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材料的硬度与耐磨性关系


考虑其他因素的情况下硬度越高耐磨性也就好,铸铁的耐磨性好是因为灰铸铁内含有片状石 墨的,我们知道石墨具有润滑性能.所以铸铁虽然硬度低但是耐磨性好就是因为石墨的减磨. 还有就是表面的光洁度,表面光洁度越高,摩擦越小相对来说同种材料根据表面处理不同,硬 度跟耐磨性是成正比的. 材料的硬度越高,耐磨性越好,故常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。 但是耐磨性最好的材料不一定硬度高

.最常用的耐磨材料比如铸铁硬度就不高,发动机的凸轮 轴就常用铸铁.更典型的还有滑动轴承里的耐磨层是巴氏合金硬度也不高.还有蜗杆蜗轮减速 器里为了增强耐磨性,一般用硬度低青铜合金做蜗轮. 耐磨,要求的是嵌入性和摩擦顺应性. 就是材料磨过后能最快的形成两摩擦面的凹凸相配合的磨擦面. 如果单纯追求表面硬度.过硬的材料不容易磨合.反而会降低摩擦面的耐磨性.

根据磨损的机理: 如果是切入式磨损,则提高表面硬度可以较好的提高耐磨性;而如果是冲击性磨 损,则提高的效果会差一些。

高锰钢大家应该很熟悉,有很好的抗冲击耐磨性。韧性好的奥氏体,在冲击时发 生强烈的加工硬化, 提高表面硬度, 达到硬度和韧性的很好结合, 耐磨效果很好。 如果材料中含有如石墨、六方氮化硼、硫化铁等具有片层状结构的物质,在摩擦 中这些物质起固体润滑剂的作用,可以提高耐磨性。常见的铸铁,飞机发动机里 的封严涂层等。 塑料与金属对磨时,塑料有很好的适应性,而且还可在金属表面形成薄薄的一层 转移膜,改善耐磨性能。往复式压缩机的采用 PEEK 阀片代替金属阀片,就是一 个很好的例子。 巴氏合金则是有油润化条件下的一个非常经典的合金。 它的结构是硬质点分布在 软相上,摩擦中,硬质点起支持作用,软相被稍微多磨掉一些,形成的空隙正好 容纳润滑油,改善润滑条件。 总体说来,俺觉得摩擦是两个东西间的事,就跟爱情一样,鲜花插错地方效果肯 定不好。硬度高不等于耐磨性好。硬度高耐磨好,作为一个经验性的初步判断, 还是有用的。

我的理解: 磨损其实应该是接触表面应力范畴 也就是在一定的压力下,运动的两种金属相互作用,材料消耗的比例。 ------------在这种情况下, 硬度高的比低的耐磨性好 润滑好时候比差的时候好 表面比压小比大的耐磨好(含接触面积和压力)

表面粗糙度低的比高的好 内部结构是碳化物比其它晶体结构(马氏体,铁素体等)好

耐磨性是指抵抗摩擦作用的能力影响这种能力的因素不仅取决于钢的成分、 组织 和性能如硬度碳化物特性、数量、形状与分布还与使用条件和拉伸工艺密切相关 如:线材表面粘有大量的灰层沙粒。 硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标, 它既可理解为是材料 抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力,也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏 的能力。 如果在相同的条件下(相同的磨擦系数、成分、组织、环境条件等等),硬 度和耐磨性存在非线性的正比关系。

球墨铸铁
球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨,有效地提高了铸铁的机械性能,特别是提高了塑性和韧性, 从而得到比碳钢还高的强度。球墨铸铁是 20 世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料,其综合性能接 近于钢,正是基于其优异的性能,已成功地用于铸造一些受力复杂,强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。 球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料。所谓“以铁代钢”,主要指球墨铸铁。 球墨铸铁-成分

生铁是含碳量大于 2%的铁碳合金,工业生铁含碳量一般在 2.5%--4%,并含 C、SI、Mn、S、P 等元素,是 用铁矿石经高炉冶炼的产品。根据生铁里碳存在形态的不同,又可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁等 几种。 析出的石墨呈球形的铸铁。球状石墨对金属基体的割裂作用比片状石墨小,使铸铁的强度达到基体组织强 度的 70~90%,抗拉强度可达 120kgf/mm2,并且具有良好的韧性。球墨铸铁除铁外的化学成分通常为: 含碳量 3.6~3.8%,含硅量 2.0~3.0%,含锰、磷、硫总量不超过 1.5%和适量的稀土、镁等球化剂。 球墨铸铁-性能 球铁铸件差不多已在所有主要工业部门中得到应用,这些部门要求高的强度、塑性、韧性、耐磨性、耐严 重的热和机械冲击、耐高温或低温、耐腐蚀以及尺寸稳定性等。为了满足使用条件的这些变化、球墨铸铁 现有许多牌号,提供了机械性能和吻理性能的一个很宽的范围。 如国际标准化组织 1501083 所规定的大多数球墨铸铁铸件,主要是以非合金态生产的。显然,这个范围包 括抗拉强度大于 800 牛顿/毫米, 延伸率为 2%的高强度牌号。 另一个极端是高塑性牌号, 其延伸率大于 17%, 而相应的强度较低(最低为 370 牛顿/毫米勺。 强度和延伸率并不是设计者选择材料的唯一根, 而其它决定性

的重要性能还包括屈服强度、弹性模数、耐磨性和疲劳强度、硬度和冲击性能。另外,耐蚀性和抗氧化以 及电磁性能对于设计者也许是关键的。为了满足这些特殊使用,研制了一组奥氏体球铁,通常叫傲 Ni 一 Resis 亡球铁。这些奥氏体球铁,主要用锌、铬和锰合金化,并且列入国际标准。 球墨铸铁-应用

球墨铸铁的应用范围可以分为四个部门:(1)压力管遭和配件;(2)汽车应用;(3)农业、道路和建筑应用;(4) 一般工程。

1:压力管道和配件 球墨铸铁用作管道开始时,铁管道和配件大多数由主要工业国家生产,它们的制造、设计和使用既符合国 家标准,也符合国际标准和实施规程(I502531)。就运送水和其它液体来说,早就证明球铁管道要优于灰铸 铁管道。这种转变的主要原因在于铁素体球墨铸铁的强度和韧性的配合,使得由这种材料所制成的管道能 经受高的运行压力,在铺设时能草率装卸。席气输送管道必须能经受多使用条的要求,即经受在管道附近 的挖掘和市政工程施工以及交通运输等,这里球铁管道的高强度、高切性和简单的安装及连接工艺已经证 明选用这种材料是果断的。

2:汽车应用 就生产的吨位而论,汽车工业是球墨铸铁铸件第二用户,其数项最多。球铁应用于汽车中的三个主要地方: (1)动力源一发动机部件;(2)动力传递一一齿轮系、齿轮和轴套;(3)车物悬置、制动器和转向装置。动力源 曲轴是承受连续变化的弯曲、扭转和剪切载荷的零件,并且在它的使用寿命内,要循环十亿次,汽车设计 的工程师们早在 19152 年即在发现用镁处理的方法四年之后,就立刻考虑采用球铁的可能性。福特汽车公 司的几乎所有曲轴都用这种材料来制造。世界上大多数汽油机汽车都装上球铁曲轴来代替锻钢曲轴,这种 应用被认为是价值工程的典型例子。 汽车柴油机的制造者们从延长发动机的使用寿命出发,特别谨慎地考虑曲轴材料的选抒,当高强度的贝氏 体等温悴火球铁为了提高动力重量比,涡轮增压器的扩大使用影响了材料的设计根据,装有涡轮增压器的 排气管的温度提高到 500 一 70。C,在这种条件下,氧化和蠕变强度变得重要了。具有优良性能的球铁正 在取代灰铸铁应用于排气管,随着温度的提高,将更进一步使用硅铝合金球铁。 汽车动力传递可锻铸铁件有时用作汽车的传动部件,将球铁应用于圆片离合器、分速器箱、后轴和轮壳等 的强烈的趋势。瑞士 Sehaffhausen 的 G.Fiseher 铸造厂在这方面有许多应用,他们与设计者紧密合作,把铸 钢件、锻钢件以及可锻铸铁件转变为球墨铸铁件。悬置件现在,铁经常用作悬置部件如弹簧挂钩以及制动 系统主要安全部件(制动卡钳)和转向关节。

3:农业、道路和建筑应用 现代的经济的农业方法要求能提供在需要的状态下可靠的和使用寿命较长的农业机械。整个农用工业中所 广泛使用的球铁铸件包括各种拖拉机配件、犁桦、托架、夹钳和滑轮。典型的部件是农用车俩后轴壳,‘它 原来采用铸钢件。道路铺设和建筑工业都需要相当数量灼各种各类的设备包括推土机、打进机、起重机和 压缩机,球铁铸件在这些方面都有应用。

4:一般应用 机床工业利用球铁的工程性能,它允许设计复杂的机床部件以及铸件重量超过 10。吨的重型机器铸件。在 应用包括注射塑模板、锻压机汽缸和活塞。球铁的抗拉强度和屈服强度高,机械加工性能好,允许生产较

轻铸件而使其保持刚性。同样,球铁的强度和韧性使其成为各种手工工具,如扳手、夹钳和量具的理想材 料。 造纸机工业利用了球铁高的强度和高的弹性模数。例如与灰铸铁相比,球铁的弹性模数高 60%,设计压力 滚筒和干燥滚筒时能减少重量。同样,球铁(适当加入镍锢合金)轧辊应用于钢厂,比起钢和冷硬铸铁来有 较高的性能。

5:阀制造 阀的制造者们是球铁(包括奥氏体球铁)的主要使用者,其应用方面包括成功地输送各种酸、盐和碱性液体。 球铁在阀的应用方面的一个有趣的例子是球阀塞由英国 Parkfeld 制造厂生产。 用于 1420 毫米煤气管道的大 型球阀塞,原先用锻钢制造,直径 2410 毫米、重量 17 吨。基本上重新设计的球铁球阀塞重量仅 n 吨。附 加的好处包括减少机械加工余量和加工时间以及提高了总的精度。 完全铁素体球铁(1501085 牌号 370 一 27) 应用于这些球阀塞。铁素体球铁(GGG40)用作用过的原子核燃料杆(仍含有 50%铀 235)的运送和贮藏容器的 材料是由德国 KrefeldSiempelkamp 铸造厂所积极促成的。为了取得应用这种球铁的赞赏,Ssempelkarnp 要 求重量大约 85 吨的 Caster 容器经受有史以来施加于铁铸件的最严格的最恶劣的负荷试验。 这些试验包括将 85 吨铸件在低于一 40“C 温度,从九米高度落到 1000 吨重的水泥座上,以及由坦克中发射出一发大炮弹, 几乎以声音的速度撞击到铸件上。在所有这些试验中,球铁容器经受住了一切严励的试验,而只有表面损 伤,当然可保证对于放射线的密封完全可靠。在模拟运输机故障状态和飞机坠毁之后,己确信球铁是安全 的,所设计的球铁 Caster 容器可能得到最高的“Pradikat”安全级一柏林和 Braun-sch 二 elg 管理局的 B(L 巧 证明书。这是铸造业公认的一个潜在的市场的极好例子。 球墨铸铁-制造步骤 (一)严格要求化学成分,对原铁液要求的碳硅含量比灰铸铁高,降低球墨铸铁中锰,磷,硫的含量 (二)铁液出炉温度比灰铸较铁更高,比补偿球化,孕育处理时铁液温度的损失 (三)进行球化处理,即往铁液中添加球一化剂 (四)进行孕育处理 (五)球墨铸铁流动性较差,收缩较大,因此需要较高的浇注温度及较大的浇注系统尺寸,多应用冒口, 冷铁,采用顺序凝固原则 (六)进行热处理 球墨铸铁-球铁应用的发展前途 当球铁的吨位增加和市场渗透是很惊人的,这种材料决不能看到达到了它的全部潜力。基于这一点,现在 不生产球铁的铸铁厂,建议很好地重新考虑这方面的可能性。节能要求导致基本上重新设计零件,以达到 重量轻、效率高,这就必然要提醒设计者集中注意材料。球铁正日益被认为能提供高的强度一重量特性, 并且能以比较低的成本生产。 因此预料,随着代替灰铸铁、可锻铸铁和铸银件,能亲眼看到球铁生产吨位的持续增加。最近出版的刊物 对于帮助造厂在这面的力是有利的,虽然计值会变提高而改善。但铁水温度低于 1450“C 后孕育效果很差, RG 值几乎不变。由表 3 可得:孕育铸铁的质量指标用铸造焦熔炼的比用冶金焦熔炼的高 18%,值得注意的 是相对硬度反而降低 3%。 球墨铸铁-相关历史

1947 年英国 H.Morrogh 发现, 在过共晶灰口铸铁中附加铈, 使其含量在 0.02wt%以上时, 石墨呈球状。 1948

年美国 A.P.Ganganebin 等人研究指出,在铸铁中添加镁,随后用硅铁孕育,当残余镁量大于 0.04wt%时, 得到球状石墨。从此以后,球墨铸铁开始了大规模工业生产。 球墨铸铁作为新型工程材料的发展速度是令人惊异的。1949 年世界球墨铸铁产量只有 5 万吨,1960 年为 53.5 万吨,1970 年增长到 500 万吨,1980 年为 760 万吨,1990 年达到 915 万吨。2000 年达到 1500 万吨。 球墨铸铁的生产发展速度在工业发达国家特别快。世界球墨铸铁产量的 75%是由美国、日本、德国、意大 利、英国、法国六国生产的。 中国球墨铸铁生产起步很早,1950 年就研制成功并投入生产,中国的球墨铸铁年产量达 230 万吨,位于美 国、日本之后,居世界第三位。适合中国国情的稀土镁球化剂的研制成功,铸态球墨铸铁以及奥氏体-贝氏 体球墨铸铁等各个领域的生产技术和研究工作均达到了很高的技术水平。 (1)铸态珠光体球墨铸铁曲轴和铸态铁素体球墨铸铁汽车底盘零件分别在我国第二汽车厂、南京汽车厂和 第一汽车厂相继投产。这标志着中国铸态球墨铸铁生产达到了较高水平。与之相适应的包外脱硫、双联法 熔炼、瞬时孕育、孕育块技术以及音频检测和热分析快速分析等技术的采用,则标志着中国大量流水生产 汽车铸件的技术水平与国际先进水平的差距正在缩小。 (2)试验研究了大断面(壁厚大于 120mm)球墨铸铁的冶金因素以及相应的生产工艺措施。采用适量的 钇基重稀土复合球化剂、强制冷却、顺序凝固、延后孕育,必要时添加微量锑、铋等可防止球墨铸铁件中 心部位的石墨畸变和组织疏松等,现已成功地制作了 38 吨重的大型复杂结构件,17.5 吨重的柴油机体、截 面为 805mm 的球墨铸铁轧辊等。 (3)奥氏体-贝氏体球墨铸铁的研究与应用。20 世纪 70 年代初,几乎同时中国、美国、芬兰 3 个国家宣布 研究成功了具有高强度、高韧性的奥氏体-贝氏体球墨铸铁(国际上统称 ADI) ,这种材质的抗拉强度达 1000MPa,因此它广泛应用于齿轮以及各种结构件,与合金钢相比,奥-贝球墨铸铁具有显著的经济效益和 社会效益。 (4)球墨铸铁管和水平连续铸造球墨铸铁型材。中国已相继建成几个球墨铸铁管厂,且近几年还将有几个 球墨铸铁管厂建成。2000 年,中国年产离心铸造球墨铸铁管达 90 万吨。此外,中国自行研制的水平连续 铸造球墨铸铁型材生产线已通过国家鉴定,并已有多家企业投产。再加上中国引进的一条生产线,至 2002 年,中国年产球墨铸铁型材的能力达数万吨。 (5)系统地测定了稀土镁球墨铸铁的力学性能及其他性能,为设计人员提供了有关数据。测定了稀土镁球 墨铸铁的比重、导热性、电磁性等物理性能,结合金相标准研究了石墨和基体组织对球墨铸铁性能的影响 规律。系统地测定了铁素体球墨铸铁在常温、低温、静态和动态条件下的各种性能。此外,还研究了稀土 镁球墨铸铁的应力应变性能、小能量多冲抗力和断裂韧性,并开始用于指导生产。结合球墨铸铁齿轮的应 用,还系统地研究了球墨铸铁的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度,以及球墨铸铁齿轮的点蚀、剥落机理等。 (6)稀土镁球墨铸铁。在高强度低合金球墨铸铁方面,除了对铜、钼研究较多外,还对镍、铌等进行了研 究。在利用天然钒钛生铁制作钒钛合金球墨铸铁方面,中国国内一些单位进行了大量、系统的工作。中锰 球墨铸铁虽然在性能上不够稳定,在系统研究与生产应用,取得了显著的经济效益。 在耐热球墨铸铁方面,除了中硅球墨铸铁以外,系统研究了 Si+Al 总量对稀土镁球墨铸铁抗生长能力的影 响。中国研制的 RQTAL5Si5 耐热铸铁用作耐热炉条的使用寿命是灰铸铁的 3 倍,是普通耐热铸铁的 2 倍, 并与日本 Cr25Ni13Si2 耐热钢的使用寿命相当。高镍奥氏体球墨铸铁方面也取得了进展,它在石油开采机 械、化工设备、工业用炉器件上均取得了成功的应用。在耐酸球墨铸铁方面,中国生产的稀土高硅球墨铸 铁比普通高硅铸铁的组织细小、均匀、致密,由此,抗蚀性能提高了 10%~90%,并且其机械强度也有显 著改善。 (7)稀土在球墨铸铁中的作用。稀土能使石墨球化。自从 H.Morrogh 最先使用铈得到球墨铸铁以来,先后 许多人研究了各种稀土元素的球化行为,发现铈是最有效的球化元素,其他元素也均具有程度不等的球化 能力。 结合国情,中国对稀土的球化作用进行了大量研制工作,发现稀土元素对常用的球墨铸铁成分(C3.6~ 3.8wt%,Si2.0~2.5wt%)来说,很难获得同镁球墨铸铁那样完整均匀的球状石墨;而且,当稀土量过高时,

还会出现各种变态形的石墨,白口倾向也增大,但是,如果是高碳过共晶成分(C>4.0wt%) ,稀土残留量 为 0.12~0.15wt%时,可获得良好的球状石墨。 根据中国铁质差、含硫量高(冲天炉熔炼)和出铁温度低的情况,加入稀土是必要的。球化剂中镁是主导 元素,稀土一方面可促进石墨球化;另一方面克服硫以及杂质元素的影响以保证球化也是必须的。稀土防 止干扰元素破坏球化。研究表明,当干扰元素 Pb、Bi、Sb、Te、Ti 等总量为 0.05wt%时,加入 0.01wt%(残 余量)的稀土,可以完全中和干扰,并可抑制变态石墨的产生。中国绝大部分的生铁中含有钛,有的生铁 中含钛高达 0.2~0.3wt%,但稀土镁球化剂由于能使铁中的稀土残留量达 0.02~0.03wt%,故仍可保证石墨 球化良好。如果在球墨铸铁中加入 0.02~0.03wt%Bi,则几乎把球状石墨完全破坏;若随后加入 0.01~ 0.05wt%Ce,则又恢复原来的球化状态,这是由于 Bi 和 Ce 形成了稳定的化合物。 稀土的形核作用。20 世纪 60 年代以后的研究表明,含铈的孕育剂可使铁液在整个保持期中增加球数,使 最终的组织中含有更多的石墨球和更小的白口倾向。经研究还表明,含稀土的孕育剂可改善球墨铸铁的孕 育效果并显著提高抗衰退的能力。加入稀土可使石墨球数增多的原因可归结为:稀土可提供更多的晶核, 但它与 FeSi 孕育相比所提供的晶核成分有所不同;稀土可使原来(存在于铁液中的)不活化的晶核得以长 大,结果使铁液中总的晶核数量增多 球墨铸铁-历史争论 在河南巩县铁生沟西汉中、晚期的冶铁遗址中出土的铁?,经过金相检验,具有放射状的球状石墨,球化 率相当于现代标准一级水平。而现代的球墨铸铁则是迟至 1947 年才研制成功的。中国古代的铸铁,在一个 相当长的时期里含硅量都偏低,在约 2000 年前的西汉时期,中国铁器中的球状石墨,就已由低硅的生铁铸 件经柔化退火的方法得到。这是中国古代铸铁技术的重大成就,也是世界冶金史上的奇迹。 球墨铸铁以其优良的性能,在使用中有时可以代替昂贵的铸钢和锻钢,在机械制造工业中得到广泛应用。 国际冶金行业过去一直认为球墨铸铁是英国人于 1947 年发明的。西方某些学者甚至声称,没有现代科技手 段,发明球墨铸铁是不可想象的。1981 年,中国球铁专家采用现代科学手段,对出土的 513 件古汉魏铁器 进行研究,通过大量的数据断定汉代中国就出现了球状石墨铸铁。有关论文在第 18 届世界科技史大会上宣 读,轰动了国际铸造界和科技史界。国际冶金史专家于 1987 年对此进行验证后认为:古代中国已经摸索到 了用铸铁柔化术制造球墨铸铁的规律,这对世界冶金史作重新分期划代具有重要意义。


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