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球墨铸铁热处理工艺同纳米技术在球墨铸铁件中的应用

日期:2020-04-10 17:18点击:次
球墨铸铁(简称球铁)自上世纪四十年代问世并投入生产以来以其耐磨、减振和生产成本低廉等优点得到了迅猛的发展。迄今为止,球铁在汽车、机车车辆、机械机床及配件、铸铁管等生产中获得了广泛的应用。
其一、球墨铸铁热处理工艺
  球墨铸铁(简称球铁)自上世纪四十年代问世并投入生产以来以其耐磨、减振和生产成本低廉等优点得到了迅猛的发展。迄今为止,球铁在汽车、机车车辆、机械机床及配件、铸铁管等生产中获得了广泛的应用。我国球铁在2006年的产量己增长为680多万吨,约占当年世界球铁总产量的31.6%,在铸铁件中所占的比重也由1997年的14.1%增至24一25%,仅球铁曲轴年产量就达到约20万吨,1000万根以上。球铁铸件除了产量大,种类多之外,目前厚大球铁件也在不断研发和生产。球铁依然是本世纪最为重要的工程结构材料之一。
  随着现代装备向轻量化、节能、高效的方向发展,人们对球铁的强度和使用性能的要求也不断提高。因此,铸造和冶金工作者通常采用铸造合金化,抑或通过热处理工艺来达到提高球铁机械性能的目的。但是,前者因在球铁铸造过程中需添加昂贵的合金元素(如Ti、Cu等),使球铁件的生产成本大大增加,这极大地削弱了球铁件廉价的市场优势;后者耗时、耗能的弊端使球铁生产失去了市场开发的竞争力。而且,球铁较合金钢韧性差,目前球铁强化手段对冲击韧性的提高非常有限。
  金属塑性加工理论经上世纪四十年代发展成为一门单独的应用学科以来,涌现出大量的新设备和新工艺。它是金属材料在外力作用下成形的同时改善和提高其内部组织、性能,尤其是铸造组织的一种加工方法。通过金属在塑性状态下的体积转移,充分提高了制件的材料利用率,提高了制件的强度和工件的精度。而在高温塑性变形过程中,将金属的形变和相变结合在一起的热机处理过程不仅能提高材料的强度,改善金属微观组织,还可以大大提高生产效率,节省了不必要的能源消耗,典型的塑性加工工艺有连铸连轧、锻造余热淬火、控制轧制、超塑性成型等。
  由于塑性变形不仅可以合理消除球铁中缩孔、缩松等收缩类铸造缺陷,提高球墨铸铁强度和综合使用性能,还可以减少甚至替代现有的一些合金化和热处理工艺,达到减低成本,增加生产效率,降低能源消耗的目的。因此,将塑性成形工艺应用在球铁材料上势在必行。通过塑性变形提高球铁的强度和冲击韧性,将最大限度地发挥球铁自身优良的耐磨性、减震性以及低廉的生产成本等特点,也为球铁齿轮、轴承甚至曲轴类工件的应用开辟更广阔的空间。
  但是,目前国内外对球铁可塑性的研究非常匾乏,尤其是系统地分析球铁在高温下的塑性行为,以及变形对球铁微观组织变化的影响规律尚不多见。这严重影响了塑性加工工艺在球铁中的应用,也阻碍了球铁产业的进一步扩大发展。
  其二、纳米技术在球墨铸铁件中的应用
  纳米技术是近些年发展起来的一种微粒尺寸在1~100nm之间的高性能材料。由于纳米材料具有良好的耐磨性及抗高温性能,因此在表面处理中已成为一种新途径。但因受纳米材料成本之约束,目前能运用于实际生产的主要是纳米复合涂层处理。所谓纳米复合涂层处理,是指在零件表面涂覆一层含有纳米材料的复合涂层(在纳米复合涂层中除纳米材料外还有其他相存在),这种复合镀层具有超强的耐磨性和自润滑性,此外还具有高热稳定性和耐腐蚀性,并且因为涂层为多层复合,因此涂层与基体结合力及涂层的韧性非常高,大幅提高了零件的疲劳抗力,使零件的使用寿命大幅延长。
  试验证明,如果将这种纳米复合涂层涂覆在球墨铸件表面,能使球墨铸铁件表面具有纳米材料的优异特性及复合涂层的综合力学性能。当然,尽管纳米复合涂层技术在实验阶段已取得不少成果,但目前能够真正实现商业化的纳米复合涂层技术主要还是添加性的纳米复合涂层技术。目前添加的纳米颗粒主要有纳米氧化物、纳米碳化物、纳米氮化物以及纳米金属和纳米合金,具体添加那种纳米颗粒应视球墨铸铁件表面要求的力学性能而定。
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