（材料加工工程专业论文）白口铸铁磨面辊齿面等离子弧重熔工艺及机理研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 磨面辊作为面粉生产设备中的主要部件，其耐磨性的好坏将直接影响到面粉质量等 级和生产率。目前世界上制粉行业通用的磨面辊材料为白口铸铁，因为白口铸铁中含有 大量的游离渗碳体，性质脆硬，比较耐磨。热导率适中和微结构稀疏的铸铁类材料很适 合重熔工艺，且重熔后材料性能会得到改善。本文借助金属学知识对重熔原理进行解释， 利用高能量密度热源等离子弧对亚共晶白口铸铁磨面辊齿面进行重熔处理，利用有限元 分析软件对重熔温度场进行模拟，并对重熔耐磨层的成分、微观组织、磨损性能等多方 面进行了系统分析，文中还对影响重熔耐磨层组织及性能的因素及影响规律进行了研究。 由金属学原理可知，等离子弧重熔是金属重新熔化、凝固、结晶及相变的过程。磨 面辊辊齿在等离子弧重熔过程中吸收热量，齿顶在短时间内温度升高至熔点而发生熔化， 辊齿内受热温度达到相变点的部位发生组织相变。由于铁碳相图具有二重性，根据材料 的受热量多少和冷却速度的快慢，碳可能以渗碳体和石墨两种形式析出。由于等离子弧 重熔磨面辊齿加热和冷却速度，热力学平衡状态很难达到，因此，材料中合金元素的扩 散和石墨化进程得到了抑制，造成组织状态、结构等发生了变化，从而影响到材料各种 性能。 通过必要且合理的假设，建立几何模型，利用有限元软件对磨面辊等离子弧重熔过 程进行模拟。重熔过程会在极短时间内完成，1 5 s 内温度已经完成了由2 5 升至1 2 0 0 又冷却到8 0 8 3 的变化，发生重熔和组织相变的区域宽度约为1 5 m m ，且重熔区域宽 度不大。其它参数不变的条件下，单纯增大电流至7 5 a ，重熔和组织相变区域增大，且 重熔区域过大失去磨面辊齿面重熔的现实意义。7 0 a 的电流和5 0 m m 的等离子喷枪枪头 与辊齿顶部距离适合进行重熔处理，重熔以后不会出现辊齿顶端严重熔化现象。 重熔后辊齿碳含量显著提高，大于等于4 3 ，达到共晶和过共晶组织转变的成分点。 碳含量的最高点出现在距齿顶约0 2 0 4 m m 处。重熔后莱氏体数量明显增加，珠光体组 织得到细化，碳化物的形态也发生了变化，亚共晶白口铸铁组织转变为由渗碳体、莱氏 体和少量珠光体组成的共晶和过共晶混合组织，与成分分析结果相吻合。组织表现为向 着辊齿侧面生长。 由正交试验结果及分析确定，各个因素对重熔耐磨层的深度和硬度影响并不是单一 的线性关系，且工作电弧电流值是重熔耐磨层硬度的主要影响因素，而喷嘴与辊齿顶端 山东建筑大学硕士学位论文 的距离是影响重熔耐磨层深度的主要因素。等离子弧重熔白口铸铁磨面辊齿的工艺参数 选择为：电弧电流值7 0 a ，等离子喷枪枪头到辊齿顶的距离5 m m ，枪头移动速度2 0 m m s ， 工作气体压力6 5 m p a 。 经过等离子弧重熔后磨面辊摩擦系数由1 7 4 8 降低到1 5 1 6 。辊齿的硬度由原来 5 8 h r c 6 0 h r c 提高到了6 4 h r c 6 5 h r c ，齿顶的平均硬度值达到6 4 5 h r c 。磨面辊的磨 损形式发生改变，未熔前的磨损试样表面存在大量的凹坑，而重熔后磨损表面出现的粘 着凹坑数量明显减少，磨屑对摩擦副表面产生的划痕增多，但均较短浅，主要表现为磨 粒磨损形式。重熔后珠光体组织中渗碳体和铁素体片变大变薄，同一珠光体团内片层晶 向趋于一致，片间距减小，可有效阻碍位错滑移。成分变化、组织的细化与改变、硬度 的提高均对提高耐磨性能具有重要意义。 关键词：白口铸铁，磨面辊辊齿，等离子弧重熔，有限元分析，摩擦磨损 山东建筑大学硕士学位论文 s t u d y o np l a s m aa r cr e - m e l t i n gt e c h n o l o g ya n dm e c h a n i s mo nw h i t e c a s ti r o nr o l lt e e t hs ur f a c e w a n gm e n g m e n g ( m a t e r i a l ss c i e n c e & e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yw a n gg u o f a n a b s t r a c t r o l li st h em a i np a r ti nf l o u rp r o d u c t i o ne q u i p m e n t ，i t sw e a l r e s i s t a n c ei sg o o do rb a dw i l l d i r e c t l ya f f e c tt h eq u a l i t ya n dg r a d eo ff l o u ra n dp r o d u c t i v i t y c t m - e n t l y , t h ec o m m o nm a t e r i a l f o rg r i n d i n gr o l l e ri nt h ew o r l d sf l o u rm i l l i n gi n d u s t r yi sw h i t ec a s ti r o n , b e c a u s ei tc o n t a i n s l a r g ea m o u n t so ff r e ec e r n e n t i t ew h i c hh a st h en a t u r eo fb r i t t l eh a r da n dg o o dw e a rr e s i s t a n t s o m es t u d i e sh a v es h o w nc a s ti r o nw i t l lm o d e r a t et h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dm i c r o - s t r u c t u o f t h i nw a sv e r ys u i t a b l ef o rr e - m e l t i n gp r o c e s s ，a n da f t e rr e - m e l t i n gp e r f o r m a n c ei tw o u l db e i m p r o v e d i nt h i sr e s e a r c h ，h y p o - e u t e c t i cw h i t ec a s ti r o nr o l lt e e t hs u r f a c ew e r er e - m e l t e db y l l i g he n e r g yd e n s i t yp l a s m aa r ca n dt h er e - m e l t i n gp r o c e s sw a se x p l a i n e dw i t hm e t a ls c i e n c e t h e o r y f i n i t ed e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ew a su s e dt os i m u l a t et h em e l t i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ， a n dt h er e - m e l t i n gc o m p o s i t i o n , m i c r o s t r u c t u r e ，w e a ra n do t h e ra s p e c t so ft h ew e a r - r e s i s t a n t l a y e rw e r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y t h i sp a p e ra l s os t u d i e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dp a t t e r n s o ft h ew e a r - r e s i s t a n tl a y e rp r o p e r t i e s a c c o r d i n gt op r i n c i p l e so fm e t a l ，p l a s m aa r cr e - m e l t i n gi sap r o c e s so fm e t a lm e l t i n g , s o l i d i f i c a t i o n ，c r y s t a l l i z a t i o na n dp h a s et r a n s f o r m a t i o n r o l lt e e t ha b s o r b e dh e a td u r i n gt h e p l a s m aa r cs c a n n i n gp r o c e s s ，a n d t h et e m p e r a t u r eo nt o pr e a c h e dm e l t i n gp o i n ti na s h o r tt i m e a n dr e - m e l t i n go c c u r r e d t e m p e r a t u r ei n s i d er o s et op h a s et r a n s i t i o np o i n t ，s op h a s et r a n s i t i o n o c c u r r e d a st h ei r o n c a r b o np h a s ed i a g r a mh a sad u a lc h a r a c t e r , t h ec a r b o nm a yb ei nt h e f o r mo fc e m e n t i t eo rg r a p h i t e ，d e p e n d i n go nt h em a t e r i a lo f h e a t i n ga n dc o o l i n gr a t e p l a s m a a r cr e - m e l t i n go fa c u t et h e r m a lq u e n c hc h a n g ea n dt h e f r n o d y n a m i ce q u i l i b r i u mi sd i f f i c u l tt o a c h i e v e ，s oi tp r e v e n t st h ed i f f u s i o no fa l l o y i n ge l e m e n t si nt h em a t e r i a l sa n dg r a p h i t e b a s e d p r o c e s s e s ，r e s u l t i n gi nt h ec h a n g eo fo r g a n i z a t i o ns t a t ea n ds t r u c t u r e ，w h i c ha f f e c t st h ev a r i o u s p r o p e r t i e so f m a t e r i a l s w i t hn e c e s s a r ya n dr e a s o n a b l ea s s u m p t i o n s ，t h eg e o m e t r i cm o d e lw a se s t a b l i s h e da n dt h e i i i 山东建筑大学硕士学位论文 p l a s m aa r cr e - m e l t i n gp r o c e s sw a ss i m u l a t e du s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w e dt h a tt h em e l t i n gp r o c e s sc o m p l e t e di nav e r ys h o r tp e r i o do ft i m e ，a n dt h et e m p e r a t u r e c h a n g e df r o m2 5 t ol2 0 0 t h e nc o o l e dt o8 0 8 3 i n1 5 s r e m e l t i n ga n dp h a s e t r a n s i t i o nr e g i o n a lw i d t hw a sa b o u t1 s m m ，a n dt h ew i d t ho ft h em e l t i n ga r e ai sn o tw i d e i n c r e a s i n gt h ec u r r e n tu pt o7 5 ai nt h es a m ec o n d i t i o n s ，t h er e - m e l t i n ga n dp h a s et r a n s i t i o n r e g i i n c r e a s e d ，a n dt h em e l t i n ga r e aw a st o ol a r g el o s i n gt h er e - m e l t i n g sp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e w h e nt h ec u r r e n tw a s7 0 aa n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h es p r a yg u na n dr o l lt e e t h t o pw a s5 0 r a m ，i tw a ss u i t a b l ef o rr e - m e l t i n gp r o c e s s i n g , a n dt h et o po ft h et e e t hd o n ts e r i o u s m e l t e d t h ec a r b o nc o n t e n tw a ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e da f t e rt h er o l lt e e t hr e - m e l t i n g t h e 蹦r b o n c o n t e n tw a sg r e a t e rt h a no re q u a lt o4 3 ，r e a c h i n gt h ec o m p o s i t i o np 0 缸o fe u t e c t i ca n d h y p e r e u t e c t i ct r a n s i t i o n n eh i g h e s tc a r b o nc o n t e n tp o 诚o f t h et e e t ha p p e a r e di nt h ed i s t a n c e a b o u t0 2 - 0 4 m m l e d e b u r i t en u m b e ri n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya n dp e a r l i t ec a nb er e f i n e d , a n d t h ec a r b i d em o r p h o l o g yh a sa l s oc h a n g e da f t e rr e - m e l t i n g h y p o e u t e c t i cw h i t ec a s ti r o n t r a n s f o r m e dt oe u t e c t i ca n dh y p e r - e u t e c t i cm i x t u r eo r g a n i z a t i o n s , w h i c hc o n t a i n e dc e r n e n t i t e , l e d e b u r i t ea n das m a l la m o u n to fp e a r l i t e t h er e s u l t sw e r ec o n s i s t e n tw i t ht h ec o m p o s i t i o n a n a l y s i s o r g a n i z a t i o n sg r e wt o w a r dt h es i d eo ft h er o l lt e e t h 1 1 i eo r t h o g o n a lt e s tr e s u l t sa n da n a l y s i sd e t e r m i n e dt h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a r i o u s f a c t o r sa n dw e a rl a y e r sd e p t ha n dh a r d n e s sw a sn o tas i n g l el i n e a r , a n dt h ec u r r e n ti st h em a i n f a c t o r so fw e a r - r e s i s t a n tl a y e rh a r d n e s s ，w h i l et h ed i s t a n c eb e t w e e nr o l lt e e t ht o pa n dn o z z l e a f f e c t e dt h ed e p t hm a i n l y t h er e - m e l t i n gp a r a m e t e r so fw h i t ec a s ti r o nr o l lt e e t hs u r f a c ew i t h p l a s m aa r cw e r e 鹤f o l l o w s ：c u r r e n tv a l u e so f7 0 a ，d i s t a n c eb e t w e e np l a s m as p r a yg u na n d r o l lt e e t ho f5 m m ，m o v i n gs p e e d2 0 r a m s w o r k i n gg a sp r e s s u r eo f6 5 m p a a f t e rt h ep l a s m aa r cr e - m e l t i n g ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s e df r o m1 7 - 1 8t 01 5 一1 6 ， h a r d n e s sv a l u e si n c r e a s e df r o m5 8 h r c 一6 0 h r ct o6 4 h r c 6 5 h r c ，a n dt h ea v e r a g eh a r d n e s s v a l u eo ft h et o pr e a c h e d6 4 5 h r c f r i c t i o na n dw e a rf o r mh a v ec h a n g e d al a r g en u m b e ro f p i t se x i s t e do nw o r ns u r f a c eo ft h es a m p l eb e f o r er e m e l t i n g , w h i l ea f t e rr e - m e l t i n gw e a r d e b r i sw h i c hg e n e r a t e db yt h ef r i c t i o np a i rs u r f a c es c r a t c h e si n c r e a s e d a b r a s i v ew e a l w a st h e m a i nf o r ma f t e rr e - m e l t i n g a f t e rr e - m e l t i n gc e m e n t i t ea n dp e a r l i t eb e c a m et h i n n e ra n dl a g e r t h a nb e f o r e ，a n di nt h es a m ep e a r l i t ec r y s t a lo r i e n t a t i o no ft h el a m e l l at e n d e dt ob eu n i f o r m i v 山东建筑大学硕士学位论文 t h ei n t e r - l a m e l l a r s p a c i n gd e c r e a s e dw h i c hc a ne f f e c t i v e l yh i n d e rd i s l o c a t i o ns l i p c o m p o s i t i o nc h a n g e ，t h eo r g a n i z a t i o n sr e f i n e m e n ta n dc h a n g e , t h ei m p r o v e m e n to fh a r d n e s s a r eo f g r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v i n gt h ew e a rr e s i s t a n c e k e yw o r d s ：w h i t ec a s ti r o n , r o l lt e e t h ，p l a s m aa r cr e - m e l t i n g , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， f r i c t i o na n dw e a r v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任 学位论文作者签名： 雄嗍逝正砂 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 彳成呢， 学位论文作者签名： 垂包习鱼到一日期筮趁：么：之芝 导师签 名：必坌歪日期筮缝：笸：厄臣 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 磨面辊是麦粒破碎制粉生产设备中的主要部件，其韧性和耐磨性的好坏直接影响到 产出面粉的质量等级和生产率。目前，世界上制粉行业通用的磨面辊材料为白口铸铁。 其制造是由离心铸造先后铸造出外层为亚共晶白口铸铁耐磨环和里层为2 矿钢铸钢强度 环，通过挤压将4 少钢中心轴镶嵌在强度环中，并经在耐磨层表面粗加工、精磨、拉齿 等工序，制成沿轴线倾斜3 5 。、高为2 m m 、齿形角为5 0 。的齿。工作时，一对不同转 速的磨面辊做相对旋转运动来破碎麦粒。由此，辊齿承受着挤、压、揉、搓、碾等作用 力。因此，要求辊齿应具有一定的硬度、韧性和耐磨性能。 经对未重熔破损的磨面辊分析，工作中遇到硬麦粒或较小的硬沙粒时，辊齿表面会 出现破损，导致磨面辊使用寿命降低，面粉质量等级下降。其原因：经锻造和铸造的金 属零件，其组织都具有一定的连续性，并形成“连续的骨架 。当受到外力作用时，组织 之间可以相互依赖，相互支撑。而耐磨层经拉齿，破坏了离心铸造形成的“连续的骨架 。 当收到外力作用时，组织削弱了承受挤、压、揉、搓、碾等的能力，这是其一。其二， 无论哪种铸铁中或多或少都存在游离的石墨和游离的渗碳体，同时也存在着微疏松、缩 孔等缺陷。石墨和铸造缺陷的存在割裂和破坏了基体组织的连续性。 材料的工艺在材料科学与工程中是一个至关重要的因素，一种材料能被人类所利用 成为产品的过程就必须通过一定的工艺过程来实现。生产工艺和加工工艺是材料的工艺 所包含的两个方面。工艺的经济性是工程上是否采用的决定因素，而且随着社会的不断 进步人们对环境保护的意识加强，因此方便简洁、污染较轻的工艺是以后新工艺方法发 展的重要方向。 据资料研究表明，热导率适中和微结构稀疏的铸铁类材料很适合重熔工艺l l l 。铸铁 经过重熔后的微观组织和硬度会发生变化，从而改变力学性能及改善其使用性熊。磨面 辊辊齿通过重熔使拉齿破坏的连续性组织得到恢复，铸造缺陷进一步得到弥合，冷却速 度加快使亚共晶白口组织转变成共晶和过共晶白口组织，使表面的硬度和耐磨性得到进 一步提高等。本课题采用的重熔热源为等离子弧，其本身在使用时相对于其它高能量密 度热源对周围环境的污染较轻，且应用等离子弧重熔面辊齿面时无需预热，只需在面辊 表面扫描一遍即可实现，因此，等离子弧重熔磨面辊齿面过程比较方便快捷，也符合现 在对资源利用和环境保护的要求。 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 研究现状 组成材料科学内涵的五大要素之间的关联可以用一个多面体来描述，如图1 1 。其中 使用效能是材料性能在工作状态( 受力、气氛、温度) 下的表现，与材料本身性质密切 相关【2 】。成分、组织结构、合成制备方法及工艺设计决定着材料的性能，因此，材料性 能的改善可以通过调整化学成分来改变组织结构，结合正确的理论指导和工艺路线确定 合适的合成制备方法。目前，国内外针对亚共晶白口铸铁磨面辊辊齿耐磨性的研究较少， 针对白口铸铁材质耐磨性的研究主要从调整化学成分和进行表面强化处理两方面入手。 组g o 结构 爰 工艺设计 ( 气氛、温度、受力状态 等环境影响) 图1 1 材料科学与工程的内涵 f i g1 1c o n n o t a t i o no f m a t e r i a l ss c i e n c e & e n g i n e e r i n g 1 2 1 化学成分 白口铸铁硬度高，是一种良好的耐磨材料，普通白口铸铁中加入c r 、m o 、c u 、v 、 b 等元素，形成珠光体合金白口铸铁，既具有高硬度和高耐磨性，又具有一定的韧性 加入n i 、c r 、b 等提高淬透性的元素，可形成马氏体合金白口铸铁，可以获得更高的硬 度和耐磨性【3 1 。朴东学和赵铭弟将国外工业发达国家的抗磨白口铸铁分为三个发展阶段： 普通白口铸铁，镍硬铸铁和高铬白口铸铁，而且提到在磨球和衬板等抗磨铸件生产中， 显示出很好的使用性能和较好的经济效益【4 1 。有人通过分析化学成分对高铬白1 3 铸铁抗 磨性能的影响，指出严格控制铬、镍、锰等合金元素的含量可生产出具备高抗磨性的铸 件【5 1 。可见白口铸铁经过适当合金化处理后耐磨性得到很大提高。我国抗磨白口铸铁经 历了由微合金化到高合金化的发展过程，主要通过加入合金元素调整形成的碳化物结构， 达到提高耐磨性的目的。为使高耐磨性和良好的韧性相配合，又可以通过变质处理和热 变形处理使碳化物断网或团球化来实现 68 1 。目前世界上制粉行业通用的磨面辊材料为白 口铸铁。为提高使用寿命，满足使用要求，许多国家都采用在白口铸铁中添加c r 、m o 、 w 、v 、n b 等十几种微量合金元素，增加其塑性、韧性和耐磨性，降低磨面辊的硬度和 2 山东建筑大学硕士学位论文 脆性。在面辊材料方面有人指出冷硬铸铁从普通白口铸铁到合金白口铸铁，最后发展到 高合金白口铸铁，是磨辊材料发展的一个趋势【9 , 1 0 。 1 2 2 表面强化处理 表面熔融强化是表面强化处理技术中较常用的一类，它是利用表面熔融和凝固的过 程，通过加热将工件表面层或涂覆在工件表面的合金化材料熔化，或将熔化的材料熔覆 于工件表面上，随后冷却使其凝固成固态的强化层，又称表面冶金强化【l 。重熔是将金 属加热至液相线温度以上熔化，而后冷却凝固的过程，属于表面熔融强化技术。用于重 熔的热源有好多种，如火焰、电弧、电火花及等离子弧、激光和电子束等。 目前，在辊表面强化处理方面，工业上应用较多的是激光能源。激光自上世纪六十 年代问世以来就以其高能量、高方向性等诸多优点很快在实际中得到广泛应用。通过激 光扫描不同金属表面均可以不同程度地提高材料的耐磨性能。例如，郑州大学的张三川 和天津大学的姚建铨等人应用激光束对白口磨辊表面进行淬火处理，提高磨辊表面硬度， 增强磨辊的抗磨损性能，从而达到延寿的目的【1 2 , 1 3 】。姚成武等人总结过采用激光对轧辊 进行表面强化与修复的研究和应用现状【1 4 】。有人利用激光在亚共晶白口铸铁上进行重 熔，通过分析其微观组织特征，解决使用寿命短和脆性大的难题【”】。另外，国内外应用 激光对铸铁进行表面熔凝的研究也很多【1 矗1 引。 尽管激光在表面强化处理中有许多宝贵优点，但目前激光加工系统设备价格比较贵， 激光尚属于比较昂贵的能源，而且更为重要的是激光束存在很多潜在危害，像激光辐射 对人体造成的损伤、大气污染、噪声等。而等离子体作为除固态、液态、气态以外物质 存在的第四种状态，在表面处理工程中具有许多优点：具有很高的温度和能量密度；可 以精确控制表面处理工艺参数；节省能源；减少污染，而且等离子体电弧比激光束热能 利用率高。因此，等离子体在渗金属、离子注入、表面喷涂、镀膜等改善耐磨、耐蚀、 耐高温领域得到广泛的应用。 国内外关于等离子熔融强化处理的研究很多，等离子淬火硬化、等离子熔覆及等离 子喷涂较常见。例如，通过等离子弧对钢件表面进行淬火处理，改变润滑状态，控制表 面的硬度，使表面的减磨性与耐磨性最佳【1 9 1 ；利用常压等离子对磨具进行表面淬火处理， 可使磨具同时获得表面的高硬度和基体强韧性，处理后的磨具变形小，晶粒得到细化， 综合性能得到改善，而且处理成本亦不高【2 0 l 。采用等离子束作为热源，在钢上熔覆一层 铁基合金涂层可以在其完全相变区内得到晶粒细化组织，且具有较高硬度【2 1 1 ；通过等离 子技术将三氧化二铝粉末喷涂到钢表面，然后利用激光或t i g 热源对表面进行重熔可以 3 山东建筑大学硕士学位论文 获得力学性能优良的表面涂覆剧2 2 】。 针对磨面辊长期存在的磨损现象利用等离子体进行铸铁面辊表面改性的研究并不 多。武文斌和任保臣1 2 3 - 2 5 】针对磨粉机辊齿工作过程中长期存在的磨损问题，应用等离子 弧对辊齿表面进行淬火处理。对磨辊表面的硬化层深度、表面硬度及沿硬化层深度方氲 显微硬度分布状况的影响规律进行了研究，并对其组织变化进行了理论分析。得出等离 子弧表面淬火工艺处理提高磨辊辊齿硬度和增强耐磨性的结论。 已取得国家专利技术制作的高硬磨辊，应用等离子高温电弧扫描白口铸铁磨面辊， 使其表面熔凝生成一层硬度和耐磨性很高的薄膜。经过数年的生产运行考核，目前已在 多家面粉生产厂投入使用。对等离子高硬磨辊研究较多的主要有该专利的持有人任光利 和北京制粉研究所的窦履豫等人，从磨辊的生产发展、磨辊选材、表面加工以及该磨辊在 生产实际的应用等方面都做了调查和分析，先后发表了一些具有参考性的文章。但对于 重熔具体的工艺路线及工艺参数选择、磨面辊重熔后辊齿内部化学成分、硬度和微观组 织及耐磨性等没有进行具体的试验室研究，使等离子弧重熔白口铸铁磨面辊齿面缺乏一 定的理论指导。 窦履豫等人也针对磨辊的材质认为国内外普遍采用的离心铸造双金属磨辊可以充分 发挥不同材料的优良性能，既提高磨辊质量又能降低成本。同时指出等离子弧重熔后组 织结构和硬度均发生了变化，对提高材料耐磨性具有重要意义，磨辊达到“外硬内韧”的 状态【2 弛8 1 。对于等离子重熔的高硬磨辊使用效果，高春雷等在进行了与常规磨辊的对比 试验后，从最终数据的分析指出高硬磨辊具有良好的发展前景【2 9 1 。而且高硬磨辊可以降 低产品电耗，节省磨辊损耗和改善制粉工艺效果，具有了良好的经济性【3 们。 目前高硬磨辊的研究工作尚处于初级阶段，有许多问题尚待解决。从高硬磨辊的研 究工作到试用经历了八年时间，但迄今仍未能在全部磨粉机上应用。因为在等离子弧扫 描过程中加热温度很高，反应的时间极短，铸铁的化学成分和金相组织变化很大，有关 参数很难精确地检测和掌握。因此，目前还没有十分确定的工艺路线，只能凭借少数熟 练技术工人的经验来完成，还不能很好地保证等离子弧重熔后磨面辊的质量。必须深入 研究等离子弧表面加工技术原理，进行大量的制粉工艺性能测试，掌握组织结构及加工 工艺参数变化对辊齿性能和工艺效果的影响规律，才能进一步提高加工处理质量，适应 制粉工艺碾磨的需要【3 1 1 。有关专家指出，高硬磨辊优于普通激冷铸铁辊已毋庸置疑，进 一步完善后取代普通铸铁磨辊的发展趋势是不可逆转的。 山东建筑大学硕士学位论文 1 3 课题研究的意义和主要内容 1 3 1 研究意义 变形、断裂、腐蚀和磨损是机械零件失效的四种主要形式。目前世界上由于磨损消 耗的能量占机械行业总能量的1 3 ，而曲于磨损失效的零部件约占总零部件的 6 0 8 0 略3 2 1 。磨面辊最主要的失效形式是辊齿磨损，快速磨损以及频繁的磨光拉丝使得 普通磨面辊更换周期极短，造成资源的大量浪费。因此，如何减慢磨面辊齿的磨损速度， 提高其耐磨性，从而延长辊的使用周期具有重要意义。本课题通过分析辊齿表面等离子 弧重熔机理，确定某些关系耐磨性提高的合适的加工工艺参数，可以有效地改善磨面辊 表面抗磨损性能。 1 3 2 研究内容 本研究采取“等离子弧重熔磨面辊齿面的机理分析一有限元软件模拟重熔温度场一 正交试验设计一性能测试一结果分析一试验验证一的技术路线。在理论分析基础上，应 用有限元软件对磨面辊辊齿进行等离子弧重熔过程的热模拟。根据影响重熔耐磨层的各 个因素合理选择不同工艺参数，对辊齿表面进行等离子弧重熔的正交试验和结果分析， 结合对重熔耐磨层微观组织、力学性能和磨损性能的综合分析测试，最终确定适合工艺 要求，得到满足实际使用性能的等离子弧重熔参数，从而获得磨面辊齿面高性能重熔耐 磨层。本文的主要研究内容包括； ( 1 ) 等离子重熔耐磨层的制备 采用面粉行业中面辊普遍采用的微合金白口铸铁成分，通过离心铸造铸造出试验用 磨辊粗坯，再进行表面粗加工一精磨一拉齿。在面辊绕自身轴线旋转的同时，等离子弧 沿磨面辊轴线方向对辊齿进行加热，使辊齿齿顶重熔，获得高耐磨性的重熔层。 ( 2 ) 有限元软件模拟分析 根据等离子弧重熔条件和试验面辊的尺寸，建立二维几何模型并施加载荷进行重熔 过程的温度场模拟。通过模拟重熔时面辊由外而内的温度分布，分析从辊齿顶部至辊体 内部的受热情况及电流大小对发生重熔和组织转变的深度的影响。 ( 3 ) 重熔耐磨层的形成机理 探讨经等离子弧加热后磨面辊齿面形成重熔耐磨层的原理。根据等离子弧重熔的加 热特点及结合金属学有关原理，分析重熔后的碳含量及微观组织的变化、晶粒细化、硬 度提高和组织方向性的改变。 ( 4 ) 重熔耐磨层的微观组织结构 s 山东建筑大学硕士学位论文 利用一系列试验手段探讨重熔耐磨层的微观组织结构和形成机制，比较重熔和未熔 辊齿的组织，以及组成相珠光体的形态、片间距等，并分析组织结构改变对磨面辊性能 的影响。 ( 5 ) 重熔耐磨层的磨损性能及磨损机制研究 利用磨损试验探讨重熔耐磨层的磨损性能，分析重熔前后成分、硬度、组织变化及 其对磨损性能的影响。通过观察重熔前后辊齿磨损试样的表面形貌和对比摩擦系数的改 变研究重熔耐磨层的磨损机制。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章试验材料和试验方法 2 1 试验材料 按面粉厂实际应用磨面辊成分和结构，通过离心铸造出毛坯，经粗加工、精磨、沿 轴线方向拉齿制作出直径为2 2 0 m m 、长3 2 0 m m 的试验面辊。表面经砂纸打磨后进行丙 酮清洗，去除油污和氧化膜，自然风干后待用。 磨面辊的化学成分如表2 1 所示。 表2 1 面辊试样化学成分( 质量分数，哟 t a b 2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ( w t ) 2 2 试验方法 2 2 1 重熔方法及设备 重熔是采用自由电弧经机械压缩、电磁收缩和热收缩后形成的等离子弧作为热源， 直接在材料上方进行加热使其表面迅速熔化，而后熔池急速冷却凝固形成重熔耐磨层。 本课题中采用山东利江粮油科技发展有限公司自行研制的l j g y 1 0 0 0 i 数控高硬磨 辊加工机床实现磨面辊齿的等离子弧重熔。该装置中，加工槽可将磨辊沿轴线方向水平 固定，且可实现辊体沿自身中心轴线的自由转动；等离子喷枪枪头表面与面辊轴线方向 垂直，且可在大于磨辊加工长度范围内自由地水平移动。辊体自身转速、等离子喷枪平 移速度及枪头表面与辊体间距离均为可调。工作电流值可以在一定的范围内实现精确控 制。 等离子弧重熔时采用工业纯氩气的纯度大于9 9 9 ，氩气流量约为1 4 l m i n 。 2 2 2 组织及性能测试设备及方法 ( 1 ) 试样制备方法 试样切割：根据具体情沙酝分别对重熔前后面辊试样采用d k 7 7 4 0 电火花数控线切 割机床进行切割，按试验需求切割成符合不同要求的试样尺寸。 金相试样：切割好的试样用电木粉在金相试样镶嵌机上进行镶样、粗磨、精磨和抛 光，经2 - 4 的硝酸酒精侵蚀后进行组织及形貌观察。 扫描电镜试样：与金相试样的制备方法相类似。进行元素成分扫描的试样不需腐蚀， 需进行形貌观察的试样采用2 4 的硝酸酒精腐蚀后再观察。 ( 2 ) 微观组织观察与分析 山东建筑大学硕士学位论文 扫描电镜：采用j s m 6 3 8 0 l a 扫描电镜和附带的j e d 2 3 0 0 能谱仪观察表面磨损形 貌、成分和微观组织。 ( 3 ) 显微硬度测量 采用洛氏显微硬度计，进行辊齿顶端平均硬度值和由表及里垂直于磨辊轴线方向每 隔相等距离显微硬度的测量，分析重熔后显微硬度分布特征及比较重熔前后磨面辊齿的 平均硬度。 2 2 3 摩擦磨损性能测试及试验方法 ( 1 ) 试样的制备 摩擦磨损试样用d k 7 7 4 0 电火花数控线切割机床切割，摩擦试样尺寸为 3 5 m m x 7 m m x 5 r n m ，磨损试样尺寸为5 0 m m x l 5 m m x 5 m m ，如图2 1 所示。实验前，用丙 酮进行超声波振动清洗试样表面上的粘附杂物和油污，用砂纸将打磨掉表面的氧化皮等， 最后由吹风机吹干待用。 ( a ) ( b ) 图2 1 试样示意图( a ) 摩擦试样( b ) 磨损试样 f i g2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs a m p l e s ( a ) f r i c t i o ns a m p l e ( b ) w e a rs a m p l e ( 2 ) 试验设备及方法 在m 2 0 0 0 型滑动磨损试验机上进行轮块接触形式的纯滑动摩擦试验。图2 2 给出了试验装置的示意图。磨轮材料：高速钢( w 1 8 c r 4 v ) ，表面硬度为6 2 h r c ；加载形 式：固定载荷；磨轮外径4 0 m m ，内径1 6 m m ，磨轮宽度1 0 m m ：主轴转速：4 0 0 r m i n ， 摩擦表面线速度约为0 8 4 m s ：摩擦时间为1 0 m i n 。 磨损试验在m l d 1 0 型动载磨料磨损试验机上进行，重熔处理前后的试样分别装在 试验机的卡具中，磨料通过搅拌装置不断与试样表面进行摩擦导致试样产生表面划痕或 小块脱落，共同进行磨料磨损试验。图2 3 所示为磨料磨损试验装置的示意图。主轴转 山东建筑大学硕士学位论文 速为2 0 0 r m i n ，磨料为1 0 - 1 4 目的棕刚玉。 试样平台 图2 2 滑动摩擦试验装置示意图 f i g2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs l i d i n gf r i c t i o n 图2 3 磨损试验装置示意图 f i g2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f w e a rt e s td e v i c e ( 3 ) 耐磨行为的表征、测量与计算 摩擦系数：试样经过在m 2 0 0 0 磨损试验机上的摩擦，摩擦系数可以通过下面的公 式计算求得： 厂= 篑( 2 - 1 ) 式中：为摩擦系数，无量纲；m 为摩擦力矩，k g m m ，其数值可以在试验机上直 接读出；n 为所加载荷，试验中分别采用8 k g 和1 0 k g ；，为磨轮半径，大小为2 0 m m 。 利用该试验机上的附属装置，可以获得重熔前后面辊试样在摩擦过程中的摩擦特性 曲线。 山东建筑大学硕士学位论文 磨损质量：m l d 1 0 型动载磨料磨损试验中，每磨损2 0 m i n 取下试样，用丙酮对其 进行清洗，待干燥后在a b 2 0 4 s 型电子天平( 测量精确度为0 1 m g ) 上称一次质量。 抗磨损性能通过测量试样在每次实验前后的重量，比较试样不同的重量损失来评定。 山东建筑大学硕士学位论文 第3 章磨面辊齿面等离子弧重熔的机理研究 3 1 热量传输 热量传输是等离子弧重熔过程中导致温升及熔化凝固和相变的诱因。热量传输有三 种基本方式：传导、对流和辐射【3 3 】。 ( 1 ) 传导 热量依靠物体中微观粒子( 分子、原子或自由电子) 的热运动从物体温度较高的部 分向温度较低的部分传输或者从温度较高的物体传输到与之接触的温度较低的物体的过 程叫做热传导，是固体中热传递的主要方式。在气体或液体中，热传导过程往往和对流 同时发生。 热传导遵循傅里叶定律f 蚓 a r g2 一九百 ( 3 一1 ) 式中： g