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轧辊用Al₂O₃p/20Cr25Ni20复合材料高温性能研究

作　者: 陈世敏
导　师: 卢德宏
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Al2O3p/20Cr25Ni20复合材料轧辊氧化抗热疲劳摩擦磨损
分类号: TG333.17
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

热轧辊的工作寿命主要由抗热疲劳性能和摩擦磨损性能决定,轧辊材料的发展从冷硬铸铁、高铬铸铁、半高速钢、高速钢,然后再到硬质合金,这些轧辊用材料存在寿命短和成本高等问题,不能满足市场上对轧辊材料的需求。因此,开发新的轧辊用钢,提高其使用寿命和降低成本,成为了一个重要的课题。近年来,复合材料轧辊因其优异的性能而受到重视,有望逐步取代目前被广泛应用的硬质合金轧辊。本文采用挤压铸造方法,制备了A1203颗粒增强20Cr25Ni20复合材料,利用扫描电镜、金相显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、洛式硬度计和摩擦磨损实验机等设备研究了材料的显微组织和硬度。重点分析了该材料的抗热疲劳性能以及和其他轧辊用材料的对比试验,分析了Al2O3p/20Cr25Ni20复合材料裂纹的萌生和扩展机理,研究了Al2O3p/20Cr25Ni20复合材料的摩擦磨损性能,并且与其他轧辊用材料进行了对比试验。实验结果表明：制备的Al2O3p/20Cr25Ni20复合材料,A1203颗粒均匀的分布于基体材料中,颗粒细小、组织致密、无缩孔和疏松,A1203颗粒与基体机械结合的较好。铸态的Al2O3p/20Cr25Ni20复合材料物相主要由[Fe, Ni]的化合物、Cr7C3组成,而热处理态的复合材料中除了上面的物相外,还生成了Fe2O3产物。Al2O3p/20Cr25Ni20复合材料的铸态硬度从复合层到基材逐渐减小,热处理后硬度有明显提高。Al2O3p/20Cr25Ni20复合材料在650℃保温5min,然后投入到20℃的冷水中激冷5min,这样反复循环热震30次在复合材料的宏观界面上出现了微小的裂纹,而Al2O3p/40Cr梯度复合材料在相同条件下热震30次未出现微裂纹,因此,可推测Al2O3p/20Cr25Ni20复合材料比Al2O3p/钢基梯度复合材料的抗热疲劳性能差,但是比A1203p/钢基复合材料,高速钢,高铬铸铁和硬质合金轧辊用材料的抗热疲劳性能好。本文研究了Al2O3p/20Cr25Ni20复合材料的高温氧化行为,在弱机械结合情况下,由于氧气和铁生成的氧化物和基体的热膨胀系数和弹性性能不匹配,裂纹首先在氧化层中萌生,随着氧化层厚度增加,会加速裂纹的生长,从各个方向生长的裂纹相遇就会搭接在一起,形成比较大的宏观裂纹。在相同的试验参数条件下,Al2O3p/20Cr25Ni20复合材料的耐磨性能较硬质合金耐磨性差,却比20Cr25Ni20耐热钢,高速钢,高铬铸铁轧辊用材料的耐磨性能优异。因此,为了提高复合材料高温的抗热疲劳性能和摩擦磨损性能,应该选择硬度较高的陶瓷颗粒和抗氧化性较好的耐热钢基体材料,并且应尽可能选择热胀膨胀系数比较接近的两种材料,减小其在高温工作中的热应力,提高其抗热疲劳性能。另外可以选择一个适当的陶瓷颗粒体积分数,使复合材料在高温下的耐磨性能最优化。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-21
  1.1 轧辊失效形式及研究现状  9-13
    1.1.1 轧辊的失效形式  9-10
    1.1.2 轧辊材质的发展趋势以及国内外研究现状  10-13
  1.2 陶瓷颗粒增强钢基复合材料概述  13-16
    1.2.1 陶瓷颗粒增强钢基复合材料的制备  14-15
    1.2.2 颗粒增强钢基复合材料轧辊的研究现状  15-16
  1.3 金属基复合材料热疲劳性能的研究  16-17
    1.3.1 热疲劳裂纹的形成机理  16-17
    1.3.2 热疲劳的影响因素  17
  1.4 金属基复合材料高温摩擦磨损性能的研究  17-19
  1.5 本课题研究的主要内容及意义  19-21
第二章复合材料的选用和制备  21-27
  2.1 材料的选用  21-23
    2.1.1 增强颗粒的选用  21-22
    2.1.2 金属基体的选用  22-23
  2.2 实验方案  23-25
    2.2.1 试样的制备  23
    2.2.2 热震方法  23-24
    2.2.3 磨擦磨损方法  24-25
  2.3 本章小结  25-27
第三章 Al_2O_3p/20Cr25Ni20复合材料的组织和硬度  27-33
  3.1 铸态和热处理态组织  27-30
    3.1.1 铸态组织  27-28
    3.1.2 热处理态组织  28-30
  3.2 铸态和热处理态的硬度  30-32
    3.2.1 铸态硬度  31
    3.2.2 热处理态的硬度  31-32
  3.3 本章小结  32-33
第四章 Al_2O_3p/20Cr25Ni20复合材料热震性能  33-49
  4.1 不同次数下的热震性能  33-35
  4.2 热震性能对比实验  35-43
    4.2.1 Al_2O_3p/20Cr25Ni20和单一Al_2O_3p/40Cr复合材料的对比  35-37
    4.2.2 Al_2O_3p/20Cr25Ni20和梯度Al_2O_3p/40Cr复合材料的对比  37-38
    4.2.3 Al_2O_3p/20Cr25Ni20复合材料和高速钢,硬质合金及高铬铸铁的对比  38-43
  4.3 裂纹的萌生和扩展  43-47
    4.3.1 裂纹的萌生  43-45
    4.3.2 裂纹的扩展  45-47
  4.4 本章小结  47-49
第五章 Al_2O_3p/20Cr25Ni20复合材料的摩擦磨损性能  49-57
  5.1 Al_2O_3p/20Cr25Ni20复合材料摩擦磨损性能  49-52
    5.1.1 实验参数的选择  50
    5.1.2 Al_2O_3p/20Cr25Ni20复合材料摩擦磨损性能  50-51
    5.1.3 Al_2O_3p/20Cr25Ni20复合材料摩擦磨损机理的分析  51-52
  5.2 摩擦磨损性能的对比  52-56
    5.2.1 复合材料和基体材料磨损性能的对比  52-54
    5.2.2 复合材料和其他轧辊用材料磨损性能的对比  54-56
  5.3 本章小结  56-57
第六章结论及展望  57-59
  6.1 结论  57-58
  6.2 展望  58-59
参考文献  59-65
致谢  65-67
附录攻读硕士期间研究成果目录  67-69

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