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新型制備方法包括:原位自生成法、物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、化學鍍法、電鍍法及復合鍍法等。1.原位自生成法      原位自生成法是指在復合材料制造過程中,增強體在基體金屬內部自己生成和生長的方法。原位法包括定向凝固法和反應自生成法。前者指增強材料以共晶的形式從基體中凝固析出,后者則是指增強體由加入的元素相互反應生成,或通過合金熔體中的某種組分與加入的元素或化合物反應生成獲得。原位自生成復合材料中基體與增強材料間的相容性好,界面清潔干凈、結合牢固,特別是當增強材料與基體之間有共格或半共格關系時,能非常有效地傳遞應力,界面上不生成有害的反應產物,因此這種復合材料有較優異的力學性能,特別是高溫力學性能。 (1)定向凝固法定向凝固法制造定向凝固共晶復合材料,要求合金成分為共晶或接近共晶成分,起初主要是二元合金,后擴展至三元單變度合金,以及有包晶或偏晶反應的兩相結合。工藝過程主要是:合金原料在真空或惰性氣體中通過感應加熱熔化,控制冷卻方向(例如均勻地以一定速率將感應線圈向一個方向移動),進行定向凝固,析出的共晶相沿凝固方向整齊排列,其中連續相為基體,類似纖維的條狀或片層狀的分散相為增強體。定向凝固法的特點是:在定向凝固共晶復合材料中,纖維/基體界面有最低的能量,即使在高溫下也不會發生反應,因此適于用作高溫結構(如發動機葉片和渦輪葉片)材料。常用的基體金屬為鎳基和鈷基合金,其增強材料主要是耐熱性好、熱強度高的金屬間化合物。定向凝固共晶復合材料存在的主要問題是:為了保證對微觀組織的控制,需要非常低的共晶生長速率,可選擇的材料體系有限,共晶增強材料的體積分數也無法調整。(2)反應自生成法反應自生成法是20世紀80年代后期發展起來的制備金屬基復合材料的有效方法。又分為金屬定向氧化的Lanxide法、XD法和液相反應自生成法,這些方法的共同特點是增強材料在基體中通過反應形成,而不是外加。1))Lanxide法:Lanxide法是由Lanxide公司開發的,其中之一是定向氧化法,即將氧氣通入鋁熔體中,與之反應生成Al203,彌散在金屬鋁熔體中,成為增強材料。此過程的關鍵是從Al2 03的均勻分布。Lanxide法的另一種方法稱為PRIMEX法,即將金屬或合金錠置于石墨模中的陶瓷預制件上,將它們一起在氮氣氛中加熱到金屬或合金的熔點以上,熔體金屬自發地浸滲到陶瓷預制件中。2) XD法:XD法是Martin Marlatta公司研究成功的一種固相反應自生成法,也稱自蔓延高溫合成(SHS)法。將預期構成增強材料(通常為金屬間化合物)的兩種組分(元素)的粉末與基體金屬粉末均勻混合,然后加熱到反應溫度以上使之發生化學反應,生成粒徑1μm以下、均勻分布的彌散顆粒,依靠反應放出的熱量使反應繼續下去,獲得金屬基復合材料。用這種方法能制造SiC、TiC、T182、TiN等顆粒增強的鋁基、鈦基、鎳基以及NiAl、TiAl等金屬間化合物基復合材料。3)液相反應自生成法:液相反應自生成法的基本原理是在熔融金屬基體中加入或通入能生成某種顆粒的元素或化合物,在一定溫度發生反應,生成細小彌散的顆粒,形成復合材料。如在鋁熔體中加入鈦元素,形成Al_- Ti合金,加入碳或通入碳氫化物,與鋁中的鈦反應生成TiC顆粒。顆粒的大小、數量與工藝過程、反應元素加入量等密切相關。液相反應自生成法適用于鋁、鎂、鈦等基體復合材料的制造。2.物理氣相沉積法物理氣相沉積的實質是材料源的不斷汽化和在基材上的冷凝沉積,最終獲得涂層。傳統的物理氣相沉積過程中不發生化學反應,但經過改進后有時也通入反應氣體,在基材上生成化合物。物理氣相沉積分為真空蒸發、濺射和離子涂覆三種,是成熟的材料表面處理方法,后兩種也曾在實驗室中用來制備金屬基復合材料的預制片(絲)。物理氣相沉積法盡管不存在界面反應問題,但其設備相對比較復雜、生產效率低,只能制造長纖維復合材料的預制絲或片。如果是一束多絲的纖維,則涂覆前必須先將纖維分開,而這是目前尚未能很好解決的問題。因此,物理氣相沉積法目前并未正式用來制造金屬基復合材料,但有時被用來對纖維作表面處理,如涂覆金屬或化合物涂層。3.化學氣相沉積法化學氣相沉積法是化合物以氣態,在一定的溫度條件下發生分解或化學反應,分解或反應產物以固態沉積在工件上得到涂層的一種方法。最基本的化學氣相沉積裝置有兩個加熱區:第一個加熱區的溫度較低,維持材料源的蒸發并保持其蒸氣壓不變;第二個加熱區溫度較高,使氣相中(往往以惰性氣體作載氣)的化合物發生分解反應。用化學氣相沉積法只能得到長纖維復合材料預制絲,大多數的基體金屬只能用它們的有機化合物作材料源,如鋁的有機化合物三異丁基鋁,價格昂貴,在沉積過程中的利用率低,因此在早期曾用來作對比試驗,并無實用價值。但這種方法可用來對纖維進行表面處理,涂覆金屬涂層、化合物涂層和梯度涂層,以改善纖維與金屬基體的潤濕性和相容性。
大型鑄鋼件的強度與鍛鋼件接近,而且沒有氫的危害問題;但有其不足之處,如塑性和韌性較差,且內部組織和化學成分不均勻,導熱性較差,甚至存在一定的鑄造缺陷等。因此,熱處理工藝設計時,應考慮到大型鑄件的這些弱點帶來的不利影響,如因晶粒粗大和鑄造缺陷可能引發熱處理裂紋,成分不均勻帶來性能不均勻等。       大型鑄件的熱處理方法主要有預備熱處理的擴散退火、軟化退火、去應力退火和最終熱處理的正火和中、低回火,以及淬火和高溫回火(調質)等。確定熱處理工藝參數時,可參考相同鋼號的過冷奧氏體等溫轉變圖、過冷奧氏體連續冷卻轉變圖和淬透性曲線等。下面,以實例介紹大型鑄件的熱處理工藝設計。        (1)零件名稱和所用材料  大型齒輪軸所用材料為ZG35CrMoV。        (2)零件用途及結構特點  該大型齒輪軸用于150t煉鋼轉爐爐體的90°翻轉。其結構參數:直徑為Φ850~Φ1050mm,長度為3870mm,重量為24.5t,為不等截面的階梯軸。        (3)工作狀態和承載特點  從零件結構和用途以及所用材料特點中,可以看出該大型齒輪軸的承載特點為低速重載。因此,該齒輪軸要求具有足夠的強度(扭轉應力、彎曲應力、切應力與對應的強度比值均不得大于0. 55),并具有一定的塑性和韌性等良好的綜合力學性能。        (4)熱處理工藝性分析  該齒輪軸作為低速運轉的重載零件以強度為主,兼備一定的韌性和塑性。因此,用ZG35CrMoV鋼制造可以滿足使用性能要求。同時,ZG35CrMoV鋼比同樣成分的35CrMoV鍛鋼的原料成本和加工費用低很多。不過,熱處理工藝設計時應考慮到鑄態成分和組織的不均勻性會帶來性能的不均勻。另外,由于大型鑄件存在一定的內部缺陷,熱處理加熱和冷卻過程易于產生較大內應力,甚至裂紋,因此,各種熱處理的加熱速度和冷卻速度均應重點考慮。如果最終熱處理是淬火和回火,則淬火前應進行充分退火;如果是調質狀態下使用,則調質的淬火加熱溫度可適當降低些。        (5)熱處理工藝方法和工藝參數的設計        1)熱處理工藝方法的確定:為了改善鑄態成分和組織的不均勻性,應進行均勻化退火;將調質處理作為該齒輪軸的最終熱處理,以獲得285~269HBW的硬度較適合其使用性能。        2)大型齒輪軸的制造工藝路線:均勻化退火→熱軋→正火+高溫回火→機械粗加工→調質→機械精加工→成品。        3)熱處理工藝參數的設計:均勻化退火工藝曲線如圖10-10a所示,調質工藝曲線如圖10-10b所示。  圖10-10    150t轉爐大型齒輪軸的熱處理工藝曲線       a)均勻化退火b)調質處理       4)所用設備:上述各項熱處理工藝方法在RT-90-10型臺車式電阻爐中進行。   5)處理結果:表面硬度為285~269HBW。
 熱處理實質是通過賦予和改善金屬材料及其制件一定的內部組織結構來實現特定性能要求的工藝技術。實踐表明,金屬材料的化學成分僅是它所具有各種性能的潛在因素,其性能潛力只有通過熱處理工藝技術才能被調動出來。       事實證明,冶金企業生產的許多型材和鑄鍛件,如果不經過適當的熱處理,其力學、物理、化學性能和可切削加工性能以及應力狀態等都很差,有的甚至無法使用和進行切削加工;同時,許多機械產品的金屬制零件,特別是要求性能較高的零件,如果不經過適當的熱處理,就無法達到其使用性能要求和預期的使用壽命。由此奠定了熱處理在金屬材料研制和應用以及各種金屬制產品零件在生產加工過程不可或缺的重要地位。       各種金屬型材的熱處理,一般是在冶金企業(如鋼廠、金屬熔煉廠)中進行;金屬制產品零件及其毛坯的熱處理,通常是在各種機械制造企業(如汽車、拖拉機、機床、化工、輕工、風動及液壓工具以及各種工具、模具、量具、夾具廠)或獨立的熱處理專業廠中進行。       熱處理的作用和意義,概括起來有以下幾方面:       1)能夠充分發揮金屬材料的各種性能潛力,賦予機械零件等在工作狀態下所需要的各種力學性能和物理、化學性能:       2)可以改變金屬材料及其制品的內部組織結構和應力狀態,從而保持精密零件、精密量具等尺寸精度、幾何精度等的穩定性。       3)可以改善金屬材料及其制品零件的可加工性,從而提高各種加工的生產率和節約能源,具有降低生產成本等經濟意義。        由此可見,搞好熱處理工藝工作,提高熱處理工藝技術水平,對提高機械產品質量和降低產品制造成本具有十分重要意義。
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