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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、建材及电力行业大范围的应用，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，和别的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，会有某些特定的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及工况，我们最终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。因此就需要热处理来提高其韧性，以及耐腐蚀和抗老化性能。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，能够完全满足使用上的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，又没办法避免的现象。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。根据我们国家有关部门的统计，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的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。随着我们国家经济的飞速发展，科技的进步，耐磨材料的研究也是一个永恒的话题。很多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、建材及电力行业大范围的应用。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。都是利用非常快速地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，做成的锤头在使用的过程中可以极大的增加常规使用的寿命，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，设计不同的生产的基本工艺，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, 主要是利用非常快速地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, 随着上班时间的变长，锤头不断磨损, 工作区也不断发生明显的变化, 物料对锤头的磨损方式随之也发生明显的变化。锤头在工作期间锤头的磨损可大致分为两个阶段。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，使表面形状发生明显的变化，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。当锤头被磨损到某些特定的程度时, 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体现为冲刷磨损，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重要的因素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，而且还需要仔细考虑具体的工况和锤头的尺寸。从上面的锤头失效机制能够准确的看出，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，也会有某些特定的程度的腐蚀磨损。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，怎么样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仔细考虑腐蚀磨损，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，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。 但如果使用的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，通常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升材料的淬透性。铸造锤头通过热处理能大大的提升强度和韧性。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的基本工艺简单，初始硬度高，一般热处理后硬度 46 HRC，同时具有一定的韧性，能够完全满足锤头材料的使用上的要求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，其实就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，正常的情况下，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，具有非常好的耐磨性，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，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，所以采取对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，满足工件使用上的要求。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，一方面碳化物明显地增加，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。根本原因是碳量高时，形成的碳化物阻碍高温晶粒长大，此外碳量升高时，高温发生转变，而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 1.82.8。高铬铸铁在铸态和热处理态都具有非常好的耐磨性，但是铸态的高铬铸铁不一定可以得到要的组织，为了充分的发挥其耐磨性，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，其实就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挪动，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，一般都会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 +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非常好的耐磨性。但是,其基体主要为r体川,硬度较低。为了充分的发挥其耐磨性,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以下对材料来处理的一种技术。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。研究根据结果得出，适当的深冷处理可明显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。低温深冷处理能大幅度的提升多种材料的机械性能和使用性能，其作用机理的研究也比较广泛和深入，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稳定；(2)金属材料中马氏体内分布更多、更细、更硬的碳化物硬质点；金属的组织架构变得更均匀、更致密、更细化；(3)低温冷却的收缩可使材料本身存在的微小缺陷（如微孔、应力集中部位）产生塑性流变；复温过程中在空位表面产生残余应力，这种残余应力能减轻缺陷对材料局部强度的损害，最终表现为材料磨损抗力的显著提高；(4)对钢或合金来说，深冷处理能部分转移了金属原子的动能。原子间既存在使原子紧靠在一起的结合力，又存在使之分开的动能。深冷处理正是部分转移了原子间的动能，从而使原子结合更紧密，提高了金属性能。因此，深冷处理的全部作用为16：1)微观组织中出现了大量的细小碳化物；2)导致合金元素在基体和碳化物之间的分布不同；3)硬度没有或很少提高，但耐磨损性能提高；4)韧性提高。关于深冷处理在整个材料热处理的工序中所在位置，目前尚无统一的观点。有的采用回火后深冷，更多人采取回火前深冷的工艺。虽然深冷处理对材料性能的提高已得到人们的充分肯定，并且对其作用机理进行了深入的研究和探讨，但其间还存在着许多混淆和矛盾，使其工业化应用还有一定的困难:(a)对深冷处理温度与保冷时间的选择并未取得共识；(b)深冷解决方法与工艺顺序也与材料本身有关；(c)材料硬度及耐磨性的提高与深冷处理工艺的密切联系未得到一致认可；(d)深冷设备的差异和严重滞后成为其进一步机理探讨与工业化应用的最大障碍。3.3 亚临界热处理由于在高铬铸铁的显微组织中存在着硬度高(HV1200-1800)且彼此孤立分布而不连成网状的共晶碳化物(Cr,Fe)7C3,因而高铬铸铁既有较高的耐磨性又具有较高的韧性。几乎所有的高铬铸铁都要采用热处理以获得最佳的综合性能。为了尽最大可能避免大型铸件在热处理过程中变形、开裂以及降低生产所带来的成本,对高铬铸铁件可采用亚临界处理17-18。所谓亚临界热处理就是在Ac3临界温度以下进行热处理来获得性能符合标准要求的材料的热处理工艺。现在国内普遍采用的是高温淬火(空淬、风淬、雾淬、油淬)加低温回火的热处理工艺,但是,对于厚大件和有装配要求的铸件来说,就易产生裂纹和淬火变形大等问题。特别对于磨球和衬板等性能要求比较高的较厚大的铸件,铸态不容易获得马氏体基体,就只有先获得奥氏体基体,然后再经过处理得到马氏体基体,来获得高的硬度和良好的性能,最好的处理方法就是亚临界处理19。而且亚临界处理因为其加热温度较低,热处理工艺简单,能耗较小、成本低,适合于较小规模企业,值得推广。一般来说，直接浇注而成的，没有经过热处理的高铬铸铁的显微组织是由先共晶相(奥氏体和马氏体形成的枝晶)和共晶碳化物组成。通常，为了获得较好的耐磨损性能，希望高铬铸铁的基体为马氏体基体。铸件在A3以下的某一温度范围加热,将从基体中首先析出亚显微尺寸的特殊碳化物(M23C6等),起弥散强化作用,提高了硬度。由于碳化物的析出,奥氏体中碳及其它合金元素含量下降,提高了Ms点,在随后的冷却过程中奥氏体转变为铁素体、特殊碳化物(M23C6)或转变为马氏体,产生高铬钢的二次淬火现象,使残余奥氏体数量减少,硬度和耐磨性大幅度提升20。目前，国内外的研究者对于亚临界热处理提高高铬铸铁的硬度及耐磨性能做了大量的工作。采取不同的温度，以及保温时间，观察在不一样的温度和保温时间下高铬铸铁的硬度、组织、金相、冲击韧性等性能的变化，来找到最符合标准要求的亚临界处理温度以及保温时间，获得综合性能好的，满足需求的的高铬铸铁。下面列举了几个已经研究过的对高铬铸铁进行亚临界处理的方案来作为参考。钟运泽等人(1)试验方法：在箱式电阻炉中保温进行亚临界处理，在480、520、560和600的温度下分别保温 4、6、8、10和 12h，接着进行空冷。试样在磨制过后用王水进行腐蚀，观察金相；测定宏观硬度和显微硬度；用XRD衍射仪测定物相；做磨损试验。试验结果：1) 新型高铬铸铁铸态组织由枝晶状的残余奥氏体与莱氏体基体组成，组织中无粗大的一次碳化物。2) 亚临界处理由于枝晶区弥散析出大量高硬度的 M23C6型二次碳化物，硬度显著提升，最高达到690HV.3) 本试验条件下，高铬铸铁最优的亚临界处理工艺参数为6006h，此时高铬铸铁具有最好的耐磨性能21。(2)试验方法：浇铸成40-100mm直径的磨球,高铬铸铁球在铁模中冷却到600左右后再从铁模中取出空冷。高铬铸铁球冷却到室温后分别用线切割方法从磨球中间部位切割成101010mm3的亚临界处理试样和X衍射试样。将试样放在箱式电阻炉中加热到500、520、540和560，然后分别保温一定的时间后出炉空冷。在洛氏硬度计上测定高铬铸铁在亚临界处理的硬度,每个试样测5次，取其平均值作为试样的硬度，并用标准硬度块来校正硬度仪。 采用X Pert Philip型X衍射仪和磁性法相结合分析高铬铸铁基体组织中的奥氏体和马氏体的相对含量；用定量金相法测定高铬铸铁中的M7C3型碳化物的含量，每个试样测100个视场，取其平均值。用X衍射图中的奥氏体和马氏体的晶面间距(取三个晶面)计算其平均点阵常数。在JSM-5900LV型电子探针上观察高铬铸铁的显微组织，并用能谱分析其合金元素的分布。试验结果：(1)高铬铸铁的亚临界处理工艺具有能耗少、变形小和不易开裂的优点;高铬铸铁磨球适于用亚临界处理工艺进行热处理。(2)高铬铸铁磨球铸态组织由奥氏体、马氏体和M7C3型共晶碳化物组成。在亚临界处理过程中，奥氏体析出二次碳化物并在冷却过程中转变成马氏体。(3)高铬铸铁磨球在亚临界处理后，大球硬度达到57-60HRC,小球硬度达到58-62HRC；磨球本体冲击韧性大于4J/cm222。(3)试验方法：选择加热温度为400、450、500、520、550、600等6个加热温度。采用箱式电炉加热,分别保温4小时后出炉空冷。用线切割机从经过亚临界热处理的模拟试样中切取冲击试样和金相试样。冲击试样加工成2020110mm无缺口非标准冲击试样，金相试样尺寸加工成151520mm。硬度测定使用金相试样。试验结果：1)具有铸态奥氏体-马氏体基体组织的高铬白口铸铁经亚临界热处理(5204h)后，其基体为(A+M23C6)聚合物组织，这种混合组织具备优秀能力的力学性能和耐磨性能，并具有适当的韧性,硬度为60HRC，冲击值为6. 25J /cm2。2)高铬白口铸铁模板，制作流程与工艺简单，经亚临界热处理后，表层硬度高，且分布均匀，表面至心部硬度相差很小，耐磨性优良，其常规使用的寿命是10钢制模板的7倍以上23。4 总结 高铬铸铁自用作耐磨材料以来，由于其基体是高强度的马氏体，而且基体中分布着大量的高硬度M7C3型碳化物，所以其硬度很高，耐磨损性能优异。此外，M7C3型共晶碳化物之间是孤立的断续分布因而对基体的分割破坏减少,增加了基体的强度,具有较高的韧性。是一种理想的耐磨材料，逐渐超越了高锰钢，成了最广泛应用的耐磨材料。但是由于高铬铸铁产品使用的具体工况不同，对高铬铸铁的性能要求也就不同，对此，国内外的科学家做了大量的研究。最常见的热处理工艺就是淬火+回火处理，获得综合性能好的高铬铸铁。最近又发展起来了深冷处理，用深冷处理来获得马氏体量更大，分布更加均匀的高铬铸铁。但是深冷处理的研究没有淬火+回火那么成熟，很多概念还处于摸索阶段，而且具体的保温温度及时间没有一个共识，不能工业化。相比而言，亚临界热处理也能够最终靠二次淬火的机制来提高高铬铸铁的硬度及耐磨性能。而且亚临界热处理更为成熟，工艺简单，能耗低，节约生产所带来的成本。故本课题采用亚临界处理在前面研究的基础上来研究其对锤头用高铬铸铁组织及性能的影响。以期获得综合性能更为良好，满足需求的锤头用高铬铸铁。参考文献1 王延振 孟君晟.摩擦磨损与耐磨材料. 哈尔滨工业大学出版社.2013.32 周庆德，饶启昌，苏俊义铬系抗磨铸铁(论文汇编).西安:西安交大出版社，1987:3.3 向道平 唐建新 多种抗磨材料的抗磨性能综合评价研究 四川大学硕士学位论文2004.54 杨志红.提高锤式破碎机锤头寿命的措施. 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