（材料加工工程专业论文）磨损试验机的研制及载荷对高铬铸铁磨损研究.pdf

郑州人学硕士学位呛文摘要 摘要 随着工业自动化程度的提高，对机械零件工作的连续性、安全性要求电提高， 而实践证明，导致机械运转失效的主要原因是由 i 活动构件或者联结件在摩擦力 的作用下产生的磨损，磨损导致机械的运转失效，更川靖e 引发安全隐患，这其。p 縻料磨损占整个磨损总量的5 0 ，故越来越多的研究者对抗磨料麽损的材料进行 了一系列的研究。 本文着重论述了俩部分内容：1 ) 研制了一科嘶掣的低应力糜料磨损试验机， 主要是对松散磨料磨损提出的，并针对试验机做了磨损试验，耿得_ ：r 满意的效果： 2 ) 对双金属复合磨辊的外层金属高铬铸铁进行了磨料磨损研究，高铬铸铁成分 为( w t ) 2 2 2 6 c ，1 3 1 5 c r ，0 5 1 o m n ，o 4 o 8s i ，o 8 1 o m o ， 0 0 5 p 、s ，采用线切割机切割成毋5 x 1 6 ( m m ) 的圆柱试样，在不同载荷下对 高铬铸铁的抗磨料磨损性能进行了研究，得出了高铬铸铁的理想应用的载荷条 件，为双金属复合磨辊的实际应用作指导性作用。 一种新型的低应力磨料磨损试验机的设计是根据低应力磨料磨损原理设计 的，低应力磨料磨损是指磨粒的压溃强度超过与工件接触产生的应力，在磨损的 过程中磨粒没有压碎，磨料在工件的表面滑动或滚动，由于应力较低，划痕较浅。 现有的低应力磨料磨损试验机一般是磨料处于固定或半剧定的状态，要不就是对 磨料的粒度有很高的要求，本试验机的磨料完全处于松散状态，而且还可以根据 实际的工作环境选择需要的磨料和磨料粒度进行模拟，从而更真实的模拟工况条 件下的材料磨损情况。此试验机虽然结构简单实用性较强，但仍有不足之处，在 磨损试验过程中表现出夹具磨损比较厉害，期待有更好的夹紧转动方式，另外需 要加入一些更智能的机构，使其中的一些参数可调节，例如增加一个调速器调节 转盘的转速或者能够灵活的改变磨损面与转动方向的夹角等。 对双金属复合磨辊的外层金属高铬铸铁进行不同载荷抗磨料磨损性能研究， 电有研究者做过类似的试验，但给出的是少数载荷点，不能说明整个磨损情况。 本试验着重提出一系列的载荷对高铬铸铁的磨损情况，得出以下结论：1 ) 商铬 铸铁在载荷增加到4 5 n 左右时，材料的耐磨性急剧降低，碳化物开始脱落，随 着载荷的进一步增大，碳化物的脱落加剧。这是因为载荷的增加作用在碳化物单 儿 郑州大学硕十学位论文摘曼 位【斫积的力增加i ，基体不能很好的支持碳化物，使碳化物从基体脱落，由于碳化 物的脱落导致硬度相对较低基体直接与磨粒接触加剧材料的磨损：2 ) 在载荷增 大到一定值删，“尺、j 较小”的碳化物首先被剥离基体，这样进一步加剧了材料 的磨损。这就要求高铬铸铁中的碳化物不仅要分布均匀，碳化物的尺寸也要合适： 3 ) 存载荷作用的条件卜，高铬铸铁中要有一定量的残留奥氏体，虽然残余奥氏 体会降低材料的硬度，但是具有一定的残留奥氏体可以更好的支撑碳化物，使其 不易剥离，从而更好的保护基体，降低材料的磨损。 关键词：磨料磨损，高铬铸铁，低应力，磨损试验机 l i l 州州火学硕0 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea u i o m a t i z a t i o no fd e 伊e eh a v ei m p m v e di nt h ei n d u s t mt 1 1 ede j n a l l do f t h em e c h a i l i s mc o n t i n u i t ya n ds e c 嘶t ya l s oh a v ei n c r e a s e d ，t h er e a s o nt h a tc a u s et h e o p c r a t i o no fm e c h a n i s mt oi n v a l i d a t i o ni st h ew e a rb yt h em c t i o l l ，w h i c ha b r a d et h e m o v e m e n tc o m p o n e n ta n dj o i n tc o m p o n e n t t h ew e a rn o to n l yc a s ei h eo p e r a t l o n st o f a i l u r e ，b u ta l s ob r i n go ns a f eh i d d e n 订o u b l e ，t h eq u a l l t i t yo fg r j n d i n ga b r a s i o nj sm e h a l f o f m et o t a lo f t h ew e a r ，s om o r ea 1 1 dm o r et h er e s e a r c h e r si sg oo nas 甜e so f t h c i n v e s t i g a t i o n so nm ew e a r d b l em a t e r i a l s 1 1 l ep 印e re n l p h d z eo nd i s c u s s 加gm op a n sc o n t e i l t ： 1 ) l no r d e rt oa p p l yo n t h er e l a x 蓼出n ，w eh a v ed e v e l o p e dan c wl o ws 仃e s s 班n d i n g 曲r a s i v et e s t e r 锄d e x p e r i m e n to ni t ，w eh a v ea n a i n e ds a t i s 剐n gp u r p o s e ；2 ) w ee x p e d m e n to nt h eh i 曲 c h r o m i u mc a s ti m no ft h eb i n a r y _ m c t a lc o m p o s i t eg r i n d i n gm l l ，t h ee l e m e n to ft h e h i 曲c h r o m i u m w h i t ec a s t i m n ( w t ) i s2 2 2 6 c ，1 3 1 5 c r ，o 5 1 o m n ，o 4 o ，8s i ，o 8 1 om o ，o 0 5 p 、s ，“w a si n c i s e dt 0 0 5 1 6 ( m m ) c 0 1 u m n a rs a m p l e ， t h eh i g hc h r o m i u mw h i t ec a s ti r o nu n d e rd i 行h e n tl o a d sw a sc 枷e do n 鲥n d 主n g a b r a s i o nt e s to nt h et e s t i n gm a c h i n e ，a 1 1 dw eh a v ea t t a i n e dt h ei d e a la p p l i c dl o a do f t h eh i 曲c h r o m i 啪w h i t ec a s ti r o n ，w h i c hh a v et h eg l 】i d a i l c eo ft h ea p p l i c a t i o no fm e h i g hc h m m i u mw h i t ec a s ti m nm f a c t t h ed e s i g no ft h en e wl o ws t r e s s 鲥n d i n ga b r a s i v et e s t e ri sb a s eo nt h ep r i n c i p l e o ff h el o w 鲥n d i n ga b r a s i o n ，t h el o ws t r e s s 鲥n d j n ga b r a s i v ei st h es t r e s sc a u s eb yt h e c o m p o n e n t s 1 d e rt h eb u r s ti n t e | l s i t yo ft t l e 掣a i n ，d u n n gt h ew e 撕n 吕t h e 斟a i nc a l l t b u r s t ，t h eg r a i nw a s 彦1 i d e do rr o l l e do nt h es l 】r f a c eo ft h ew o r k p i e c e s ，b e c a u s eo ft h e 1 0 ws t r e s s ，t h en i c kw a sn e e t t ot h i sd a y ，t h em o s t j y 掣a i ni si n 瑚o b i l i t yo r h a l f i m m o b i l i t yo nt h el o ws t r e s s 鲥n d i n ga b r a s i v et e s t e r ，a n dt h ed e n l a n do ft h c 舒a n u l a “t yo f t h e 掣a i ni sv e r yh i g h ，t h en e w1 0 ws t r e s s 酣n d i n ga b r a s i v et e s t e rk e e p t h e 野a i no nr e l a xs t a t e ，i no r d e rt oa t t a i nt i l et r u e 鲥n d i n ga b r a s i o nd a t a ，w ec a l lv a r y t h eg r a i na n dt h e 矿a n u l a r i t yc a r r yo ns i m u l a t i o nw i t ht h ew o r kc o n d i t i o n t h e m a c h i n ej ss i m p l ea n da l s oa v a 订a b j i i t y ，b u ts t i l lh a v es o m ed e 五c i e n c y ，w ef o u n dt b a t v 刘f 卅f 大学碗l 学位论文 t h et o n g si sw e a 。q u i c k l yd u r i n gt h et e s t i n g ，a n de x p e c tt od e s l g nb e t t e rt h et o n g s ，i n a d d i t i o n ，w eh o p ec a nu s em o r ei n t e l l e c t i v ec o m p o n e n t st oa d j u s ts o m ep a r a m e t e r s ， f o re x a m p j e ，t h er o t a t es p e e do ft h et u n l p l a t ea n d 山ea n g l eb e t w e e nt h em n n i n g d i r c c t i o no f t l l en l m p l a t ea n dt 1 1 ew e 撕n gh c e a n ds oo n + t h eh i g hc h m m i u mw h i t ec a s ti r o n ) ft h eb i n a r y m e t a lc o m p o s i t eg n l l d i n gr 0 1 1 u n d e rd i f k r e n tl o a d sw a sc a r r i e do ng r i n d i n ga b r a s i o nt e s to nl h et e s t i n gm a c h i n e ， s o m e佗s e a t c h e r sm a k eas i m i l a re x d e d m e n ta tf 嘶n e s s1 0 a d s ， w h c hc a n t d e l n o n s t r a t ee n t i r e l yt h ew e l r i n gs t a t e t h i se x p e r i m e n te m p h a s j z et h ew c a r i n gs t a t e o ft h eh i g h 幽m i u mw h i t ec a s ti r o nl m d e ras 喇a l so fl o a d s ，w em a k eac ( ) n c l u s i o n ： 1 ) t h ew e a r a b l ea b i l i t yo ft h es 帅p l ew a sd e 笋a d eq u i c k l y 锄dl h ec a r b j d e ss 俯p p e d 行o mt h eb o d yw h e nt h e1 0 a dw a su p 野a d e da b o u t4 5 n ，w i t ht l l e1 0 a dw a sc o n t i n u o u s u p 铲a d e ，t h ec a r b i d es t r i p p e dq u i c k l y ，a n dt h es t r e s so fp e ru n i ta r e ao nt h ec a r b i d e a l s ou p 铲a d e ，t h eb o d yc a l l ts u p p o f tt h ec a l 七i d eb e t t e r ，s om ec 甜b i d es t r i p p e dq u i c k ly ： b e c a u s eo ft l l ec a r b i d es 埘p p e d ，t h eb o d yo f1 0 w c rh a r d n e s sw a sd i r e c tc o n t a c tw i t h t h e 孕a i na n dw a sw e a r i n gf a s t e r 2 ) t h es m a l ls i z ec a r b i d e ss 砸p p e df o mm eb o d ya t f i r s tw h e nt h es t r e s sw a su p 笋a d e das p e c i 6 cv a l u e ，a n dt h eb 远s i z ec a r b i d es m p p e d ， i ti sd e m a n d e dm a tm ec a r b i d ew a sd i s 埘b u t e dw d l p r o p o n i o n a l l ya n dt h es i z e s u i t a b l e 3 ) t h eh j g hc h r o m i u mw h i t ec a s ti m nm u s tc o n t a i nac e r t a i nq u 柚t i t yo f r e m a i n sa u s t e n i t i c ，b e c a u s et h er e m a i n sa u s t e n i t i cc a i ls u p p o l lt h ec a r b i d eb e t t e r w h i c hc a i lp r o t e c t 也eb o d yt or e d u c em ea b r a s i o no f m a 把r i “s k e yw o r d s ：a b r a s i o n ，h i 曲c h r o m i u mw l l i t ec a s ti m n ，1 0 ws t r e s s ，a b r a s i o nt e s t e r m a c h i n e v 邶州大学顿士学位论文 郑重声| ! f j 郑重声明 本人的学位沦文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否! j ! | j ，本人愿意承担由此产，e 的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 作者( 签名) ：乏垒夸名卜 2 0 0 6 年5 月2 0 门 郑州大学顿士学位论文 引言 工业牛产中磨损失效是常见的问题，特别是一些矿产及相关企、l p ，在矿石的 破碎加工及筛选过程中对机械部件造成的磨料磨损极为严重，这往往是机器生产 效率降低和失效的主要原网，矿石的筛选一般采用振动筛进行筛选，筛板是易磨 损件，因此合理的选用在低应力磨料磨损条件卜工作筛板的材料极为重要，而现 有的模拟磨损试验机不能很好的模拟这种条件f 的工况，故此提出 发种新型 的磨损试验机来模拟这种工况。 高铬铸铁是工业常用的抗磨料磨损的材料，但由于冲击韧性、塑性较差，在 单位面积载荷较大的场合很难发挥良好的耐磨性，有些研究者对此进行了一些探 讨，但只对几个载荷点进行了试验不能很好的说明整个载荷对高铬铸铁的磨损情 况，所以提出对一系列的载荷点对高铬铸铁的磨料磨损的研究工作，希望籍此可 以对高铬铸铁的实际应用有积极的指导意义。 实验室常用的有轨道式磨损试验机、销盘磨损试验机、湿砂轮磨损试验机、 动载磨损试验机和喷砂式磨料磨损试验机等。轨道磨损试验机是进行高应力磨料 磨损试验的常用设备，试样在一定的正压力下沿着轨道运动，磨料不断的定量的 喂入轨道和试样之间。销盘磨损试验机也是一种测定高应力磨损试验的常用设 备，以砂纸作为固定磨料。湿砂轮磨损试验机主要是评价材料的低应力划伤磨损， 在试验的过程中磨料处于半固定的状态。动载磨损试验机主要是模拟有一定的动 载运动的磨损，试样与磨粒之间有一定的冲击作用。喷砂式磨料磨损试验机是通 过一定的高压气流带动磨料对试样进行磨损，对磨料的粒度有较高的要求。 在载荷对高铬铸铁的抗磨性研究方面，西安公路学院机械系的彭晓春、西北 工业大学材料科学与工程系的贺林等研究者、氏安大学工程机械学院的郝建民、 张荣军等都做了积极的研究。在国外，r d a s g u p t a ，r a s h m i1 1 1 a j ( u r ，m s y a d a v 等对高应力磨料磨损的影响因素如载荷、行程和磨料尺寸做了详尽的研究， o n d o g a n ，j a h a w k 在e f f e c to f c a r b i d eo e n t a t i o no na b r a s i o no f h i 幽c r w h i t ec a s t i m n 一文中研究了高铬铸铁中的碳化物的方向对磨料磨损的影n i 目，m i z c i l e r ，hc e l i k 分析了硼合金化高铬铸铁的磨料磨损情况。 郑州大学硕上学位论文 本课题研究的主要内容包括：1 ) 研制一种新型的低应力磨料磨损试验机；2 ) 对研制的磨损试验机做检验磨损试验；3 ) 采削抗磨高铬铸铁成分( w t ) 2 _ 2 2 6 c ，1 3 1 5 c r ，o 5 1 o m n ，o 4 o 8s i ，o 8 1 o m o ，o 0 5 p 、s ，在 不同载荷下对高铬铸铁的抗磨料磨损性能进行研究。 本课题的创新点在于：1 ) 设计了一种新型低应力磨料磨损试验机，解决了 松散磨料现有试验机难以模拟的实际问题；2 ) 研究了高铬铸铁在系列的载荷 作用下的麽料磨损情况，对实际应用高铬铸铁有积极的指导性。 郧州_ 人学硕二 学位论文第幸 绪沦 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 随着现代工业和科学技术的不断发展，人们对机械设备可靠性的要求出越来 越高，因而设备的摩擦、磨损、润滑状况也引起了越来越多的重视。实践证明， 导致机器失效的丰要原因，不是机器零件的破坏，而是活动构件或者联结件在摩 擦力的作用下产生的磨损，工程人员在机械设计时，必然会对重要的零件进行 强度计算，然而，几乎很少对任何活动构件或者联结件进行必要的摩擦学设计。 据估计，全世界大约有l 2 1 3 的能源以各种形式消耗在摩擦上，而摩 擦导致的磨损是机械设各失效的最主要原因，大约有8o 的损坏零件是由于 各种形式的磨损引起的，这其中磨料磨损占整个磨损量的5 0 f 1 ，”，对磨料磨损 的研究是对国民经济的发展有积极的意义。 本课题对耐磨试验机的研究主要针对现有试验机不能够很好模拟低应力松 散磨料的磨料磨损而提出的，试验综合考虑磨料磨损机理和实际工作环境，试验 机对研究低应力磨料磨损和低应力状态耐磨材料的选用有十分重要的意义。 高铬铸铁作为一种广泛使用的耐磨材料，它的正确使用无疑有利于实际的生 产生活，关于高铬铸铁的抗磨粒磨损性能，国内外学者做了大量试验，内容主要 涉及高铬铸铁的组织与性能、热处理工艺等，并且结合工况对材料的耐磨性与磨 损机理进行了研究，但对不同实际载荷条件下高铬铸铁抗磨料磨损性能的研究不 足很全面，本试验主要针对双金属复合磨辊的磨料磨损，外层采用高铬铸铁，经 加载不同的载荷进行磨料磨损研究，对实际工业应用高铬铸铁有很好的实际指导 意义。 1 2 耐磨合金钢【3 ，4 】 耐磨合金钢往往用于载荷不能使高锰钢的产生足够的加工硬化的工况的条 件下，比如在冲击负荷不大的凿削磨损和高应力的研压磨损等工况( 如球磨机衬 板、磨球和破碎机锤头) ，耐磨合金钢的硬度主要取决于钢的成分与热处理工艺， 郑州大学硕士学位论文第一章 耐磨合会钢的硬度高于高锰钢的硬度因此有较好的耐磨性，另外，耐磨合金钢具 有很好的韧性和抗脆断能力而且通过不同的热处理可以得到不刷的性能，通过加 入合金元素可以提高低合金钢的淬透性，合会钢也有很好的机械加i 性能。 表1 1 耐磨合金钢的类别和性能 t a b j e l ls o r t sa n dc a p 曲i l i t l e so f a l l o ys t e e l 含碳量 硬度冲击韧性 类别 热处理 用途 ( ) ( h b )( j 2 ) 低碳 0 1 8 0 3 0 淬火+ 回火 3 0 0 5 0 0 4 0 1 0 0 履带板、铲齿 履带板、摆锤、衬 中碳0 3 0 o 4 5 淬火+ 回火3 0 0 5 5 02 0 6 0 板 正火+ 回火 泵件、颚板、破碎 高碳o 5 0 1 o 3 5 0 6 0 01 0 6 0 淬火+ 回火 辊 表1 - 2 低合金钢的大致化学成分 1 _ a b 】e 1 - 2c h 啪i c a lc o m p o s i 石咖so f i o wa l l o ys t e e l 化学成分( ) 淬火方式 c s im n c rm o n i 空淬o 4 o 60 _ 9 1 2 1 4 1 7o 6 5 16o 5 o6 5o 6 o 9 水淬o3 o3 5 0 3 1 50 8o 5 0 2o 4 o 6 0 9 油淬o 3 5 o 6 00 7 o 6 o 6 2 00 ，5 o 6 0 9 1 3 高铬合金白口铸铁5 l 高铬合金白口铸铁是当代最优秀的耐磨材料之一，含碳量在1 2 3 0 之 间，具有良好的抗磨料磨损能力。一般把自口铸铁的发展分为三个阶段：第一 阶段普通白 _ _ i 铸铁的发展和应用；第二阶段是镍硬铸铁的发展和应用：第三个 阶段是高铬铸铁的发展和应用。目前高铬铸铁已得到国内外的，“泛的认可。主 要用于低应力的擦伤磨损、高应力研压磨损和某些冲击负荷较小的冲击磨料磨 损，高铬白口铸铁主要有以下的优点： 1 ) 优良的耐磨性。高铬自口铸铁的使用状态的显微组织一般是马氏体的基体、 少量残余奥氏体和m 7 c 3 型的碳化物。m 7 c 3 型的碳化物的硬度为h v l 2 0 0 4 郑州大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 8 0 0 ，碳化物分布在基体上，因而提高了材料的耐磨性。 2 ) 较好的韧性。由于高铬铸铁的c r 含量较高，形成了m 7 c 3 型的碳化物，而 m ，c ，型的碳化物孤立的块状分布，因而比碳化物以网状连续分靠的般自口 铸铁和镍硬铸铁的韧性要好，但比高锰钢和低合金钢的韧性低得多。 3 ) 淬透性高。高铬自口铸铁由于含c r 量较高，淬透性较好，如果再加入m o 、 c u 、n i 等合金元素进步提高淬透性。 4 ) 抗叫火稳定性。高铬自口铸铁淬火后在4 5 0 5 0 0 以下温度网火，硬度基本 上保持不变，具有较高的回火稳定性，适用于耐高温磨损的零件。 5 ) 高的抗高温氧化性能。 6 ) 高的抗腐蚀磨损性能。高铬铸铁中的一部分溶于基体提高电化学位并增强 钝化倾向，加入合金后耐腐蚀性能进一步提高。 7 ) 基体组织和性能可根据需要改变。可根据需要改变其中的化学成分，热处理 工艺来改变其组织和性能。 高铬白口铸铁的主要缺点： 1 ) 台金元素的含量较高，成本较高。 2 ) 虽然韧性较普通的白口铸铁和镍硬铸铁高，但还是较低，不能用于冲击载荷 较大的工矿条件下工作。 表卜3 常用高铬白口铸铁的化学成分 t a b l e l - 3c h e i t l i c a lc o m p o s i t i o n so f h i g hc h r o m i u mw l l i t ec a s tj r o n 1 5 3 成分( )1 5 2 12 02 1 超高碳高碳中碳低碳 c 3 6 433 2 3 62 8 3 22 4 2 82 8 352 6 2 9 c r 1 4 1 61 4 1 61 4 1 61 4 1 61 4 1 61 8 2 l m o o 5 302 5 3 02 5 3o2 4 2 8】9 2 21 4 2o c u o 5 l205 1 2 m no 7 loo7 1 00 5 o 8o 5 0 80 6 0 9o 6 0 9 s i03 o 8o 3 0 8o 5 o 80 5 o 8o 6 o 90 6 0 9 s o 0 5 o 0 5 o0 5 o 0 5 o 0 5 o 0 5 p 0 1 0 o 1 0 o 1 0 o 1 0 o 0 6 一一 滑动速度v 圈l 一6 滑动速度与磨损量的关系 f i g 1 6 r e l a 矗o no f t l l es l i p s p e e da n d w e a r i n gq u a 嘶t y 载荷p 图卜7 载荷与磨损量的关系 f 唔1 7r e l a t j o no f t h el o a da n dw e a r i n gq u a | 1 i i i y 1 5 囊篱誊蠹囊囊j 慧童豢麓磐j 嚣豢浚粪藜隧 郑州大学硕士学位论文第一章 绪沦 1 6 磨料磨损试验机 为了合理的选用金属耐磨材料，在现场条件f 进行实物试验，能够得到非常 有用的数据，但是实物现场数据既费时间，也不经济；在某些情况下，为了牛产 安全和生产连续性，更不适宜这样做，所以在实验室进行磨损试验是十分必要的， 关键在于尽可能的选用与实际使用的条件相近的磨损试验条件。 1 6 1 磨料磨损试验机的发展与分类 近几十年来，磨料磨损试验机和试验方法虽然有了较大发展，到目前己有j l 十种不同类型的磨料磨损试验机，但这些试验机大多还是由企业和研究工作者根 据工业的需要和实际工况自行设计和制造的，只有少数试验机是由专门的试验机 厂或仪器制造公司制造和供应的。这说明了磨料磨损问题的复杂性和进行实验室 磨损试验研究的困难所在。金属材料通过磨损试验机的试验能够得到定量的磨损 数据。这些磨损数据可以体积磨损、磨损比、磨损率、耐磨性和相对耐磨性等形 式表示。由于没有标准化，目前各国磨料磨损试验机型式很多。根据磨损试验过 程中磨料的状态可分为四种类型：磨料自由落入并夹在试样和另一物体之问。 可以是试样固定而另一物体运动，也可以是试样运动而另一物体固定。 1 磨料固定，试样在磨料上滑动。 2 磨料和试样放在一个圆筒内，圆筒转动时，试样与磨料自由接触；或者 把磨料放在一个容器内，试样装在夹具中，由夹具带动试样，从而在磨 料中运动造成磨损。 3 以气流或液体流带动磨料冲击试样。 前三种实际上可归纳为固定磨料磨损试验机和自由磨料磨损试验机俩大类。 第四科呗0 是冲蚀磨损试验机，发展很快，型式也是多样化。 固定磨料磨损试验机大多数是销盘式和销带式。根据试验条件需要，可选用 不同的磨料和不同磨料粒度的砂纸或砂布。这类试验机一般属于高应力磨料磨损 试验机。 在实验室进行磨料磨损试验，无论是为了选择金属材料，还是为了研究磨损 机制，都应注意下列几项： 6 郑州人学坝上学位论文第一章 绪论 1 壤料是固定的还是自由运动的。 2 磨料的硬度、几何形状和颗粒大小。 3 麽料和试样的相对运动的形式利速度。 4 接触应力或外加负荷的大小。 5 环境条件( 如温度等) 及于磨或湿麽。 1 7 高铬白口铸铁 高铬白口铸铁含铬量大于1 1 ，铬、碳比值超过3 5 ，在这种条件下高硬度 m 7 c 3 型碳化物全部代替了m 3 c 型碳化物。m 7 c 3 型碳化物基本上是以孤立的条状 存在，与呈网状连续分布的m 3 c 型碳化物相比，大大增强了基体的连续性，因而 整体材料的韧性显著提高。 高铬自口铸铁含有大量的铬及其它台金元素，制造成本高于其它合金铸铁， 但当它的组织和性能调整到适合于其特定工况时，它的性价比远高于其它抗磨材 料，经济效益十分显著1 ”。 1 7 1 高铬白口铸铁组织及其形成 本章研究的高铬耐磨铸铁的主要成分( w t ) 控制在j 3 1 5 c r ，2 2 2 6 c 范围， 在此基础上做适当的调整，基本上是亚共晶区，在凝固过程中，该合金液先结晶 出奥氏体枝晶，继续冷却时由剩余的枝晶问的液体同时析出奥氏体和碳化物所组 成的共晶体。 高铬白口铸铁的优良抗磨能力和冲击韧性主要取决于其特有的组织。这种铸 铁的组织由残余奥氏体，马氏体和碳化物所组成b 】。其中碳化物主要为m 7 c 3 型，硬度很高，多数以条状形态存在，和m 3 c 型碳化物相比，减少了埘基体的分 割，使基体保持了较好的强度，又由于基体中富含铬元素，有较好的淬透性，经 过适宜的热处理，可获得抗磨能力优良的金属组织。 1 7 2 高铬铸铁中的碳化物 工业应用的高铬铸铁含碳量一般为2 一4 ，含铬量为1 1 一2 5 。凝固组织中 郑州大学礤l 学位论文第一啦 绪论 可能出现的初生碳化物和共晶碳化物有m 7 c 3 、m c 、m 2 3 c 6 和m 3 c 。这些碳化物 都是硬质相，对台金的抗磨能力起积极的作用”j 。 高铬铸铁中的碳化物的数量、性质、尺寸、分布状态以及基体组织的性质都 对其抗磨能力广：生明显影响。碳化物的类型与成分有关，更确切地浣，与合金中 铬、碳含量的比值有关。当合金中含铬量大于1 1 ，铬、碳比值大于3 5 时，缉织 中出现m 7 ( = _ ：3 型碳化物。随着铬、碳比值的提高，m 。c 3 型碳化物将被m ：3 c 6 型碳化 物所取代。合余成分越接近共品反应投影线，初生相份量越少，共晶体在凝j 到组 织中占有的比例越高。高铬耐磨铸铁中的碳化物( 见图1 8 ) 呈点状或块状，对基 体的分割较小。 图l 一8 高铬耐磨铸铁中的碳化物的形貌 f i g 1 _ 8 c a r b i d em o r p h o l o g yo f h i 曲c h r o m i u mc a s ii r o n 高铬铸铁中的m 7 c 3 一般写为( f e ，c r ) 。c 3 。这种碳化物是铬原子溶入铁碳系 的碳化物f e 7 c 3 中形成的。f e 7 c 3 晶体是一个六方点阵结构，每个碳原子与相邻 的六个铁原子紧密接触( 见图1 9 ) 。c r 7 c 3 晶体属于斜方晶系( 见图l l o ) ，c r 。c ， 中的铬原子与f e 7 c 3 中的铁原子排列方式很接近，铁原子与铬原子的j t 寸也很接 近，为铬原子大量取代铁原子而形成( f e ，c r ) 7 c 3 提供了条件，另外，铬元素可以 降低碳在铁中的化学位，使( f e ，c r ) 7 c 3 成为稳定的化合物。高铬铸铁中m 。c ，型 碳化物的含铬量根据合金含铬量和铬与碳比值不同而有变化，划大量试样的测定 表明，最低铬含量为2 5 4 ( 重量百分数) ，几乎探查不到铬、碳原子比为7 ：3 的纯 碳化铬晶体，在含铬比较低的铬铸铁中，经常出现渗碳体型碳化物，这种碳化物 中的部分铁原子被铬原子所取代。m 2 3 c 6 型碳化物是以铬为主的间隙碳化物，具 郑州人学碾l 学位论：殳 第一章 绪论 有而心立方点阵，( f e ，c r b c 6 含碳量极限值为5 5 ，最高含铬量为5 9 ：而c r 2 3 c 6 的含铬量为9 4 - 3 ，这说明( f e ，c r b c 6 中的含铁量是很高的。 ( f e ，c r ) 7 c 的硬度为h v l 2 0 0 一1 8 0 0 ，( f e ，c r ) 2 3 c 6 的硬度为h v l o o o l l o o ，均 较渗碳体硬度( h v 8 4 0 ，1 1 0 0 ) 高。硬度增加除与化合物点阵结构的变化有关外，一 般认为也与碳和铬原子键结合强度高于碳和铁原子键结合强度有关。具有密排六 力点阵的晶体是沿蝶旋位错提供的生长台阶在光滑的固一液界面上生长的，在晶 体点阵t 轴晶向生长较快，形成的晶体大多数是六方棱柱或是六方棱锥形状，c 轴品向大致平行于散热较快的方向，棱柱( 锥) 晶体侧面比较平直，很少显现分枝 访象。 图1 9f e 7 c 3 化合物原子点阵 f i 9 1 9 a t o m l 蚍i c eo f 山e f e 7 c 3 图1 1 0 c n c 3 化合物原子点阵 f i g 1 - 1 0a t o mi a t t i c eo f m ec r 7 c 3 1 9 那卅l 大学坝卜学位论义第章绪论 高铬铸铁中的共晶碳化物与初生碳化物的形态显然不同，前者是在较高的应 力场中成簇生长，这将导致其中存在较多晶体缺陷，层错缺陷就是其中的一种； 层错扩展的方向与晶体点阵结构有关，由于层错扩展方向大多甲行于六方晶体棱 柱| 坷导致( f e ，c r ) 7 c 3 晶体不同取向上的硬度有所不同。对( f e ，c r ) 。c 3 晶体进行的 显微硬度测定结果表明：棱柱横断面硬度约为h v l7 0 0 - 1 9 0 0 ，棱卡1 ：侧砥硬度般 只有h v l 4 0 0 左右。碳化物的形态、类型和数量对于高铬铸铁的抗磨能力和力学 性能都有影响。 1 7 3 高铬铸铁中的共晶组织 由于奥氏体的固一液界面是微观粗糙界面，而铁、铬的碳化物凝固时产生微 观光滑固一液界面，因此，两者形成的共晶组织一般呈现复合形态。 在( c r ，f e ) 7 c 3 型碳化物与奥氏体的共晶中，奥氏体是领先相，高铬铸铁的 共晶属于纤维状的小晶面( 碳化物) 一非小晶面( 奥氏体) 共晶，其代表性组织形态 为在奥氏体( 或其转变产物) 的基体上分布着纤维状的碳化物。 对于亚共晶高铬铸铁而言，共晶碳化物的分布、形态取决于初生奥氏体的数 量。当初生奥氏体生长发育充分时，在凝固组织中几乎观察不到典型的共晶混合 物，碳化物只沿晶界生长。当共晶碳化物含量达到2 0 一3 0 时，碳化物与奥氏 体构成的共晶团呈柱状或锥体状，共晶团的生长方向大体l 与散热方向平行f7 1 。 1 7 4 载荷状态下高铬铸铁磨料磨损的国内外的研究状况 ( 1 ) 国内的研究状况 1 9 9 4 年西安公路学院机械系的彭晓春对奥氏体基体的高铬铸铁和马氏体基 体的高铬铸铁做了研究，分别在载荷为1 0 瞻和2 0 蚝的条件下，用1 0 0 日的碳 化硅砂纸做麽料，在销盘磨损试验机上做磨损试验，还在m l n 一1 0 动载磨损试 验进行冲击磨损试验，得出：1 ) 在不同的磨损条件下奥氏体基体的高铬铸铁和 马氏体基体的高铬铸铁的耐磨性不同，在无冲击的磨损条件下马氏体商铬铸铁耐 磨性比奥氏体高铬铸铁好，有冲击的磨损条件下奥氏体高铬铸铁耐磨性比马氏体 高铬铸铁好，目随着冲击功的增大奥氏体高铬铸铁的失重减少，而马氏体高铬铸 铁的失重增加。2 ) 铸态奥氏体高铬铸铁在高应力冲击条件下有加工硬化的现象， 郑州大学硕卜学位除文 第章 绪论 并随着冲击功的增大加工硬化显著。 1 9 9 8 年西北工业大学材料科学与工程系的贺林等研究者对化学成分( w t ) 为：3 2 8 c ，2 8 2 c r ，o 4 5 c u ，o4 5 m o ，o 8 5 m n ，o 6 4 s i ，o 0 4 1 p 及0 0 3 2 s 的高 铬铸铁进行了研究，他们在三种不同的冷却能力的铸型下进行浇注，得出不【刊 尺寸的碳化物，进行载荷分别为2 7 k g 和5 4 k g 与磨料为8 0 目和2 4 0 目的绿碳 化砖砂纸、6 0 目的玻璃砂砂纸的磨料磨损试验，得出了1 ) 在硬磨料：体磨损系 统中高铬铸铁中尺寸过小的碳化物，不能发挥抵抗磨料的显微切削作用，使高铬 铸铁的耐磨性大幅下降。这是增加碳化物的尺寸可提高高铬铸铁的耐磨性。2 ) 在较大尺寸碳化物及较高应力的硬磨料二体磨损系统中，尺寸较大的碳化物会因 碎裂而剥离基体而造成高铬铸铁的重量的损失，降低高铬铸铁的耐磨性。这是应 控制合适碳化物尺寸以提高高铬铸铁的耐磨性。3 ) 在磨料尺寸较大和较高的应 力的软磨料二体磨损系统中，尺寸较小的碳化物也会降低高铬铸铁的耐磨性。 2 0 0 4 年长安大学工程机械学院的郝建民、张荣军在对镍硬铸铁铬系白口铸 铁的抗磨料磨损特性研究 ”，文中对镍硬铸铁、1 5 c r m n c u 、2 1 c r m n c u 、1 7 c r b 试样在载荷分别为9 8 n 和1 6 6 n 条件下分别在销盘磨料磨损试验机上做了磨料 磨损试验。指出白口铸铁的抗磨料磨损特性与起组织性能有着直接的关系，一i 同 成分与组织铬系白口铸铁的抗磨特性随着磨损条件的变化而变化，结论为欲使材 料在高应力条件下体现更好的耐磨性，1 ) 要求材料的基体组织要有高的硬度和 更好的韧性，使基体组织不易切削和更好的支撑高硬度的碳化物；2 ) 要求碳化 物有高的硬度和一定的韧性，在受载时不易折断，不易破碎，有效的阻碍磨料的 切削作用，保护基体组织；3 ) 碳化物的分布和数量也对材料的耐磨性能产生很 大的影响，大量的均匀分布有利于耐磨性的提高。 ( 2 ) 国外的研究状况 1 9 9 9 年r d a s g u p 乜r a s h m it h a k u r m s y 砌a v 等对高应力磨料磨损的影响冈 紊如载荷、行程和磨料尺寸做了详尽的研究，他们对化学成分( w t ) 为o _ 2 0 c ，o 6 0 m n ，o 4 0 s i ，l ，8 0c r 试样，分别在载荷为1 n 、3 n 、5 n 、7 n 与磨料分别为1 2 0 目、2 2 0 日、3 2 0 目的条件下进行试验，试验得出：1 ) 在粗磨料的磨损试验中发 现，磨损量随着载荷的增加而增加，在细磨料磨损中发现在载荷为3 n 时得磨损 量最少。2 ) 随着载荷的增加划痕数量在不断增多，在载荷1 n 一5 n 随着载荷的增 第一幸 绻论 加划痕得深度不断加深，在载荷为7 n 时划痕较浅，这是由于划痕数量得增多而 导致划痕深度得降低。3 ) 在细磨粒作磨料时，由于碎片塞满磨粒之问得间隙， 出现种伪保护得材料损失得现象，而粗麽料之间的间隙比较火，发生伪保护得 现象概率很小，另外由于粗磨料与材料的接触数量比较少，使得接触时的作用比 较火，导致磨损量的增火，而细磨料与此刚好相反。 1 9 9 5 年o n d o g 蛐，j a h a w k 在e f - f c c to f c a r b i d eo “e n t a t i o no na b r a s i o n o f h i 曲c rw h i t ec a s ti r o n 文章中做了高铬铸铁中的碳化物的方向对磨料磨损的 影响 ”，试样的化学成份( w 雠) 为：3 1 c ，2 4 5 c r ，o 2 9 n i ，1 o m n ，o5 9 m o ， o 5 s i ，0 1 c u ，o 0 3 8 s ，在载荷为6 6 7 n ，磨粒粒度为1 5 0 目的石榴石砂纸的条件 下进行高应力磨料磨损试验，并且还在载荷为5 0 9 、l o o g 、4 0 0 9 的条件下做了低 应力磨料磨损试验，试验得出：1 ) 在磨料磨损条件”f ，高铬铸铁表面的碳化物 的方向与磨损方向、磨损表面之间的关系影响着高铬铸铁的耐磨性。2 ) 在高应 力磨料磨损条件下，棒状碳化物与磨损表面平行比棒状碳化物与磨损表面垂直时 表现的耐磨性好。3 ) 在高应力磨料磨损条件下，碳化物m 7 c ，的最常见的破碎方 式是：i ) 当碳化物与磨损表面垂直时，载荷对碳化物的作用使碳化物出现屈服， 当超过屈服极限时，断裂就在磨损表面以下发生。j i ) 当碳化物与磨损表面平行 时，与磨损方向也平行时，断裂是由于载荷对碳化物作用力的切向力产生的。i i i ) 当碳化物与磨损表面平行时，与磨损方向垂直时，断裂是由于载荷对碳化物作用 力的推力产生的。 1 9 9 9 年m i z c i l e r ，h