（机械工程专业论文）提高水利喷射器喷嘴与喉管使用寿命的研究.pdf

摘要 本课题在分析水力喷射器使用工矿条件的基础上，提出磨粒磨损和腐蚀磨损是导致水力喷射 器喷嘴和喉管早期失效的原因，因此喷嘴和喉管的材质既要具有较高的硬度，又要具有一定的耐 腐蚀性，才能有效承受磨粒磨损和腐蚀磨损，从而延长零件的使用寿命。有鉴于此，本课题采用 高铬白口铸铁生产水力喷射器喷嘴和喉管，在对各种合金元素对白口铸铁的作用充分论证的基础 上，对高铬白口铸铁的成份进行了优化设计；采用砂型铸造工艺生产制造了喷嘴和喉管，并采用 适当的热处理工艺对其进行了处理；对喷嘴与喉管的化学成份、金相组织、碳化物形态、铸造和 热处理工艺等进行了分析。研究结果表明：采用所选择成分的高铬铸铁生产的喷嘴和喉管铸态组 织为先共晶奥氏体+ 共晶组织( 奥氏体+ 碳化物) ，热处理组织为回火马氏体+ 碳化物+ 少量的残余奥 氏体：热处理态组织比铸态组织的硬度有较大提高，而韧性提高的幅度不大；滚筒磨损试验表明： 热处理态组织比铸态组织耐磨性有较大提高。本文还就对提高使用寿命的机理进行了分析探讨。 装机试用结果证明，采用高铬白口铸铁生产水力喷射器喷嘴和喉管可以有效提高其使用寿 命，其中喷嘴使用寿命达2 0 个月，比原用产品提高了1 3 个月；喉管的使用寿命达l o 个月，比 原用产品提高了5 个月。 关键词：高铬铸铁，喷嘴，喉管，碳化物，马氏体 a b s t r a c t o nt h eb a s i so f a n a l y s i so f w a t e r p o w e ri n f e c t o r ss e r v i c 七c o n d i t i o n s ，i tw a sc o n s i d e r e di nt h ep a p e r t h a tg r i n d i n ga n de r o d i n ga b r a s i o na r et h er e a s o n sf o rt h ee a r l yf a i l u r eo f w a t e r p o w e ri n f e c t o r si n c l u d i n g n o z z l e sa n da d j u t a g e s ，t h e r e f o r et h em a t e r i a lu s e dt om a k en o z z l e sa n d 删u t a g e ss h o u l dn o to n l y p o s s e s sh i g hh a r d n e s s ，b u ta l s oad e f i n i t ec o r r o s i o nr e s i s t a n c e o n l ys o ，i ti sp o s s i b l ef o rt h en o z z l e sa n d a d j u t a g e st ow i t h s t a n dt h ee r o d i n ga b r a s i o na n d 舔ar e s u l lt h es e r v i c el i f e - s p a no fn o z z l e sa n d e d j a t a g e sc o u l db ep r o l o n g e d b e c a u s eo ft l l 啦h i g hc h r o m i u mw h i t e c a s ti r o n sw e r eu s e dt o m a n u f a c t u r ew a t e r p o w e ri n f e c t o r si n c l u d i n gn o z z l e sa n da d j o t a g e s t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fh i g h c h r o m i u mw h i t ec a s ti r o nw a so p t i m i z e do nt h eb a s i so f t h ed e t a i l e da n a l y s i so f v a r i o u se l e m e n t s ；s a n d m o l dc a s t i n gw a su s e dt om a n u f a c t u r en o z z l e sa n da d j u t a g e sa n dt h e na p p r o p r i a t eb e a tt r e a t m e n tw a s u s e dt ot r e a tt h e m ；t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n , m i e r o s t r u c t u r e , c a r b i d e sm o r p h o l o g ya n dc a s t i n ga n d h e a tt r e a t i n gt e c h n o l o g yw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ec a s tm i c r o s t r u c t u r eo f n o z z l e sa n d a d j a t a g e sm a d eb yh i 曲c h r o m i u mw h i t ei r o n si sp r e e u t e e t i ca u s t e n i t e + e u t e o t i c ( a a s t a n i t e + c a r b i d e ) , a n da f t e rh e a tt r e a t m e n tt h em i c r o s t r u o t u r ec h a n g e dt om a r t e n s i t e + c a r b i d e s + as m a l la m o u n to f a u s t e n i t e ；t h eh a r d n e s so f t h el a t t e ri n c r e a s e de v i d e n t l yc o m p a r e dw i t ht h ef o r m e r , y e tt h ei m p r o v e m e n t o ft o u g h n e s si s 、c a i cr o l l e ra b r a s i o nt e s ts h o w e dt h a t ：t h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h el a t t e ri sm u c hb e t t e r t h a nt h a to ft h ef o r m e r m o r e o v e r , t h em e c h a n i s mo ft h ei n c r e a s eo fe r o d i n ga b r a s i o nr e s i s t a n c ea n d p r o l o n g a t i o no f s e r v i c el i f e - s p a nh a v eb e e na n a l y z e di nt h ep a p e r t r i a li g s es h o w e dt h a tt h el i f e - s p a no f h i g hc h r o m i u mc a s ti r o nn o z z l e sa n da d j u t a g e sw e r eg r e a t l y p r o l o n g e d t h el i f e - s p a no fn o z z l e sc o u l db ea b o u t2 0m o n t h s ，1 3m o n t h sl o n g e rt h a nf o r m e rn o z z l e s ； t h el i f es p a no f a d j u t a g e sc o u l db e1 0m o n t h s ，5m o n t h sl o n g e rt h a nb e f o r e k e y w o r d s ：h i g hc h r o m i u mw h i t ec a s ti r o n , n o z z l e s ，a d j o t a g e s ，c a r b i d e ，m a r t e n s i t e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得中国农业大学或其它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 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：时间：2 0 0 6 年0 9 月2 0 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 帅州7 肛日 第一章引言 摩擦与磨损是各种机器设备在运转过程中普遍存在的一种现象，一般来说，磨损是摩擦的必 然结果，它们是影响机器设备工作效率与使用寿命的主要因素，金属磨损是造成机械零件失效的 三种方式之一，每年由于磨损而造成的损失十分惊人。统计资料表明，世界上目前消耗的能源约 有三分之一到二分之一表现为各种形式的摩擦损失，而摩擦导致的磨损又是材料三种主要失效形 式之一，它所造成的经济损失是十分巨大的i l - 2 1 ，据美国1 9 8 2 年的估计，仅仅美国每年在摩擦领域 导致的经济损失达1 1 9 0 亿美元例。随着重工业的发展，我国用于冶金矿山、建材工业、电力工业、 机械工业、农业机械、国防工业以及航空、航天等等领域的抗磨材料每年以百万吨计，每年因为 磨损导致的经济损失非常巨大。由此可见，材料磨损是一个关系到国民经济和全球性的资源是否 得到有效利用的大问题。因此，材料磨损研究日益成为材料领域研究的重点课题之一。有关耐磨 材料的研究工作越来越引起人们的重视，很多部门将提高耐磨材料的耐磨性及使用寿命列为重点 研究课题。 目前我国水利喷射器喷嘴与喉管大多使用的材料为高锰钢，使用寿命在4 - - 6 个月，最长不超 过7 个月，并且各地使用的材料也不尽相同，也没有统一的规范。国内较常采用铬镍合金铸造喉 管，成本高，寿命短，一般在4 个月左右。由于喷嘴和喉管的输料介质不同，所以很难找到一种 比较好的材质，同时生产两种零件。通过解析原装配件发现他们使用的材科为e c r 合金，使用 寿命可达6 年之久。 根据调研分析，参照我厂多年生产钻井泵缸套的经验，由于钻井泵缸套的使用环境与水力喷 射器相似，缸套内村为高铬白口铸铁，外套为4 5 铸钢。由于缸套内村为高铬白口铸铁，硬度较 高且具有一定的耐腐蚀性，而外套为4 5 铸钢材料，保证了缸套所需要的韧性，因此这种钻井泵 缸套的使用寿命较高，也为我厂创造了客观的经济效益。有鉴于此，本文考虑采用高铬白口铸铁 材质铸造水利喷射器喷嘴和喉管。 白口铸铁是指在铸铁中的碳主要以碳化物形式存在、铸态组织中不含石墨、断口呈银白色的 铸铁。普通白口铸铁具有生产工艺简单，生产成本低等优点。从而成为传统耐磨材料之一。但是 它的组织是典型莱氏体，决定了普通白口铸铁具有韧性差、脆性大等缺点，在某些承受一定冲击 的工况条件下，使用寿命受到较大的限制，使其应用范围也受到限制。而水利喷射器喷嘴和喉管 在使用过程中承受细小的煤灰砂粒的冲击，冲击载荷不是很大，对力学性能的要求主要有两个方 面，一是高硬度，二是要求材料必须具有一定的耐腐蚀性。在普通白口铸铁的基础上添加合金元 素，使其合金化是改善组织形态，满足性能要求的有效办法。对高合金白口铸铁而言，按照合金 元素种类，常用的高合金白口铸铁可分为：镍铬系、铬钼系、铬系、钨系等四大系列【4 】。镍铬系， 铬钼系白口铸铁经过适当的热处理后可获得较高的抗冲击疲劳能力和高的硬度翻。然而我国镍资 源比较缺乏，而铝的价格又居高不下，致使这两类白口铸铁的应用受到了限制。多年来，国内外 众多学者对含铬白口铸铁进行了深入的研究，使含铬白口铸铁获得了广泛的应用，成为耐磨材料 的一支主力军。此类自口铸铁含铬量高，高的铬量可提高耐磨性、耐腐蚀性，韧性和淬透性抵 抗磨蚀磨损及热磨损的能力也大大增加。在酸性介质中，一般要求含铬量较高；而在一般腐蚀磨 损条件下，含铬量可适当降低，铬含量的减少又导致韧性的下降。因此。提高含铬白口铸铁的韧 中国农业大学硕 学位论文 第章引言 性，获得强韧性与硬度的最佳配合，从而最大限度地发挥含铬白口铸铁的潜力，提高其耐磨性， 延长其使用寿命，是含铬耐磨白口铸铁研究的方向和目的。从世界范围来看，铬资源并不缺乏， 而且价格适中，与其它合金白1 ：3 铸铁相比，含铬白口铸铁具有价格优势，性价比颇具吸引力，因 而成为世界范围内广泛应用的抗磨材料 o l 。 在金属材料化学成分已经确定的情况下，其力学性能和使用寿命强烈地依赖于组织结构和形 貌，对含铬耐磨白1 3 铸铁而言，同样如此。含铬白口耐磨铸铁的基本组织特征是，在金属基体上 分布着较大数量硬而脆的块状碳化物，它的耐磨性高低就是由基体组织的类型、性质与碳化物的 种类、数量、分布形态所决定的。改善白1 ：3 铸铁耐磨性必须根据具体工况条件，合理选择基体组 织和改善碳化物的形态及其分布，包括碳化物与基体组织的类型、相对含量、形态，大小、分布 情况等。因此，在优化含铬耐磨铸铁化学成分的前提下，控制其工艺过程以获得理想的组织，尤 其要避免铸造缺陷的产生，从而使其具有所希望的耐磨性能，是提高含铬耐磨白口铸铁耐磨性、 延长耐磨件使用寿命的关键。 控制含铬白口耐磨铸铁的制备过程主要在确定合理成分的前提下，对熔炼及凝固过程进行有 效的控制1 1 1 。控制熔炼过程，最大程度地降低有害杂质的含量，既能有效地去除非均匀形核的核 心，增加凝固结晶的热力学过冷度，抑制碳化物高温下过分长大，有利于改善碳化物的形态，又 能净化晶界，有利于韧性的提高；控制凝固过程，在本课题中主要是指铸造工艺的控制，包括控 制冷却速度、设置合理的浇冒口等手段改变形核和长大的热力学、动力学条件，促进碳化物孤立 断续分布，使碳化物充分发挥增强相的作用，减少其割裂基体的负面影响；同时尽可能避免喷嘴 和喉管内壁部位出现组织疏松，有利于耐磨性能的提高。 1 1 含铬白口铸铁材料的分类 根据含铬量的不同可将含铬白i = i 铸铁分为低铬白口铸铁、中铬白口铸铁、高铬白口铸铁等三 类 3 l 。 ( 1 ) 低铬白口铸铁 在普通白口铸铁中加x c r l 5 ，就形成了低铬白口铸铁。低铬白口铸铁的化学成分根据 零件使用的工矿条件，可做相应的调整。英国低铬铸铁的化学成分为：c 2 4 3 4 ，s i 0 5 1 5 ，m n 0 2 o 8 ，c r 2 ，p 0 1 5 0 5 。低铬白i = l 铸铁一般以珠光体状态使用，医此其 碳化物类型、数量、形态和分布是很重要的参数。与普通白口铸铁相比，碳化物由莱氏体中的普 通渗碳体f e 3 c 变为合金渗碳体( c r , f e ) 3 c ，维氏硬度也由8 4 0 l1 0 0 h v 增加到1 0 0 0 1 2 3 0 h v ，碳化 物形貌也有所改善。就共晶组织而言。普通白1 3 铸铁中蜂窝状的莱氏体严重割裂了金属基体，而 低铬铸铁的共晶碳化物则由部分蜂窝状形态和网状、板状形态构成。低铬铸铁的韧性和耐磨性都 比普通白口铸铁有所改善。目前，低铬白1 ：3 铸铁主要应用于球磨机磨球，磨球硬度可在4 0 0 5 5 0 h b w 内变动。 ( 2 ) 中铬白口铸铁 中铬白口铸铁含铬6 l o ，此种白口铸铁中的碳化物为m t c 3 和m 3 c 混合型，其耐磨性 和韧性介于高铬白口铸铁和低铬白1 3 铸铁之间。中铬白i = i 铸铁的化学成分根据基体情况不同而不 同，以珠光体状态使用，一般有；c 2 5 ，s i 0 5 2 2 ，m n 0 5 1 o ，c r 7 l l ，当 2 中国农业大学硕i 。学位论文第一章引言 以马氏体状态使用时，还应加入少量的m o 和c u ，以提高基体的淬透性。欲获得符合使用要求的 化学成分，需要综合考虑c r c 和s i c 比。c r c 和s i c 高，m t c 3 型碳化物量相应增加，碳化物 硬度提高，形态得到改善【9 j ，有利于铸铁韧性和耐磨性的提高；但不能单纯追求高的c r c 而一味 的降低碳含量，低的含碳量会减少碳化物量，降低铸铁的耐磨性，故需综合考虑碳含量的多少。 ( 3 ) 高铬白口铸铁 高铬白1 3 铸铁的含铬量在l l 3 0 之间。其共晶组织由m 7 c 3 型碳化物和奥氏体或其转变 产物所组成。m 7 c 3 型碳化物呈六角杆状及板条状分布在基体中，连续程度大为降低，碳化物对 基体的破坏程度大大减小，因而高铬白1 2 ：1 铸铁的韧性优于低铬和中铬白口铸铁f l o j 而且。高铬白 口铸铁中含有大量的铬，其耐腐蚀性和抗高温氧化性较高，因此特别适合高温下的磨粒磨损。 高硬度的碳化物要与硬的基体相配合才能表现出高的耐磨性。软基体不能对碳化物提供较好 的支撑，碳化物在磨损时易受剪应力而折断，难以发挥抵抗磨损的作用。高铬白口铸铁中各基体 的显微硬度为：铁素体7 0 2 1 0h v ，珠光体3 0 0 4 6 0h v ，奥氏体3 0 0 6 0 0h v ，马氏体5 0 0 1 0 0 0 h v ，可见，基体组织马氏体的硬度最高，其硬度与碳化物的硬度匹配性较好，其磨料磨损抗力 也最好，所以一般希望得到马氏体基体。当要求较高的冲击韧性时，可以考虑采用奥氏体作为基 体。 1 2 含铬白口铸铁材料的组织选择 材料的性能与组织是密切相关的，对于含铬白口铸铁而言，同样如此。碳化物的类型、数量、 形态及分布等因素对冲击韧性和耐磨性的影响很大；基体组织在包括磨料磨损类型的各种磨损工 矿条件下能否牢固地支撑硬质碳化物使其不致在冲击应力作用下脱落也是至关重要的，因此关键 是二者之间的配合是否合理。简而言之。白口铸铁耐磨性能的发挥一要靠基体，二要靠弥散相即 碳化物。 1 2 1 基体组织的选择 基体组织是决定白口铸铁材料耐磨性的关键因素之一，不经热处理的铸态组织或经过不同热 处理的高铬白口铸铁的基体，在不同合金含量的情况下，可能是珠光体、奥氏体、马氏体或混合 组织。珠光体由于是脆性组织，且硬度不高。故一般不予选用过去，许多厂家选择白口铸铁基 体组织时，不分铸件工况条件和受力状态，选定为回火马氏体，甚至强调基体中残余奥氏体愈少 愈好，有的把残余奥氏体看成组织缺陷，甚至作为产品不合格的标准。研究表明【i 1 ，在不同磨损 系统中，基体组织对磨损行为的表现不同，因此应按磨损特点和零件的受力状态合理选择基体组 织，以最大限度地发挥材料潜力。在低应力磨料磨损条件下，马氏体基体一般来说具有最好的耐 磨性能：在需要承受一定冲击载荷的磨料磨损条件下，马氏体+ 贝氏体+ 奥氏体复相基体表现出怠 好的耐磨性，马氏体+ 贝氏体+ 奥氏体复相基体的中铬白口铸铁磨球在金矿球磨机上显示最好的耐 磨性能。并显示最小的破碎率，这与马氏体+ 贝氏体+ 奥氏体基体组织相间分布有关，即易产生裂 纹萌生的碳化物附近由贝氏体包围，贝氏体周围是奥氏体，而马氏体远离贝氏体位于奥氏体相变 的区域。在冲击磨料磨损中，即使碳化物发生裂纹，由于其周围基体是有一定耐冲击力的贝氏体 中同农业大学硕t 一学位论文 第一章引言 和奥氏体，加之奥氏体对裂纹有良好的钝化作用，使裂纹难以扩展，不象马氏体那样裂纹迅速连 接成网，加速基体疲劳剥落；在对硬度要求不高，而对冲击韧性要求较为苛刻的工况条件下，可 以考虑采用奥氏体作为基体组织使用 1 2 1 。这是因为以奥氏体为基体的含铬白口铸铁冲击韧性较 好，而且作业过程中在受到冲击的表孟上，奥氏体会发生加工硬化，硬度层硬度可达h v 9 0 0 9 5 0 ， 可以改善作业表面的耐磨性。另外，奥氏体基体比马氏体基体的耐腐蚀性要好。 1 2 2 碳化物的选择 通常认为，具有一定韧性的较硬基体上。均匀分布着孤立、坚硬的块状碳化物的组织，具有 较好的耐磨粒磨损的能力，弥散分布的二次碳化物对耐磨性也是有好处的，当然，这些碳化物的 类型及数量也非常重要，而碳化物的类型及数量主要是由铸铁中的铬及碳含量所决定，当然其他 合金元素对碳化物的类型及数量也有较大的影响 d - 1 4 。舍铬白口铸铁中的碳化物类型主要有m 3 c 型、m 7 c 3 型等其中m 3 c 型碳化物因本身结构的原因易于长成片状，甚至形成网状，从而降低 了材料的韧性，不利于材料耐磨性的发挥；在高铬铸铁中，随含铬量的增加，碳化物类型逐渐由 m 3 c 型向m 7 c 3 型过渡，m 7 c 3 型碳化物容易长成棒状，在基体中呈断续分布，而且m 7 c 3 型碳化 物硬度达h v l 0 5 0 1 5 0 0 唧，提高了材料的冲击韧性，是高铬白口铸铁具有良好耐磨性的一个主 要原因。选择好合适的基体组织以后，关键是使白口铸铁中的脆性相碳化物向孤立化和球化发展， 减小对基体的割裂作用，充分发挥基体吸收裂纹的能力研究者通过塑性变形、合金化、热处理 和变质处理等途径对改善碳化物形态作了大量工作。取得了良好的效果 1 5 - 1 8 。 1 2 3 基体与碳化物的界面结合强度 当磨粒棱角刺入材料表面时，磨粒与材料的相互作用过程与材料各相间的结合情况有关。不 同类型的碳化物与基体的浸润性不同，结合的牢固程度也不同；碳化物与基体相界处的纯净程度 也严重的影响着它们结合的牢固程度。结合强度低时，在硬磨料的冲撞下及摩擦作用下，碳化物 容易脱离材料表面，在软磨料作用下，也会产生疲劳脱落。因此，净化碳化物与基体的相界面、 提高碳化物与基体的浸润性，有利于提高它们的结合程度。另外，由于凝固过程中低熔点相容易 富集到相界面。对界面的结合有害，因此在生产中应该注意采用含硫、磷量低的原料 1 3f e c r - c 三元合金的凝固过程及组织分析 含铬白口铸铁具有优良的抗磨性能和较高的冲击韧性主要取决于它特有的凝固组织。含铬白 口铸铁的成分特征是以f e 、c r c 等为主的多元合金。图l - l 是f e - c r - - c 三元合金相图i l ，图l - 2 为j a c k s o n l 2 0 1 根据热分析法求得的f e - c r - c 三元合金液相点，画出的f e - c r - c 合金液相面图。从上 述两图可以看出，该图由5 个面组成，即铁素体，奥氏体、( c r , f e ) 2 3 c 6 、( c r , f e b c 3 、( c r , f e ) 3 c 型 碳化物。如图所示，b 点是三个液相面的交点。在平衡条件下，根据铬、碳含量可确定初生相的 种类： 1 ) 低碳、低铬时，初生相为a 相或y 相。 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章引言 2 1 低碳、高铬时，初生相为a 相。 3 1 中碳、中铬时，初生相为y 相。 4 ) 中碳、高铬时，初生相为k l 相，即( c l f e b c 6 碳化物。 5 ) 高碳、高铬时，初生相为k 2 相，即( c r , f e ) - ：c 3 碳化物。 6 ) 高碳、低铬时，初生相为k c 相，即( c f e ) 3 c 碳化物。 按照f e - c r - c 三元合金相图中共晶成分的位置，将铬、碳含量与亚共晶、共晶、过共晶区的 关系示于图1 - 3 【4 1 ，与二元f e - c 合金不同，合金的共晶度不仅取决于含碳量，而且还取决于含铬 量，c 、c r 量越高，过共晶程度越强。亚共晶高铬白口铸铁的凝固组织为：奥氏体枝晶+ 共晶组 织。离共晶线越远时，初生奥氏体量越多，枝晶间残留的共晶组织越少；共晶高铬白口铸铁的共 晶组织由共晶团( m 7 c 3 + 奥氏体) 组成；过共晶高铬白口铸铁的组织由初生相m 7 c 3 ( 棒状) + 共晶组织组成。 综上所述，含铬弧共晶自口铸铁的凝固组织一般由初生奥氏体+ 共晶组织组成，其中初生奥 氏体的稳定性受固溶入其中的c 、c r 及其他合金元素量的影响；含铬共晶白口铸铁凝固组织一般 由共晶舆氏体+ 共晶碳化物组成，视含铬量的不同，室温下奥氏体可能转变为其它较为稳定的组 织如珠光体，贝氏体，马氏体等；过共晶含铬白口铸铁的凝固组织由初生碳化物+ 共晶组织组成。 凰1 1f e o n c 三元台金盘体相图 5 窖 u 一 釜 4 6 4 0 3 ，5 3 。0 2 5 2 0 w ( c ) ( ) 图i - 2f e , c r - c = 元合金液相面围 1 i 9 1 0 1 52 02 53 0 w ( c r ) 围1 - 3 含铬白口铸铁铬、碳含量与共昌组织的关系 1 过共昌组织( 初生碳化物+ 共量体) 2 共晶组织 3 亚共晶组织( 初生奥氏体+ 共晶体) 6 萎u ￥ 1 4 含铬白口铸铁的研究现状 在含铬白口铸铁中，碳化物充当硬质点的作用。作为脆性组织，其数量、形态、分布等因素 都与断裂韧性密切相关。当含铬量较低时。碳化物主要为m 3 c 型，这种碳化物一般星网状分布， 割裂了铸铁的基体，对韧性造成很大的危害，在一般工矿条件下，这种白口铸铁经常呈现脆性断 裂，导致耐磨件磨损严重：随铬含量的增加，碳化物的类型由m 3 c 型向m t c 3 型转变。m 零3 型 碳化物倾向于棒状、孤立分布 9 1 ，对基体的割裂倾向减少，断裂韧性有了一定程度的提高，使中 铬白1 3 铸铁在水泥、建筑、矿山，电厂等生产领域获得了较为广泛的应用i ”j 。 为了最大程度地发挥耐磨件的耐磨性，除了合理地选择碳化物的数量、形态等参数之外，还 要对基体组织的类型结合具体工矿条件进行合理的选择u i , 2 1 j 。 在发生磨料磨损时，表面材料的损失是由介于两滑动面的粒子的作用引起的，材料的损失率 与磨损粒子和滑动表面的相对硬度有关，如果耐磨材料表面比磨粒硬度高，磨损速率就小，因此 耐磨件的表面必须具有相当的硬度才能有效地抵抗磨损，含铬白口铸铁具有较高的硬度，因此一 般适用于耐磨料磨损的场合合理的硬度选择不仅要考虑碳化物的数量、形态分布等因素，还要 考虑基体组织的类型，大多数情况下，基体组织选择为马氏体较为合适；不同的工矿腐蚀条件也 显著地影响着对基体组织状态的选择，化学和力学的协同破坏作用可以增加固体表面材料损失的 速率，腐蚀的反应产物，特别是坚硬的氧化物粒子，也会成为磨蚀粒子，从而导致磨损速率加快， 在一定的腐蚀环境下，奥氏体基体比马氏体基体具有更好的耐腐蚀性能田j 。随含铬量的提高，铬 系白口铸铁的耐腐蚀性提高，耐热性也较好，因此高铬白口铸铁特别适合在腐蚀气氛或高温磨粒 磨损下服役。 1 5 本课题研究的目标和意义 本课题紧密结合生产实际中存在的问题，致力于提高火力发电厂水力喷射器喉管和喷嘴的耐 磨性，提高使用寿命。具体研究目标是使喷嘴的使用寿命从现在的4 6 个月提高到1 2 年，喉 管的使用寿命从现在的4 - - 6 个月提高到8 1 2 个月，减少停机更换部件的频次，以提高劳动生产 率、降低成本，减轻现场工作的强度，为赶上世界先进水平迈出一大步，使我国火力发电厂水力 喷射器喉管和喷嘴的制造水平有较大提高，使高铬白口铸铁成功应用于此类耐磨零件。 1 6 研究内容和方法 在对水利喷射器喷嘴和喉管的现场工况条件充分认识的前提下，采用高铬自口铸铁材料铸造 生产这些耐磨零件，主要研究思路为：首先对高铬自口铸铁进行化学成份设计；在此基础之上， 对试制喷嘴和喉管的金相组织、硬度、碳化物类型等进行分析检测：采用滚筒式磨损试验机进行 磨损试验，以确定铸态试样和热处理态试样的磨损失重情况，便于选择合理的组织状态，有利于 耐磨性能的提高和使用寿命的延长。 拟采取的技术路线： 1 分析水利喷射器喷嘴和喉管的服役条件，确定磨损类型： 7 中国农业大学硕卜学位论文第一章引言 2 针对喷嘴和喉管的服役工矿和磨损类型、特征设计高铬铸铁的化学成份，制定冶炼及铸造工艺， 进而确定合适的热处理工艺； 2 实施以上试验，制作样品； 3 对样品的化学成份、金相组织、硬度、碳化物类型进行分析研究； 4 进行滚筒式磨损试验，对铸态和热处理态试样的耐磨性进行对比研究，分析不同显微组织组成 对耐磨性的影响； 5 论文撰写，提出结论及展望。 8 中国农业大学硕l 学位论文第二章高铬白口铸铁喷嘴与喉管化学成分的选择 第二章高铬白口铸铁喷嘴与喉管化学成分的选择 本课题中高铬白口铸铁喷嘴与喉管的化学成分选择主要依据具体工矿条件对材料的磨损和 腐蚀性能要求确定。水力喷射器是火力发电锅炉底渣的短距离水力输送设备，喷嘴与喉管是水力 喷射器上的两个关键零件删。用来输送含硫灰渣或石子煤，是火力电发电厂水力除灰渣系统中的 常用产品( 如图2 1 所示) 。这些常用产品主要有喷嘴、喉管、扩散管等。水力喷射器水的进口压 力为1 4 i 5 8 m p a ，出口压力为o 4 l o 4 6m p a ，用于试验的某电厂的出渣量为5 0 t h ，喷嘴水流 量为4 0 0 m 3 h 。含硫灰渣成分对喷嘴与喉管的损伤作用主要表现为：( 1 ) 破坏喷嘴与喉管内壁的氧 化膜，形成层状的腐蚀界面，从而成为热疲劳裂纹的起源点，促进热疲劳微裂纹的萌生；( 2 ) 含硫 灰渣成分不断向微裂纹的前沿处扩散和富集，使热疲劳和侵蚀交互作用，促进裂纹扩展；( 3 ) 含硫 灰渣或石子煤以一定的压力高速通过喷嘴与喉管时会对喷嘴与喉管造成一定的冲击和磨粒磨损。 不同生产厂家采用不同的材质生产喷嘴与喉管，其使用寿命差别巨大，在德国原装设备上这两个 零件使用寿命达6 年之久，国产零件使用寿命一般仅为4 6 个月。最长使用寿命不超过7 个月。 由于零件磨损严重，更换频繁，现场操作人员劳动强度大，换件时要停车，降低生产作业率。因 此，提高喷嘴和喉管的使用寿命十分必要。 喷嘴 图2 i 水力喷射器喷嘴与喉管安装示意图 喷嘴( 见图2 2 ) 与喉管( 见图2 - 3 ) 形状比较简单，通常用铸造方法制造，喷嘴是在灰水的 冲蚀下工作，喉管是在水和灰渣或石子煤混合的液固两相冲蚀工况条件下工作。既有一定的冲刷 磨损，又受到一定的腐蚀作用，因而其失效形式一般是冲蚀磨损而报废，提高其抗冲蚀磨损性能 是提高其使用寿命的主要途径。 固2 2 水力喷射器喷嘴示意图圈2 - 3 水力喷射器喉管示意图 化学成分对金属材料组织性能具有决定性的影响，对含铬耐磨白口铸铁而言。同样如此。随 9 中国农业大学硕卜学位论文第二章高铬白口铸铁喷嘴弓喉管化学成分的选择 碳、铬等元素含量的增加，含铬白口铸铁将由亚共晶白1 2 1 铸铁，过渡到共晶白口铸铁，进一步增 加碳、铬等元素含量，将过渡到过共晶白口铸铁。化学成分的不同将使基体组织和碳化物的类型、 形态及分布等产生较大差异，从而产生力学性能的差异。 调整化学成分可使含铬白口铸铁基体组织为珠光体、奥氏体或马氏体等；大量研究也表明， 调整合金白口铸铁中某些组元的成分可改变碳化物类型，从而导致碳化物形态发生改变。含铬白 口铸铁中的含铬量与碳化物类型关系十分密切，当含铬w ( c r ) 1 0 ，w ( c r ) w ( c ) 4 时，共晶碳化 物由板片状的m 3 c 型转变为m 7 c 3 型。 2 1 合金元素的作用 在合金白口铸铁中起主要作用的合金元素有碳、铬、硅、锰、钼、铜、镍、钨、钒、钛等。 在碳、铬及其它合金元素含量的选择上，主要应该考虑两个因素：首先要避免形成珠光体组织， 即要么基体组织选择为马氏体，要么选择为奥氏体，当然也可选择为贝氏体等组织，这就要求奥 氏体中固溶一定量的碳及合金元素以提高淬透性，从而获得马氏体组织，或者进一步提高奥氏体 的稳定性以使白口铸铁的基体组织在室温下处于奥氏体状态；其次是要保证能够形成一定数量的 碳化物，而且碳化物的类型选择要合理，以使其呈弥散、断开分布。 ( 1 ) 碳 在所有的合金元素中，碳对于钢铁材料组织和力学性能的影响最为显著。碳在铸铁中的存在 形式主要可分为两部分：一部分碳固溶于奥氏体中，可以较大程度地将1 r r 曲线向右推移。从 而提高基体组织的淬透性，获得碳过饱和的马氏体组织，导致基体组织发生大量的晶格畸变，从 而起到强化基体的作用；另一部分则与碳化物形成元素发生作用，形成各种类型的碳化物。耐磨 白1 2 1 铸铁中，碳化物是较硬的耐磨相，而奥氏体或马氏体等基体组织则起到骨架的作用。增加白 1 ：1 铸铁的含碳量，同时给予适当的热处理以调整组织就可能使硬度及耐磨性有较大的提高。但碳 量过多可能会减少横向断裂韧性，增加脆性。碳量越高，冲击韧性越低，而且碳含量的增加对于 铸铁的耐腐蚀性有害。因此选择碳量时需要综合考虑淬透性、硬度、碳化物形貌及耐腐蚀性等多 种因素，因此本课题把碳含量定在2 8 3 2 之间。 ( 2 ) 铬 铬在白口铸铁中所起的主要作用是：形成碳化物、提高耐腐蚀性、稳定高温下的组织。铬是 强烈形成碳化物的合金元素。它将降低共晶碳量。提高铬和碳的含量可增加碳化物数量，从而提 高耐磨性，但同时降低韧性。碳化物的数量可由下式估算例： 碳化物的质量分数= w ( c ) 1 2 3 3 + w ( c r ) 0 5 5 1 5 2 ( 2 一1 ) 从上式可看出，铬增加碳化物的作用没有碳的作用大，因此一般用提高含碳量的方法提高碳 化物的数量。铬一部分用于形成碳化物。另一部分溶入基体，提高基体的淬透性。溶入基体的铬 量为删： 基体中铬的质量分数= 1 9 5 ( c r c a 4 7 ( 2 - 2 ) 随白口铸铁中铬量的提高，组织和性能发生重要变化，碳化物类型由( c r , f e ) 3 c 型转变为 ( c r , f e ) t c 3 型；碳化物的硬度显著提高，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1 2 1 铸铁的韧性和强度。铬的含量低于7 时，组织中存在连续的 1 0 中同农业大学硕卜学位论文第二章商铬白口铸铁喷嘴弓喉管化学成分的选择 m 3 c 型碳化物，使强度和挠度均降低。铬的质量分数从9 开始，由于形成了不连续的m 7 c 3 型 碳化物，强度和挠度得到提高，当铬的质量分数达到1 2 1 9 时，性能达到最高值。为了防止 粗大初生碳化物的产生，保证其碳化物形成高硬度的孤立状的( c r , f e ) ，c 3 型理想抗磨相，选择好 适宜的c r c 值是十分重要的。多数高铬铸铁中铬的质量分数在l l 2 3 之间变动，c f 肥值为 4 8 。同时，铬虽然多数与碳结合形成碳化物，但尚有部分溶解在奥氏体中，起到强化基体、增 加铸铁淬透性的作用，同时又能提高基体的电极电位。根据钝化理论，铬可在金属表面生成致密 的钝化膜，阻止化学腐蚀，使抗蚀能力和抗高温氧化性能增加。综合以上考虑，本课题将铬量确 定为2 5 左右。 ( 3 ) 硅 硅是钢铁材料中的常存元素，由于硅和氧的亲和力大于锰、铬、钒等，在熔炼过程中，它可 以减少这些元素的氧化损失。硅还是强烈的石墨化元素，在白口铸铁中是被限制的元素。这是因 为硅增加碳的活度，促进石墨形成，阻止白口产生。硅的促进石墨化作用在含量为1 0 2 0 时极为显著。另外。硅降低淬透性，容易促使形成珠光体，影响材料的耐磨性。低合金白1 3 铸铁 中w ( s 驴1 左右；高铬白口铸铁含硅量经常控制在w ( s i ) = o 4 o 7 。硅量过低，对脱氧不利。 而且硅量低于0 4 ，在感应炉中熔炼，可能使渣的粘度太大。硅是降低淬透性的元素，含硅高会 导致产生珠光体。过多的硅容易导致基体的脆性增加，所以应对硅量进行限制 2 4 l 。 文献p s i 认为，硅能够改善铸铁基体界面的强韧性。同时硅可提高基体的电极电位，因而能增 加耐腐蚀能力；与一般结论不同，文献 2 6 1 报道，s i 在中铬白口铸铁中有使( c r , f e ) t c 3 量增加的趋 势，而( c r , f e ) t c 3 量的增加有利于铸铁冲击韧性的提高。综合以上的观点，本试验中将硅含量选 择为较低的含量是合适的，本文将硅含量限制在0 5 - - 0 8 之间。 ( 4 ) 锰 锰在铸铁中一部分以固溶体形式存在于奥氏体中，有效降低m s 点，使c 曲线右移，起到奥 氏体稳定化作用，使淬透性明显提高，具有抑制珠光体形成的作用；另一部分锰溶入碳化物中， 起到强化合金碳化物的作用。锰还可以提高高铬铸铁的回火抗力，随含锰量的增加，最高回火硬 度又降低的趋势，而且达到最高回火硬度所需要的时间。锰含量较高的奥氏体组织，具有较高的 韧性、塑性和加工硬化性质，在白口铸铁的金相显微组织中，少量残留奥氏体的存在是有利的， 这是因为奥氏体在冲击载荷或压应力的作用下，容易诱发成马氏体从而使表面硬化。锰与钼联合 使用对提高淬透性具有很好的效果，但锰剧烈地降低m s 点，造成大量残留奥氏体，这对提高耐 磨性也不利。因此确定含锰o 以1 0 。 ( 5 ) 钼 钼在白口铸铁中，大部分与碳结合形成m 0 2 c ，一部分进入碳化物，另一部分溶入基体，溶 入基体中的钼提高铸铁的淬透性，随钼量的增加。淬透性改善。铝提高含铬白口铸铁淬透性的能 力与c r c 比有紧密联系。当钼与铜、镍、铬中任一元素同时添加时，提高淬透性的作用更加明 显。为了空淬得到马氏体组织，提高淬透性，使基体有足够的耐磨性和强度，加入1 5 - - 2 2 的钼， 提高淬透性。但是，钼的价格过高，限s t j - f 其在含铬白口铸铁中的应用。本文确定钼的含量为 1 8 3 。 ( 6 ) 钒 中国农业大学硕仁学位论文第二章高铬白口铸铁喷嘴与喉管化学成分的选择 钒是强碳化物形成元素，铸态下形成初生碳化物，或二次碳化物，增加白口铸铁的激冷程度。 少量的钒就可使粗大的柱状晶细化田j 。另外，由于钒与铁液中的碳结合，导致基体碳量降低，从 而提高马氏体转化温度，促使自口铸铁在铸造条件下基体完全转变为马氏体。但是钒的价格也很 高，因而其应用也受到一定的限制。在本课题中暂时不考虑加钒。 2 2 有害元素的表现 ( 1 ) 硫 硫是铸铁中常存元素之一。硫的含量虽然不大，但是波动范围却很大( 含量高低相差近百倍) ， 对铸铁质量的影响很大。硫与铁形成f e s 、f e s 2 与f e 2 s 3 等三种硫化物。f e 2 s 3 很不稳定，加热到 2 0 0 3 0 0 即分解为f e s 与f e s 2 。f e s 2 也很不稳定，在一个大气压下，加热到7 0 0 时，分解为 f e s 与s 2 。因此在铸铁熔化的温度范围，只存在f e s 2 s l 。硫在铁液中主要以f e s 形式存在，f e s 的熔点为1 1 8 9 c 。硫在铁液中溶解度极大；在固态铁中溶解度极小。铸铁凝固时，不能固溶于铁 中的硫，或者说f e s ，浓集在结晶前沿的铁水中。由于结晶凝固范围大，更加促进了凝固过程中 硫的偏析。先结晶凝固的地方含硫低，后结晶凝固的地方含硫高，最后凝固的晶粒边界便富集了 硫，形成连续或不连续的、富硫的、低熔点的f f e s f 熔点仅为9 8 9 ( 2 ) 共晶脆性相，从而削弱了 晶粒间的结合。铸铁中含有碳、硅和锰等多种元素，因此在铸铁中除了以上硫化物外，还会出现 m n s ，m n - f e s 共晶体。铸铁中的常存元素中，硫对铁水的表面张力影响最大网 金属液体结晶过程中自由能的变化与表面张力有关1 3 0 1 。表面张力低，临界晶核半径小，成核 率高。从这一点讲，硫减小结晶进行的过冷度。 硫在石墨及渗碳体的各个界面上的吸附不同。硫主要吸附在棱面上，降低了棱面的界面能， 使石墨及渗碳体沿棱面容易长大，铁水中加入镁及铈，经大量脱硫，减小了硫在棱面上的吸附量， 增大了石墨及渗碳体的界面能，便之沿基面成长相对较为容易。 总而言之，硫在铸铁中是一种有害的元素，可以设想，对于高铬白口铸铁而言，不利于渗碳 体的网状断开。在固态下，硫既不增加渗碳体的显微硬度，也不强化铁素体基体。对奥氏体转变 的c 曲线也没有什么影响，虽然有稳定珠光体的作用，但却增大临界冷却速度，对珠光体没有起 到细化的作用，硫的各种硫化物在晶界的偏析弱化了晶界，造成了铸铁脆性的增加。当硫含量超 过o 1 时。低熔点硫化物就容易聚集到晶界。起到不良的作用，因此在生产上都力求控制硫的含 量。这方面的措施一般主要是从原料上把好关。 ( 2 ) 磷 磷在钢铁材料中是有害的杂质元素，磷的存在剧烈的降低钢铁材料的塑性和韧性，并且提高 韧脆转变温度，磷在铸铁中还易偏析于晶界处形成低熔点，高硬度的脆性共晶相，大幅度降低铸 铁材料的韧性。因此，在生产实践中要尽可能地控制硫、磷等杂质的含量。以期减小杂质元素的 有害作用。 ( 3 ) 氧 氧在钢铁材料中是有害的杂质元素。在冶炼及浇注过程中，铁液中容易吸入大量的氧，高温 的铁液与铸型型壁处的水分、涂料等都会发生复杂的反应，反应生成的氧也会侵入到金属的液体 中。氧在高温下与铁、铬等元素的亲和力很强，一方面造成铬的烧损；另一方面，氧化物是脆性 1 2 中国农业丈学硕l 学位论文 第二章高铬白口铸铁喷嘴与喉管化学成分的选择 相，对韧性不利。 2 3 喷嘴与喉管白口铸铁化学成分的选择 根据以上的分析，设计了喷嘴与喉管白口铸铁的设计成分见表2 - 1 所示。 事实上，在白口铸铁的化学组成中，不可避免地会存在p 、s 、0 等杂质元素，因此在配料的 时候选用了含p 、s 量少的原料。原料中p 、s 等杂质元素的含量均控制在0 1 以下。 表2 - 1 喷嘴与喉管白口铸铁的设计成分( 呦 第三章铸铁溶液凝