激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究.pdf
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1、大连理工大学 硕士学位论文 激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究 姓名:邵俊荣 申请学位级别:硕士 专业:机械工程 指导教师:王殿龙;章瑞平 20061201 大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 轴类部件的磨损失效是现代工业生产中经常遇到的问题。巨化集团公司电化厂用于 生产偏二氯乙烯( V 1 ) C ) 单体装置中的皂化泵不锈钢泵轴的磨损破坏,会带来较大的经济 损失与危害同时,这些轴大都价格较昂贵,且检修更换泵轴也较麻烦,影响了装置的 正常运行,因此提高轴饽局部表面的耐磨性能,延长其使用寿命是当务之急本文从不 锈钢轴件的磨损失效机理出发,研究轴件与高能量密度的c O :激光的相互作用,
2、通过对激 光合金化的合金化材料和工艺参数进行优化设计,提高不锈钢轴件表面的硬度,提高其 耐磨性。由于影响激光合金化宏观和微观质量的因素很多,本文重点研究了预涂合金层 厚度、大面积合金化搭接率等主要因素对合金化质量的影响,通过显微硬度测试、金相 显微组织观察、能谱分析以及磨损对比试验、耐腐蚀试验对合金化质量进行定性、定量 分析,从而确定出最佳的激光合金化工艺参数,达到显著提高不锈钢轴件表面耐磨性的 目的实验结果表明,对不锈钢轴件进行激光合金化处理后,合金化层与基体形成了牢 固的冶金结合,工件表面平均硬度由原来的 N 1 9 1 提高到I - I V 8 2 0 ,轴件的耐磨性提高了七 倍,装机试
3、验结果表明,经激光强化处理的轴件使用寿命初步估计至少提高了三倍以上, 取得了明显的经济效益和社会效益。 关键词:不锈钢泵轴:磨损失效:激光合金化;耐磨性 激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究 S t u d yO nI m p r o v i n g t h eW e a r - r e s i s t a n c eb yt h eL a s e r A l l o y i n g P r o c e s s i n gf o r t h eS t a i n l e s sS t e e lP u m pS h a f t A b s t r a c t 豇蝣w e a rf 毯l u
4、r eo f s h a f t si so 盘o c c u r r e di nm o d e mi n d u s t r yp r o d u c t i o n 1 1 埠w e a r - o u t f a i l u r eo fs t a i n l e s ss t e e ls o a pp u m p 触u s e di nm o n o m e ri n s t a l l a t i o np r o d u c i n gp a r t i a l d i c h l o r e t h y l e n ei nJ u h u aG r o u pL t d E
5、l e c t r i z a t i o nF a c t o r y 。w i l lc a u s ed r a m a t i c , o n o m i c l o s s e sa n dd a n g e r A tt h es a m et i m e , t h ep r i c eo f t h es h a f t si sv e r yh i g h ,a n dt h et r o u b l e s o m e o fr e p l a c i n gp u m ps h 2 l f w i l li n f l u e n c et h ee q u i p m
6、e n t s r u n n i n g , i ti su r g e n ta n di m p o r t a n tt o l e n g t h e ni t s8 e I W i c el i f e B a s e dO i lt h em e c h a n i s mo f w e a rf a i l u r eo ns t a i B l e s ss t e e ls h a f t s ,t h i s p a p e rs t u d i e dt h ei n t e r a c t i o no f s h a t 脑a n dh i g he n e r g
7、 yd e n s i t yC 0 2l a s e r T h r o u g ho p t i m u m d e s i g n i n go fa l l o y i n gm a t e r i a la n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sd u r i n gl a s e ra l l o y i n g ,t h eh a r d n e s s a n dw e a r - r e s i s t a n c eo fs t a i n l e s ss t e e lw e T ea d v a n c e d T h o
8、u g ht h e r ea r em a n yf a c t sa f f e c t i n g t h eq u a l i t yo f l 越e ra l l o y i n g , t h i sp a p e re m p h a s i z e d 缸s o m em a i nf a c t o r ss u c ha st h et h i c k n e s s o fp r e - c o a t e da l l o y , o v e r l a p p i n gc o e f f i c i e n t , l a s e rp o w e ra n ds
9、c a n n i n gr a t e T h eq u a l i t a t i v e a n a l y s i sa n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sO nl a s e ra l l o y i n gq u a l i t yW C l ep e r f o r m e db ym i c r o - h a r d n e s s t e s t i n g , m e t a U o g r a p h i c a lc o r r o s i o n - r e s i s t i n go b s e r v a t i
10、 o n , e n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i s ,w e a r c o n t r a s tt e s t , a n dt h e ng o tt h eo p t i m u mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fl a s e ra l l o y i n g ,f i n a l l y r e a c h e dt h ea i mo fg r e a t l ya d v a n c i n gt h ew e a r - r e s i s t a n c eo fs t a i
11、n l e s ss t e e ls h a f t s T h er e s u l t s h o w e dt h a ta l t e rl a s e ra l l o y i n gO n $ t s i n l e S Ss t e e l ,as o l i dm e t a l l u r g yb o n d i n gW a sf o r m e d b f t w t 煳l la l l o y i n gl a y e ra n dt h eo r i g i n a l 姗m a t e r i a l t h es u r f a c eh a r d n e
12、s si n c r e a s e df r o m o r i g i n a lH V l 9 lt oH V 8 2 0 a n dt h ew e a r - r e s i s t a n c eo fs h a f t sw a si m p r o v e dO V f f fS e V e nt i m e s 1 1 “ f i e l dt e s tr e s u l ts h o w e dt h a tt h es e r v i c el i f eo f s h a f t sa f t e rl a s e ra l l o y i n gW a sp r e
13、 l i m i n a r i l y e s t i m a t e dt 0i n c r e a s i n go v e rt h r e et i m e sa ll e a s t a n dt h ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t so ft h i s t e c h n o l o g ya r ei ne v i d e n c e K e y w o r d s :S t a i n l e s ss t e e lp u m ps h a f t ;W e a r - o u tf a i l u r e ;L
14、 a s e ra l l o y i n gp r o c e s s i n g ; W e a r - r e s i s t a l i c e 一I l 独创性说明 作者郑重声明:本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外, 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签 期:幽! 盟:。烙 学 , _ 名 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用
15、授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”,同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名:至堕 导师签名:j 二乡敬d 导师签名:= 圭二j 苎望坠垡 理至年旦月立日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 引言 磨损是轴类零件的主要失效方式之一,巨化股份公司电化厂用于生产偏二氯乙烯 f w c ) 单体装置中的皂化泵不锈钢泵轴的磨损方式主要是粘着磨损和腐蚀磨损
16、。本文从 不锈钢轴件的磨损失效机理出发,研究轴件与高能量密度的c 0 2 激光的相互作用,通过 对激光合金化的合金化材料和工艺参数进行优化设计,提高不锈钢轴件局部表面的硬 度,提高其耐磨性。 由于泵轴的激光强化处理面较大,因此在进行激光合金化时,必须采用多道搭接技 术。多道搭接时,因其每个相邻扫描带的结合处,存在一个二次扫描区,致使搭接层的 组织和性能在整体上呈现一种宏观的周期性变化。因此搭接系数的选择和优化是影响搭 接层宏观质量的关键因素,而目前尚无对激光合金化的搭接率的系统研究,本文着重研 究了不同的搭接率对合金化层质量的影响。 影响激光合金化宏观和微观质量的因素很多,本文重点研究了预涂合
17、金层厚度、搭 接率、激光功率,扫描速度等对合金化质量的影响,通过显微硬度测试、金相显微组织 观察、磨损对比试验以及耐腐蚀试验,对合金化质量进行定性、定量分析,从而确定出 最佳的激光合金化工艺参数,达到显著提高不锈钢轴件局部表面耐磨性的目的。 激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究 1 绪论 1 1 不锈钢轴件失效分析 巨化股份公司电化厂是全国偏二氯乙烯单体( V D C ) 最大的生产厂家,年产V D C2 万 吨。V D C 单体是重要的化工原料,产品链相当丰富,以V D C 单体为主要原料的聚合 纫一一聚偏二氯乙烯树脂( P V D C ) 是国际公认的三大高阻隔材料之一,产品广泛用于军
18、工、食品、医药等产品的包装上V D C 单体的生产工艺路线如图1 1 所示。 图1 1V D C 单体生产工艺线路 F i g1 1v I ) cB o n o c a c ep r o d u c t i o nt e c h n i q u el i n e 皂化泵是V D C 单体生产装鼍中的关键设备。电化厂V D C 单体生产装置现有皂化系 统3 套,每套皂化系统的生产能力年均约7 0 0 0 吨,每套系统的日均生产能力约为2 1 吨, 即单套系统每小时的产量约为0 8 8 吨,更换泵轴从停车清洗到检修结束一般需8 小时, 那么检修一次损失产量7 吨左右,产值近7 万元。因此该设备运行
19、的好坏直接关系到 V D C 单体的产量和生产成本,故提高皂化泵的使用寿命显得非常重要。从多年的实际 使用情况来看,皂化泵轴与阻隔泵机封冷却水用橡胶骨架密封圈之间的磨损是造成泵轴 损坏检修韵主要原因。本文研究的就是如何提高泵轴的耐磨性以延长泵的使用寿命,以 取得较好的经济效益 根据生产工艺的要求,皂化泵电机功率为4 5 K W ,转速2 9 6 0 r r a i n ,连续2 4 小时不 间断运行皂化泵轴目前使用不锈钢材质,具体型号为3 0 4 不锈钢。皂化泵的作用有两 个,一个是输送介质,另一个是使介质混和均匀以保证反应充分,泵所输送的介质为盐 水、少量氯化液等的混合物,呈碱性,温度为7
20、2 士0 5 0 c ,具有一定的腐蚀性。 泵的机封用冷却液为自来水,温度2 0 左右,里中性。阻隔冷却液的骨架密封圈材 质为工业橡胶。正常运行情况下,冷却液呈中性,当设备运行一段时间后,机封多少存 在一些盐水泄漏,因此,在皂化泵运行的大多数情况下,冷却液的P H 值一般为7 至8 , 呈微碱性。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 皂化泵轴的失效主要是由于骨架密封圈与泵轴之间长时间的磨损使泵轴产生凹坑, 进而使机封冷却水大量外泄造成环境的破坏,同时也使得机封冷却水不能保证而加快机 封的损坏,因此泵轴的磨损危害性是比较大的巨化股份公司电化厂是一家经济效益和 社会效益均较好的企业,长期以来一直致力
21、于创建和保持无泄漏工厂和花园式称号,对 介质的泄漏要求非常之严格,因此对于皂化泵轴的机封处的泄漏量是严格限制的,超过 规定的泄漏量必须停车检修整改。皂化泵在实际运行过程中,泵轴和骨架密封圈都会由 于相互磨损而造成停车检修,但从检修的角度来讲,由于离心泵的结构特点,更换骨架 密封圈比更换泵轴方便快捷许多,损失产量也小得多,因此,通过提高泵轴的耐磨性来 延长泵的使用寿命更显得经济可行。 1 2 磨损机理分析 磨损是偶合件之间由于摩擦力以及与摩擦力有关的介质、温度等的作用使表面发生 损伤导致材料流失的过程。磨损是材料三种主要失效形式之一,对零部件的寿命、可靠 性有很大的影响,它所造成的经济损失是十分
22、巨大的。如美国1 9 8 1 年公布的数字,每 年由于磨损而造成的损失高达1 0 0 0 亿美元,其中材料消耗约为2 0 0 亿美元,相当于材 料年产量的7 ,前苏联由于磨损造成的损失,每年约为1 2 0 1 4 0 亿卢布。目前我国尚 缺乏全面的统计数字,但各方面的报导表明,由于材料耐磨性较差,我国大量基础零件 的磨损寿命普遍大幅度低于国外先进产品的水平。因此直接间接的经济损失也是十分惊 人的仅就冶金矿山、农机、煤炭、电力和建材五个工业部门不完全的统计,每年仅由 于磨料磨损而需要补充的备件就达1 0 0 万吨钢材,相当于1 5 - 2 0 亿元。又如机械工业每 年所用的钢材,约有一半是消耗在
23、备件的生产上,而备件中的大部分是由于磨损寿命不 高而失效的,如约4 0 的农机具备件是由于磨料磨损消耗的,约3 0 的锅炉钢管是由于 腐蚀磨损失效的田。 近年来我国各行业己陆续进口了高达1 0 0 0 亿美元的机械设备,由于零件磨损,每 年需要补充的备件约需数亿美元去购买,这对我国是个沉重的负担。为了节约这项外汇, 必须解决进口设备中零件的国产化及磨损零件的强化、修复问题。另外由于零件磨损寿 命不高而造成的设备停产,机械产品质量差效率低,在国际市场上缺乏竞争力等等间接 损失也是十分惊人的。可见材料磨损问题的重要性是十分突出的,它在国民经济发展中 占有举足轻重的地位。 磨损,是在一个物体与另一个
24、固体的、液体的或气体的对偶件发生接触和相对运动 中,由于机械作用而造成的表面材料不断损失的过程。 激光合金化工艺提高不锈钢轴耐磨性的研究 摩擦学负荷:一个固体的、液体的或气体的对偶件通过接触和相对运动对另一物体 施加的负荷称为摩擦学负荷,以区别于引起物体( 主要是机械零件) 破坏和失效的其他 类负荷。 磨损的表现:磨损表现为松脱的细小颗粒( 磨屑) 的出现,以及表现为受摩擦学负 荷表面上材料性质( 化学的、物理的、金相组织的、机械工艺的) 和形状的( 形貌和尺 寸、粗糙度、表面层厚度) 变化。 磨损的作用:磨损通常是不希望出现的,即它是消极的、不利的。但在某些例外情 况下,例如在磨合过程中,磨
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- 激光 合金 化工 提高 不锈钢 耐磨性 研究
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