（材料学专业论文）新型磨浆机耐磨耐蚀螺旋套的研发.pdf

哈尔滨理王大学工学硕士学位论文 新型蘑浆机耐磨耐蚀螺旋套的研发 摘要 首先，采用扫描电镜观察的方法，分析了输料段螺旋套和磨浆段螺旋套 | l 勺磨馁失效讥理：输辩毅螺旋套的疼蚀瘗损毙磨浆段螺旋套严重，蔼磨浆段 螺旋套的高应力磨料磨损比输料段螺旋套严重：输料段螺旋套主要的失效形 式为腐蚀磨损，同时伴有磨料磨损；磨浆段螺旋套主要的失效形式为高应力 磨料磨损，同时伴有腐蚀磨损。采用i c p 分析和扫描电镜观察的方法，对 进口螺旋套材料进行了组织成分和性能分析，结果表明：螺旋套材料是钴基 高温合金，基体组织是c o 基奥氏体，包围基体豹网状物质为c r 的碳化 物，网状碳化物中还分布着少量w 的碳化物；硬度h r c 在4 8 5 5 l 之间。 其次，根据螺旋套零件图纸，设计出了适合离心铸造的外层金属型模 具，通过添加螺旋套金属型内衬和树脂砂型内衬，用于制造螺旋套。另外， 设计了砂型铸造螺旋套木模、芯盒和用于离心铸造的金属型内衬及树脂砂型 造型的砂箱和本摸。暹过对离心铸造机豹改造，实现了无穷级数变速和铸造 过程中的转速调熬。 最后，采用对比试验的方法，研究了不同的螺旋套制造工艺对铸件表丽 矮量、宏观断口及显微组织的影赡，结果表明：砂型铸造的螺旋套表瑟粗 糙，存在凹坑，螺旋套内部都存在缩松和缩孔；金属型离心铸造的螺旋套外 观质量虽好，内部没有缺鹅，但螺棱的末端浇不足；封脂砂型复合离心铸造 的螺旋套表面质照良好，内部和外表都没有缺陷。从砂型铸造和离心铸造螺 旋套的盟微组织照片可以看出，砂型铸造的螺旋套的奥氏体自由生长，晶粒 浆，等雅晶；金耩垄离心铸造和树脂移一金属型复合离心铸造的螺旋套组织 致密，奥氏体及碳化物定向生长，晶粒细小，呈棒状，并鼠离心铸造的硬度 比砂型铸造的高。由于树脂砂一金属型复合离心铸造工艺制备的螺旋套没有 任何缺陷，组织性能比较好，因此可确定树脂砂金属型复合离心铸造是生 产螺旋套的最佳工艺。 关键词螺旋套；耐磨耐蚀铸铁；离心铸造；模具设计 篁竺鎏耋；i 奎茎三兰黧耋兰堡鎏兰 d e v e l o p m e n to fw e a ra n dc o r r o s i o n r e s i s t a n ts c r o l lc o v e rf o rn e w t y p e p u l p i n gm a c h i n e a b s t r a c t f i r s t b ；t h ew e a ra n dc o r r o s i o nm e c h a n i s m so fs c r o l lc o v e r sa r ea n a l y z e db y s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s e m ) m e t h o di nt h i sa r t i c l e 。t h er e s u l t ss h o w t h a tc o r r o s i v ea b r a s i o no ft r a n s p o r t i n gs c r o l lc o v e ri sh e a v i e rt h a nt h a to fp u l p i n g s c r o l lc o v e f b u th i 馥s t r e s sg r i n d i n ga b r a s i o no fp u l p i n gs c r o l lc o v e ri sh e a v i e r t h a nt h a to ft r a n s p o r t i n gs c r o l lc o v e r t h em a i nf a i l u r ef o r mo ft r a n s p o r t i n gs c r o l l c o v e ri sc o r r o s i v ea b r a s i o na c c o m p a n y i n gg r i n d i n ga b r a s i o n 。t h em a i nf a i l u r e f o r mo fp u l p i n gs c r o l lc o v e ri sh i g hs t r e s sg r i n d i n ga b r a s i o na c c o m p a n y i n g c o r r o s i v ea b r a s i o n b yi c pa n ds e mm e t h o d s ，t h em i c r o s t r u c t u r e ，c o m p o s i t i o n a n dp r o p e r t yo fi m p o r t e ds c r o l lc o v e rm a t e r i a la r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w t h a ts c r o l lc o v e rm a t e r i a li sc o m a t r i xs u p e r a l l o y ，t h em a t r i xi sc o - a u s t e n i t e ， n e t w o r ks t r u c t u r ee n c l o s i n gm a t r i xi sc r - c a r b i d ea n dt h e r ei sal i t t l ew - c a r b i d e a m o n gt h en e t w o r ks t r u c t u r e t h eh r ch a r d n e s sr a n g ei sf r o m4 8 5t o5 1 s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ed r a w i n go fs c r o l lc o v e r , t h ee x t e r n a lp e r m a n e n t _ m o l di sd e s i g n e dt ob eu s e dt oc e n t r i f u g a lc a s t i n g 。t h r o u g ha d d i n gm e t a li n t e r n a l l i n e ro rr e s i ns a n di n t e r n a ll i n e r w ec a l lf a b r i c a t es c r o l lc o v e ri ne x t e r n a l p e r m a n e n t m o l d 。i na d d i t i o n t h ew o o dm o d e la n dc o r e b o xo fs c r o l lc o v e ra r e d e s i g n e dt ob eu s e dt os a n dc a s t i n g ，m e t a li n t e r n a ll i n e ro fs c r o l lc o v e ra n dt h e f l a s ka n dw o o dm o d e lu s e dt or e s i ns a n dm o d e lm o l d i n ga r ed e s i g n e dt ob eu s e d t o c e n t r i f u g a lc a s t i n g 。t h r o u g hr e s t r u c t u r i n g t h ee x i s t i n gc e n t r i f u g a lc a s t i n g m a c h i n e i n f i n i t i v es t a g et r a n s m i s s i o ni sa c h i e v e da n dt h er o t a t i o n a ls p e e dc a l lb e r e g u l a t e di nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s l a s t l y , b yc o n t r a s te x p e r i m e n tm e t h o d s ，t h ee f f e c to fd i f f e r e n tf a b r i c a t i n g t e c h n o l o g i e so ns u r f a c eq u a l i t y ，m a c r o f r a c t u r ea n dm i c r o s t r u c t u r eo fs c r o l lc o v e r i ss t u d i e d 。t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r ep i t so nt h ec a s t i n gs u r f a c ea n dt h e r ea r e s h r i n k a g ec a v i t i e sa n ds h r i n k a g ep o r o s i t i e si nt h ec a s t i n g so fg r a v i t yf o r c es a n d l i 坌耋鎏堡玉查耋三兰蝥耋兰堡鎏兰 c a s t i n g ，a l t h o u g ht h es u r f a c eq u a l i t yi sg o o da n dt h e r e a r en od e f e c t si nt h e c a s t i n g s t h ee n d so fs c r e wt h r e a da r em i s r u n 嫩p e r m a n e n t - m o l dc e n t r i f u g a l c a s t i n g t h es u r f a c eq u a l i t yi sg o o da n dt h e r ea r en od e f e c t so nt h es u r f a c ea n di n t h e c a s t i n g s o fr e s i ns a n d m e t a lm o u l d c e n t r i f u g a lc a s t i n g f r o m t h e m e t a l l o g r a p ho fs c r o l lc o v e ri ng r a v i t yf o r c es a n dc a s t i n ga n dc e n t r i f u g a lc a s t i n g ， i tc a nb es e e nt h a tt h ea u s t e n i t eg r o w sf r e e l ya n dt h eg r a i ni sc o a r s ea n de q u i a x e d i ng r a v i t yf o r c ec a s t i n g t h em i c r o s t r u c t u r ei sd e n s e ，a u s t e n i t ea n de a r n d ea r e o r i e n t e dg r o w t ha n dt h eg r a i ni sf i n ea n dc l a v i f o r mi np e r m a n e n t m o l da n dr e s i n s a n d m e t a lm o u l dc e n t r i f u g a lc a s t i n g 。m o r e o v e rt h eh a r d n e s so fc e n t r i f u g a l c a s t i n gi sh i g h e rt h a nt h a to fg r a v i t yf o r c ec a s t i n g b e c a u s et h e r ea r en od e f e c t s i nt h es c r o l lc o v e ri nr e s i n s a n d p e r m a n e n tm o l dc e n t r i f u g a lc a s t i n g a n d m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t ya r eb e t t e r , i tc a nb ed e t e r m i n e dt h a tr e s i ns a n d - p e r m a n e n tm o l dc e n t r i f u g a lc a s t i n gi st h eo p t i m u mt e c h n o l o g y k e y w o r d ss c r o l lc o v e r ；w e a l + a n dc o r r o s i o nr e s i s t a n t c a s ti r o n ；c e n t r i f u g a l c a s t i n g ；m o u l dd e s i g n i l i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑莺声明：此处所提交的硕士学位论文新型磨浆机耐磨埘蚀螺睫奁的 研发，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期问独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知论文中除已汴明部分外不包禽他人已发表或 撰写过的研究成果。对本文研究工作做出员献的个人和集体，均已在文中以明确 方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作蕾签名：码叉盛 f 1 期：乃6 年弓月1 4 - f 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 新犁磨浆机由寸磨耐蚀螺旋套的研发系本人在哈尔滨理工大学攻读硕上学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理上大学 所肓，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理 大学关于保存、使用学位论文的规定，f d 意学校保留并向仃天部j 】提交论文和f 乜 子版本。允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文，可以公邗论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权佟。 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：歹与 导师签名：雪f 叉成 。了 闩期：加年3 i f r t 同期：础弓月，彳r 第1 章绪论 1 1 双螺旋辊式磨浆机特点及发展现状 1 1 1 双螺旋辊式磨浆机的特点 磨浆机是制浆造纸厂的重要设备，它不仅直接影响产品质量，而且关系到 生产能耗、成本和对环境的污染。磨浆能耗常占纸产品生产总能耗的一半左 右，因此，磨浆机能耗直接影响造纸企业的经济效益。对传统的盘式磨浆机、 锥型磨浆机、圆柱磨浆机等刀式磨浆机的设备和工艺进行改进很难降低磨浆过 程的能耗，提高磨浆质量。近年来，人们研制了多辊磨浆机、振动惯性磨浆 机、强磁粒子涡流磨浆机、射流挡板式磨浆机、声压效应式设备、空化作用式 磨浆设各和双螺旋辊式磨浆机等无刀式磨浆设备，其中双螺旋辊式磨浆机磨浆 质量好，能耗低，被制浆造纸行业看好，并称之为第三代磨浆机f l l 。 双螺旋辊式磨浆机将纤维分离、化学药品浸渍、蒸煮、洗涤、漂白和纤维 的切断等多个复杂的工艺过程汇集在磨浆机内完成。通过正反螺旋套组对纤维 挤压、扩敌、剪切、洗涤的作用，以及碱、亚硫酸钠、过氧化氢等化学药品的 添加作用，进行高浓度( 3 0 3 5 ) 机械化学制浆口】。由于双螺旋辊式磨浆机的特 殊结构，使之除了具有良好的磨解功能外，还具有浓缩、高效混合等功能，它 在浆料( 或原料) 磨解过程中可以进行脱水( 或脱出废液) 、加入蒸汽、加水 洗涤、加药( 蒸煮剂、漂白药剂) 进行化学反应等操作，完成多项工艺过程， 与传统刀式磨浆机相比有突出的优点( 详见表卜1 ) 。 表1 1 双螺旋辊式磨浆机的优点 t a b l e1 - 1a d v a n t a g eo f t w i ns c r e wm i l e rp u l p i n gm a c h i n e 特点双螺旋辊式磨浆机传统磨浆机 成浆品质均匀性好，纤维长不均匀，纤维短 磨浆能耗每吨浆耗电8 0 - 1 2 0 度每吨浆耗电4 0 0 - 6 0 0 度 有洗涤功能，吨浆常水 节水降污无洗涤功能 6 0 吨 磨浆，纤维分离，药品浸 功能性渍，蒸煮，洗涤，漂白与以切断为主的磨浆 一身 哈尔泞理t 大学t 学够+ 学位论文 1 1 2 国内外研究现状及存在问题 二十世纪五十年代，国外塑料和食品工业开始使用双螺杆挤出机，经过近 3 0 年发展，1 9 7 5 年法国c l e c t r a l 公司首先对双螺杆挤出机进行技术开发，力图 用于制浆造纸业聊。此后，瑞典、美国也纷纷着手该项技术的移植和拓展。 1 9 8 3 年6 月，c eb a u e r 公司进行了双螺杆挤压机用于制浆工业的生产试验， 处理的原料为南方松和杨木木片，在较低能耗下，生产了性能类似t m p ( 热 磨机械浆) 的浆料。9 0 年代初期，法国c l e c t r a l 公司成功地完成了制浆的工业 试验，制造了用于制浆造纸工业的双螺旋辊式磨浆机，这种设备现已用于渣浆 再磨、废纸处理、浆料漂白和洗涤等环节。瑞典k m w 公司还利用双螺杆挤压 机作为混合器，用于浆料和漂液高浓混合1 4 1 。 在国内，1 9 8 5 年东北林业大学开始进行“双螺旋辊式磨浆机研制”省攻关 项目的研究，1 9 8 8 年进行了阶段性鉴定，省科技厅又将“双螺旋辊式新型磨浆 机工业化机型的研制”列为重大科研项目，9 9 年鉴定。同时在林大成立了“哈 尔滨市泽恩辊式磨浆机研制中心”，从此开始全面推广，现已批量生产p l 。 但是磨浆机中的正、反螺旋套、简体等一系列易损件大大制约了该机的推 广。正、反螺旋套、简体等件的服役环境苛刻。双螺旋辊式磨浆机的特殊结 构，使之除了具有良好的磨解功能外，磨浆机具有高浓度制浆的特点，浆料仅 含8 的水，几乎无游离水，接近干磨，因此磨损条件极为恶劣，还要进行加 碱、亚硫酸钠、过氧化氢等化学药品在机内的添加反应，要求材料既要耐酸又 要耐碱，尤其是加碱性亚硫酸钠时，浆料整体属碱性，但与材料接触表面析出 的二氧化硫与蒸汽结合生成亚硫酸，同时材料受酸性腐蚀。正螺旋套、反螺旋 套要承受连续不断的较高( 8 - i o m p a ) 的压力作用，给料时，螺齿还要承受较 大的剪切应力和冲击应力，要求材料具有良好的综合机械性能；双螺旋辊式磨 浆机还要完成蒸煮任务，材料要在9 0 c 以上温度下工作，又要求材料要有一定 的耐热性。这些恶劣的服役环境对材料提出了更高的要求【6 】。 1 2 耐磨材料的发展现状 目前，世界各国都在致力于新材料的开发，而耐磨材料正是其中一个重要 的课题。国内外关于耐磨材料的报道较多。总的来说，所有耐磨材料的共同特 点就是表面硬度高，但是，各种材料所能表现出来的硬度并不是完全相同，硬 度形成的原因也不一样，除了硬度之外的其它的力学性能及综合性能不尽相 同。这使得各种耐磨材料在各自的性能、应用、发展等方面形成了差别。就现 哈尔滨理丁大学t 学坳卜学位论文 有的耐磨材料而占，在工业上的应用仍然以耐磨钢和耐磨铸铁为主，尤其是耐 磨铸铁。2 0 0 0 年l o 月2 0 日至2 3 日，我国在北京召开了2 i 世纪全国耐磨材料 大会暨第九届全国耐磨材料、磨损失效分析与抗磨技术学术会议门。该会议报 告对我国的耐磨材料现状及新的发展进行了总结。 从抗磨材料的发展阶段来看，大致可分为四代：第一代足普通自口铸铁和高 锰钢；第二代是镍硬铸铁；第三代是高铬白口铸铁；第四代则是近二三十年发 展起来的贝氏体球墨铸铁嘲。目前，常用的耐磨材料有白口铸铁、耐磨钢和耐 磨合金。其中自口铸铁以其良好的抗磨性能，且价格较便宜而应用较为广泛。 特别是合会白口铁，无论是从第一代的硬镍型白口铸铁，还是第二代的商铬白 口铸铁，其寿命均比普通白口铸铁提高几倍或几十倍【”。其中铬系白口铁通过 调整其含铬量与含碳量( a oc r c 比) 可使碳化物和基体都发生明显变化，从而可 大幅度地提高合金白口铸铁的抗磨性和综合性能。 1 2 1 普通抗磨白口铁 在欧洲，十八世纪早期出现了白口可锻铸铁的生产方法，在铸态下可用作 抗磨材料。随后，发展了专门抗磨的高碳低硅的白口铸铁。这种材料采用低硅 ( s i 3 5 ) ，高锰和高硫来得到完全的白口组织i 。 普通白口铸铁以及随后发展的低硅白口铸铁，由于没有合金化，因而显微 组织墓体是由珠光体和网状渗碳体或莱氏体构成，显微硬度在5 0 0 h v 左右， 脆性较大，使其应用受到限制，只能满足低应力抗磨场合的需要，降低含磷量 和含碳量均可改善铸件的脆性，但是其效果有限，特别是其硬度值也无法满足 磨损的要求。这种白口铸铁的主要优点是生产工艺简单，价格低廉【l l 】。 1 2 2 镍硬铸铁 1 9 2 8 年c l i m a x 国际公司研制成功的镍硬铸铁，是在普通自口铸铁中加入 3 0 5 0 n i 和1 5 3 5 c r ，得到非常硬而且耐磨的( f e ，c r ) 3 c + m + 触 铸态组织，其中碳化物为连续的渗碳体，h b 值在5 5 0 6 5 0 之间，有好的抗磨 性。热处理仅限于低温下消除应力退火1 1 2 j ，生产工艺简单，所以较早地在矿山 和冶金领域得到应用。美国，日本及欧洲各国2 0 世纪初就开始采用镍硬铸 铁，镍硬铸铁在美国，英国、德国己纳入国家标准，目前已发展到镍硬甜，铬 含量由2 提高到9 ，镍由3 提高到6 5 ，共晶碳化物由m 3 c 型变成 m 7 c 3 型，力学性能显著提高，铸态厚截面可获得马氏体组织，硬度在h r c 6 2 以上，并且具有一定韧性，主要应用于辊式磨环和磨辊，可铸态使用，这对数 哈尔泞理丁大学工学硕+ 学位论文 吨重不便热处理的大铸件很有意义。但是，镍硬铸铁与普通抗磨自口铁一样， 其脆性没有得到克服，韧性较低，性能不够稳定，应用受到限制，在我国由于 镍合金比较贵，镍硬铸铁的应用并不广泛【1 3 】。 1 2 3 高铬白口铁 目前普通的白口铸铁已近淘汰，取而代之的足合金白口铸铁，由于中国铬 资源储量丰富，价格便宜，所以是合金白口铸铁的主要添加元素。人们常说的 高铬铸铁主要是指高铬钼白口铸铁，可分为c r l 5 和c r 2 0 两类，前者用于承受 一般冲击磨损，而后者用于高冲击磨损和厚度较大的耐磨件，含铬量超过3 0 的高铬铸铁一般用于耐热或耐蚀的零件( 1 4 l 。上世纪3 0 年代，主要在美国进行 了含1 0 3 0 c r 的高铬白口铸铁的研究。而后，英国，前苏联，德国等也相 继进行了大量的生产研究。6 0 年代以后，由于电炉的广泛应用，使得这种铸铁 发展较快f ”1 。 高铬白口铸铁由于成分设计的特点，具有比镍硬白口铸铁更好的组织、性 能。铬的加入改变了自口铸铁的碳化物结构类型，由普通白口铸铁中的网状 m 3 c 型碳化物变成m 7 c 3 型碳化物，这不仅提高了耐磨性，而且提高了韧性。 因此，高铬铸铁问世以来，一直被认为是较理想的抗磨材料，应用十分广泛。 国内外对高铬铸铁的成分、组织、热处理工艺与性能之日j 的关系、工艺控制、 特殊件生产以及各种磨料磨损条件下的使用性能已进行了大量的研究，近年来 还对结晶舰律进行了一些研究【1 6 1 。 实际应用表明，磨料的硬度对合金的抗磨性影响很大。j m b e r e z a 通过 试验指出，在碾磨水泥熟料( 4 5 0 h v ) 时，高铬白口铸铁磨球要比锻钢磨球的 抗磨性高出1 0 倍，碾磨长石( 5 0 0 h v ) 高出2 3 倍，而碾磨石英( 8 0 0 1 0 0 0 h v ) 或二氧化硅硬度较高的矿料时仅超过锻钢磨球2 0 3 0 。因此， 经济地采用较贵的高铬自口铸铁在很大程度上取决于磨料的硬度。一般而言， 高铬白口铸铁只有用来碾磨硬度在5 0 0 6 0 0 h v 以下的磨料时，在经济上是合 理的。 ，高铬白i = 1 铸铁被国内外公认具有优异的耐磨性能，但由于以下两方面的 原因，使其应用领域受到了限制：一是生产成本高，这不仅是原材料成本高， 而且还需要电炉熔炼：二是在矿山湿磨条件下不宜使用。8 0 年代以来，为了进 一步提高高铬白1 ：3 铸铁的性能并扩大应用范围，进行了大量的研究。在基础理 论方面，t o h i d e 和g o h i r a 发现，当c r 1 0 以后，合金的凝固特性发生了根 本的变化，表现为糊状凝固，碳化物由斜方晶系m 3 c 型转化为六方晶系m y c 3 竺釜鋈翌三查兰三兰竺三耋竺丝奎 型，显微硬度由1 0 6 0 1 2 4 0 h v 提高到1 5 0 0 1 8 0 0 h v ，使其在腐蚀性的湿磨 条件下得到更广泛的应用1 7 1 。日本，英国，德国均向高铬铸铁中加入钒，随着 钒量的增加，v c 颗粒( 2 8 0 0 h v ) 明显增加，由于v c 颗粒周围的铬浓度相对 提高，从而提高了高铬白口铸铁的耐蚀性和抗磨性。为了解决高铬铸铁成本高 和抗冲击性能不足的弱点，北京科技大学吴承建等人采用了离心铸造的方法生 产了高铬铸铁和球墨铸铁双金属复合辊圈，其使用寿命比目前的中锰球铁辊圈 提高4 倍，生产成本比中锰球铁仅高出2 0 左右。从整体来看，合金白口铸 铁的耐磨性优于耐磨铸钢，但是铸刚的韧性好，在有冲击载荷的情况下有广泛 的应用。 1 2 4 贝氏体球铁 白口铸铁的发展从低合金化到高合金化，从珠光体白口铸铁到马氏体白口 铸铁，虽然抗磨性有很大的提高，但是其脆性问题始终难以彻底解决，7 0 年代 末诞生的贝氏体球铁为抗磨材料的研究和发展提供了一条新的思路，即以球墨 铸铁替代白口铸铁，以贝氏体组织替代马氏体组织，同时有少量奥氏体和弥散 分布的碳化物，显示出优良的耐磨性能和优异的综合力学性能。 各国从不同的角度进行了奥氏体球铁( a u s t e n i t ed u c t i l ei r o n ，简称a d i ) 的研究，这种材料具有较高的强度同时具有一定的耐磨性。另一类是以贝氏体 和少量碳化物为基体，称为贝氏体球铁( b a i n i t ed u c t i l ei r o n ，简称b d i ) 。该 材料具有很好的耐磨性，同时具有一定的强度和韧性【1 9 1 。贝氏体球铁优异的综 合性能使其具有非常广泛的用途，如用在耐磨、耐冲击、高强度，高韧性和耐 疲劳的场合。在大齿轮方面，贝氏体球铁甚至可以完全替代渗碳钢，在某些条 件下比渗碳钢作用更好。在震动和冲击载荷的情况下，贝氏体球铁的减震，阻 碍裂纹扩展能力是渗碳钢无法比拟的。此外，在润滑困难或无润滑的恶劣条件 下，贝氏体球铁很适合应用于机车车轮、辊轮、滑块等场合。 j目前，我国尚没有单一基体的贝氏体球铁产品，所谓的贝氏体球铁产品其 ，实是马氏体贝氏体复合相球铁，其基体组织由马氏体和贝氏体组成，另外有 少量的碳化物和奥氏体。贝氏体球铁的应用还存在一些问题，加工硬化会导致 加工困难，等温淬火工艺费时耗能。 ， 1 3 国内外螺旋套材料研究状况 ， 目前国内外对螺旋套材料的研究很少，对于传统老式磨浆机中的关键耐磨 蚀件一磨盘而占，国外的典型材质是美国产的高铬镍马氏体时效钢，虽然其具 哈句：滨理工大学t 学够十学位论文 有较高的韧性，不会发生碎裂现象，但硬度较低，抗磨性能差，使用寿命一般 为2 3 个月左右，且价格高。对螺旋套的材质而言未见国外报道。 国内螺旋套最初采用4 5 号钢，但使用寿命。为了解决这个问题，将螺旋套 材质改为l c r l t n i 2 ，表面经固溶处理，硬度为2 6 0 2 8 0h v ，耐腐蚀性能虽然 较好，但表面硬度偏低，耐磨性较差，致使线形磨损较快，使用时间不长1 2 0 1 。 为此，又将螺旋套材料换为3 8 c r m o a i ，粗加工后进行调质处理，精加工后进 行表面氮化处理，提高了中碳钢的抗腐蚀能力，但由于渗氮层较薄，因而使用 寿命短。另外还有的使用4 0 c r 作为螺旋套材料，在精加工后，在表面喷涂n i 6 0 粉，使用寿命也很短。 1 4 国内外离心铸造研究状况 离心铸造发展至今已有几十年的历史。第一个专利是1 8 0 9 年由英国人爱 尔恰尔特( e r c h a r d t ) 提出的，直n - - 十世纪初才逐步推广用于工业生产。我 国3 0 年代开始采用离心铸造生产铸铁管。现在离心铸造已是一种应用广泛的 铸造方法，常用于生产铸管、铜套、缸套、双金属钢背铜套等。对于像双金属 轧辊、加热炉滚道、造纸机干燥筒及异形铸件( 如叶轮等) ，采用离心铸造也 十分有效。目前已有高度机械化、自动化的离心铸造机，有年产量达数十力吨 的机械化离心管厂。在离心铸造中，铸造合金的种类几乎不受限制。对于中空 铸件，其内径最小为8 m m ；最大为3 0 0 0 r a m ；铸件长度最大为8 0 0 0 m m 。重量 最小为几克( 金牙齿) ；最大可达十几吨口“。 离心铸造在我国起步比较晚，离心铸造主要应用于铸管、铸轧辊、铸套 筒、双金属轴承或其他机械化工类产品。 1 4 1 离心铸管 1 8 4 9 年由英国人安德罗逊克( a n d r e ws h a n k s ) 造出了世界上第一台离心 铸管机，此后铸管工艺发生了巨大的变革，逐渐淘汰了传统的以手工操作为主 的卧浇、立浇砂型铸管工艺。1 8 7 0 年生产出直径为7 5 m m 长达3 6 0 0 m m 的离 心铸管。1 9 1 0 年，德国工程师奥托勃晕笛( o t t ob r i e d e ) 设计出可移动流槽的 离心铸管机。该离心机的浇注包位于浇注稽的上面，浇注槽由液压缸带动。浇 注前，浇注槽全部伸入铸型，先使铸型旋转，金属液由浇注包流出后，浇注槽 逐渐向右移动，金属流均匀地分靠在铸型的内表面上。1 9 1 4 年巴西工程师德拉 沃( d el a v a u d ) 在奥托勃罩笛离心机的基础上将移动浇注槽改成移动铸型，并 采用水冷金属型和拔管机构，使金属型离心铸管机的结构和生产工艺更为合 哈尔滓理t 大学t 学硕十学位论文 理，在铸管生产方面获得了成功，因此人们把这种水冷金属型离心铸管法称为 德拉沃( d e l a v a u d ) 铸管法，即现在各国仍在使用的水冷金属型离心铸管法。 1 9 2 2 年美国开始生产砂型离心铸管，1 9 3 3 年开始生产水冷金属型离心铸管。 加拿大、法国、日本、德国分别于1 9 2 3 年、1 9 2 8 年、1 9 4 0 年、1 9 4 5 年生产离 心铸管口2 1 。时至今日，离心铸管已成为世界上最主要的铸管工艺。离心铸造球 墨铸铁管是6 0 年代开始发展起来的，到了7 0 年代发展速度加快。1 9 6 0 年以 前，全世界的球铁管生产量还不足5 0 万吨，7 0 年代末期猛增到6 0 0 万吨左 右。日本1 9 6 2 年球铁管生产量仅有1 2 万吨，只占全部铸铁管产量的4 0 ，到 1 9 8 3 年球铁管的生产量增加到9 0 万吨。8 0 年代，日、法、德、英、美等经济 发达国家，基本上都以球铁管代替了普通铸铁管的生产1 2 3 i 。 目前国内外离心铸造方法主要有：水冷法( 即d e l a v a u d 法) 、喷涂料热模 法( 即w h e a t s p r a y 法) 和衬树脂砂热模法口4 1 三种。这三种离心铸造方法比较 见表l - 2 。 1 水冷法( 冷模法即d e l a v a u d 法) 该方法适用于大批量生产中小管径的 球墨铸铁管( d n s 0 d n1 0 0 0 m m ) 。它是当今世界上应用最广泛，也是我国主 要引进技术和设备( 3 0 多台离心主机) 的离心铸造方法。由于铸型冷却速度 大，浇注后为白口组织，经连续退火( 高温+ 低温) 获得以铁素体基体为主的 球墨铸铁。它具有生产效率高( 不同管径的生产效率达1 0 1 5 根1 1 ) ，铸管材 质致密，力学性能好等优点，但也存在着离心主机结构复杂，金属型( 管模) 寿命较低( 一般为1 0 0 0 3 0 0 0 次根) 等缺点。冷模法中管模费用占生产总成 本的1 0 1 5 。 2 衬树脂砂热模法此方法是将管模加热到1 6 0 2 2 0 ，在管模内壁衬上 一层覆膜树脂砂( 3 s m m 厚) ，管模上钻有排气孔，以利于浇注铁液时覆膜 砂产生的气体逸出。由于树脂砂村的保护，使管模承受热载荷的程度大大减 少，有效地延长了管模的使用寿命( 1 万次以上根) ，铸管的冷却速度较慢， 铸态组织中没有或有少量共晶渗碳体，只需经过低温退火即可获得理想的金相 组织和力学性能。 衬树脂砂热模法工艺于5 0 年代首先在日本久保田公司获得成功。目前， 国内石家庄新兴铸管公司、青岛北钢铸管公司和江苏靖江永益铸管公司采用此 工艺生产d n1 0 0 0 m m 以上大管径铸管，最大管径为d n 2 6 0 0 m m 。 3 喷涂料热模法( i 1 1 w h e a t - s p r a y 法) 此方法是将管模加热到一定温度 ( 2 2 0 2 6 0 ) ，在管模内壁涂上一层隔热性能较好的涂料( 一般采用硅藻+ 膨 润土) 。由于涂料的隔热作用，铸管的铸态组织中也没有共晶渗碳体，经低温 哈尔泞理t 大学t 学硕+ 学位论文 表1 - 2 离心铸造方法的优缺点与选用范围 t a b l e l 2a p p l i e dr a n g ea n da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f c e n t r i f u g a lc a s t i n g 离心铸造方法优点 缺点 适用范围 生产效率高 离心主机结构复杂 d n l 0 0 0 r a m 衬树脂砂热模法管模寿命长铸管内外表面质量较 大管狰铸管， 只需低温退火 低 退火即可。喷涂料热模法的铸型冷却速度介于冷模法和衬树脂砂热模法之问， 铸管表面光洁且组织较细，离心主机结构简单，管模寿命较高，是一种较为先 进的离心铸造方法。法国莫松桥铸管公司，以及英国、美国的一些铸管厂生产 管径在d n 8 0 0 m m 以上的大管径铸管中采用喷涂料的热模法工艺。 我国最早的离心铸管车间是在鞍山开始建立起来的。我国铸管生产在1 9 5 8 年从原苏联引进拉管法，由于其设备、工艺简单，投资少，迅速推广为铸铁管 的主要生产方法。我国球铁管生产起步较晚。1 9 8 4 年侯马风雷机械厂及邢台钢 铁厂分别引进水冷及热模离心铸管机并同时采用球墨铸铁，从而开创了国内用 离心法生产球墨铸铁管的历史。我国现有铸管厂约3 0 0 多家，年产铸管为 1 4 0 1 6 0 万吨，占全国铸铁件年总产量的i 8 i 7 t 2 5 1 。 1 4 2 离心铸造轧辊 用离心铸造法生产的轧辊具有如下优点：( 1 ) 金属液收得率高；( 2 ) 节约 大量合金材料：( 3 ) 轧辊表面质量得到改善；( 4 ) 轧辊强度显著提高；( 5 ) 轧 辊使用效率明显提高。此外，离心铸造法生产轧辊还具有生产效率高、操作简 便和易于控制等特点。因此，离心铸造复合轧辊引起了国内外的重视，目前在 我国绝大多数轧辊厂均采用离心铸造法生产轧辊。 离心铸造复合冶金轧辊外层为高合金铸铁或合金铸钢，辊芯为荻铸铁、球 略尔泞理t 大学t 学衙七学位论文 铁或铸钢。早在1 9 3 2 年德国就已经研制出离心复合铸铁轧辊，但直到近二、三 十年才大量生产和使用。日、美、英、法、德、瑞典和比利时等国都在6 0 q z 代 或7 0 年代初开始安装离心浇注机，大规模生产离心复合轧辊，发展十分迅速。 目前，国外宽带钢、钢管、万能型钢和线材等轧机上普遍使用离心复合轧辊。 日本大部分中厚板轧机工作辊也用离心方法浇注。日本淀川制钢所早在1 9 7 5 年 就己生产出净重6 0 t 的离心复合铸铁轧辊，用作厚板轧机工作辊啡i 。 在国内，太钢和北京钢铁研究院于1 9 7 4 年开始离心复合冶金轧辊的研究， 1 9 8 0 年通过鉴定口7 1 。从1 9 8 0 年以来，国内众多科研单位、高等院校和企业歼展 了离心铸造复合轧辊的研究，获得了满意的效果。我国自己生产的离心复合轧 辊，在武钢、宝钢和上钢二厂等地取代进口轧辊，使用寿命达到并超过国外进 口轧辊，部分还出口国外脚l 。北京冶金设备研究院从1 9 8 4 年开始研制线材轧机 精轧锻离心复合高铬铸铁轧辊，取得了一系列应用成果【2 9 。 表1 3 列出了离心铸造复合轧辊的3 种制造方法。 表l - 3 离心铸造复合轧辊方法 t a b l e1 - 3m e t h o d so f f a b r i c a t i n gc o m p o s i t er o l l e ri nc e n t r i f u g a lc a s t i n g 犁式 立式卧式倾斜式 将外层材料注入垂直旋离心铸造完外层后，将铸型将外层材料注入倾斜着旋 铸转的铸型中，然后一边从离心铸造机移开，立到铸转的铸型中，之后一面注 造注入辊芯材料，一边降型坑内，调整辊颈铸璎，底入辊芯材料。一面降低转 方低转速，旋转停止同时注或顶注辊芯材料。速。辊芯材料浇注完同时 法铸造完i # 。铸造结束，有时也立在铸 型坑内，然后顶注冒口。 用立式离心机生产轧辊用卧式离心机生产轧辊时，倾斜式离心机其轴线与水 操作简单，安全可靠，离心机承受的只是冷犁和外平方向的夹角一般在2 0 。 特但模具多，需要的动力层金属的重量，消耗的动力左右。其优缺点介丁卧式 点大，设备和基础的投资 少，卧式离心机没各简单， 和立式之间。 夫。投资少。但操作复杂，安全 性较芳。 用立式离心机生产轧辊，当辊身太长时，外层厚度不均匀，而用卧式离心 机生产小直径轧辊时，要选用很高的转速，轧辊容易丌裂。因此生产辊身短， 直径小的轧辊，用立式离心机生产质量较好，而生产辊身长的轧辊时，用卧式 哈尔泞理t 大学t 学面卜学位论文 离心机生产质量较好。倾斜式离心机兼有两者的优点。欧洲多是立式，有少数 卧式；美国多是卧式，也有部分立式；日本主要是倾斜式，有少数卧式。我国 在8 0 年代中期以前以卧式为主，近几年立式发展较快。值得注意的是，近年来 角度可变式离心机的研制也引起了轧辊界的重视，它是以适当的角度同时浇入 外层和辊芯材料，这种离心机由于结构的特点，可使模具自动找正，使重心偏 移量最小，降低了对模具和机械制造精度的要求。各种离心铸造复合轧辊制造 方法的优缺点随着技术的进步也在变化。北京钢铁设计研究总院和北京轧辊厂 合作制造了一台悬垂式离心机，可浇最大辊径为0 4 2 0 m m 。这种离心机将传统 的下部传动改为上部摩擦传动，使所需的地坑深度大大降低，使立式离心法的 缺点得以改善。所以各种方法都可能会不断完善，重要的是结合自己的特点来 选择工艺，发展我国独特的离心铸造复合轧辊技术。随着钢产量的增长，冶金 行业广泛应用新型轧机用传统方法制造的轧辊不能满足要求，离心铸造工艺越 来越受到重视。例如：邢台冶金机械轧辊厂，有年产5 5 万吨的能力，八十年代 从奥地利引进大型立式离心浇注机，可铸造重十余吨的大型复合材料轧辊。鞍 山钢铁公司轧辊厂，采用卧式离心浇注工艺生产高合金钢轧辊和复合轧辊，年 产量在万吨以上。 1 4 3 离心铸造复合材料 离心铸造是制备金属基复合材料的一种重要方法 3 0 l 。通常，它可以分为离 心偏聚法和离心渗铸法。离心偏聚法的工艺过程是，将增强相加入金属液中， 依靠增强相与金属液之间的密度差，在离心力作用下，使增强相偏聚于管件的 外表层或内表层；离心渗铸法是先在铸型内形成增强相的预成型，然后浇注金 属液，在离心力作用下，使金属液渗入预成型的间隙中，凝固后得n # t - 表层为 增强相增强的表面复合材料。近年来，离心铸造自生复合材料技术得到了发 展。离心铸造自生复合材料技术的基本原理是，将凝固过程中的析出初生相作 为增强相，利用初生相与金属液之间的密度差，在一定的凝固条件和离心力场 的作用下，使初生相外沉或内浮，得到自生表面复合材料或自生梯度复合材 料刚。 离心偏聚法始于1 9 7 6 年， k r i s h n a nbp t 3 2 1 等首先将涂覆c u 的石墨粒子采 用搅拌法加入铝合金液，然后将混合金属液浇入垂直离心铸造机的水玻璃砂型 中，获得了内表层富集石墨粒子、外表层不含石墨粒子的复合材料管件，并考 察了浇注温度、石墨粒子尺寸和合金成分等工艺参数对石墨颗粒分布的影响。 张震寰等 3 3 1 采用相同的工艺，将涂覆或不涂覆c u 的石墨粒子加人z l 2 0 1 合金 哈尔漳理t 大学t 学面卜学位论文 液中，离心铸造也获得了由富集石墨的内层与不含石墨的外层构成的双层结构 铸件，并注意到铸型的冷却条件对石墨的分布有较大影响。n a t h 等p 4 l 将云母粒 子加入a i - 4 c u - i 5 m g 合金液中，离心铸造获得了内层富集云母粒子外层不 含云母粒子的复合管件，采用此方法，获得了用重力铸造难以获得的云母含量 高的表面复合材料，他们还讨论了浇注温度和颗粒尺寸对云母粒子分布的影 响，认为云母粒子偏聚的主要原因是云母与金属液之间的密度差，而非云母粒 子受到凝固界面排斥的结果。 p r a s a dbk 等1 3 啡i 将未涂覆的石墨和碳粒子加入铸型兼坩埚的容器中，金 属液熔化之后，用离心渗铸的方法获得了石墨和碳粒子分布于铝合金和巴氏合 会中的表面复合材料，并对表面复合层的耐磨性、冲击韧性、摩擦系数、硬度 等作了分析。他们认为，根据增强用颗粒的形状，适当地选择铸造温度及重力 加速度，即使用与金属液润湿性较差的一些增强颗粒，采用离心铸造方法也可 以获得界面扩散层较均匀的表面复合材料。采用完全相同的方法，还获得了石 墨和碳粒子与氮化硅、氧化铝、碳化硅