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GCr15钢快速球化工艺及生命周期评估(LCA)的研究

曹双安  
【摘要】:环境材料要求材料同时具有功能性、舒适性和环境性,金属材料在热处理后要求具有多方面的综合性能,为了解决多性能指标之间量纲不同,又无统一综合评分方法的问题,提出了多指标的综合量化评价方法,把各种不同的性能指标归化到一个综合性能值。该评价方法分别定义了相对性能指数(RI)、等价性能指数(EI)和综合性能值(IV)三个概念,从而把多指标问题转化为单一的综合性能值。这种综合评价方法在随后改进工艺中的Aclf温度选择、改进的等温快速球化工艺的选择和调质快速球化工艺的选择,以及不同球化工艺的性能比较和绿色度方程式的求解等几个方面得到应用。 为体现综合评价方法的具体应用,针对传统球化工艺周期长、能耗大、劳动生产率低,对GCr15钢的球化工艺进行了研究,期望找到节能球化的工艺方案。改进工艺集中在对保温时间和保温温度两个主要的热处理工艺参数的再研究;文章对传统等温球化退火工艺进行了改进。根据“Aclf温度透烧加热”球化的原理,通过正交试验方法安排试验方案,利用定量金相计算了不同方案的残留碳化物大小、含量。对球化碳化物粒径、体积分数以及硬度三个性能指标进行了综合量化,从而得出实验用钢在800℃/h加热速度下的Aclf值(800℃)。然后对上述试验中出现的球化不均匀问题进行了讨论,并制订出最终的等温快速球化退火工艺;文章还对传统的调质球化工艺进行了改进。提出了低温透烧奥氏体化的淬火方案。并根据GCr15钢回火P曲线以及“回火温度和回火时间对GCr15钢应力降低程度的影响”曲线,制定了更高温度,更短时间的回火工艺,最终制定了调质快速球化工艺。 针对球化工艺生命周期评价的特殊性,建立了球化工艺的LCA层次结构表和球化过程中物质和能量的平衡示意图,提出球化工艺设备等五点假设。然后,对传统等温球化退火、等温快速球化退火、传统调质球化、调质快速球化四种工艺进行讨论,计算了理想条件下工件、炉体吸收和释放能量的数值及其关系。最后提出了提高球化效率增加球化绿色度的途径,利用综合量化思想建立并求解了能源与质量的绿色度方程式。


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