球墨铸铁实体保持架优于黄铜保持架.docx

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球墨铸铁实体保持架优于黄铜保持架

球墨铸铁实体保持架优于黄铜保持架

我国轴承行业一直采用铜合金制造实体保持架。

自去年以来，铜价持续大幅上涨，严重影响了轴承的生产成本和使用客户的采购成本。

为稳定轴承价格，提高轴承使用性能，轴承行业积极采用球墨铸铁代替铜合金制造实体保持架。

目前，调心滚子、四列圆柱、深沟球、角接触、推力等类型轴承实体保持架，根据用户意见，均以球墨铸铁制造。

经技术理论分析、装机测试以及用户反映，球墨铸铁实体保持架的抗拉强度、伸长率、硬度、耐磨性、减振性等都优于铜保持架。

从化学成份分析和力学性能比较，制造实体保持架，球铁明显优于铜合金。

球铁QT400—18主要化学成分：

含碳C3.60～3.90%；含硅Si2.50～3.20%；含锰Mn0.30～0.50%；含硫S＜0.03%；含镁Mg0.03～0.06%；稀土0.02～0.05%；含磷P0.05～0.07%。

铜合金ZCuZn40Pb2的主要化学成分是：

含铜Cu58～63%；含铅Pb0.5～0.25%;含铝AI0.2～0.8%；余量为锌Zn，杂质总量小于1.50%。

球墨铸铁QT400—18与铜合金ZCuZn40Pb2两种材料在力学性能比较：

球铁QT400—18强度极限σb﹥400MPa，屈服极限σ0.2﹥250MPa，延伸率δ18%，硬度160～190HB；而黄铜ZCuZn40Pb2强度极限σb﹥250MPa，屈服极限σ0.2﹥120MPa，延伸率δ15%，硬度80～100HB；由此可见球墨QT400—18材料的抗拉强度明显高于铜合金ZCuZn40Pb2，韧性（伸长度）也好于黄铜，硬度适中。

通过对球铁保持架进行测试，其δ值均大于18%，一般在18%～25%之间，最高在32%，韧性完全可以满足保持架的要求，球墨铸铁保持架的耐磨性非常好，比铜合金高出10倍以上，而且在使用中自润滑能力强，具有比钢还好的吸振性，屈服强度比钢还要高，同时有良好的耐热性。

球墨铸铁的优良性能，还来自于配料、冶炼中的严格控制。

冶炼时选择好的球化剂，使石墨呈球状。

石墨分布为：

球状+团絮状，球化级别不低于4级，球化率大于85%。

材料基体的铁素体不低于85%，珠光体不大于15%。

冶炼时进行良好的育孕处理不仅削弱白口倾向，还可以改善石磨的结晶条件，使石墨的球经变小，数量增多，形状圆整，分布均匀。

保持架毛坯采用低温退火，退火工艺为：

加热温度（740±20）℃，保温时间根据铸件壁厚决定，通常为2—6小时，保温后炉冷至600℃以下，出炉空冷。

严格控制化学成分，在QT400—18的基础上适当提高碳的上限含量，含碳量上调为3.60—4.00%；降低硅的上限含量，由2.50——3.20%调整为2.50—3.00%，对提高保持架的韧性效果好。

为保证球铁保持架的成品质量，质检部门加大检查验收力度。

每批抽取1—2件成品检验其化学成分；按国标GB231规定检验硬度值在160—190HB之间；金相组织符合GB9441规定，球化级别不低于4级，基体为铁素体，含量大于85%；磷化膜牢固且均匀一致；保持架表面不允许有气孔、锈蚀；断口组织致密，无宏观缩孔、气孔等。

球墨铸铁实体保持架经过一年多的装机使用，无论在振动、扭曲等何种恶劣的工作环境中，球墨铸铁保持架在可*性、寿命上明显优于铜保持架，至今没有发生任何故障。

 金属材料基础知识

1.1金属的微观结构

1.2金属材料的基本性能

1.3温度对金属材料的影响

1.4常见元素对金属材料性能的影响

2  常用金属材料

2.1铸铁

2.2碳素钢

2.3合金钢

3  压力管道常用金属材料的基本限制条件

3.1一般限制条件

3.2常用材料的应用限制

3.3其它方面对材料的限制

4应用标准体系

4.1国际上常用的标准体系

4.2国内常用的标准体系

5管道压力等级

6管道器材选用

7表面处理、防腐、涂层

8管道施工及验收规范

1  金属材料基础知识

金属材料的基本知识仅介绍金属材料的微观结构、基本性能、常见元素对性能的影响以及金属材料的分类及牌号标识等内容。

1.1金属的微观结构

由95％以上Fe＋（0.05－4％）C组成的Fe、C合金。

  1）铁的内部结构

    将铁水缓冷到其凝固点1534℃以下，铁水就开始结晶，直到全部结晶成固态铁为止，温度才又继续下降。

所结晶成的固体是由许多小颗粒组成，每个小颗粒具有不规则的外形，叫晶粒。

  每个晶粒内部都是由无数个原子按一定的规律排列而成。

若将各个原子的中心用线条连接起来，组成一个空间格子，可用来说明原子排列的规律性，这种空间格子叫“晶格”。

  常见的金属晶格形式：

面心立方晶格体心立方晶格

  ◆Fe的晶格形式

1534℃～1390℃体心立方排列叫δ铁

1390℃～910℃面心立方排列叫γ铁

910℃以下体心立方排列叫α铁

α铁γ铁δ铁

这种在固态下晶体结构随温度发生改变的现象叫“同素异构转变”。

它是钢铁能够进行多种热处理而改变其性能的重要依据。

  2）碳的存在形式

◆固溶体：

就是由两种或两种以上的化学元素，在固态下互相溶解构成的单一均相物质。

◆铁素体碳溶解在体心立方晶格Fe原子之间形成的固溶体。

是低碳钢在常温时的主体相。

◆奥氏体碳溶解在面心立方晶格Fe原子之间形成的固溶体。

是碳钢在高温时的组织。

◆渗碳体：

铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体、奥氏体中时，“剩余”的碳与铁形成的铁碳化合物（Fe3C）的晶体组织。

  ◆石墨：

铸铁中的C>2.06%，奥氏体最大溶碳量2.06％，剩余的C以石墨形式存在。

铁碳合金相图是表示不同成分的铁碳合金在不同温度下所具有的状态或组织的关系图。

相图的作用通过铁碳合金相图能掌握钢的组织随成分和温度变化的规律,以便能够正确制定热处理和热加工的工艺，是改变其组织，获得所需要的性能的依据。

相图中有：

  两个组元：

铁（Fe）性能表现为强度和硬度较低，塑性和韧性较好

渗碳体（Fe3C）性能表现为硬而脆

四个基本相：

液相（L）、铁素体（а）、奥氏体（γ）和渗碳体（Fe3C）

  两个次生相：

珠光体（铁素体＋渗碳体的两相机械混合物）具有良好的强度和硬度又具有良好的塑性和韧性，属常温稳定组织

          莱氏体（奥氏体＋渗碳体的两相机械混合物）

在平衡状态下：

C＝0.8％珠光体共析钢

C<0.8%铁素体＋珠光体亚共析钢（GS亚共析钢线）

C>0.8％渗碳体＋珠光体过共析钢（ES过共析钢）

GS线：

C<0.8％的铁碳合金加热时铁素体向奥氏体转变的终了温度线（Ac3），或者冷却时奥氏体向铁素体转变的开始温度线（Ar3）。

ES线：

0.8％

PSK线：

铁碳合金加热时珠光体向奥氏体转变的温度线（Ac1），或者冷却时奥氏体向珠光体转变的温度线（Ar1）。

●  热处理：

就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却以改变其组织，获得所要求的性能。

按照热处理的操作及其过程所发生的组织变化的不同，将热处理分为淬火、回火、退火及化学热处理。

淬火：

是将钢加热至超过临界温度以上，保温一定时间后,以快速冷却,使其得不到稳定的组织。

目的：

是为了获得马氏体以提高工件的硬度和耐磨度。

回火：

是将淬火后的钢重新进行不超过临界温度（GS线）时加热，使之得到较为稳定的组织。

根据对零件机械性能的具体要求回火的加热温度分为低、中、高温三种。

目的：

消除淬火后工件的内应力，并降低材料的脆性。

钢件在淬火后，几乎总是跟着回火。

  退火：

退火处理时用来消除钢材在焊接、铸造或锻造后遗留下来的粗晶组织和内应力，降低硬度，增加塑性和韧性，消除偏析。

  完全退火—将钢加热到GS线以上20～30℃，经保温后随炉缓冷或埋在保温灰中缓冷。

  低温退火—加热至小于临界点PSK的温度而后缓慢冷却。

目的是消除工件在焊接过程中所形成的内应力，以防脆裂。

正火：

是退火的一种变态，它与退火不同之处是在静止空气中冷却。

1.1.4常用压力管道材料使用的热处理状态

1.2金属材料的基本性能

金属材料的基本性能一般包括:

机械性能、耐腐蚀性能、物理性能、制造工艺性能和经济性。

材料的机械性能是指在外力的作用下，材料抵抗破裂和过度变形的能力。

它包括材料的强度指标、弹性指标、塑性指标、韧性指标、疲劳强度、断裂韧度和硬度等。

腐蚀不仅会造成金属的损失，更重要的是会导致金属的破坏，从而威胁到压力管道的安全。

事实已证明，许多压力管道的破坏都与材料的腐蚀有关。

◆材料的选择应避免应力腐蚀的发生，因为它会带来压力管道在不可预知的情况下突然断裂，从而导致重大事故的发生;

◆选用的材料应有足够的抗介质均匀腐蚀的能力，以便材料不致于在短时间内因腐蚀造成的管道壁厚急剧减薄而失效。

等等。

材料的物理性能主要是指：

密度ρ（kg/m3）、导热系数、比热、熔点Tm（℃）、线膨胀系数、弹性模量E、比重

材料的制造工艺性能也是影响材料选择的一个重要因素，主要有：

1）切削加工性能;2）可铸性;3）可锻性;4）可焊性;5）热处理性能;

材料的选择不能脱离经济性这个杠杆作用，这就是工程材料研究与一般材料研究区别的显著标志。

选材的原则：

1）  设计选材既要可靠，又要经济，能用低等级材料时就不要选用高等级材料。

2）  对材料的制造要求也应适当，要结合使用条件来规定各项检查试验要求。

3）  对于每一种金属材料来说，以上各类性能不可能都是优秀的，选用材料时，只能扬长避短，物尽其用。

1.3  温度对金属材料性能的影晌

1）材料的蠕变及应力松弛

材料的蠕变：

当材料的使用温度超过其熔点的（0.25～0.35）倍时，金属性能已处于不稳定状态，此时若在外力的作用下，会出现这样一种现象:

虽然材料的应力不再增加，但其变形却随着时间的增加而继续增大，而且出现了不可恢复的塑性变形。

◆一般情况下，对碳钢，考虑蠕变发生的起始温度为300～350℃，对铬钼合金钢则为400～450℃。

应力松弛：

与蠕变现象相反，当材料受高温和外力的持续作用时可能会出现：

材料的总应变量不变，使其中部分弹性变形转化成了塑性变形，从而导致弹性应力降低，即意味着金属材料被"放松"了。

2）材料的球化和石墨化

材料的球化：

在高温作用下，碳钢中的渗碳体由于获得能量而将发生迁移和聚集，形成晶粒粗大的渗碳体并夹在铁素体内，尤其是对于珠光体碳钢，其渗碳体会由片状逐渐转变成球状。

这种现象称为材料的球化。

球化的结果：

使得材料的抗蠕变能力和持久强度下降，而塑性增加。

◆一般情况下，碳钢长期处于450℃以上温度环境时，就有明显的球化现象。

材料的石墨化：

对于碳钢和一些低合金钢，在高温作用下，其组织中会出现这样一种现象:

其过饱和的碳原子发生迁移和聚集，并转化为石墨（石墨为游离的碳原子）。

由于石墨强度极低，并以片状存在于珠光体内，将使材料的强度大大降低，而脆性增加。

这种现象称为材料的石墨化。

◆一般情况下，碳钢长期处于425℃以上温度环境时，就有石墨化发生，而在475℃以上时则明显出现。

SH3059标准规定，碳钢的最高使用温度为425℃，而GB150规范则规定其最高使用温度为450℃。

3）材料的高温氧化

金属的氧化金属材料处于高温和氧化性介质（如空气）的环境中时，将会被氧化。

氧化产物为疏松的非金属物质，容易脱落，故有时也称其金属的氧化为脱皮。

在低温情况下，材料因其原子周围的自由电子活动能力和“粘结力”减弱而使金属呈现脆性。

一般情况下，对于每种材料，都有这