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    幾種耐磨材料在不同工況下的應用選擇

    2012-12-16 21:07:07      點擊:
    有工業就有磨損,磨損是工業中材料和能源消耗的主要根源之一。其中又以磨料磨損最為嚴重,約占各種磨損類型的50%。美國曾有統計,每年因磨損造成的經濟損失占其國民生產總值的4%。蜂窩陶瓷載體2004年底由中國工程院和國家自然科學基金委共同組織的北京摩擦學科與工程前沿研討會的資料顯示,磨損損失了世界一次能源的三分之一,機電設備的70%損壞是由于各種形式的磨損而引起的;我國每年因磨損造成的經濟損失在1000億元人民幣以上,僅磨料磨損每年就要消耗300多萬噸金屬耐磨材料,且還以每年15%的速度在增長。

    在不同的工況條件下其材料的磨損機理是不相同的.認識耐磨材料的磨損機制,研究磨損失效原因,建立耐磨性與材料組織性能之間的關系,正確選用耐磨材料,減少磨損,提高機械設備和零件的安全壽命,具有十分重要的理論意義和巨大的社會經濟效益。



    圖為整體噴煤槍、耐磨性好、安全性高

     

    2.我國目前通用的耐磨材料及其性能

    2.1 我國目前通用的耐磨材料有以下幾大系列:
    一是高錳鋼系列:如高錳鋼(ZGMn13)、
    高錳合金(ZGMn13Cr2MoRe)、超高錳合金(ZGMn18Cr2MoRe)等;
    二是抗磨鉻鑄鐵系列:如高、中、低鉻合金鑄鐵(如Cr15MOZCu);
    三是耐磨合金鋼系列:如中、低、高碳多元金合鋼(如ZG40SiMnCrMO和ZG35Cr2MoNiRe);
    四是奧貝球鐵(ADI)系列;

    五是各類復合或梯度材料及硬質合金材料:如碳化鉻復合材料(Cr2C3+Q235)、高能離子注滲碳化鎢材料(WCSP)、高韌硬質合金(YK25.6)等;六是各類非金屬耐磨材料:如聚合陶瓷復合材料、氮化硅(Si3N4)、增韌氧化鋯(Y2O3+ZrO2)、增韌三氧化二鋁(Al2O3/ZrO2)等。



    圖為各種規格的煤粉噴槍

    2.2 不同系列的耐磨材料性能比較:
    2.2.1 高錳鋼系列:其代表為高錳鋼ZGMn13。在承受劇烈沖擊或接觸應力下,其表面會迅速硬化,而芯部仍保持極強的韌性,外硬內韌既抗磨損又抗沖擊。且表面受沖擊越重,表面硬化就越充分,耐磨性就越好。由于高錳鋼自身硬度很低(HB170-230),在未硬化時耐磨性是極其有限的,若高錳鋼件表面所承受沖擊力不足,則表面不能充分硬化(充分硬化后表面硬度可達HB550以上,反之則在HB350以下)則耐磨性無從發揮,而呈現出不耐磨狀況。
    2.2.2 抗磨高鉻鑄鐵系列:按組織結構和使用情況,鉻系鑄鐵可以分為三大類:第一類為具有良好高溫性能的鉻系白口鑄鐵。這種鑄鐵含鉻量為33%,其組織多數為奧氏體和鐵鉻碳化物,有時也出現鐵素體。這種合金除具有一定的耐磨性外,在溫度不高于1050℃的高溫工作條件下,具有良好的抗氧化性能。第二類為具有良好耐磨性的鉻系白口鑄鐵(簡稱高鉻鑄鐵)。這種鑄鐵中除含有12~20%的鉻外,還含有適量的鉬。這類鑄鐵凝固后的組織為(Fe,Cr)7C3型碳化物和γ相。當基體全部為馬氏體時,這種合金的耐磨性能最好。如果基體中存在殘余奧氏體,通常要進行熱處理。第三類為低鉻合金白口鑄鐵。與普通白口鑄鐵相比,這種鑄鐵中碳化物的穩定性更好。
    2.2.3 耐磨合金鋼系列:又分為低合金鋼、中、高合金鋼。耐磨合金鋼可通過調控化學成份和熱處理工藝獲得必要的材料的沖擊韌度和硬度指標。硬度可達HRC=52~58,韌性可達到ak=15~30J/cm2。
    2.2.4 奧貝球鐵(ADI)系列:它是通過等溫淬火熱處理或加入合金元素,使球鐵基體組織由鐵素體、珠光體轉變為奧鐵體、貝氏體和殘余奧氏體。ADI具有以下一些獨特的優點:①強度高、塑性好。②彎曲疲勞和接觸疲勞等動載性能高。ADI的旋轉彎曲疲勞強度可達400~500MPa,與調質處理低合金鋼相當,ADI的接觸疲勞強度可達1600~2100MPa,比低合金鋼氮化處理和滲碳處理的接觸疲勞強度高。③吸震性好。ADI由于彈性模量低,加上基體中存在石墨球,能迅速吸收震動并增大了噪音阻尼,使部件的運行更安靜和平穩。④極好的耐磨、抗磨性。ADI的耐磨性能,比任何同等硬度水平的鋼都好。⑤加工性能好:ADI大部分機械加工可以在等溫淬火前完成,此時一般為鐵素體球鐵,其加工性能顯著好于鋼。
    2.2.5 復合或梯度材料系列:其代表是高能離子注滲碳化鎢材料(WCSP)和碳化鉻復合材料(Cr2C3+Q235)。滲碳化鎢材料(WCSP)是采用高能離子注滲技術向鋼鐵零部件表層注滲碳化鎢(WC).WC和鋼基體兩者是冶金結合,優勢互補。表面具有WC的高硬度,高耐磨性。心部則保留了所選鋼基體原來的硬度、強度和韌性。在表層與心部之間還存在一個性能漸變的梯度過渡區,有效地避免了性能突變時可能引起的材料破壞!3〕
    錘用硬質合金:相對于高錳鋼和高鉻合金鋼,錘用硬質合金具有更高的硬度和耐磨性。
    YK26.5: 密度:14.58(g/cm3);硬度(CHRA): 87.5;抗彎強度: 2650(MPa);斷裂韌性: 12——16(MPam1/2)
    2.2.6 非金屬耐磨材料系列
    非金屬耐磨材料種類很多,其代表材料有陶瓷復合材料、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、增韌氧化鋯(Y2O3+ZrO2)、增韌三氧化二鋁(Al2O3/ZrO2)等。
    陶瓷復合材料:陶瓷是金屬元素和非金屬元素組成的晶體或非晶體化合物,熔點高、硬度高、剛度強、化學穩定性好。耐磨陶瓷涂料是一種非金屬膠凝材料,它是采用耐酸和耐堿的人工合成的粉狀陶瓷材料。
    特點:
    (1)高的機械強度和剛度:密度大,強度可達130Mpa,能有效抵御物料的沖擊力和剪切應力.
    (2)優良的韌性和抗震性:由于陶瓷耐磨料采用無定向剛纖維和定向網狀增強措施,通過耦合進一步改善韌性,所以斷裂韌性強,可有效防止沖擊力造成的破損和剝落.
    (3)環境相容性好.
    強韌化陶瓷:其代表為增韌氧化鋯(Y2O3+ZrO2)、增韌三氧化二鋁(Al2O3/ZrO2)等結構性陶瓷。具有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、高強度、高硬度等優點。
    可適應金屬和高分子材料難以承受的環境和工況條件。具體指標如下:
    材料 強韌氧化鋯 強韌三氧化二鋁 氮化硅
    組成 Y2O3+ZrO2 Al2O3/ZrO2 Si3N4
    密度g/cm3 6—6.05 3——4.5 3.2
    硬度CHRA 89 85——88 93
    抗彎強度MPa1000—1200 300—500 900
    斷裂韌性MPam1/212—14 5—7 8.5
    3.耐磨材料的磨損機理
    磨損——由于機械作用造成物體表面材料逐漸損耗。磨損失效——由于材料磨損引起的機械產品喪失應有的功能。而磨料磨損在整個磨料損耗中所占的比重超過50%。所謂磨料磨損:是由外部進入摩擦面間的硬顆;蛲怀鑫镌谳^軟材料的表面上犁刨出很多溝紋,產生材料的遷移而造成的一種磨損現象。分析耐磨材料的磨損機理須從機件磨損的外在環境條件和耐磨材料內在特性兩個方面進行考慮。
    3.1機件磨損的外在環境條件:有硬度、力度、速度、角度、溫度、濕度、粒度等幾個方面。
    3.1.1 硬度:在磨損的諸多特性中,物料硬度的影響最為重要。
    3.1.2力度;這里特指物料對磨料的壓力。隨著磨損壓力的增加,磨損量隨之增大,因為隨著壓力的增大磨料對材料的刺入深度增加,對材料表面進行切削變形的能量隨之增強。
    3.1.3速度:對于不同磨損種類,磨損速度的影響是不同的;瑒幽p情況下,速度的影響并不明顯。沖蝕磨損速度對磨損有重要影響,當沖擊速度高到一定程度時,原本在滑動磨損或低速情況不造成磨損的物料此時也可以造成磨損。
    3.1.4角度:沖蝕磨損中沖擊角度對磨損的影響非常大。沖擊角度對脆性材料和韌性材料的影響不同。對于陶瓷等脆性材料,隨著角度的增加磨損量增加,在接近90°角的垂直沖擊條件下,磨損量達到最大,這表明脆性材料不適合在大角度沖蝕工況下使用;對于韌性材料,磨損量先是隨著沖擊角度增加而增加,在某一角度時達到最大值,其后隨著沖擊角度的增加磨損量隨之下降。這表明韌性材料在低角度工況下工作容易發生磨損,而在高角度時則可充分發揮其耐磨性。這是因為韌性材料硬度較低,低角度沖蝕時磨粒對表面的切削最有利,磨損量即上升,而脆性材料在垂直沖擊時,材料表面最容易碎裂剝落,所以磨損量最大。
    3.1.5溫度:隨著溫度的升高磨損隨著加大。
    3.1.6濕度:實際工程中,在金屬摩擦副的情況下,液體進入對磨界面,磨損可以大大下降;可是在磨料磨損的情況下,磨料中有水分進入,磨損反而變得嚴重。
    3.1.7 粒度: 磨料粒徑:對磨損的影響最初隨著粒徑的增大磨損呈線性關系增大,當達到某個數值即所謂的臨界粒徑之后,磨損的增長就變得緩慢,或者出現不再增長的情況。
    更有意義的是物料與磨料的相對硬度,或者說是硬度比值。從對磨料磨損進行的大量試驗發現,物料硬度與磨料硬度的比值與磨損量之間有如圖2中的關系。圖2中H1和H2分別
    為物料M1和M2的硬度。兩種不同硬度物料隨著磨料硬度變化時的磨損體積變化以及兩種物料磨損體積之比的變化規律,在圖2中,對于較軟的物料M1而言,當磨料的硬度小于物料的硬
    度H1時,隨著磨料硬度的增加,磨損上升緩慢,而當磨料的硬度上升到物料硬度左右時,磨損對磨料硬度最為敏感,當磨料硬度超過物料的硬度后,繼續提高磨料的硬度對磨損沒有影響。對于硬物料M2也存在同樣變化規律,歸納起來可以將磨損分為三個區域:Ⅰ低磨損區,Hs(1.25~1.13),式中Hm為材料的硬度,Hs為磨料的硬度,Ⅱ過渡磨損區,0.8Hs 過渡磨損區Ⅱ:大多數的磨損常常發生在Ⅱ區,這時礦物與工件的硬度接近,提高工件的硬度可以顯著地提高工件的耐磨性,這一情況對于失效分析和耐磨材料的選擇具有指導意義。

    當磨料硬度進一步增加時,即進入高磨損的Ⅲ區,此時磨損不再隨磨料的硬度增加或增加得緩慢,在此區內盲目提高材料的硬度,無助于磨損的改善,并且增加了成本.



    4.結論
    人們往往認為材料越硬越耐磨。實際上,盲目地追求硬度并不一定能取得理想的效果,反而會使成本大幅度提高,造成浪費。如有試驗表明高鉻鑄鐵是一種優秀的耐磨材料,但是在接近90°角沖蝕磨損時其耐磨性還不如20號鋼,因此在大角度沖蝕磨損時,就不應選擇這類脆性較高的材料。相反,在小角度或滑動磨損工況下,高鉻鑄鐵遠比20號鋼要耐磨的多。耐磨材料應何時何地如何應用,須科學研究分析使用服役條件,充分掌握耐磨材料的性能特點,揚長避短,方能取得應用的成功。
    高錳鋼韌性有余而耐磨性不足;各類合金白口鑄件硬度高、耐磨性好,但韌性較差,安全可靠性低;中低合金耐磨鋼介于前兩者之間,奧貝球鐵目前缺少普遍的應用,有待進一步的認識。而聚合陶瓷復合材料、氮化硅(Si3N4)、增韌氧化鋯(Y2O3+ZrO2)、增韌三氧化二鋁(Al2O3/ZrO2)等非金屬材料使用在高磨損低角度沖擊的場合比金屬材料的使用效果更佳。
    在用于高應力磨料磨損和沖擊作用不太強的碰撞磨損條件的耐磨件,大都采用高鉻鑄鐵。如碎礦輥、錘式破碎機錘頭、球磨機襯板等。破碎機的護板、輸送機的殼體、葉片、斗等應用碳化鉻復合材料(Cr2C3+Q235)、高能離子注滲碳化鎢材料(WCSP)效果更好。
    此外,由于高鉻鑄鐵具有相當好的耐蝕性能,一些同時經受磨料磨損和腐蝕作用的耐磨件,如濕磨機部件、渣漿泵葉輪和內襯等,宜用高鉻鑄鐵制造.在有強沖擊作用,要求耐磨機件有相當高的韌性,以避免機件破裂的場合,錘用硬質合金和增韌氧化鋯(Y2O3+ZrO2)是一個很好的選擇。若破碎機顎板破碎巖石,挖掘機挖取堆積石塊等,則采用高錳鋼鑄件或表面淬硬的低合金鋼鑄件。
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