（材料学专业论文）湿磨衬板新材质开发及冲击腐蚀磨损机理的研究.pdf

澄瘩衬板新材藏开发及冲击 嶷镶磨摄撬遴的磷究 摘要 f 我国冶忿矿山( 铁矿、狳矿等) 湿式球磨机衬板，一戡采用嵩铞钢制作。7 0 年代器翅锶扩出蘸分采爱橡黢聿誊援，s l 进太狴磨毫氇开始暴磺食金锯树投。矿由瀑 式磨机衬扳，使用工况条件恶劣。既受腐蚀又受冲搬和磨损。高镟钢仅韧饿高、 象羚毒眭黥好，黎蘑损、辩蕊镘淫熊较差。鞭_ i 篼嚣斑羚近年来纷纷礤裁改褴高锤 钢、中碳合盒钢、简铬铸铁等材质。套阅国内外文献表明，虽然各类材质都有报 道，餐使璃效采稳不理想，主要表虢为寿命较短。这一方霭是获章考辩发震避程中 的坶题，另一方瑟是新材辩的质量放稳定性还存在定阃题。为适鹿冶金矿山严，一 t 酷的工况条件，我们盛须研制一种性能好、成本适中的新年才料取代高锰钢。y 逶过对瀑瘗褪投舱实黪工作条 孛分援，滠式壤枢衬投的艇矮，应具有较楚瞧 硬度、韧性殿耐蚀性能：衬板工作层应尽可能为单相组织，并尽量提高电极电位； 彝辩痤尽缝舞惑成分穰爨、减少肖害杂袋食耋，以及净纯品暴。当然；有些嚣 素之间是相互矛盾的，如韧性和硬臆之间。问题的解决在予，从成分、工饯、组 缀、淫麓翁控裁，嚣求辩蘑、瓣露及辩簿赘的羲戆酝台范瀚。 为了考查合金的耐磨耐蚀性能，对一祭列合众经淬火凰火处璎后，进行腐 蚀磨损试骢。缩谶藩损试验梳的转速4 0 0 转分。在不同的介质( p h i 3 ) 和不 、 同的时阂邀，对 曩碳寒合金锶、嘉镁锶秘中璇会金锻进行了冲击瘸镶瘗损性疑鲍 研究。实验寝明，襁模拟冶鑫矿山的实际工况条件下，低碳高合金钢具有优良的 综合往蹩，寿命浸长，是魄赢锰镄察中碳台金镳受遣舍凄金矿由滟严醛工撬条肄 ， 的滠式磨机衬板新材质。x 、 最后遁过h i t a c h i - x - 6 5 0 据旗魄子显鬏镳考察了低碳嵩会金镄、离锰钢鞠中 碳食金钢试样的冲击腐蚀黪损表面形貌，并用o l y m p u s 光学显微镜进行了光学 金福分析，对这三释诵的密损梳理滋行一定酾探讨。 关键词：冲击腐蚀蘑菇磨霸垂：表面群耪磊 t h e d e v e l o p m e n t o fn e wm a t e r i a l sa n dt h eb e h a v i o ro f c o r r o s i o n a b r a s i o no f t h el i n e ro f w e t - g r i n d i n g m a c h i n ei n m e t a l l u r g i c a li n d u s t r y a b s t r a c t s t h ec o s t sa s s o c i a t e dw i t hw e a rp r o c e s s e sp l a c eas i g n i f i c a n tb u r d e nu p o nm a n y s e c t o r so fi n d u s t r ya n dt h ec o m m u n i t y s e v e r a ls t u d i e sh a v ei n d i c a t e dt h a t t h e a b r a s i o na n dc o r r o s i o ni nt h ec o a la n dm i n e r a lp r o c e s s i n gi n d u s t r i e sa r ea r e a sf o r r e s e a r c h p r i o r i t yo w i n g t ot h e i r s i g n i f i c a n ti m p a c t o n m e t a l w a s t a g e a n d m a i n t e n a n c ec o s t s i tw a sa g a i n s tt h i s b a c k g r o u n d t h a tt h e p r e s e n ts t u d y w a s i n i t i a t e d w h i c hh a da si t sa i ma ne v a l u a t i o no ft h em e t h o d sc u r r e n t l yu s e di nt h e m i n i n ga n dm i n e r a lp r o c e s s i n gi n d u s t r i e sf o rd e t e r m i n i n gt h ew e a rp e r f o r m a n c eo f p l a n ta n de q u i p m e n tc o m p o n e n t s i nt h i ss t u d y ，t h er e s i s t a n c et oh i g hi m p a c t ，c o r r o s i o na n da b r a s i v ew e a rw a s d e t e r m i n e df o rl o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e e l ，a n df o rc o m p a r i s o n ，t h eh i g hm a n g a n e s e s t e e la n dt h em e d i u mc a r b o na l l o ys t e e la r ea l s ot e s t e d t h et e s tw a sc a r r i e do u t u s i n gam o d i f i e dm l d 一1 0t e s t e r t h et e s t m e t h o d o l o g yv e r yw e l l s i m u l a t e st h e w o r k i n gc o n d i t i o n o fm e t a l l u r g i c a l i n d u s t r y a n df o u rm e d i u m sw e r eu s e d f o r c o m p a r i s o n w ed i s c u s s e dt h eb e h a v i o ro fc o r r o s i o n - a b r a s i o no ft h el i n e ro fw e t - - g r i n d i n g m a c h i n ei ns i m u l a t e dm e t a l l u r g i c a lc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h e s i m u l a t e ds l u r r y ，t h ec o r r o s i o nr a t ea n dt h ew e a rl o s so ft h el o wc a r b o nh i g ha l l o y s t e e li sb e t t e rt h a nt h eh i g hm a n g a n e s es t e e la n dt h em e d i u mc a r b o na l l o ys t e e l a n d w i t ht h ei n c r e a s e dt e s tt i m e ，t h es u p e r i o r i t yo ft h el o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e e lw a s w e l li l l u m i n a t e d t h ew o r ns u r f a c e so ft h et h r e es t e e l ss h o wt h a tt h em e c h a n i s mo f t h el o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e e li s i m p a c ta b r a s i o n ，t h eh i g hm a n g a n e s es t e e l i s i m p a c t c o r r o s i o n a n d t h em e d i u mc a r b o n a l l o y s t e e li st h eh e a v i e s t i m p a c t c o r r o s i o n u n d e rt h eq u a r t z i t es l u r r y ，t h e l o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e e li s b e t t e rt h a nt h eo t h e rt w os t e e l sa t2h o u r s ，b u ta t8h o u r s ，t h em a n g a n e s es t e e lh a sa l o w e rw e a rl o s s w et h i n kt h a ti n q u a r t z i t es l u r r y ，t h ei m p a c t a b r a s i o np l a y sa n i m p o r t a n tr o l e t h em a n g a n e s e s t e e lh a sae x c e l l e n td u c t i l i t y ，s ot h ew e a rl o s so ft h e m a n g a n e s e i s1 0 w e r k e yw o r d s i m p a c tc o r r o s i o na n da b r a s i o n ，w e a rl o s s ，w o r ns u r f a c e 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注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其他教 育机构的学位或证书使用过的材料。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。 学位论文作者签名：声搬签字日期：知砷；年厂月学1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、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 和借阅。本人授权合肥工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 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) 学位论文作者签名：卢匆拨 签字日期：如吗年厂月l 矿日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名例 签字日期：”勺年岁月f 拥 电话 邮编 致谢 本文是在导师丁厚福教授的悉心指导和热情关怀下完成的，其中 浸透着丁老师的，1 1 , 血和期盼。导师严谨的治学态度、渊博的学识、敏 锐的科学思维、大胆创新的科学精神以及无私奉献的高尚情操、乐观 大度的生活态度令学生终生难忘。三年来，丁老师不仅在学业上给予 作者极大的指导和教诲，而且在生活上给作者以无微不至的关怀和帮 助；不仅传授科研治学的思路和方法，更注重教导为人处世的道理和 准则。值此论文完成之际，谨向恩师致以最崇高的敬意和最诚挚的感 谢! 在实验过程中，材料科学与工程学院实验中心的郑玉春、程娟文、 王强、何元祥、张勤贤、熊振茵等老师，给予了大力帮助和支持。作 者在此表示衷，i i , 的感谢! 作者还要感谢师兄李吉泉、徐波为作者提供的大量指导和帮助， 感谢师弟崔方明、徐经忠、严晓冲、郭亮同学等在实验中给予的协助 和所做的大量工作。 作者最后要感谢家人在三年的学习生涯对自己的学习、生活和工 作上的关心、帮助和支持。 本课题得到教育部重点项目( 0 l l0 4 ) 和安徽省自然科学基金 ( 0 0 0 4 6 4 0 1 ) 资助。 第一章绪论 1 1 国内外概况 第一章绪论 摩擦和磨损是与机械设备整个运转系统有关的复杂过程，影响因素很多， 相应地减少摩擦和提高耐磨性的措施也是多方面的。然而，摩擦和磨损毕竟是 发生在材料的表面层，因此，材料本身的特性是一个最基本的影响因素。随着 科学技术和国民经济的高速发展，机械设备的运转速度越来越高，受摩擦的零 件被磨损的速度也越来越快，其使用寿命越来越成为影响现代设备( 特别是高 速运转的自动生产线) 生产效率的重要因素。摩擦磨损是一个动态的过程。在 冶金领域中，由于环境介质和外界条件的不同，设备的磨损并不是简单的纯磨 损，而是腐蚀磨损甚至是冲击腐蚀磨损。因此，研究磨损和不断发展新的耐磨 材料是一项永远需要讨论的课题。 1 1 1 国外耐磨材料的发展概况 经过3 0 余年研究与发展的高峰期，国外耐磨材料的生产、应用已趋于稳定， 发达国家已有自己的系列产品和国家标准、企业标准。经历了从高锰钢、普通 白口铸铁、镍硬铸铁到高铬铸铁的几个阶段，目前已发展为耐磨钢、耐磨铸铁 两大类。耐磨钢除了传统的奥氏体锰钢及改性高锰钢、中锰钢以外，从其含量 的不同可分为中碳、中高碳、高碳合金耐磨钢；从合金元素的含量又可分为低 合金、中合金及高合金耐磨钢：从组织的不同可分为奥氏体、贝氏体、马氏体 耐磨钢。 耐磨铸铁中的普通白口铸铁、低碳白口铸铁已近淘汰，代之以低合金白口 铸铁和高合金白口铸铁两大类。二者中最具有代表性的是低铬白1 2 1 铸铁和高铬 白1 2 1 铸铁。由于地球上的铬资源远大于镍，且价格较便宜，至今这两种材料已 在耐磨铸铁中占有主导地位，从资源成本和耐磨性等方面考虑，镍硬铸铁的地 位已在减弱。马氏体或贝氏体、马氏体组织的球墨铸铁在制作小截面耐磨件方 面也占有一席之地，中铬铸铁则应用较少。 人们常说的高铬铸铁实际上是指高铬钼白口铸铁，从含碳量可分为c r l 5 及 c r 2 0 两类，前者用于承受一般冲击磨损，后者用于高冲击磨损及厚度较大的耐 磨件。含铬量为3 0 及以上的高铬铸铁则用于耐热、耐磨或耐蚀的工作。 从整体上看合金白口铸铁的耐磨性优于耐磨铸钢，但后者韧性好，在诸如 第一章绪论 衬板、耐磨管道等方面有着广泛的应用。国外耐磨铸钢有的使用极细珠光体组 织，其硬度只有h r c 3 0 左右，但韧性很好，其a k 8 0 j c m 2 。用来制作磨损不严 重的 _ 件，如双进双出球磨机筒衬板，其含碳量在o 7 0 0 7 5 左右，少量的 合金元素可细化珠光体组织，但在制作衬扳时其耐磨性很低。 用于大直径高冲击的矿用球磨机衬板，国外的含碳量从0 3 起至1 o 以 上，合金元素含量从低、中到高合金。近年来发展了中、高碳合金耐磨钢，旨 在提高耐磨钢的硬度，合金元素主要是满足淬透性的需要。国外与国内的不同 之处就是我国高碳、中高碳合金耐磨钢较少，其原因在于我国的冶炼、铸造、 热处理工艺水平落后，不敢提高含碳量和合金含量。例如国外大型矿山磨机可 使用高碳中合金耐磨钢衬板，又如电厂大型球磨机的高碳钢( 含微量合金元素) 锻球，其碎球率为0 ，硬度为h r c 5 5 6 0 1 1 1 。 虽然国外耐磨材料的生产和应用己趋于稳定，但科学研究并未停步。除了 基础理论研究外，在应用研究方面，金属陶瓷、粉末冶金材料、有机材料及复 合材料都已快速发展起来。 1 1 2 国外衬板材料的发展 国外衬板的发展历史较长，表1 1 综合列出了国外1 1 种铁基合金衬板材质 的类型及相关情况。这1 1 种类型可归纳为珠光体钢、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。另外还有各类低、中合金铸铁、橡胶衬 板、磁性衬板等未予列入表中。 从衬板的发展过程及研究情况看，国外衬板开始以珠光体低合金钢及高锰 钢( 1 8 8 2 年起) 为主流 2 、3 】。1 9 2 8 年国际镍公司发明n i h a r d 2 】，5 0 年代 c l i m a x 钼公司研究成功1 5 3 高铬白口铸铁 3 】，由于这两类材料具有优秀的抗 磨性，很快在国际范围内推广应用于衬板、磨球及其他抗磨件，此后在合金调 整、组织、热处理等方面的研究非常之多【3 、1 3 1 5 1 ，至今仍然势头不减。但 这两类材质因韧性不高，只能用于冲击不大的工况条件。此外，高铬白口铸铁 在湿态下的抗腐蚀磨损能力不高( c r 2 7 、c r 2 8 较好，但成本更高) 。 从6 0 年代起，美、欧、日、苏等国开始研究高锰钢的改性，原因是在中、 低程度冲击下高锰钢的加工硬化不够。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。中锰奥氏体钢也 是6 0 年代起研制成功并逐步改性、推广的，冲击功不高时中锰钢比高锰钢加工 硬化率高而更耐磨。迄今为止，奥氏体锰钢在非强冲击工况下不耐磨的问题在 世界范围内均未解决，且它在湿态下耐腐蚀磨损性能不佳 7 ，所以湿态下工况 寿命低。 第一章绪论 表1 - 1国外铁基合金衬板情况 t a b l e1 1t h es i t u a t i o no ff e r r o a l l o yl i n i n gb o a r di nf o r e i g nc o u n t r i e s 主要成分或典型牌号应用文献 c0 5 1 0 ，c r1 5 。2 5 ， 外壳衬板 ( 1 ) 珠光体c r - m o 钢m o0 3 0 5( 韧性较好) 2 3 】 ( 2 ) 珠光体n i c r - m o 钢 c0 5 5 ，n i1 7 2 4 ，c r0 7 1 2 大中小简体衬板 2 】 4 各类衬板及 ( 3 ) 奥氏体高锰钢h a d f i e l d 钢( m n l l - 1 4 c 1 1 1 4 )其它强冲击体 2 3 1 4 6 1 合金，中小冲击下 5 】 6 7 ( 4 ) 中锰钢7 1 合金等比高锰钢耐跨 3 】 8 6 2 1 合金( 中锰加c r ，m o ) 美】 9 m n 2 c r 英】，e 一1 ，e 一2 钢 美比未改性的【8 1 1 9 儿1 0 】 ( 5 ) 改性锰钢 高锰钢加c u ，m o ，b 日奥氏体锰钢 1 1 儿1 2 ( 中锰及高锰) 1 1 0 t 1 3 x 2 t 钢( 加c r ，t i ，n i ) 【俄 寿命提高3 0 5 0 13 15 c r - 3 m o 17 c r l 5 m o c u n j 2 7 c r - 2 1 m o ，2 0 c r - m o ，c r 2 8中、小磨机衬板 4 1 4 】 ( 6 ) 高铬铸铁 b f 2 5 3 钢( 2 5 c r c 3 ) 自h 15 】 1 6 】 ( 7 ) 镍硬铸铁n i h a r di - i v中、小磨机衬板 【2 15 ( 8 ) 油淬马氏体钢c0 3 5 - 0 6 ，c r2 0 。0 6 ， ( 回火马氏体)m o0 5 ，m n0 6大、中磨机衬板 【2 】 15 1 7 c h r o m o s i l 钢( 5 个等级) 【美】各种磨机的简、 2 儿15 】 ( 9 ) 中碳合金淬火钢 1 5 8 3 7 钢【加 ，i n 4 6 4 澳洲端衬板等 18 c0 2 8 0 3 0 ，c r0 9 2 0 ， ( 1 0 ) 水淬马氏体钢n i0 2 0 ，m o0 5中、小衬板 1 5 】 ( 1 1 ) 耐磨材料合金层各种类型合金的堆焊、喷涂、各种不同场合 复合衬板双金属铸造、熔炼 第一章绪论 7 0 年代起，美、加、澳等国相继将各种淬火( + 回火) 工艺用于处理低、 中合金钢推广到包括衬板在内的各类破、粉碎设备中 1 、3 、1 9 ，此后在合金 化及热处理工艺上各国做了大量研究，这类钢的抗磨性比奥氏体锰钢高，抗腐 蚀性也明显优于锰钢，而且大多具有足够的韧性，可用于大、中、小磨机的筒 衬板和端衬板。 橡胶及磁性衬板出现后，由于它对湿式磨机抗腐蚀能力优于铁基衬板，因 此各国均有一定程度的应用。但橡胶衬板对粗磨作用及磨球直径大于8 5 m m 的 情况，效果不如铁基衬板【1 6 】；磁性衬板因在安装上有诸多不便，适应面有限， 如湿式格子磨机不适用，且内置永久磁铁使其抗断能力降低。因此，橡胶、磁 性衬板在应用上有一定的局限性。 总体上看国外衬板的材质，奥氏体锰钢已逐渐被高合金铸铁( 冲击不大时) 、 中、低合金马氏体钢以及其它材料所取代，奥氏体锰钢所占比例越来越小。 1 1 3 国内的研究及应用状况 国内在这一领域的厂家及应用情况，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，7 0 年代西安交通大学等单位开始引入高铬白口 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、钨、钒系白口铁的碳化物团球化方面开展了卓 有成效的研究，使白口铁韧性有了成倍的提高，并成功地将球化高铬白1 5 铁用 于生产衬板及其它零件，不仅用于国内，还有批量出口，为此于1 9 8 8 年获得国 家发明二等奖。此后，合肥工业大学、北京钢院、沈阳铸造所等单位在这一领 域也做了大量的研究和推广应用工作，但因高铬白口铁固有的韧性偏低、成本 偏高以及它在湿态下的磨损寿命并不高，致使其在国内应用还是有限。 8 0 年代及9 0 年代国内衬板材质研究的两大主流是高、中锰钢的改性及变 质处理，以及低、中合金钢衬板的研究。奥氏体锰钢方面，吉林工业大学、清 华大学、哈尔滨工业大学、阜新矿院等高校及国家建材局合肥水泥研究设计院 等众多研究机构以及一些大中企业对m o 、v 、y i 、n i 、c u 等元素的合金化方 面均做过研究，并在变质处理、成份对锰钢加工硬化效果及其机理方面做了研 究 1 9 2 3 。虽然国内这方面工作比国外并不逊色，在湿态衬板等方面的应用寿 命比z g m n l 3 提高了4 0 左右，但仍不够理想。 不可否认，国内在各类低、中合金钢材质方面的研究取得了可喜的进展， 在合金化规律、处理工艺、耐磨耐蚀性能等方面做了大量工作。这类合金钢衬 板，组织类型有马氏体、马氏体一贝氏体、贝氏体等，热处理工艺上有水淬、 油淬、空淬、等温淬火、分级淬火、亚临界处理等，且大多都是瞄准湿态工况 下的磨机衬板。从应用效果上看，寿命比锰钢衬板有较大幅度的提高。如合肥 第一章绪论 水泥研究院研制的高碳中铬钢、中碳多元合金钢衬板，在湿法水泥磨、铜矿、 钼矿等方面的多家用户使用中取得了良好的效果；西安交通大学等单位研制的 中铬钢，在湿法铁矿下的寿命据文献 2 4 】预计可达4 4 0 0 小时；洛阳工学院 4 0 s i m n 2 c r m o c u 衬板在金矿湿式磨机上试用寿命为2 1 0 个月 2 5 】： 5 0 s i m n 2 c r m o c u 衬板，在湿式碱性铝矿磨机上应用，按4 个月时检查的情况推 测寿命为一年 2 3 1 ，但在铁矿上的应用未见报道。顺便指出的是本课题是以铁 矿为试用条件，我们不得不考虑到，衬板在各类矿中的寿命以在铁矿中最低， 据美国 2 给出的对比，仅为铜矿、钼矿的1 2 - - 1 3 ，故采用上述成果的思路恐 怕难达到目的。文献 2 6 、2 7 1 中给出的结果有类似之处( 河南冶金所、衡阳有 色冶金机械厂) 。北京钢铁研究总院研制的9 0 c r 6 m o r 衬板，在磁铁矿湿磨工 况下，以运行4 1 0 7 小时数据推测寿命为高锰钢的2 倍【2 8 ，应该说效果十分显 著，但文献中反映的韧性偏低( a k 为1 0 2 5 j ) ，至于在运行后期是否断裂及在 强冲击下的情况如何，跟踪检索未见有关说明。 需要指出的是，从许多用户反映的实际情况看，与各文献所报导的情况有 一定的差距。实际上，在国内矿山湿式磨机上应用的衬板还维持着高锰钢的一 统局面，中、低合金钢只占很小比例，一方面这是一个发展过程的问题，另一 方面中、低合金钢衬板的质量及其稳定性还存在着一定问题，在合金化、冶炼、 铸造、热处理工艺上还有许多工作要做。根据有关统计数据 2 9 1 ，从衬板的整 体寿命上，美国的矿山情况为o 0 5 k g t 的磨耗，而我国则为o 2 5 k g t 。诚然， 衬板的磨损受到矿石的大小、矿浆浓度、硬度、介质的p h 值、磨机结构及转 速等众多因素的影响，但也不可否认，国内的衬板材质本身与国外还存在着较 大的差距。 1 2 耐磨耐腐蚀机理方面的研究情况及分析 本课题的内容是针对冶金矿山湿式磨机衬板，要达到预期目标，必须对这 方面的失效机理有客观、合理的认识。摩擦与磨损作为一门新的学科，世界上 是从1 9 6 6 年开始的，腐蚀磨损问题则是近2 0 年内才开始受到重视。表1 2 为 我国一个典型矿山中所消耗的钢材备件数字【3 0 ，从中可以了解到在冶金矿山 领域中采掘、破碎和选矿工艺过程中磨料磨损的严重程度。在五个主要生产工 序中，消耗备件达千万元以上。加上工时损失和人工检修费用，经济损失每年 可达4 0 0 0 万元以上。由此可见，深入开展磨料磨损的研究解决在工程实际中减 少和防止因磨料磨损造成的损失问题具有重大的经济意义。根据我们所检索到 的大量文献就有关的一些主要问题作如下讨论。 从纯磨损角度出发，耐磨材料的硬度( h m ) ( 特别是与磨料硬度的相对比 第一章缝论 德h m h a ) 及韧性是影响材料麟损率的两个主鼹因素。( h m h a ) 1 0 ( 各文献 对这一数据翡给癌穗有藏爨) 对，瘗损缀懂；1 o ( h m h a ) o 8 5 时为过渡透； ( h m h a ) 1 2 m m 的多棱角颗粒；矿浆呈酸性，p h = 3 5 。湿式磨 机衬板的磨损属于三体冲击腐蚀磨损，在衬板材质及加工工艺设计中应充分考 虑耐磨、耐蚀、耐冲击性能，以及腐蚀与磨损之间交互作用的影响。 2 2 衬板材质的成分设计 众多专家研究指出，在湿态下，特别是在腐蚀介质中，同种材料的磨损率 是干态下的数倍( 酸性介质中尤其严重) 【3 9 。而且湿态腐蚀磨损并非是纯磨 损与纯腐蚀的简单叠加，而是具有交互加速作用的复杂过程。通过对湿磨衬板 的实际工作条件分析，湿式磨机衬板的材质，应具有较高的硬度、韧性及耐腐 蚀性能；衬板的工作层应尽可能为单相组织，并尽量提高电极电位：同时应尽 可能降低成分偏析、减少有害杂质含量，以及净化晶界。当然，有些因素之间 是相互矛盾的，如韧性和硬度之间。问题的解决在于，从成分、工艺、组织、 性能的控制，寻求耐磨、耐蚀及耐冲击的最佳配合范围。简言之，冶金矿山湿 式磨机衬板的寿命主要取决于它的耐腐蚀、耐磨损、耐冲击的综合性能。这也 是对该类衬板进行成分设计与化学、物理冶金过程的主导思想。 鉴于目前常用的衬板材质，高锰钢韧性有余，硬度、耐磨性、耐腐蚀性不 足；中高碳低合金钢的韧性与耐蚀性不够；高铬铸铁耐磨耐蚀性好，但韧性不 足。上述材质总是存在这样或那样的缺陷，所以本次合金设计首先在成分设计 上力求耐磨、耐腐蚀、耐冲击三者并重。 ( 1 )含碳量的选择：含碳量在o 1 5 一o 3 0 之间选择。含碳量偏低， 材料的韧性将得以大大提高，但耐磨性会不够：而含碳量过高， 材料的硬度、耐磨性会因此而改善，但韧性将难以满足要求。而 且高的含碳量也不能满足组织设计的要求。 ( 2 ) 含铬量的选择：铬是提高钢的淬透性、使钢强化的重要元素，同 第二章新材质衬板材料的成分及组织设计 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 时也是提高钢的耐蚀性的重要元素。以往的耐磨衬板材质中，除 高铬铸铁含铬量较高以外，一般材质中含铬量多低于5 。本次 设计拟选择铬含量为7 一1 0 之间。因为偏低的含铬量对材料 的耐腐蚀性不利：而偏高的铬含量对韧性不利。另外含铬量的选 择还要兼顾铬量与碳量的合理匹配。 镍、钼元素的选择：众所周知在合金强化中，多元复合强化的效 果更为显著，为此，本设计拟加入少量镍、钼元素进一步提高合 金淬透性。同时，镍的加入有利于提高合金的韧性；钼有利于消 除回火脆性以及提高合金的抗晶间腐蚀能力。根据文献资料 5 0 1 可知这两种元素对提高材料综合机械性能来说是不可多得的合 金元素。为了控制合金成本，两者加入量之和不超过3 。镍一 般不超过2 ，钼不超过1 。 稀土和钛元素的加入：对于众多合金来说，加入少量稀土可以很 好地提高合金的多种性能。为此本设计也采用加入少量混合稀 土，总加入量控制在o 3 以下。钛元素能阻碍晶粒长大，起到 细化晶粒尺寸作用。同样，钛的加入量也不能高，宣控制在0 1 5 以下。 硅、锰、硫、磷元素控制：硅元素含量控制在0 - 3 0 一o 6 0 之 间，锰元素含量控制在0 4 0 一0 8 0 以内。硫、磷元素宜控制 在0 0 3 5 以下。 综上所述，本设计拟选合金的成分变化范围见表2 1 。 表2 - 1 合金的成分范围 t a b l e2 - 1t h er a n g eo f t h ec o m p o s i t i o no f t h ea l l o y 元素c c rn im os im nspr et i 含量 0 1 5 7 0 1 5 0 ) 6 0 -o 3 00 4 0 5 0 j c m 2 ；风冷后的合金硬度h r c 4 5 5 0 ，冲击韧性 a k 6 0 j c m 2 。合金的铸态组织及各种热处理状态的组织均基本为板条马氏体。 9 第三章新材质衬板钢的性能测试 第三章新材质衬板钢的性能测试 我国冶金矿山( 铁矿、金矿等) 湿式球磨机衬板，一直采用高锰钢制作。 7 0 年代后期铜矿山部分采用橡胶衬板，引进大型磨机后开始采用合金钢衬板。 为此，国内外近年来纷纷研制改性高锰钢、中碳合金钢、高铬铸铁等材质 5 2 5 5 1 。高锰钢的硬度 1 4 7 j c m 2 ，它的耐冲击性能好，耐磨 损、耐腐蚀性能较差，以致衬板的使用寿命很短。而中碳合金钢的硬度为 h r c 5 5 h r c 6 0 ，冲击韧性a k 为2 0 3 0 j c m 2 。查阅国内外文献表明，虽然各类 材质都有报道，但使用效果均不理想，主要表现为寿命较短。一般认为，如果 材质的硬度能达到h r c 5 0 ，韧性也能达到5 0 j c m 2 以上，那么这种具有良好的 硬度和韧性配合的材质是冶金矿山球磨机衬板的较为理想的材质。 3 1 合金的机械性能 根据设计的合金成分，经过严格的熔炼、铸造工艺和热处理工艺获得的低 碳高合金钢的性能如下：油淬冷却的合金硬度h r c 4 8 5 l ，冲击韧性a k 大于 5 0 j c m 2 ；风冷后的合金硬度h r c 4 5 5 0 ，冲击韧性a k 大于6 0 j c m 2 。而铸态下 合金硬度h r c 4 8 5 0 ，冲击韧性f t k 大于5 0 j c m 2 。 3 2 冲击腐蚀磨损性能的测试 为了考核合金耐磨损、耐冲击、耐腐蚀性能的优劣，对所设计的合金经淬 火回火处理后，进行冲击腐蚀磨损试验。 3 2 1 试验条件与方法 实验所用的试样均用线切割割成1 0 m m 1 0 r n m 3 0 m m 的规格。冲击腐蚀 磨损试验在改造的m l d 1 0 型冲击腐蚀磨损试验机( 见图3 1 ) 上进行。为了 能进一步说明新材质衬板具有优良的耐冲击腐蚀磨损性能，我们还选择了高锰 钢和中碳合金钢在同样的工况条件下做了对比。 磨损试验机的转速为4 0 0 转分，在该实验中，上试样随冲锤上下往复运动， 下试样转动。磨料通过搅拌装置不断地进入摩擦面间。冲击功为2 7 j 。实验采 2 0 第三章囊挂质辩投锻毂性能渊试 用了四种不同的工况条件，分剐为：( 1 ) p h i 3 的硫酸水溶液，并加入6 1 0 嚣瓣铁矿石，承茅委铁矿石麓体积跑为5 ：7 ：( 2 ) p h i 3 的硫酸承溶液，并加入 2 0 4 0 目的石英砂，水和石英砂的体积比为5 ：7 ：( 3 ) p h m 3 的稀硫酸溶液： 1 4 7 中碳合金钢 0 3 o 4 1 53 41 6 0 j c m 2 。 ( 2 ) 冲击腐蚀磨损性能：为了考核合金耐磨损、耐冲击、耐腐蚀性能的 优劣，对所设计的合金经淬火回火处理后，在自制的腐蚀磨损试验机( 见图3 1 ) 上进行冲击腐蚀磨损试验。为了能进一步说明新材质衬板具有优良的耐腐蚀磨 损性能，我们还选择了高锰钢和中碳合金钢在同样的工况条件下做了对比。实 验采用了四种不同的工况条件，分别为：p h , - a 3 的硫酸水溶液，并加入6 1 0 目的铁矿石，水和铁矿石的体积比为5 ：7 ：p h 。3 的硫酸水溶液，并加 入2 0 4 0 目的石英砂，水和石英砂的体积比为5 ：7 ：p h - 。3 的硫酸水溶液； 空气中的纯冲击磨损。 实验结果表明，在模拟实际工况条件下，无论冲击腐蚀磨损时间的长短， 低碳高合金钢都具有比高锰钢和中碳合金钢更好的耐冲击腐蚀磨损性能。在石 英砂酸性介质中，短时间内低碳高合金钢具有较好的耐冲击腐蚀磨损能力，但 在较长时间的冲击腐蚀磨损条件下，高锰钢表现出较好的性能。然而很长时间 后，高锰钢与低碳高合金钢究竟谁好，尚待进一步实验研究确定。在稀硫酸溶 液中，无论冲击腐蚀磨损时间的长短，低碳高合金钢也都表现出良好的耐冲击 腐蚀磨损性能。在纯冲击磨损条件下，低碳高合金钢也具有良好的耐冲击磨损 第五章全文结论 性能。 5 冲击腐蚀磨损机制的探讨： 为了能进一步说明低碳高合金钢的优良特性，研究它的磨损行为，我们用 h i t a c h i x 6 5 0 扫描电子显微镜观察了低碳高合金钢、高锰钢和中碳合金钢试样 的冲击腐蚀磨损表面形貌，并用o l y m p u sp m e 光学显微镜进行了光学金相分 析，对这三种钢的磨损机制进行一定的探讨。 分析结果表明： ( 1 ) 在模拟工况条件下，即在铁矿石酸性矿浆中，低碳高合金钢的耐冲 击腐蚀磨损性能优于高锰钢和中碳合金钢。这与低碳高合金钢的优良的耐腐蚀 性能是分不开的。耐腐蚀性较好的低碳高合金钢的冲击腐蚀磨损机制主要为冲 击磨损；高锰钢的冲击腐蚀磨损机制主要为冲蚀磨损：而中碳合金钢冲击腐蚀 磨损机制则是最为严重的冲击腐蚀磨损。 ( 2 ) 在石英砂酸性介质中，较短时间( 2 h ) 内低碳高合金钢的冲击腐蚀 磨损机制主要为冲击磨损；高锰钢和中碳合金钢的冲击腐蚀磨损机制主要为冲 蚀磨损。较长时间( 8 h ) 内，低碳高合金钢的冲击腐蚀磨损机制主要为严重的 冲击磨损，高锰钢的冲击腐蚀磨损机制主要为腐蚀磨损，而中碳合金钢的冲击 腐蚀磨损机制主要为冲蚀磨损。 ( 3 ) 在稀硫酸溶液中，低碳高合金钢的冲击腐蚀磨损机制主要为冲击磨 损；高锰钢的冲击腐蚀磨损机制主要为腐蚀磨损；而中碳合金钢的冲击腐蚀磨 损机制主要为冲蚀磨损。 1 9 【2 0 【2 1 2 2 【2 3 【2 4 2 5 】 2 6 2 7 】 【2 8 2 9 【3 0 】 【3 1 】 参考文献 齐纪渝国内外耐磨材料的研究与应用电力情报1 9 9 6 ( 3 ) 2 9 - 3 1 a m e r i c a nm e t e r l s o c i ，m e t a lh a n d b o o k s ，1 9 7 8 沈阳铸造所特种铸钢铸铁生产技术( 会议资料) ，d e c 1 9 9 2 j d w a t s o n e t m e t a l l a r g i c o n a lt r a n s ，v 0 1 “，n o 4 ，19 8 0 d h b u c k l e y m c 9 5i n t e r n a t i o n a lm e t e l l o g i c a l c o n f e r e n c e ，c o l m a r ，f r a n c e m a y1 9 9 5 z h a n gf u c h e n g ，l e it i n g q u a n w e a r , v 0 1 2 1 2 ，n o 2 ，1 9 8 7 j c m o o r e w e a r , v 0 1 5 6n o 3 1 9 7 9 r h z u mg h a r , j w e a ro fm a t e r i a l s 19 81 t e n o r m a n e n g a n dm i n i n gj o u m a l ，v 0 1 16 6 ，n o 4 ，1 9 6 5 j b a k e re t ，m a t e r i a l ss c i t e c h ，v 0 1 1 0 ，o c t 1 9 9 4 日本特公昭5 0 - - 4 1 7 3 e y ，o o b ，m e t nt o m ，n o 2 ，1 9 7 5 m n k y pa t o b m e t t o p h o p y 2 r b g a n g d e l a l a c he t ，w e a r , v 0 1 4 6 ，n o 1 ，19 7 8 j d m a t s o ne t ，s e a i s iq u a r t e r l y , n o 1 ，1 9 7 8 b r a d l e yf a s t e rc o ，w o r l dm i n i n ge q u i p m e n t ，o c t 19 8 6 a k g a n g o p a d h y a y , w e a r , v 0 1 1 1 4 f e b 1 9 8 7 g s i m ，k , n t a n d o m ，j o f m a t e r i a l se n g p e r f o r m ，v 0 1 4 ，n o 5 ，o c t 1 9 9 5 徐志明等悬浮铸造高锰钢的组织与性能研究钢铁，n o 5 ，1 9 9 5 孙世怀等铸造，n o 6 ，1 9 8 7 隋金玲等变质对中锰钢组织和性能的影响金属热处理，n o 1 ，1 9 9 6 黄金亮等矿山机械，n o 3 ，1 9 9 3 吕振林、邓月芹等中铬铸钢及其在湿式磨机衬板上的应用热加工工 艺，n o 6 1 9 9 5 黄金亮等矿山机械，n o 1 ，1 9 8 9 廖承驹矿山机械，n o 3 ，1 9 9 1 咧剑威矿山机械，n o 7 。1 9 8 9 王洪发，许达全国耐磨材料第六届学术会议论文集，1 9 9 2 k w e l l i n g e r w e a r , v 0 1 11 ，n o 3 ，19 6 8 b j n o e a la n d a b a l l w e a r o f m a t e r i a l s ，1 9 8 3 ，1 4 8 1 5 2 刘英杰金属磨损清华大学机械工程系金属材料教研组，1 9 8 4 ，8 ，4 e h o m b o g e n ，b e r g b a uv d i zr e i h e5 ，