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成分对合金衬板钢材料腐蚀条件下冲击磨损性能与机理的影响 摘要 腐蚀条件下的冲击磨损是湿式磨机衬板的主要工作环境。在衬板和磨球的使用 过程中，不仅受到磨料的冲击磨损，而且经受浆料的腐蚀。三者的交互作用加剧了 材料的磨损。传统的衬板材料如高锰钢、中碳合金钢等综合性能欠佳。新型低碳高 合金衬板钢的出现弥补了这一缺陷。 镍对于合金钢性能的改善是独特的。但资源有限，价格昂贵。本研究通 过调节合金中镍的含量，同时加入适量的锰，在不大幅降低使用性能的前提 下，力图得到具有更高性价比的合金衬板钢材料。 对熔炼得到的三种衬板钢材料进行适当的热处理，分析组织并测定其力 学性能和耐腐蚀性能。结果表明：三种材料的最终组织均为马氏体组织，综 合性能随锰含量的增高而降低。 三种成分衬板钢腐蚀条件下的冲击磨损性能实验在m l d 1 0 型动载磨粒 磨损实验机上进行，选取两种冲击功分别进行测试。结果表明：在本实验条 件下原低碳高合金衬板钢具有最好的耐腐蚀条件下的冲击磨损性能，而含镍 1 0 ，锰1 5 的合金衬板钢材料具有最高的性价比。本文同时对三种材料 腐蚀条件的冲击磨损机理进行了探讨。 关键词：成分，冲击磨损，衬板钢，低碳高合金钢，磨损机制 e f f e c to fc o m p o s i t i o no ni m p a c t - w e a rb e h a v i o ra n dm e c h a n i s m o fa l l o yl i n e rs t e e l si nc o r r o s i v ec o n d i t i o n a b s t r a c t i m p a c tw e a ri nc o r r o s i v ec o n d i t i o ni st h em a i ne n v i r o n m e n tt h a tw e tg r i n d i n g l i n e rw o r k si n d u r i n gt h eu s i n gp r o c e s s i n go ft h el i n e ra n dg r i n d i n gb a l l s ，t h e y b e a rb o t hi m p a c tw e a ro fa b a s i v em a t e r i a l sa n d c o r r o s i o ns l u r r y ，a n dt h ei n t e r a c t i o n o f t h r e em a k e st h ea b r a s i o nm o r e s e r i o u s c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo f t r a d i t i o n a ll i n e rl i k eh i g hm a n g a n e s es t e e l ，m e d i u mc a r b o na l l o ys t e e le t c c a n n o t m e e tt h er e q u i r e m e n t s b u tt h ed e v e l o p m e n to fl o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e e lh a v e p r o v i d e dq u i t eag o o ds o l u t i o nf o rt h i sp r o b l e m n i c k e li su n i q u ei ni m p r o v i n gp r o p e r t i e so fa l l o ys t e e l s ，b u ta l s oe x p e n s i v ea n d l i m i t e di nr e s o u r c e s t h i sr e s e a r c hw a n t st oo b t a i nb e t t e rc o s tp e r f o r m a n c el i n e r s t e e lm a t e r i a l sb ya d j u s t i n gt h e n i c k e lc o n t a i n i n ga n dm a n g a n e s ec o n t a i n i n gi n a d d i t i o no fk e e ps e r v i c ep e r f o r m a n c ei fp o s s i b l e s e l e c ts u i t a b l eh e a tt r e a t m e n tc r a f t sf o rt h r e el i n e rm a t e r i a l sa n da n a l y z et h e i r m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n du n i f o r mc o r r o s i o nr e s i s t a n c e t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ef i n a lm i c r o s t r u c t u r eo ft h r e ek i n do fm a t e r i a l sa r ea l lm a r t e n s i t e a n dt h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ed e c r e a s e sb yt h ei n c r e a s i n go fm a n g a n e s e c o n t a i n i n g i m p a c tw e a rp r o p e r t i e so fa l l o yl i n e rs t e e l sw i t hd i f f e r e n tc o m p o s i t i o ni n c o r r o s i v ec o n d i t i o nw e r ei n v e s t i g a t e di nm l d - 10t e s t e r ，s e l e c t e dt w o i m p a c t e n e r g y t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h el o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e e lh a st h eb e s t w e a r r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e b u tt h ea l l o yl i n e rw h i c hc o n t a i n i n 9 1 0 n i c k e la n d 1 5 m a n g a n e s eh a st h eb e s tc o s tp e r f o r m a n c e w e a rm e c h a n i s mo ft h r e ek i n do f a l l o yl i n e ra r ea l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：c o m p o s i t i o n ；i m p a c tw e a r ；l i n e rs t e e l ；l o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e e l ； w e a rm e c h a n i s m 插图清单 图1 1 铬对0 5 碳钢c 曲线的影响3 图2 1 退火工艺曲线15 图2 2 淬火温度对合金性能的影响15 图2 3 淬火及回火工艺曲线16 图3 1 合金元素对淬火钢中残余奥氏体数量的影响( 1 0 c ，1 1 5 0 淬火) 1 8 图3 2f e c r - m n 三元合金6 5 0 等温截图1 9 图3 3 锰含量对各类不锈钢点腐蚀电位的影响2 0 图3 4 合金元素对铁素体硬度和韧性的影响2 0 图3 51 # 试样退火态和淬火回火态金相组织2 5 图3 62 # 试样退火态和淬火回火态金相组织2 5 图3 73 # 试样退火态和淬火回火态金相组织2 6 图3 81 # 试样的能谱分析2 6 图3 92 # 试样的能谱分析2 7 图3 1 03 # 试样的能谱分析2 7 图4 1 铁矿石的显微组织2 9 图4 2冲击磨损试验机示意图3 0 图4 31 2 j 冲击功下三种材料的磨损质量损失与时间的关系3 i 图4 。42 o j 冲击功下三种材料的磨损质量损失与时间的关系3 2 图4 5 两种冲击功下2 # 试样的磨损失重与磨损时间的关系3 3 图4 6 两种冲击功下3 # 试样的磨损失重与磨损时间的关系3 3 图5 11 2 j 冲击功下1 # 材料试样的磨损表面s e m 形貌4 0 图5 2i 2 j 冲击功下1 # 材料试样的磨损亚表层金相4 1 图5 31 2 j 冲击功下1 # 材料试样亚表层硬度梯度( 12 h ) 4 1 图5 41 2 j 冲击功下2 # 材料试样的磨损表面s e m 形貌4 3 图5 51 2 j 冲击功下2 材料# 试样的磨损亚表层金相4 4 图5 61 2 j 冲击功下2 # 材料试样亚表层硬度梯度( 1 2 h ) 4 5 图5 71 2 j 冲击功下3 # 材料试样的磨损表面s e m 形貌4 6 图5 81 2 j 冲击功下3 # 试样的磨损亚表层金相4 8 图5 91 2 j 冲击功下3 # 材料试样亚表层硬度梯度( 1 2 h ) 4 8 图5 1 02 o j 冲击功下i # 材料试样的磨损表面s e m 形貌5 0 图5 i i2 o j 冲击功下1 # 材料试样的磨损亚表层金相图5 1 图5 122 o j 冲击功下l # 材料试样亚表层硬度梯度( 12 h ) 5 i 图5 1 32 o j 冲击功下2 # 材料试样的磨损表面s e m 形貌5 3 图5 1 42 o j 冲击功下2 # 材料试样的磨损亚表层金相5 4 图5 1 52 o j 冲击功下2 # 材料试样亚表层硬度梯度( 1 2 h ) 5 5 图5 1 62 o j 冲击功下3 # 材料试样的磨损表面s e m 形貌5 6 图5 172 o j 冲击功下3 # 材料试样的磨损亚表层金相5 7 图5 1 82 o j 冲击功下3 # 材料试样亚表层硬度梯度( 1 2 h ) 5 8 表1 1 表2 1 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表4 1 表格清单 合金元素在抗磨钢中的作用4 低碳高合金钢的成分范围1 4 实验材料的化学成分2 1 金属材料耐均匀腐蚀的十级标准2 3 四种钢的硬度数据2 4 三种钢的冲击韧性数据2 4 三种钢的均匀腐蚀数据2 4 两种冲击功条件下冲击1 2 h 后三种材料的质量损失率3 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得盒目g 王些丕堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者粹舷字日期沙产伽棚 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 盒a b 王些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：导师签名 签字日期：刁年甲月伊日 签字日期 学位论文作者毕业后去向； 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师旷厚福敝授的和杜晓东副教授的亲切关怀和悉心指导下完 成的。丁老师严谨的治学态度和春蚕到死丝方尽的高风亮节让我受用终身! 在本文完稿之际，我要再次向已故的丁老师寄托我无尽的哀思，希望丁老师 在另一个世界安康! 丁老师逝世后，杜老师在我最困难的时候给予了无私的 关怀和帮助，使得我所有的科研任务得以顺利完成。在此，向两位恩师致以 我最崇高的敬意和最诚挚的感谢! 感谢师兄郭亮、严小冲、王凯、吴凯和师姐邢文静先前所作的大量工作 和给予的指导与帮助。感谢师弟王义飞、汪瑞俊和师妹王兰在实验和本文成 文过程中给予的倾力协助和付出的巨大努力! 感谢孙国栋，满达虎两位同学两年多的一路走来，我们互相帮助，共渡 难关，希望他们在未来的日子里一路弦歌高唱! 感谢实验中心的郑玉春、王学伦、程娟文、王强、何元祥等老师在实验 过程中给予的帮助、支持和信任! 感谢挚友陈亚禹、王鹏、徐宗伟、赵长荣! 感谢李书杰! 感谢我的家人! 本课题得到教育部博士点基金( 2 0 0 4 0 3 5 9 0 0 4 ) 和安徽省科技厅科研基金 ( 2 0 0 6 k j 2 8 5 b ) 的资助。 作者：王家庆 2 0 0 7 年4 月 1 1 钢的分类 第一章绪论 工业用钢是国民经济建设中使用最广，用量最大的金属材料，在现代工业 生产中占有极其重要的地位。在碳钢的基础上加入一种或几种合金元素，使其 使用性能和工艺性能得以提高的以铁为基体的合金即为合金钢 卜2 1 。 ( 1 ) 按用途分类 a 结构钢：用于制造各种工程结构和各种机器零件。其中用于制造工程结 构的钢又称为工程用钢或构件用钢，包括碳钢中的甲类钢、乙类钢、特 殊钢及普通低合金钢；机器零件用钢包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚 动轴承钢等。 b 工具钢：用于制造各种加工工具的钢种。根据工具的不同用途可分为刃 具钢、模具钢和量具钢。 c 特殊性能钢：是指具有某些特殊的物理或化学性能的钢种，包括不锈 钢、耐热钢、耐磨钢等。 ( 2 ) 按化学成分分类 按钢的化学成分可以分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢又可分为：低碳 钢，( ) c 0 2 5 ；中碳钢，( i 】c = 0 2 5 0 6 ；高碳钢：( i ) c o 6 。合 金钢也可分为：低合金钢，合金元素总含量。5 ；中合金钢，合金元 素总含量= 5 1 0 ：高合金钢，合金元素总含量 1 0 。另外，根 据钢中所含主要合金元素种类的不同，也可分为锰钢、铬钢、铬镍钢、硼 钢等。 ( 3 ) 按显微组织分类 a 按平衡状态或退火态组织分类，可以分为亚共析钢、共析钢、过共析钢 和莱氏体钢。 b 按正火组织分类，可分为珠光体钢、马氏体钢、和奥氏体钢。 c 按加热冷却时有无相变和室温时的显微组织分类，可分为铁素体钢、 奥氏体钢和复相钢。 ( 4 ) 按品质分类 主要是按钢中的p ，s 等有害杂质元素的含量分类可分为：普通钢， 【1 ) p 0 0 4 5 ，( i ) s 0 0 5 5 ；优质钢，6 0p 0 0 4 0 ，s 0 0 4 0 ， 高级优质钢，op 0 0 3 5 ，6 0s 0 0 3 0 。 c o 、b 、r e 等，在某些特定的情况下，p 、s 、n 等也能起到合金元素的作用。这些 合金元素在钢中一般以以下四种方式存在【l 划。 ( 1 ) 溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶体的溶质存在。 ( 2 ) 形成强化相，如溶入渗碳体，形成特殊的碳化物或金属间化合物等。 ( 3 ) 形成非金属夹杂物，如0 、n 、s 作用形成氧化物、氮化物和硫化物。 ( 4 ) 有些元素如p b 、c u 等既不溶于铁，也不形成化合物，而是在钢中以游 离态存在；在高碳钢中碳有时也以石墨态存在。 1 2 2 合金元素与铁和碳的相互作用 1 2 2 1 合金元素与铁的相互作用 ( 1 ) 无限扩大y 区型1 也】 合金元素使y 区扩展，与y f e 形成无限固溶体，与n f e 形成有限固 溶体。它们均使a 3 点降低，a 。点上升。这类元素有m n 、n i 、c o 等。 ( 2 ) 有限扩大y 区型 合金元素使a 3 点降低，a 。点上升，与a f e 和v f e 均形成有限固溶体， 这类元素有c 、n 、c u 、z n 等。 ( 3 ) 封闭y 区、无限扩大a 区型 合金元素使a 。点上升，a t 点下降，以达到某一含量时a 。点与a 。点重合， y 区被封闭，超过此含量，则合金不再发生n ，y 相变，与与q f e 形成无 限固溶体。这类元素有s i 、c r 、m o 、w 、v 、t i 、a 1 、c o 等。 ( 4 ) 缩小y 区但不使y 区封闭 合金元素使a 。点上升，a 。点下降，使y 区缩小但不封闭，这类元素有b 、 n b 、t a 、z r 等。 1 2 2 2 合金元素与碳的相互作用 按照合金元素与碳的相互作用，可以将合金元素分为两大类： ( 1 ) 非碳化物形成元素 这一类元素包括n i 、s i 、c o 、a l 、c u 等，以溶入q - f e 或y f e 中的形式 存在，有的可形成非金属夹杂物和金属间化合物，如a 1 2 0 3 、a 1 n 、s i 0 2 等。 ( 2 ) 碳化物形成元素 这一类元素包括m n 、c r 、m o 、w 、v 、t i 、n b 、z r 等，它们中的一部分可 以溶于奥氏体和铁素体中，另一部分与碳形成碳化物。合金元素形成形成碳化 物的稳定程度由强到弱的排列次序为：t i 、z r 、v 、w 、m o 、c r 、m n 、f e ，其 中t i 、z r 、v 、n b 为强碳化物形成元素。 2 1 2 2 3 合金元素对钢的热处理组织转变的影响 合金钢在加热时的奥氏体化进程基本上与碳钢具有相同的规律，即包括奥 氏体的形成、残余碳化物的溶解、奥氏体成分的均匀化以及奥氏体晶粒长大等 阶段。但是由于合金元素的作用，对上述各个阶段都产生影响，使合金钢在奥 氏体化过程中表现出一些特点1 3 】。首先，合金元素通过改变碳在奥氏体中的扩 散速度来影响奥氏体形核与长大，如非碳化物形成元素镍和钴能增大碳在奥氏 体中的扩散系数，因而增大奥氏体的形成速度：而硅、铝或锰对其影响不大； 至于铬、钼、钨、钒等强碳化物形成元素，由于它们强烈降低碳在奥氏体中的 扩散速度，所以大大地降低了奥氏体的形成速度。其次，合金元素对碳化物向 奥氏体中溶解也有影响。再次，合金元素原子的不均匀分布，其在奥氏体中极 小的扩散系数，也会使合金钢奥氏体均匀化过程比碳钢慢得多，因此，合金钢 与碳钢相比，其奥氏体化所需的加热温度要高，保温时间要长。最后，合金元 素对奥氏体晶粒长大也有影响，如锰会促进晶粒长大。钒、铬等强烈阻碍长大， 对此的解释先后出现过机械障碍论、内吸附理论和晶界铁原子自扩散理论。 合金元素对过冷奥氏体转变机构和动力学有着显著的影响，集中体现 在c 曲线的变化上。碳钢的珠光体转变和贝氏体转变温度范围极为接近，图1 1 0 ；“ 2 拓0 一 、x j j h i ，刁 岫 n 。5 j 档 2 “勃i | 丌 斗 l 卅 l 、 艚黼矗甜两a 村衙倩 铬对0 5 碳钢c 曲线的影响 f i g 1 1c r ge f f e c tt ot h ecc u l v eo f o 5 c a r b o ns t e e l 故等温转变图上只出现一个c 曲线，合金钢却不同，由于合金元素溶入奥氏体 后，对珠光体和贝氏体转变机构和动力学产生影响，从而改变了c 曲线的位置 和形状，如中、强碳化物形成元素铬、钨等使c 曲线右移，并分出两个鼻温区， 同时使m s 点下降，其中铬的贝氏体转变鼻子更加偏右( 图1 1 ) ；非( 或弱) 碳化物形成元素( 除钴外) ，如镍、锰，只使c 曲线右移，且基本上不改变c 曲线的形状。如此大的差别主要是由于合金元素对钢中过冷奥氏体转变过程中 各个阶段的动力学有不同的影响。 除钴和铝外的所有的合金元素都对珠光体转变和贝氏体转变有不同程度 的推迟作用，即降低钢的临界冷却速度，提高了淬透性，且多元合金化的作用 远大于单一元素的作用，这也是提倡多组元少含量的原因。对贝氏体转变这样 的半扩散型转变来说，合金元素主要通过对碳原子扩散速度以及y 向d 相转变 速度的影响而起作用，作用最强烈的是锰和铬【3 1 。碳的影响比较特殊，共析碳 量的钢相对最稳定，高于或低于这一含量时，均有加速转变的趋势。 1 2 2 4 合金元素对钢的性能的影响 钢的性能取决于钢中各组成相的性质和钢的组织状态 4 1 。合金元素能改变 钢中各组成相的性质，又可通过热处理改变钢的组织状态，从而可以改变钢的 性能5 7 1 。从微观机制来看，金属的塑性流动，主要是通过位错运动来实现的。 合金元素加入钢中，改变各组成相的性质和组织状态实质上就是通过这一途径 的强化。 表1 1 合金元素在抗磨钢中的作用 t a b l e1 - 1t h ee f f e c to f t h ea l l o ye l e m e n ti na b r a s i v e r e s i s t a n ts t e e l 某些合金元素的碳化物或氮化物能在钢液凝固过程中成为非均质晶核，促 进晶粒细化，从而使钢的强韧度提高 8 】o 凡是能细化晶粒，细化组织的合金元 素都能使钢的冲击吸收功提高，使钢临界韧性一脆性转变温度( d b t t ) 降低， 使低温韧性提高。m n 、n i 虽对晶粒度影响不大，甚至有粗化现象，但m n 、 n i 的加入，使珠光体组织细化，使低温韧性提高。作为抗磨用途的钢需要高的 硬度和一定的韧性储备，以抵抗磨损，有代表性的是马氏体抗磨钢和高锰钢， 合金元素在这两种钢中起到相当大的作用，具体见表1 1 。 4 1 3 球磨机衬板材料的发展 1 3 1 球磨机衬板概述 球磨机是冶金、矿山、建材、电力和化工等行业广泛使用的粉磨机械，其 衬板和磨球是目前耐磨材料中金属消耗最大的一类。当今在金属选矿工业中， 大部分采用球磨机作粉磨设备，这要消耗大量金属材料，据统计，每磨碎1 吨 矿石平均消耗介质和衬板o 4 3 0 千克。德国、英国等国家每年因磨料磨损而 造成的损失达数十亿美元，澳大利亚的矿产业每年因磨料磨损的损失占矿产品 销售额的2o 4 0 。我国冶金、建材、电力、化工系统年消耗磨球、衬板量逾百万 吨以上，需5 0 多亿元的资金。虽经过1 5 年的努力，已使材料和能源消耗有了 一定的降低，但仍比先进国家高出一倍以上。 在冶金矿山行业湿式磨机中，耐磨材料不仅受到浆料的腐蚀，还受到物料 的冲击和磨损，这三者的交互作用大大加速了耐磨材料的磨损，降低了材料的 寿命。研究表明，同种衬板材料在湿磨条件下的腐蚀磨损率为干磨条件下的7 1 0 倍嘲，这表明了湿磨条件下，腐蚀磨损的严重性，特别是在伴有冲击的条件 下，将会进一步加剧腐蚀磨损的进程。 1 3 2 国外衬板材料发展概况 国外衬板的发展经历了较长历史，大体可归纳为珠光体钢、奥氏体钢、高合 金铸铁、低合金马氏体钢及复合衬板五大类型。另外还有橡胶衬板、磁性衬板 等1 0 1 3 1 。 从衬板的发展过程以及研究情况看，国外衬板开始以珠光体低合金钢及高 锰钢为主流，其组织为奥氏体，有良好的加工硬化性能。在工件经受强烈冲击 的工况条件下，其表面迅速硬化，硬度可以从h b l 7 0 2 2 5 提高到h b 5 0 0 8 0 0 ， 而心部依旧保持原有的硬度和良好的韧性。由于高锰钢有着卓越性能，因而广 泛用于制造抗冲击磨损的工作。虽然高锰钢具有良好的加工硬化能力，但是如 果工作时受不到足够的冲击力或摩擦力，就不会产生充分的加工硬化现象，工 件的耐磨性就大为降低。对于厚大断面工件，心部常常出现碳化物，而降低其 使用性能。寒冷条件下使用高锰钢常出现脆断现象，而在湿磨条件下又面临腐 蚀磨损的问题。这些实际应用过程中出现的问题，又促使人们在高锰钢的基础 上寻求新的解决方法。 从6 0 年代起，美、欧、日、苏等国开始研究高锰钢的改性【1 4 】，通常加入 c r 、m o 、n i 、v 、n b 等元素进行合金化，调整m n 、c 元素的含量，进行变质 处理，以提高其初始硬度，改善加工硬化能力，以及增强它在湿态下抗腐蚀磨 损的能力。 其它的一些典型铁基磨机衬板还有马氏体铬钼白口铸铁【峙6 1 ，其基本组成 为铬1 4 2 3 ，含有足够量的钼，加适量的镍和铜。其耐磨性能最好，具有 一定的韧性。马氏体高碳铬钼钢( 5 c r 一1 m o 型钢) ，该材料的硬度为h b 5 0 0 6 3 0 ，相对磨损率为e = 1 0 0 l l l ，虽然该材料是高碳马氏体钢，但由于含有足 够量的铬和钼，并有适量的镍，因此具有良好的耐磨性和韧性。珠光体高碳铬 钼钢，该材料的硬度为h b - - - - - 2 5 0 4 2 0 ；相对磨损率为e = 1 2 6 1 3 0 。通常用 于球磨机格子板和某些冲击力特别大的棒磨机衬板，具有极好的耐磨性和足够 的耐裂性。 橡胶衬板具有使用寿命长、重量轻、更换时安全、简便、维护费用少、生 产费用低、工作噪声小等优点。但橡胶衬板的使用也受到一定条件的限制。虽 然橡胶衬板是具有良好弹性的材料，利用橡胶制造的衬板具有减缓冲击的性 能，这种性能能够降低磨损。但是其减缓冲击的性能与冲击速度以及冲击角有 关。当冲击速度大于9 m s 、冲击角越小时，橡胶衬板减缓冲击的性能则会大大 降低，橡胶表面会被撕裂而破坏。此外，橡胶衬板还受到使用温度的限制，当 温度超过8 5 时，随着橡胶弹性的逐渐减小，衬板磨损急剧增加。 国外对于磁性村板的研究工作从7 0 年代末期开始，从9 0 年代开始在一些 国家推广应用。磁性衬板是靠磁力将钢球、磁性矿物份等吸附在衬板表面来抵 御磨矿介质及物料对衬板表面的冲击、磨剥。吸附层始终处于吸附、磨损、脱 落再吸附的良性循环中，从而提高衬板使用寿命。磁性衬板具有整机重量轻、 单块重量小、便于安装维护、在球磨机内使用不断裂、不脱落、磁场稳定、均 匀，并能形成牢固的衬板保护层，节能、效率高的一系列特点。但是磁性衬板 与实际应用之间还有一些问题有待解决改善。 1 3 3 国内衬板材料发展概况 国内在这一领域的研制及应用情况，与国外经历了几乎相同的过程。早期 基本上是高锰钢衬板一统天下的局面，但是，高锰钢在实际应用中存在着诸多 不足，因此，在8 0 年代及9 0 年代对高锰钢衬板进行了改行。7 0 年代西安交通 大学等单位开始引进高铬白口铸铁作为衬板及其它零件的材料，并在热处理及 推广应用上做了不少工作；同期山东工业大学率先在高铬及锰、镍、钒系白口 铁的碳化物团球化方面展开了卓有成效的研究，自口铁韧性有了成倍的提高。 高锰钢的改良及变质处理曾是国内八、九十年代衬板材质研究的两大主流 i t m ”。提高锰含量可以固溶较多的合金元素，再通过变质处理和以后的沉淀处 理，就能进一步提高强韧性和加工硬化能力，钛是碳氮化物元素，碳化钛和奥 氏体有相同的晶格类型，在奥氏体一碳化钛晶界上存在着共格关系，即晶格牢 固地联系在一起，其较高的显微硬度对抵抗磨料冲蚀磨损非常有效。此种材质 适用于软磨料大角度冲蚀磨损条件，实际使用证明，此种材质的衬板比普通高 锰钢的使用寿命提高近一倍。此外，还在高锰钢中加入了n 、c r 等元素，对其 6 进行了微合金化处理，微合金化后高锰钢的力学性能和耐磨性能如表所示，其 中加入氮格的高锰钢综合性能最好，装机对比试验结果z g m n l 3 n c r 高锰钢耐 磨性比普通高锰钢平均提高3 5 。我国科研工作者在对高锰钢进行改性的同 时，在其中加入了稀土元素。稀土对高锰钢的作用可以归纳如下：脱气、除硫、 排渣、净化钢液、改善铸造性能、减轻消除柱状晶、细化晶粒、降低裂纹倾向， 有效改善了力学性能，提高了机械性能、冲击韧性，增强了抗磨性及延长使用 寿命。 铬系耐磨铸铁是一种优良的抗磨材料系列，并成功的应用于许多磨料磨损 场合。可分为高铬、中铬、低铬白口铸铁三种类型。含c r 1 2 的铬系白口铸 铁称为高铬白口铸铁。其组织上的特点是共晶碳化物为( f e ，c r ) 7 c 3 型，其显 微状态为分散束状，对基体的割裂程度较差，同时其硬度比( f e ，c r ) 3 c 高。 因此，高铬铸铁的硬度较高。由于含铬量较高，其基体也可以得到很好的强化。 所以，高铬铸铁在承受磨料磨损时，碳化物和基体的相互保护能力强 2 2 1 。为了 降低成本，并进一步提高综合性能，对高铬铸铁进行了合金化研究。高铬铸铁 加钒的研究表明，当钒加入量增至4 3 5 时，铸态下可得到马氏体基体和含钒 的m 7 c 3 型碳化物组织，用于制造抗磨料磨损的零件t 2 3 ) 。加硼的研究表明含硼 量在0 1 1 1 2 6 变化时，高铬铸铁中化合物量急剧增加，出现( f e ，c r ) 2 3 ( c ，b ) 6 和( f e ，o r ) 3 ( c ，b ) 相，三体磨损和湿式橡胶轮磨损试验表明，磨 料为石英砂时，加硼后高铬铸铁的抗磨性可提高5 0 1 0 0 ；磨料为绿色碳 化硅时，加硼后高铬铸铁的抗磨性反而下降【冽。 含c r y 5 的铬系白口铸铁称为低铬白口铸铁。其组织上是碳化物( f e ，c r ) 3 c 为合金渗碳体，特别是共晶( f e ，c r ) 3 c 基本保持了f e c 合金中f e 3 c 的 网状结构，所以的铬白口铸铁韧性较低。但由于( f e ，c r ) 3 c 的稳定性及硬度 均高于f e 3 c ，低铬白口铸铁经热处理强化后韧性及抗磨性高于普通白口铸铁。 但大部分低铬白口铸铁在铸态下的基体组织为粗大珠光体，硬度、韧性低而不 抗磨，所以低铬白喉铸铁都要热处理强化，提高基体的抗磨性1 2 2 1 。由于低铬白 口铸铁在实际应用中磨损率高，因此，对其进行了合金化处理。通常加入的合 金元素有v 、t i 、a i 、m n 、b 、c u 、n 等。西安交通大学的吕振林副教授研究 了硅、铜对钒钛低铬白口铸铁腐蚀磨损性能的影响，研究表明，低铬白口铸铁 中加入铜及提高硅含量，均可提高腐蚀磨损耐磨性。但当含硅量超过2 0 后， 由于共晶碳化物形态的改变，初生碳化物数量的增加及石墨的出现，又使腐蚀 磨损耐磨性降低。因此，在酸性介质中，含硅量不应超过2 0 ( 含碳量4 5 ) 。在中性及碱性介质中，含硅量不应超过2 5 ( 碳当量4 7 ) 。 国内科技工作者从8 0 年代中期开始研究磁性衬板。沈阳市光大科技研究 所于1 9 8 8 年完成金属磁性衬板的模拟试验，并在鞍钢大孤山选矿厂进行半工 业试验。1 9 8 8 年和1 9 8 9 年先后获得两项实用新型磁性衬板专利权。1 9 9 2 年1 1 月，本溪钢铁公司歪头山铁矿和沈阳市光大科技研究所紧密合作，共同研制 g s q - i i 型金属磁性衬板，首次在第二段中3 2 x 4 5 m 溢流型球磨机内安装使 用，运转效果良好。该项成果已于1 9 9 3 年9 月上旬，通过冶金不组织的技术 鉴定。专家鉴定认为，这种金属磁性衬板的结构设计合理，有所创新；磁路系 统设计比较先进。与国外橡胶磁性衬板对比，具有结构简单，易于制造、适用 于较大直径钢球介质的优点；与锰钢衬板相比，其重量轻4 3 5 ，节电约7 。 降低球耗约l o ，提高作业率l ，磨机容积增大约5 ，使用寿命预计可达 7 1 3 年。该项成果属国内外首创，达到国际先进水平，为磨机衬板用新型材 料创出一条新路。 1 4 磨损机理的研究概况 磨损作为摩擦学的一个重要分支，是从上世纪6 0 年代开始研究的，美国 材料实验协会( a s t m ) 所给出的定义是：由于一种或多种接触物质的表面发 生相对运动而造成材料固体表面的破坏，这一过程通常包括材料的累积损耗。 目前，磨损分类的方法很多，但通常可以分为粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、 腐蚀磨损、冲击磨损以及它们和磨损化学因素结合在一起的新形式。虽然磨损 研究了将近半个世纪，但是，那些对磨损过程的基础性认识有重大进展的工作 却很少。磨损研究的目的是为发展更好的更精确的磨损模型来揭示表面结构和 表面性能以及磨损行为之间的基本联系，然后利用该模型来发展特定用途的先 进耐磨材料和表面处理技术1 2 5 j 。 1 4 1 冲击磨损 在磨损失效的类型中，冲击磨损对材料最为不利。在冲击载荷的作用下， 材料表面和亚表面会发生一定的塑性变形，塑性变形的局部积累则会产生微裂 纹，微裂纹的扩展、并合，会导致材料剥落。为此n e s u h 于1 9 7 3 年提出了剥 层磨损理论【舻2 射。该理论把材料的磨损特性与微观组织密切联系起来。剥层磨 损过程可分为五个阶段：( 1 ) 两表面接触时，通过接触点传输法向和切向载荷。 较软表面上的微凸体在重复载荷的作用下易于变形和断裂，形成磨损小颗粒。 硬质微凸体也脱落，但脱落的速度较低。当微凸体变形或脱落时，开始产生出 相当光滑的表面；( 2 ) 由接触点的硬质微凸体施加的表面作用力使每一次加载循 环产生塑性变形增量，并随着重复加载而积累。经过一定次数的循环加载后遗 留下来的永久变形增量，小于在该循环中出现的总塑性变形量，因在给定循环 期问，剪切方向转换，弹性卸载应变值相当于塑性应变量；( 3 ) 随着亚表面继续 变形，在表面下面形核生出裂纹。由于就在接触区下面存在三向压缩载荷状态， 所以非常接近表面处不会出现裂纹核生；( 4 ) 一旦裂纹出现( 由裂纹核生或事先 存在的空穴和裂纹) ，进一步加载和变形会引起裂纹延伸和扩展，最后与相邻 裂纹相连。裂纹沿平行于表面的方向传播，其深度与材料的性质和加载状态有 关。( 5 ) 当裂纹最后剪切到表面时，便剥落出长而薄的磨损片。磨损片的厚度与 亚表层裂纹滋长位置有关。磨损率由裂纹形核速率或裂纹扩展速率决定，但裂 纹扩展率总是比较慢。 1 4 2 磨料磨损 磨料磨损是指硬的磨粒或表面微凸体在与较软的表面的摩擦过程中，使表 面材料发生损耗的现象或过程。按磨损系统中有无第三体可将其分为两体磨料 磨损( 一个部件表面和固定磨料接触所发生的磨损) 和三体磨料磨损( 磨料介 于两物体表面之间所发生的磨损) 两种形式。关于磨料磨损机理目前主要有以 下几种： ( 1 ) 微观切削机理 磨粒在材料表面的作用力可分为法向力和切向力这两个分力。法向力使磨 粒压入表面，在表面形成压痕：切向力使磨粒向前推进，当磨粒的形状与方向 适当时，磨粒如同刀具一样，在表面进行切削而形成切屑。由于切削的宽度和 深度都很小，切属也很小，故称之为微观切削。磨粒和表面接触时发生切削的 概率不是很大。当磨粒形状较圆钝时，或者在犁沟的过程中磨粒的棱角而不是 棱面对着运动方向时，或者磨粒和被磨材料表面间的夹角( 攻角) 太小时，或者 表面材料塑性很高时，往往磨粒在表面滑过后，只犁出一条沟来，把材料推向 两边或前面，而不能切削出切屑来。 ( 2 ) 多次塑变( 犁皱或微观压入) 机理【2 9 0 1 】 当磨粒滑过表面时，除了切削外，大部分磨粒只把材料推向前面或两旁， 这些材料受到很大的塑性变形，却没有脱离母体，同时在沟底及沟槽附近的材 料也受到较大的变形。犁沟形成时一般可能有一部分材料被切削而形成切屑， 一部分则仅有塑性变形，被推向前缘的成为塑变楔，被推向两侧的成为塑变脊。 若发生犁沟时，全部的沟槽体积都被推向两旁和前缘而不产生任何一次切屑， 则称之为犁皱。犁沟或犁皱产生的塑变脊和塑变楔，当受到随后的磨料作用时， 可能把堆积起的材料重新压平，也可能使己变形的沟底材料遭到再一次的犁皱 变形，如此反复塑变，导致材料的加工硬化或其它强化作用终于剥落而成为磨 屑。像这样表面微观组织受到周期性载荷作用而产生磨损叫低周疲劳磨损。这 是因为材料在超过弹性极限的周期性重复应力作用下才有破坏的现象，因而扩 大了疲劳的含义。而且实验表明，正常测定的疲劳极限不能作为材料磨料磨损 耐磨性的基本判据。 ( 3 ) 微观断裂( 剥落) 磨损机理 磨损时由于磨料压入材料表面而具有静水压的应力状态，所以大多数材料 都会发生塑性变形。但对有些材料，特别是脆性材料，则可能是断裂机理占支 配地位，当断裂发生时。压痕处有明显的表面裂纹，这些裂纹从压痕四周出发 向材料的内部伸展，裂纹平面垂直与试样表面而呈辐射状为中线裂纹，压痕附 件还有横向的无出口裂纹。当横向裂纹相互交叉或扩展至表面时，就造成微观 断裂机理的材料磨损。脆性材料的压痕断裂，其外部条件取决于载荷大小，压 头的形状和尺寸，内部条件则取决于材料的硬度及断裂韧性等。 ( 4 ) 疲劳磨损机理 磨损是表层微观组织受周期性载荷的作用而产生的。标准的疲劳过程有发 展的潜伏期，在潜伏期内，表面不出现任何破坏层，材料外部发生硬化而不会 发生亚微观破坏。当进一步发展时，在合金表面出现硬化的滑移塑变层和裂纹。 疲劳形成的表层破坏源于离表面不远的距离，例如在最大接触应力处，疲劳破 坏为局部破坏，具有较深或较圆的坑。 1 4 3 腐蚀磨损 冶金矿山用湿式磨机衬板不仅受冲击、磨损，还受到浆料的腐蚀。在湿磨 矿山衬板用钢中，常见的腐蚀形式有小孔腐蚀、缝隙腐蚀以及应变差异电池腐 蚀等，同时，冲击、腐蚀、磨损三者之间还存在交互作用，从而进一步加剧了 材料的磨损。 ( 1 ) 小孔腐蚀和缝隙腐蚀 在具有自钝化能力的金属或合金，对孔蚀的敏感性比较高，且钝化能力越 高则敏感性越强，特别是在含有活性阴离子( 如c 1 一) 时，更容易发生孔蚀， 因为氯离子优先选择性地吸附在钝化膜上，把氧原子挤掉，然后和钝化膜中的 阳离子结合形成可溶性氯化物，结果在新露出的基体金属的特定点上生成小蚀 坑，这些小蚀坑将会成为孔蚀生成的活性中心，即孔蚀核，孔蚀核继续长大， 就会发生孔蚀。黄彦刚3 2 】等的研究发现，c 1 一能破坏不锈钢表面的钝化膜，促 进点蚀的形成与发展。但是表面剪切力作用条件下蚀坑发展规律值得注意。重 载时，连续不断的表面剪切力作用不仅破坏钝化膜，减少蚀坑的生长机会，且 使已出现的点蚀坑在扩展中变浅或消失。 衬板材料在受到冲击后，会在表面形成微裂纹，浆料进入这些微裂纹时， 就会形成缝隙腐蚀，将加速金属的腐蚀。具有自钝化能力的金属或合金的缝隙 敏感性较高且钝化能力越高则敏感性越强，缝隙腐蚀可在中性及酸性介质中发 生，但又以在充气的含活性阴离子的中性介质中最易发生。 ( 2 ) 应变差异电池腐蚀 湿磨中磨球在运转过程中受到磨料的冲击、挤压、犁削等作用，会发生强 烈的塑性变形，从而形成沟槽凹坑，并在侧面形成凸起的棱，这些部位与坑底 相比较，具有较高的内能，在浆料的作用下，两侧隆起部位将作为阳极，而坑 底部位将作为阴极，构成所谓的“应变差异电池”。研究指出p ”，在腐蚀磨损 1 0 中，由于塑性变形，可使腐蚀速度提高两个数量级左右。 ( 3 ) 钝化膜在腐蚀磨损中的作用 钝化膜在腐蚀磨损过程中的作用一直存在争议。通常认为可钝化金属或合 金，由于其耐蚀性好，将对降低腐蚀磨损过程中的材料流失量有利，然而k i m 、 t a o 及q u i n n 等认为，在滑动接触情况下，因为钝化膜的不断破坏，新鲜金属 表面连续暴露在腐蚀环境中，表面剪切力的作用使新鲜金属表面产生严重的变 形，变形后材料的腐蚀电位负移，溶解电流增加而更易发生腐蚀【3 ”。董允p 别 等研究了钝化膜在腐蚀磨损工况下的作用，结果表明，腐蚀磨损工况条件下， 金属的腐蚀磨损失重与金属表面膜的性质，表面膜的自修补能力及表面膜的承 载能力有直接的关系。不锈钢中随c r 含量的增加，表面膜的厚度将增加，这 样在相同载荷下被刮去厚膜造成的材料流失量将相对增大，同时，c r 含量高的 钢，钝化膜的修补速度比低c r 含量钢的要快，这样在相同条件下，不锈钢表 面被刮去的膜造成材料的流失量也将更大一些。而低c r 含量的钢在腐蚀磨损 过程中很可能尚不完整，这种表面膜倒不会成片撕裂，不完整的钝化膜在摩擦 过程中还可能祈祷“润滑”作用，所以低c r 含量不锈钢表面流失量反而比高 c r 的要小。研究【3 6 】表明，在自然电位下，c 1 一对不锈钢在h 2 s 0 4 介质中的腐蚀 磨损存在一临界载荷，低于此载荷腐蚀磨损速率略有降低；高于此载荷腐蚀磨 损率增加。在钝化区，c l 一将降低钝化膜的承载能力，使腐蚀磨损率增加。 ( 4 ) 腐蚀磨损交互作用 腐蚀工作者在大量的试验和工程实践中，逐渐认识到腐蚀磨损研究的工作 核心应该是腐蚀和磨损的交互作用( 或称协同作用) 。材料腐蚀与磨损之间的 交互作用是z e l d e r 于1 9 4 9 年首次提出的，即腐蚀可以加速磨损，磨损也可以 促进腐蚀，从而加速材料的破坏。自发现腐蚀磨损存在交互作用以来，国内外 已有不少学者致力于这方面的研究。如m e d s e n 研究几种金属材料的冲蚀磨损， 定量给出了交互作用数据，试验测出