（机械制造及其自动化专业论文）螺旋分级机衬铁用耐磨新材料的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 本文在普通的高铬铸铁的基础上，结合长期生产实践中总结出的经验，设计 了一种新型的铬锰钨抗磨白口铸铁这种新型铸铁主要应用在螺旋分级机上，用 来制造螺旋分级机的衬铁。在普通高铬铸铁的基础上，通过适量的、w 元素的 加入，使新型铬锰钨抗磨白口铸铁的各项性能比现有的白口铸铁有了较大的改 善。文章运用了多种试验手段，观察材料的金相组织，测定各相的显微硬度，分 析各相的组织类型并且测定了每种合金元素在不同相中的微区含量，对材料的微 观组织进行了细致的分析研究。同时也通过试验，测得了材料的韧性、硬度等宏 观性能参数。在研究过程中结合试验所得出的结果，利用余氏“固体与分子经验 电子理论”计算出了铬锰钨抗磨铸铁马氏体组织的价电子结构。通过价电子结构 的信息，分析探讨了材料微观组织与宏观性能之间的内在联系。最后，将新型铬 锰钨抗磨铸铁浇铸成螺旋分级机衬铁，进行了生产试验，结果表明衬铁使用情况 优良，新型铬锰钨抗磨铸铁具有优良的抗磨性能。 以上的研究成果成功地研制出一种用于制造螺旋分级机衬板的新型抗磨材 料，同时也探讨了抗磨自口铸铁中，微观组织与宏观性能之间的内在联系。这对 于继续开发性质更加优良的抗磨铸铁及抗磨铸钢等材料具有重要的理论参考价 值与指导意义。 关键词高铬铸铁，螺旋分级机，微观组织，价电子结构 硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h eo r d i n a r yh i g hc h r o m i u mc a s ti r o nf o u n d a t i o n ，c o n n e c t e d w i t ht h ee x p e r i e n c ew h i c hi nt h eu n i o nl o n g - t e r mp r o d u c t i o np r a c t i c e s u m m a r i z e s ，t h i sa r t i c l ed e s i g n e do n ek i n do fn e w - s t y l ec h r o m i u m m a n g a n e s et u n g s t e na b r a s i o n - r e s i s t a n tw h i t ec a s ti r o n t h i sk i n do fn e w c a s ti r o nm a i na p p l i c a t i o no nt h es c r e wg r a d e r ，a s e sf o rt om a k et h el i n i n g i r o no fs c r e wg r a d e r t h r o u g hr i g h ta m o u n tm n ，霄e l e m e n tj o i n i n g , c a u s e d t h en e wc h r o m i a mm a n g a n e s et u n g s t e na b r a s i o n - r e s i s t a n tw h i t ec a s ti r o n h a v ea b i g g e ri m p r o v e m e n tc o m p a r e dt ot h ee x i s t i n gw h i t ec a s ti r o ni ne a c h p e r f o r m a n c e t h ea r t i c l e h a su t i l i z e dm a n yk i n d so fe x p e r i m e n t a lm e t h o d ， o b s e r v i n gm a t e r i a lm i c r o s t r u c t u r e 。d e t e r m i n i n gm i c r o h a r d n e s so fe a c h s t r u c t u r e ，a n a l y z e de a c hs r u c t u r e so r g a n i z a t i o nt y p ea n dt od e t e r m i n e e a c hk i n do fa l l o y i n ge l e m e n tm i c r oa r e ac o n t e n ti nd i f f e r e n ts t r u c t u r e ， h a sc o n d u c t e dt h ec a r e f u la n a l y s i sr e s e a r c ht ot h em a t e r i a lm i c r o s c o p i c o r g a n i z a t i o n s i m u l t a n e o u s l yt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，h a sa l s oo b t a i n e d t h em a t e r i a lt o u g h h e s s ，d e g r e eo fh a r d n e s sa n ds o o nt h em a c r o s c o p i c p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r u n i f i e st h er e s u l ti nt h er e s e a r c hp r o c e s sw h i c h t h el a b o r a t o r yo b t a i n s ，u t i l i z e dy u s o l i da n dt h em o l e c u l a re x p e r i e n c e e l e c t r o nt h e o r y h a se s t a b l i s h e dt h em a t e r i a ls u b s t r a t eo r g a n i z a t i o n s a l l o yv a l e n c ee l e c t r o ns t r u c t u r a lm o d e l ，a n dc a l c u l a t e dt h es u b s t r a t e o r g a n i z a t i o n sv a l e n c ee l e c t r o ns t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot h em o d e l t h r o u g h t h ev a l e n c ee l e c t r o ns t r u c t u r ei n f o r m a t i o n ，t h ea n a l y s i sh a sd i s c u s s e d b e t w e e nt h em a t e r i a lm i c r o s c o p i co r g a n i z a t i o na n d t h em a c r o s c o p i c p e r f o r m a n c ei n n e rl i n k f i n a l l y ，n e wc h r o m i u m - m a n g a n e s e t u n g s t e nc a s t i r o np o u r i n gt oc a s tt h el i n i n gi r o no fs c r e wg r a d e ra n dc a r r i e do nt h e p r o d u c t i o ne x p e r i m e n t ，t h er e s u l t si n d i c a t e dt h el i n i n gi r o nw o r k sw e l l ， t h en e wc h r o m i u m - m a n g a n e s e t u n g s t e nc a s ti r o nh a v et h ef i n ea b r a s i o n r e s i s t a n c ee n e r g y t h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t sn o to n l ye s t a b l i s h e db r i d g eb e t w e e nt h e m i c r o s c o p i co r g a n i z a t i o na n dt h em a c r o s c o p i cp e r f o r m a n c er e l a t e di nt h e a b r a s i o nw h i t ec a s ti r o n ，m o r e o v e rr e g a r d i n gc o n t i n u e dt od e v e l o pt h e f i n e ra b r a s i o nw h i t ec a s ti r o na n dc a s ts t e e lh a st h ei m p o r t a n tt h e o r y i n s t r u c t i o ns i g n i f i c a n c e 硕士学位论文 k e yw o r d s ：h i g hc h r o m i u mc a s ti r o n ，s c r e wg r a d e r ，m i c r o s t r u c t u r e ，v a l e n c e e l e c t r o ns t r u c t u r e h i 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：翟遵 日期： 2 型2 年6 月上日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：翟盛巍导师签名垒边日期：坦2 年6 月日 硕士学位论文 第一章绪论 i 1 白口抗磨铸铁简介 第一章绪论 1 i 概述 在工业生产中很多的重要备件处在恶劣的生产条件下工作，当生产工艺定型 后，备件的耐用性就成为发展生产、降低成本的限制性环节之一据统计，在失 效的机械零件中，约7 5 属于金属磨损。因此研究金属磨损，提高金属的抗磨能 力，研制新型的耐磨金属是当今科技人员的重要任务。 随着生产的强化、材料学和工艺学的不断发展，目前世界各国已研制出各种 类型的抗磨金属材料。这些材料都是在普通碳钢和白口铸铁的基础上发展起来 的。白口铸铁的组织为坚硬的金属基体支持着坚硬的碳化物，使铸铁能抵抗磨损。 所以，为了抵抗磨料磨损而使用的铸铁一般都为白i z l 铸铁。根据使用条件，白口 铸铁可以不含合金元素，也可以含有低、中、高量合金元素。合金铸铁充分利用 了合金元素在钢、铁中的作用，以求得到具有各种特性的材料来满足生产的需要。 由于各种合金价格较贵，在使用时应充分考虑到一次性投入和它们对备件耐用性 所起的作用的关系。对于一些关键易损备件，合理采用高合金或多元合金材质也 是满足生产需要的重要途径之一美国金属材料协会指出：9 0 年代至未来2 0 年 内将是新材料开发最活跃时期，主要集中在高合金、高功能聚合物、复合材料和 精密陶瓷材料四大方面，其中高温合金材料占6 0 以上许多国家在调整产业结 构时都在向新材料部门倾斜，而对传统的金属材料投资比例将逐年减少在跨入 新世纪之际，新材料的研究，各种材料的快速更新、取代，对未来经济的发展将 是至关重要的n 哪 1 1 2 白口铸铁的分类及应用 ( 1 ) 普通自口铸铁 不加特殊合金元素的白口铸铁为普通白口铸铁，这种铸铁易于生产，成本低 廉，广泛的用于一般的抗磨零件 这种铸铁具有高碳低硅的特点，组织为渗碳体加珠光体。硬度较高。但由于 渗碳体成网状分布，脆性较大 普通自口铸铁是生产最简便的抗磨铸铁。它除了应用于犁铧之外，还可用作 小型球磨机的磨球、清理设备用的铁丸及星铁等。 ( 2 ) 低合金白口铸铁 硕士学位论文 第一章绪论 在普通白口铸铁中添加少量合金元素，可以提高碳化物的显微硬度，强化金 属基体，从而可以提高抗磨性。 1 ) 含铬、锢、铜等元素的白口铸铁这类白口铸铁通常用冲天炉熔炼，大 多在铸态下使用，因此生产成本较低。但这种白口铸铁的金相组织中的碳化物仍 为连续网状，因而脆性较大，抗磨性也没有高合金白口铸铁高，适用于对抗磨性 和韧性要求不太高的场合 2 ) 硼白口铸铁加入的硼主要进入碳化物中，可以提高抗磨性。硼白口 铸铁适用于低应力磨料磨损场合。目前有用于电厂除灰系统的灰渣浆泵中的易磨 损件。 ( 3 ) 中合金白口铸铁 中合金白口铸铁中以c r 为主要合金元素，当c r 量达到9 时，组织中即出 现( c r ，f e ) 碳化物，它硬度高( h v l 3 0 0 1 8 0 0 ) ，本身的韧性好，强度高， 而且它的连续性差，在光学显微镜下观察，呈孤立的杆状或板状形态，对金属基 体的损害作用比连续网状的( c r ，f e ) 为小，从而铸铁的冲击韧度也有所提高。 除c r 外，中合金自口铸铁还有以或_ 作为主要合金元素的。 a ) 镍硬白口铸铁镍硬铸铁是含镍铬的白口铸铁，国际上通常称n i h a r d ， 按含铬量可分为c r 2 和c r 9 两种。在c r 2 的镍硬铸铁中，碳化物为( c r ，f e ) 3 c ，硬度为h v l l 0 0 l l s o ，高于普通碳化物f e 3 c ( 1 - w 9 0 0 1 0 0 0 ) 的硬度。在c r 9 9 6 的镍硬铸铁中，大部分碳化物为( c r ，f e ) 。，硬度更高。在这种铸铁中加入大 量镍是为了提高铸铁的淬透性，有助于获得无珠光体，以马氏体为主的金属基体， 但总伴随有大量的残余奥氏体。镍量的多少依铸件壁厚而定，厚铸件的镍量应取 高限。 镍硬铸铁的化学成分见表1 - 1 ； 表1 - 1 国际镍公司的镍硬铸铁成分( ) 表中n i h a r d l 、2 、3 三种均是( 娩类的，其区别主要在碳量上，高碳的抗 磨性好而韧性差，低碳的反之。其中n i h a r d 3 主要是用于球磨机中的磨球。 n i - h a r d 4 是。睁类的，它的硅量较高以促使易于形成( c r ，f e ) ，c 。碳化物。由 于高镍而其淬透性极高，可以作大于2 0 0 皿n 厚的铸件。n i h a r d l 、2 二种铸铁一 般用冲天炉熔炼，近代也有用电炉熔炼，铸件不作高温热处理，只作低温回火即 2 硕士学位论文 第一章绪论 可使用。n i - h a r d 4 则必须经商温热处理才能使用 国际镍公司还有两个特殊品种：高碳n i - h a r d 4 和含硼n i - h a r d l 。高碳 n i - h a r d 4 的碳量可高至3 2 3 麟，此时硅量约为1 飘，铬量仍为，硫量不 大于0 1 蹦，磷量不大于0 2 5 这种材料的抗磨性高而冲击疲劳寿命并不高 含硼n i - h a r d l 含c 3 3 3 既，c r 2 4 2 7 ，b 0 2 5 1 傩。成分中的铬使碳 化物的硬度提高，而硼可以使马氏体基体的硬度高达h v l 0 0 0 。这种材料用于傲 冲击负荷较小的简单铸件 镍硬铸铁通常与非合金白口铸铁、硬的合金钢或高锰钢竞争在许多情况下 比非合金白口铸铁优越，两者之间的选择主要取决于经济上的合理性。当代替高 锰钢时，必须保证在使用条件下不碎裂。镍硬铸铁很早就用于加工金属的轧辊， 包括双金属浇注的轧辊，即心部为灰铸铁或球墨铸铁，外层为镍硬铸铁的轧辊， 表面硬度可达9 0 h s ，心部和颈部却具有高强度和韧性镍硬铸铁也用来制作球 磨机的衬板和磨球、磨煤机的滚套、输送管道、抛丸机或抛砂机中的易磨损件 镍硬铸铁在杂质泵的易磨损件上得到广泛的应用。 b ) 中铬白口铸铁n i - h a r d 4 是中铬型的自口铸铁，需要加入大量贵重的 镍。为了不用镍，用c u 、m o 、m n 联合合金化，可以达到相同的目的。其力学 性能可与n i - h a r d 4 媲美，在三体磨料磨损试验中所得到的相对抗磨性也与 n i - h a r d 4 相当。但这种中铬铸铁的淬透性不如n i - h a r d 4 高。 c ) 锰白口铸铁锰白口铸铁中较高的锰量抑制了珠光体，稳定奥氏体。 在组织中出现一定量的马氏体，但有较多的残余奥氏体这种铸铁以锰为主要合 金元素，成本低廉，但抗磨性较低，铸造性能也较差 d ) 锰钨白口铸铁锰钨l 号耐磨铸铁适用于要求机械加工的零件。锰钨 2 号耐磨铸铁具有较高硬度。一般情况下，这两种铸铁均在铸态下使用 e ) 铬钨白口铸铁铬钨白口铸铁主要用于冲击载荷不大的低应力冲蚀磨 料磨损和高应力碾磨磨料磨损的场合其干态抗磨料磨损的性能接近c r l 5 m 0 3 但由于钨价格较高，使这种白口铸铁的应用受到一定的限制。 ( 4 ) 高合金白口铸铁一高铬白口铸铁 高铬铸铁是继普通白口铸铁、镍硬铸铁发展起来的第三代白口铸铁发达国 家在6 0 年代，我国在8 0 年代初为满足生产的需要并在感应炉的应用逐渐普及的 前提下，高铬铸铁才进入了较广泛的实用阶段。由于高铬铸铁金属组织的特点使 得高铬铸铁比普通铸铁具有高得多的韧性、高温强度、耐热性和耐磨性等，已被 誉为当代最优良的抗磨料磨损材料，并得到广泛应用 目前在高合金白口抗磨铸铁中应用得最广泛的是含铬1 2 2 0 的高铬白口 铸铁。在这类铸铁的金相组织中，c r 与c 形成m 岛 即( o r ，f e ) 型碳化物。 3 硕士学位论文 第一章绪论 高铬白口铸铁中的主要合金元素是铬。铬量至少高于9 9 b 才能可靠的得到m 晶。铬 除与碳形成碳化物外，尚有部分溶解于奥氏体中，起提高淬透性的作用淬透性 随c r c 的增加而提高。基体中铬量c r 可以用下式估算： c r f 1 9 5 c r c 一2 4 7( i - i ) 高铬自口铸铁中常用的c r c 为4 8 在无其它合金元素时，空冷能淬透的 直径只有由l o 4 0 m m ，淬透性相当差。 提高碳量能增加碳化物数量，其效果比提高铬量更为显著。碳化物百分数 k 可以用下式估算： 1 0 9 忙1 1 3 ( c ) + o 5 ( c 】喁) - 1 3 4( i - 2 ) 增加碳化物数量能提高抗磨性，但降低韧性，并且也降低淬透性，故必须用 其它合金元素来弥补淬透性的不足“州。 1 1 3 白口抗磨铸铁件的失效 白口铸铁抗磨件经常遇到以下两个问题，从而导致其失效： ( i ) 抗磨性不良 材料的淬透性不足或不正确的热处理，使组织中出现珠光体，导致抗磨性 降低。如所有提高淬透性的元素含量均接近下限，而所有降低淬透性的元素( 如 s i 、c 、a 1 、t i ) 含量却接近上限。虽然成份合格，而淬透性实际是不足的。 过度合金化使奥氏体不太稳定，不易转变，奥氏体基体的抗磨件在运行中 得不到加工硬化，抗磨性表现得不足。 材料的韧性不足也会造成加速磨损，可能出现显微剥落。这种剥落往往与 残余奥氏体量过多有关。 加速磨损还与腐蚀有关，此时用c r 2 6 c r 2 8 铸铁是有利的 碳量决定碳化物量，这是材料抗磨料磨损能力的重要因素，碳量太低，抗 磨性不良。在c r 2 4 c r 3 0 铸铁中，足够高的碳量是十分重要的由此可保证 基体中不出现铁素体，而且可以用常规热处理使之淬硬。 ( 2 ) 脆断 抗磨件在运行中所受到的冲击条件是难于定量估计的。太高的内应力往往是 脆断的原因，但内应力又不易测定，只有追溯抗磨件的热处理状况，才能找到原 因。例如衬板与磨机外壳是否贴合，可能使衬板受力不利而发生断裂，衬板背部 形状要规矩，上螺钉不能过紧，应采用规定力矩的扳手，保证螺钉紧固合适 在严重重复冲击条件下，抗磨件先剥落后断裂。对它分析后发现，其中都存 在着较多( 约2 0 9 6 7 0 ) 的残余奥氏体。所以，应尽量降低这些白口铸件中的 残余奥氏体“。一。 4 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 4 典型白口抗磨铸铁件 球磨机中的树板和磨球，是合金抗磨自口铸铁用得较多的磨损零件。被磨材 料有金属矿石、煤、耐火材料和水泥等。在碾磨这些材料时，包含了许多不同的 环境条件，例如有湿的和干的磨料，腐蚀，冲击疲劳等。条件虽然各异，但共同 的要求是：抗磨件都要有足够的抗磨性和抗破碎能力 在干磨损条件下，中，高合金白口铸铁具有较大的优越性，因为此时锻钢和 非合金白口铸铁的磨损率要比合金自口铸铁高得多，因此经济上就显得合算。高 铬白口铸铁在干磨损中有很广泛的应用。 此外，自口抗磨铸铁也应用于渣浆泵的叶片、护套、衬板、螺旋分级机村铁 和破碎机锤头等受冲击磨损的抗磨件上n ，1 】 1 2 螺旋分级机及衬铁简介 螺旋分级机是一种选矿机械，是比耙式分级机和浮槽分级机出现较晚的分级 设备。它有一个倾斜的半圆形长槽，槽内装有长轴，轴上安装有螺旋。 来自球磨杌的矿浆从槽侧的给矿口进入，矿浆受到螺旋的搅拌( 3 2 0 转 分) 作用，细颗粒浮于上面并由溢流堰流出。粗重的颗粒则沉降在槽底，由螺旋 沿槽底输送到返砂口排出，并经溜槽进入球磨机或送往其它工序，完成矿粒的分 级。 螺旋是分级机的关键部件。其中螺旋轴一般采用无缝钢管或两个半圆形瓦片 对焊而成，两端焊有轴颈，上端支承于传动架上，下端支承在下部支座中螺旋 轴以卡箍方式装有与螺旋导角相适应得支架板，用来连接螺旋叶片n 幻衬铁是装 于叶片边缘上。衬铁直接与矿浆作用，起到搅拌矿浆与输送租重颗粒的作用，因 此，要求其具有良好的抗磨性能。 一 1 3 课题来源及研究意义 1 3 1 课题来源 高铬铸铁是最重要的耐磨材料之一，适用于各种低应力磨料磨损的工况条 件，广泛应用于机械、冶金、采矿及矿产品加工等行业近年来，各工业国家都 很重视对高铬铸铁的研究工作，以期充分利用其优异的耐磨性能 高铬铸铁耐磨件，我国也应用很广。随着矿业和冶金行业的迅速发展，对高 铬铸铁件的需求日益增长。目前，年产量大约超过5 0 万吨，不仅供国内各行业使 用，也有相当数量的铸件出i i 。, j s 硕士学位论文 第一章绪论 作为新一代抗磨材料，高铬铸铁正在越来越广泛的领域内取代传统的高锰钢 而成为抗磨粒磨损的优质材料尤其在磨料块度小而硬度高的场合下，如粉碎水 泥熟料，制备石英砂、分级选矿等工况下更成为一种最佳材质，并被广大相关工 业界所接受。但实际工业化生产所得到的性能如硬度、韧性、耐磨性等尚有很大 的提升空间。目前实际应用中的大部分高铬铸铁其成分多采用国家标准，其性能 也比较接近。因此，如果能适当的调整合金元素的配比，通过多元合金的相互配 合来强化高铬铸铁的组织，并能在不大幅地提高制造成本的前提下，研制出一种 性能优于普通高铬铸铁的新型合金高铬铸铁材料，是极具现实意义的。另外，由 于螺旋分级机衬铁屑于比较典型的抗磨件，所以新型抗磨材料的研发主要针对于 螺旋分级机衬铁的使用要求来进行。 本课题旨在开发一种主要应用于螺旋分级机衬铁的新型高合金耐磨铸铁，并 分析它的微观组织与结构，找出微观组织与硬度、韧性、耐磨性等宏观性能的联 系，综合起来对材料的设计开发提供理论指导 1 3 2 研究意义 随着生产的需要、科技的发展，新材料的设计与开发已成为一个越来越重要 的课题。新材料的研究，各种材料的快速更新、取代，对未来经济的发展是至关 重要的。 高铬铸铁作为一种优异的耐磨材料，广泛应用于各种抗磨料磨损的场合。但 其耐磨性还有很大的提升空间，因此能取代普通高铬铸铁的新型合金高铬铸铁的 研究是极具现实意义的 本课题的研究意义主要有以下几点； ( 1 ) 在不提高生产成本的前提下，开发一种主要用于螺旋分级机衬铁的新 型合金高铬铸铁材料，这种铸铁耐磨性有很大提升，应用更加广泛。可大范围取 代普通高铬铸铁，并可直接应用于生产实践。具有显著的经济效益和战略价值。 ( 2 ) 从微观组织构成的角度分析材料的组织与各项性能之间的关系。为耐 磨材料研究提供新的思路 ( 3 ) 从微观角度研究各合金元素对基体类型与结构的影响，找出合金元素 在材料的不同组成相中的分布规律，及由此而对宏观力学性能及耐磨性能产生的 影响。为耐磨铸铁材料设计提供理论指导。 1 4 研究目标与研究内容 6 硕士学位论文第一章绪论 1 4 1 研究目标 主要研究新型高铬抗磨铸铁的微观组织与性能之间的关系。通过金相组织观 察、微区成分分析、x 衍射分析等微观实验，和硬度测试、韧性测试、耐磨性生 产试验等宏观试验，得出材料的各项微观与宏观的性能指标。并对试验数据进行 分析总结，得出各合金元素对材料微观组织结构的影响，并总结出材料的微观组 织与宏观性能之间对应关系。 1 4 2 研究内容 研究的内容包括： ( 1 ) 在普通高铬耐磨铸铁的基础上。结合以往的经验，适量的加入合金元 素，设计并制备一种用于螺旋分级机衬铁的新型高铬耐磨铸铁。 ( 2 ) 测试新材料的各项宏观力学性能 ( 3 ) 通过金相实验、电镜实验、x 衍射分析实验等对新材料的微观组织与 结构进行观察分析。 ( 4 ) 应用。固体与分子经验电子理论”建立马氏体基体的价电子结构，结 合价电子结构信息，对合金元素所起的作用进行分析。并找出微观信息与宏观性 能的联系。 ( 5 ) 将新型高铬铸铁材料做成耐磨件，在实际生产中进行试用，在生产试 验中测试材料的耐磨性。 7 硕士学位论文 第二章新型铬锰钨抗磨铸铁的合金成分设计 第二章新型铬猛钨抗磨铸铁的合金成分设计 2 1 新型铬锰钨抗磨铸铁的宏观性能要求 由于我们所研制的新型耐磨铸铁，主要是在普通高铬铸铁中加入铬、锰、钨 三种合金元素，因此，将这种材料称为新型铬锰钨抗磨铸铁。新型铬锰钨抗磨铸 铁主要针对于低应力抗磨料磨损的场合设计，以代替普通高铬铸铁及部分代替高 锰钢，用于制造抗冲击疲劳磨损的抗磨件。本文主要以制作螺旋分级机衬铁的要 求来对新型抗磨铸铁进行成分设计。 2 1 1 螺旋分级机工况分析 螺旋分级机主要用来对球磨机粉碎后的物料进行分级，其工作原理是分级机 的主轴带动螺旋旋转，对球磨机中输送出来的物料进行搅拌。由于球磨机中输送 出的物料为泥浆状的，在搅拌的过程中，由于浮力的作用，使得颗粒细小，重量 较轻的矿粉由溢出口溢出，而体积较大，重量较重的大块没有粉碎好的矿石，就 通过螺旋的作用，被重新向上输送回球磨机进行研磨。通过这样一个循环的过程， 对物料实行分级。衬铁用螺栓固定于螺旋上，与物料直接进行接触，既要运送大 块物料，又要起到对矿浆的搅拌作用。此时，衬铁即受到垂直于表面的物料的冲 击力，同时也受到物料的切向的磨削作用。而其所要分级的物料大多质地比较坚 硬，而且形状很不规则，多呈块状且带有很多棱角，因此在与衬铁相互作用的过 程中，即会对衬铁进行不断的冲击，使衬铁产生冲击疲劳同时，物料与衬铁进 行相对运动的过程中，磨料会在衬铁表面留下犁沟。在几种因素综合的作用下， 坚硬的碳化物会不断地从相对较软的基体组织上剥离。造成衬铁的不断磨损。 2 1 2 衬铁失效分析 高铬铸铁具有高硬度，其金相组织为坚硬的马氏体基体及c r 型共晶碳化 物，因此具有较好的耐磨性能。但是，如果成分设计不合理，铸造、熔炼和热处 理工艺不好，就难以获得预期的高耐磨性、力学性能和理想的组织状态，甚至导 致大量的破碎失效，其造成的经济损失比不耐磨更为严重。 生产实践中，螺旋分级机衬铁的常见失效形式有正常的磨料磨损和脆裂两 种。其中脆裂属于不正常的失效形式。 下面对螺旋分级机衬铁的失效形式进行介绍与原因分析： ( 1 ) 磨料磨损失效 8 硕士学位论文第二章新型铬锰钨抗磨铸铁的合金成分设计 此种失效为正常磨科磨损失效衬铁在工作过程中，与矿石这样的大块磨料 相接触，在长期的冲击与碾磨过程中。衬铁逐渐磨损变小，直至尺寸不再满足正 常工作要求。 ( 2 ) 脆裂失效 由于抗磨件在工作过程中所受的冲击是难以预料的，因此，有时候也会出现 脆裂失效。脆裂失效的原因大概有以下几点： a ) 如果铸件内存在连续的网状碳化物，就会分割基体，使材料脆性增加。 在外力的作用和温度等的影响下，使衬铁内部应力增加，并沿碳化物产生裂纹， 从而导致材料脆裂失效 b ) 如果铸件在热处理过程中，产生微裂纹，工作中这些微裂纹就会扩展而 出现破碎失效。 c ) 分级机中进入螺栓等金属物件，卡住衬铁，使衬铁受力过大而产生断裂 失效。 针对衬铁的失效情况及生产实践中总结的经验，提出了新型材料的性能要 求： 1 材料铸态硬度在l t r c 5 8 度以上 2 材料要有一定的冲击韧性 3 材料的残余奥氏体含量要尽量少，控制在2 傩以下。 2 2 新型铬锰钨抗磨铸铁的金相组织设计 2 2 1 碳化物对耐磨性的影响 普通白口铸铁的金相组织一般为莱氏体，硬而脆的碳化物连成网状，而固溶 体则分布于碳化物中间。这种组织结构决定了材料在受到冲击时极易沿碳化物网 断开，因此普通白口铸铁脆性很大 亚共晶白口铁的共晶碳化物的含量一般在2 0 9 6 3 0 9 6 之间。共晶碳化物的存 在被认为是白口铸铁比其它材料具有更好的耐磨性的一个重要原因。碳化物的类 型、硬度、体积百分含量以及其取向和形态等对材料的耐磨性都有影响。蜥巴型 碳化物是高铬铸铁中的主要碳化物，由于其显微硬度高达f i v l 8 0 0 3 0 0 0 ，所以， 具有很高的抗磨性我们设计的材料也主要要获得稳定的m 。型碳化物。 碳化物的形态对耐磨性的影响也很大。由于改善碳化物的形态非常困难，因 此，目前，就碳化物形态及尺寸与耐磨性的关系来说，还没有一个系统的评价与 估计。但是可以肯定的是，从综合提高材料性能来考虑，人们更愿意获得团球状 弥散分布的碳化物，因为这种组织比莱氏体组织或是长条针状碳化物的韧性要好 9 硕士学位论文 第二章新型铬锰钨抗磨铸铁的合金成分设计 得多 因此，为了保证材料既有高的硬度和耐磨性，又有一定的冲击韧度，就要求 材料的金相组织中不出现网状及长条状的碳化物。比较理想的组织结构应该是团 球状或颗粒状的碳化物，弥散的分布于固溶体组织之上。 2 2 2 基体组织对耐磨性的影响 高铬铸铁是由合金碳化物和基体共同组成的多相组织，碳化物对高铬铸铁的 耐磨性有重要影响。不过有关研究者认为基体对耐磨性的影响更为重要和复杂。 f u l c h e r 等的研究就认为基体对耐磨性的影响和碳化物对基体保护程度有关。如 果碳化物能够保护基体免受磨料破坏，那么基体就仅仅起机械支撑作用。但是如 果基体得不到有效的保护，在磨损中就很容易被移除，那么碳化物就会因为得不 到支撑而断裂或剥落。在这种情况下，基体的耐磨性就变得尤为重要。 关于基体对高铬铸铁耐磨性的影响，许多研究人员作了大量的研究工作。研 究表明，因为珠光体组织对碳化物的支撑作用较弱，如果要获得良好的耐磨性， 应避免珠光体基体组织形成。奥氏体基体耐硬质磨料磨损性能好，而马氏体基体 耐软质磨料磨损性能好。虽然这些结论都有试验数据支持，但是仍不能普遍适用。 另外，有些研究者认为奥氏体基体在应力条件下形成应力诱发马氏体可以获得最 好的耐磨性。p o p o v 和v e s i l e r k o 也认为奥氏体和碳化物比马氏体和碳化物间晶格 常数更好的匹配关系有利于耐磨性的提高”。 己经证实在低应力磨料磨损条件下，高铬铸铁由于形成马氏体基体面导致的 硬化可以提高高铬铸铁的耐磨性。】叫等认为磨损中如果基体优先被移除，那么 基体的耐磨性就决定着碳化物暴露和断裂程度。通过热处理获得硬的马氏体基体 可以降低基体的磨损率，从而提高合金耐磨性。此种磨损的机制表现为微观切削 和微观犁削。 另外，在马氏体的转交过程中，总会残留一部分未转化的残余奥氏体。残余 奥氏体硬度低，降低材料的抗磨能力。另一方面，零件受到冲击载荷时，奥氏体 会产生形变马氏体，新相比容增加，在材料次表层产生高应力区，甚至导致材料 表面剥落。因此，不希望材料固溶体中有太多的残余奥氏体存在的。 基于以上的原因考虑，我们设计的新型抗磨白口铸铁的金相组织的固溶体基 体主要为马氏体。碳化物形状要圆整，呈菊花状或团球状。另外还要保证固溶体 基体中残余奥氏体的量要很少。 2 3 新型铬锰钨抗磨铸铁的合金组元及成份设计 l o 硕士学位论文第二章新型铬锰钨抗磨铸铁的合金成分设计 2 3 1 合金组元设计 抗磨白口铸铁铸件的使用寿命是由材质、工况条件、制造工艺等综合决定的 而合理选材是保证抗磨件使用寿命的一个重要因素，必须进行全面地综合考虑。 否则，易造成抗磨件因不能满足工况要求而提前失效，或造成贵重材料的浪费， 增加生产成本因此，研制开发高质量的抗磨白口铸铁是一项具有重要意义的课 题 上节已经根据抗磨白口铸铁衬铁的工况条件、失效形式分析等提出了新型抗 磨自口铸铁的性能要求，而且已经得出所要研制开发的新型抗磨白口铸铁的金相 组织应为：( 马氏体+ 少量残余奥氏体) + 碳化物。 本课题化学成份的设计指导思想为：在满足材质应用的工况条件和材质性能 要求的前提下，立足国内资源，保证材料来源，设计适合我国国情的节钼、节镍 型新型抗磨白口铸铁在保证获得以马氏体为主要基体的白口抗磨铸铁的条件 下，以碳、铬、锾为主导元素，以钨为辅助元素，相互结合，充分发挥合金元素 的作用，使合金元素有机的结合，以较低的成本获得性能好的材质，从而取得良 好的经济效益 需要使用的各合金元素在抗磨自口铸铁中的主要作用如下； ( 1 ) 铬 多年来，国内外的研究工作者对于铬在铸铁中的作用进行了大量的研究试 验。在此基础上开发出适用于各种工况的铬白口铸铁。由于铬能有效地改变白口 铸铁的组织和性能，显著提高材料的抗磨能力。从世界范围来说，铬资源并不匮 乏，价格适中。与其它合金自口铸铁相比，铬系合金白口铸铁的性能价格比颇具 吸引力，因此已经成为目前国内外广泛应用的抗磨料磨损材料。 铬在自口铸铁中有两方面的作用一是促进碳化物形成，改变碳化物结构、 性能和形态；二是固溶于奥氏体，改变奥氏体相变性质。人们利用这两方面作用， 获得各种预期的金属组织，满足抗磨零件的技术要求 白口铸铁的力学性能和抗磨能力在很大程度上取决于碳化物的结构、性能、 形态与分布状况。非合金自口铸铁的碳化物为渗碳体型，大多数以莱氏体共晶形 态存在，呈块状和网状分布与其它合金碳化物相比f e 石的硬度较低、性质较 脆，而且使韧性相对较好的金属基体受到分割，导致材料的韧性降低。对于抗磨 材料来说。韧性是很重要的。大多数抗磨零件都要受到程度不同的磨料冲击，抗 冲击能力和抗磨损能力的合理匹配，是优良抗磨材料的特定要求。因此，非合金 自口铸铁在应用方面受到一定限制。 铬与铁都属于过渡族元素，两者以置换的方式无限固溶。铁碳化合物中的铁 原子可由铬原子取代，形成铁碳铬三元化合物。含铬渗碳体的硬度随铬浓度的增 硕士学位论文第二章新型铬锰钨抗磨铸铁的合金成分设计 加而上升。 c r 在白口铸铁中的主要作用是形成碳化物、提高耐蚀性以及稳定高温下的 组织。提高铬和碳的含量将增加碳化物数量，从而提高耐磨性，但同时降低韧性。 碳化物的数量由下式田计算： 碳化物的质量分数邗c o ) 1 2 3 3 + w ( c r ) 0 5 5 _ 1 5 2 ( 2 _ 1 ) 计算时，如w ( c ) - - 3 册，则代入3 0 ，c r 也类同。从公式看出，铬增加碳 化物的作用没有碳大，因此，通常用提高碳量的办法去增加碳化物数量。在c r m o 系白口铸铁中碳化物所占的体积分数约为2 0 9 6 4 0 9 6 。铬一部分用去形成碳 化物，另一部分溶入基体，提高铸铁淬透性。溶于基体的铬量为嘲： 基体内铬的质量分数= 1 9 5 x ( c r c ) _ 2 4 7 随铬量提高，合金白口铸铁的组织与性能要发生重要变化，碳化物类型由 ( f e ，c r ) 正转变成( f e ，c r ) 7 c 3 ；碳化物的硬度显著提高，同时，韧性也得 到改善。所以，高铬白口铸铁除具有较高的耐磨性外，还具有优于低合金白口铸 铁的韧性和强度。图2 一l 示出铬与白口铸铁力学性能的关系田，随c r 量增加， 强度、挠度均发生明显变化。c r 的质量分数低于7 时，组织中存在连续地c 型 碳化物，使强度、挠度均降低。c r 的质量分数从9 9 6 开始，由于形成不连续的m 岛 型碳化物，强度、挠度得到提高；当c r 的质量分数增加到1 2 1 9 9 6 时，性能达 到最高值。如果c r 的质量分数高于2 5 ，断口变成粗针状，生成过共晶碳化物， 性能下降。此外，高的铬量使铸铁的抗蚀性能和高温抗氧化性能增加。多数高铬 铸铁c r 的质量分数在1 1 2 3 之问，铬碳比为4 8 。 彭辟红j j 嚣。红| j 批。t ，、川“zj “。川7 ：。如0 ，孵黪j 玲 图2 - - 1 铬对白口铸铁强度，挠度的影响 3 0 叫删蹴僦搬撇黼瑚 瑟幕爸窖 一 一 r 。一 够勰蛐秘 萋雠臻 硕士学位论文 第二章新型铬锰钨抗磨铸铁的合金成分设计 促使碳化物结构转变的临界铬浓度与合金含碳量有关。含碳量降低，与碳形 成化合物的铬量相应减少，因此临界铬浓度也相应降低。 铬对自1 ：3 铸铁中初生奥氏体和共晶奥氏体的转变性质也有影响。铬降低碳在 奥氏体中的溶解度，奥氏体冷却转变的临界冷速相应降低，因而有助于提高材料 的淬透性，使基体组织的抗磨能力得到提高【1 圳 k ； 、。 、 、k 、 图2 - 2 高铬白口铸铁含碳量与冲击韧度的关系 ( 2 ) 碳 增加白口铸铁的含碳量，硬度、耐磨性随之上升。但碳减少横向断裂韧度， 增加脆性。碳量越高，冲击韧度越低，线性关系如图2 2 所示嘲碳量增多，脆 硬的共晶碳化物数量增多，此外，还降低淬透性。 提高含碳量可以增加显微组织中的碳化物体积，从而提高高铬白口铸铁的耐 磨性。但是超过共晶碳量时，贝q 会形成粗大的过共晶碳化物，导致韧性显著降低 同时，由于过多的铬与碳形成碳化物，降低了固溶体中的含铬量，也会引起高铬 白口铸铁的淬透性降低。高铬白口铸铁含1 5 铬时，共晶碳量的最大允许量为 3 6 ，含2 0 铬时为3 2 9 i 。含2 5 铬时为3 嘿加入其他合金元素，共晶碳量也 随着改变。铬除形成碳化物外，还有一部分溶于固溶体中，可以提高淬透性。在 含碳量为一定时增加含铬量，或在含铬量为一定时降低含碳量，淬透性都可得到 改善1 忉 ( 3 ) 锰 在高铬铸铁中锰既是常存元素也是有用的合金元素。 锰对高铬铸铁凝固过程的主要影响是改变初生奥氏体的析出温度和合金凝 固温度范围。1 5 c r - 3 0 * c 高铬铸铁的初生相析出温度及共晶析出温度，随含锰量 提高而下降的情况示于图2 3 。合金凝固温度范围的变化如表2 _ _ 2 所示跚 v爨；霹鹾溪露 名 静扩争彰 嚣i筝?r舒誓寸豫。 v 盏 ：、_ 淼 l2 毫 器 辫曩妊 用2 3 高铬铸铁初生相及共晶析出温度随锰量提高而下降 ：墨兰二! 全! ! 塑里墼垄曼堕丝兰竺壅丝 一鱼堡量! 苎! 盒垒塑圄塑塞塾垦! 竺1 0 5 0 1 5 2 2 3 4 5 0 1 4 9 曼：塑 ! 由于锰对凝固过程的这些影响，使含锰量较高的高铬铸铁初生奥氏体枝晶细 化，数量增加相应地减小了共晶组织的尺寸。 锰在一定程度上影响碳化物形态含锰较高的合金组织中，可以看到许多层 片状的碳化物，经x 衍射分析，这些碳化物是溶有少量锰的( f e ，c r ) 7 c 3 碳化 物。 含锰量不同的1 5 c r - - - 3 c 高铬铸铁中，几种碳化物和y f e 的点阵常数及 2 2 1 7 4 3 6 0 8 1 4 0 9 2 4 5 1 6 1 0 6 4 61 4 7 6 5 4 5 8 1 4 5 2 3 03 6 1 0 1 4 0 8 74 5 1 2 1 0 6 4 81 3 9 5 6 4 4 3 3 1 4 硕士学位论文 第二章新型铬锰钨抗磨铸铁的合金成分设计 c r 2 3 c b 等相的点阵常数，而对7 c 3 ( 六方点阵) 的点阵常数有所影响。比较明显 的变化是v ，v 。随含锰量的增加而增加 电子探针对7 1 0 9 r 、3 0 0 c 、3 3 2 中铬铸铁试样中的l i l l 元素浓度分布 线扫描探查的结果及1 5 c r 高铬铸铁的背射电子像果显示，锰在高铬铸铁中基本 上是均匀分布的。碳化物中未见到明显的锰元素富集，这是因为铬比锰更易于形 成稳定的碳化物，只能有少量的锰固溶于碳化物枷 锰对高铬铸铁中铬碳化物的数量、结构没有显著影响碳化物中圃溶少量锰 后，硬度稍有增加 锰扩大y 相区，降低共析区桩界转变速率，降低m s 点温度。当锰含量超过 某一临界值时，可使奥氏体直接过冷到室温以下因而锰是奥氏体稳定元素。 锰还提高高铬铸铁的回火抗力。随含锰量的增加，最高回火硬度有降低的趋 势，而且达到最高回火硬度所需要的时间增加。提高锰量似乎不能明显的改变回 火析出碳化物的活化能。但是存在于奥氏体中的锰有推迟铬原子扩散的倾向。这 说明了锰量越高达到最高回火硬度所需的时间越长的原因n 圳 ( 4 ) 钨 图2 - - 4 是f e h r 三元合金液相面投影图阳由图可见，含碳量在实用范 围( 2 3 ) 内，随着含钨量的变化，可能出现的初生和共晶碳化物有三种类型， 即m