提高热疲劳性能的灰铸铁表面改性方法 |
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| 申请号 | CN202210142825.1 | 申请日 | 2022-02-16 | 公开(公告)号 | CN114540599A | 公开(公告)日 | 2022-05-27 |
| 申请人 | 驻马店中集华骏铸造有限公司; 河南省煤科院耐磨技术有限公司; 郑州大学; | 发明人 | 李建; 刘鸣放; 李世杰; 黎文强; 陈团团; 汤森; 陶磊; 秦鹏鹏; 谢文博; 范宝峰; 张锁; 吴少杰; 王坦; 李福山; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种提高热疲劳性能的灰 铸 铁 表面改性方法，旨在解决目前 灰 铸铁 热疲劳性能改善效果不佳且工艺复杂、成本高、环境不友好的技术问题。针对 现有技术 中 铸造 灰铸铁热疲劳性能差的问题，本发明采用搅拌摩擦焊对灰铸铁进行表面改性，能够有效改善灰铸铁表层微观组织形态（粗化灰铸铁表层及亚表层 石墨 相尺寸，且细化珠光体 片层 间距，进而提高灰铸铁热疲劳裂纹萌生和扩展的 门 槛 值），从而提高抗热疲劳性能，该方法简单、成本较低、环境污染小、节省 能源 ，而且热影响区和应 力 影响区较小，保持了灰铸铁基体的力学性能和 冶金 性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种提高热疲劳性能的灰铸铁表面改性方法，其特征在于，包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 提高热疲劳性能的灰铸铁表面改性方法技术领域背景技术[0003] 由于灰铸铁具有良好的铸造性能、减震性和导热性等突出的性能，被广泛用作重型卡车制动鼓材料；而制动鼓的制动效果和安全可靠性对车辆的安全行驶起着关键作用。车辆制动过程中，灰铸铁制动件承受了复杂应力和交变温度的双重作用，从而易于发生热开裂和疲劳开裂，进而造成最终的制动鼓失效。因此，提升灰铸铁的热疲劳性能将有助于汽车工业的发展及安全性能的保障。 [0004] 目前提高灰铸铁热疲劳性能的方法主要可概括为四大类：（1）合金化调控灰铸铁成分（如中国专利文献：CN101191178A、CN102191424A、CN101967601A、CN109468523A、CN110453142A、CN104195423A等）； （2）优化合金熔炼及制备工艺（如中国专利文献：CN103866177A、CN112981224A等）； （3）热处理调控铸造灰铸铁微观组织（如中国专利文献：CN104195306A、 CN113322369A等）； （4）激光、喷丸等方法对铸造灰铸铁表面改性（如中国专利文献：CN101792906A、CN108131403A、CN108131403A，中国博士学位论文：冯旭. 温度辅助激光微喷丸制备灰铸铁表面织构及其摩擦学性能[D].江苏大学, 2017.）。 [0005] 本发明人基于长久以来的实践研究发现，上述方法（1）和（2）改变合金成分或制备工艺将提高灰铸铁的制造成本，方法（3）工艺较为繁琐，方法（4）一般利用单一温度（或力）作用改善表面性能，提升热疲劳性能效果有时并不明显。由此可见，目前缺少一种效果好、简便、经济、环保的方法以提升灰铸铁的热疲劳性能。 [0006] 公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。 发明内容[0007] 本发明的目的在于提供一种提高热疲劳性能的灰铸铁表面改性方法，以解决目前灰铸铁热疲劳性能改善效果不佳且工艺复杂、成本高、环境不友好的技术问题。 [0008] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：设计一种提高热疲劳性能的灰铸铁表面改性方法，包括如下步骤： （1）对灰铸铁件需改性的表面打磨去除氧化层； （2）固定经打磨处理后的灰铸铁件，使其待改性面垂直对应于所使用的搅拌摩擦焊设备的搅拌头，对灰铸铁件表面进行搅拌摩擦焊改性处理； （3）打磨去除搅拌摩擦焊改性表面的氧化层。 [0009] 优选的，在所述步骤（2）中，搅拌摩擦焊过程中搅拌头下压量为0.2～1mm，搅拌头行进速度为20～100 mm/min，搅拌头旋转频率为700～1500 r/min；研究发现较适宜的搅拌摩擦工艺条件，可产生大量塑性变形能细化晶粒、均匀合金微观组织，从而能够大幅度提高金属材料的综合性能。 [0011] 优选的，在所述步骤（2）中，搅拌摩擦焊改性处理于惰性气体氛围（如氩气等）下实施。 [0013] 与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：1. 针对现有技术中铸造灰铸铁热疲劳性能差的问题，本发明采用搅拌摩擦焊对 灰铸铁进行表面改性，能够有效改善灰铸铁表层微观组织形态（粗化灰铸铁表层及亚表层石墨相尺寸，且细化珠光体片层间距，进而提高灰铸铁热疲劳裂纹萌生和扩展的门槛值），从而提高抗热疲劳性能，该方法简单、成本较低、环境污染小、节省能源，而且热影响区和应力影响区较小，保持了灰铸铁基体的力学性能和冶金性能。 [0014] 2. 本发明相比激光、喷丸等表面改性方法，本发明利用的搅拌摩擦焊对灰铸铁同时施加热和载荷的作用，对热疲劳性能改善更为明显，且能耗更低；相比合金化、熔炼工艺优化、后续热处理等方法，本发明工艺方法更为简单，成本更低。附图说明 [0015] 图1为本发明实施例中所用搅拌头形状示意图。 [0016] 图2为本发明实施例中HT250微观组织电镜照片，其中，（a）‑（b）为原始试样；（c）‑（d）为搅拌摩擦焊表面改性试样。 [0017] 图3为本发明实施例中热疲劳温度及循环步骤示意图。 [0018] 图4为本发明实施例HT250热疲劳裂纹形貌：其中，（a）‑（b）为原始试样；（c）‑（d）为搅拌摩擦焊表面改性试样。 具体实施方式[0019] 下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。 [0020] 在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的原材料如无特别说明，均为市售常规原料；所涉及的检测、测试方法如无特别说明，均为常规方法。 [0021] 灰铸铁一般包括HT150、HT200、HT250等牌号，组织都是类似的片状石墨和珠光体，差别在于组织特征尺寸和材料强度，因此以下实施例中以常用于制动鼓材料的HT250举例说明。 [0022] 实施例：以HT250灰铸铁为例，利用搅拌摩擦焊对其进行表面改性，从而提升其热疲劳性能，具体步骤如下：1. 对HT250样件待改性的表面依次用400#‑2000#砂纸打磨处理，以去除氧化层。 [0023] 2. 将打磨后HT250样件固定，使待改性面垂直于搅拌摩擦焊设备（型号FFSW‑AM16‑2D，赛福斯特）的搅拌头，利用搅拌摩擦焊在氩气保护氛围下对灰铸铁表面进行改性处理，搅拌头材质为H13热作模具钢，形状为锥头型（参图1），工艺参数为：拌头下压量为0.4 mm，搅拌头行进速度为40 mm/min，搅拌头旋转频率为1000 r/ min。 [0024] 3. 利用400#至2000#砂纸依次打磨表面改性处理后的样品表层，以去除氧化层。 [0025] 4. 搅拌摩擦焊表面改性后试样表层石墨尺寸变得粗大（长径比增加），珠光体片层间距减小，如图2所示。 [0026] 5. 对原始试样和改性后试样进行热疲劳实验（循环工艺流程见图3），先将高温设置为700℃，热循环30次，而后将温度提高为800℃，再热循环26次；试验结果参见图4，从中可以看出经历热疲劳实验后，表面改性后HT250试样裂纹长度和数量都小于原始HT250试样，说明搅拌摩擦焊工艺有效提高了HT250的热疲劳性能。 [0027] 上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是对相关设备及方法步骤进行等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。 |
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