深冷处理（SSZ），CSZ的处理温度约为-100℃以上，SSZ的处理温度则为-100℃以下[12]。也有文献[13]表明，深冷处理是在-130℃或-160℃以下对材料进行处理的一种技术。虽然定义不同，但都是在常规冷处理（0℃~-100℃）的基础上发展起来的一门新技术。早期的常规冷处理都采用干冰+酒精作致冷剂，能达到的低温在-40℃~-80℃之间。在对一些钢铁材料的常规冷处理的研究表明，常规冷处理主要是使淬火组织中的残余奥氏体转变为马氏体的相变得以充分进行，且能减轻或消除因热应力和相变应力而产生的残余应力，从而合金的耐磨性提高和尺寸稳定化，延长了工件寿命。研究结果表明，适当的深冷处理可显著提高高铬铸铁的硬度、抗冲击疲劳性能。淬回火工艺和深冷处理工序对高铬铸铁性能有一定的影响，铸态-淬火-SH深冷处理-回火的处理工艺可获得比铸态-深冷处理-淬火-回火的处理工艺更好的综合机械性能，即更好的硬度、抗冲击疲劳性能、抗微切削磨损和抗疲劳磨损性能等[14]。低温深冷处理能大大提高多种材料的机械性能和使用性能，其作用机理的研究也较为广泛和深入，且已基本取得共识。主要观点如下[15]：(1)金属材料中残余奥氏体向马氏体转化，并且能使马氏体组织及其性能更加