（材料加工工程专业论文）氧化铝矿用渣浆泵过流件用cr28研究.pdf

垦望型三查兰堡兰垡丝苎 一一 摘要 本文针对氧化铝矿用渣浆泵过流件材料的研究和应用现状，通过改善化学 成分和组织，得到了新型的渣浆泵过流件材料高铬铸铁c r 2 8 。确定了这种高铬 铸铁过流件较佳的热处理工艺。应用定向凝固技术得到了碳化物垂直于工作面 的高铬铸铁c r 2 8 过流件试样，使材料的耐磨蚀性能得到大大提高。分析了材料 失重过程中腐蚀磨损的交互作用。 渣浆泵过流件受高温强碱性且携带硬质氧化铝颗粒的矿浆的腐蚀磨损，理 想的组织为回火马氏体+ m 7 c 3 型碳化物+ 二次碳化物+ 少量残余奥氏体。设计 过流件材料高铬铸铁的化学成分如下：c r ： 2 7 2 9 、c ：2 4 - - 2 6 、m o ： 0 8 1 0 、s i ： 1 4 、温度 8 0 ，对过流部件造成 严重的腐蚀磨损。金属的腐蚀包括化学腐蚀和电化学腐蚀，化学腐蚀是金属与 液体介质直接反应而使金属流失，电化学腐蚀是在液体介质作用下金属表面形 成微电池而使材料流失。由于使用的高铬白口铸铁材料都是多晶多相材料，因 此，主要发生电化学腐蚀。腐蚀会使渣浆泵过流件被剥蚀破坏，使物性曲线改 变，性能下降；使泵产生噪音和振动。腐蚀是水力机械向高速发展的巨大障 碍，氧化铝矿浆浆料具有高温强碱性，易结疤，其对泵过流部件的腐蚀即是这 种表现。 在强碱环境下高铬白口铸铁材料的腐蚀电位位于活化区，呈阳极溶解状 态，如果过流件材料抗高温强碱腐蚀性能不足，其阳极活化溶解腐蚀剥落会是 失效原因之一。一方面，基体因强碱腐蚀丽产生碱脆裂纹，即阳极溶解型应力 腐蚀开裂，并由表层扩展至亚表层呈网状分布，极大地剥裂了基体，在冲蚀磨 损中剥落。另一方面，过流件表面材料受到严重的相界腐蚀，使金属表面晶粒 f u j 形成裂纹，导致晶粒或碳化物失去基体的支撑。这样就会在携带氧化铝矿颗 昆明理t 大学硕十学位论文 粒的浆料的冲刷下发生脱落。 在强碱中，高铬铸铁的常温腐蚀的阴极反应是氧去极化，受氧含量和氧扩 散速度的限制，腐蚀以较低的速度进行。而在8 5 以上，腐蚀的阴极反应是氧 和水分子共同去极化，腐蚀以较高的速度进行。故在本工况下，高铬铸铁材料 受热强碱腐蚀影响更加明显。 ( 3 ) 气蚀损伤 3 5 - 3 s 在渣浆泵的运转过程中，其过流部件局部区域( 通常是叶轮进口稍后 处) ，由于某种原因，抽送液体的绝对压力下降到当时温度下的汽化压力时， 液体便在该处开始汽化，产生蒸汽，形成气泡。矿浆中的气泡在过流件某些部 位因高压而急骤地缩小以致溃灭，同时液体高速填充空隙形成水击。这种高频 ( 6 0 0 2 5 0 0 h z ) 高压( 压力达4 9 m p a ) 的微喷射流冲击，象无数小弹头一样连续 地打击金属表面使过流件表面金属因冲击疲劳而剥裂，造成材料损失。严重时 金属表面呈现蜂窝状，以致穿孔而失效。通常气蚀的发生在叶轮出口和压水室 外进口处等部位。 图2 4 所示的是泵过流部件气蚀破坏的典型部位。泵内部流动方向急剧变 化，液流角度和叶片角度不一致或断面突然变化处，若产生局部气蚀，则在此 稍后部位往往出现气蚀破坏点。在叶片进口低压部位产生的气泡并不在稍后处 消失，一般在叶轮出口处以至壳体中破裂。 图2 4 渣浆泵气蚀破坏示意图 - 7 一 昆明理工大学硕士学位论文 需要指出的是，像氧化铝矿浆这样含有固体颗粒的液固两相浆体，一方面 空气核数量比清水时大为增加，另一方面在液固速度差较大的部位产生压力降 低，这些都将更易造成气蚀磨损。 在各种失效因素中，气蚀损伤与浆料的固液流动规律和渣浆泵的结构设计 有很大关系，与高铬铸铁材料性能关系不大。王瑞红、王超通过观察重介质旋 流器用离心式渣浆泵过流部件表面的磨损部位、磨损形状、磨损颜色，认为三 种磨损形式中以水流动力学磨粒磨损为主，气蚀磨损、腐蚀磨损为辅，同时气 蚀磨损、腐蚀磨损将加剧水流动力学磨粒磨损1 2 3 1 。而李卫、涂小慧等认为氧化 铝矿浆渣浆泵泵壳、叶轮等过流件的失效主要是强碱腐蚀和冲蚀磨损相互促进 的综合作用，而腐蚀所起的作用更加重要1 2 1 d 2 。作者认为在一定工况下，明 确腐蚀和磨损在过流件失重过程中的作用分量是个值得研究的问题。在第五 章我们将对这个问题进行具体研究。 1 2 1 3 影响过流件使用寿命的因素 渣浆泵使用寿命与很多因素有关，例如泵的水力设计、工况点参数f 过流 部件几何形状和参数、流量、扬程、转速等) ，输送浆体性能参数( 流变特 性、浓度、流速、颗粒粒径、粒形、密度等) ，过流件材料性能( 冲击韧性、 硬度、金相组织、热处理条件等) 以及现场使用条件( 管路长度与布置、吸上 或者倒灌安装情况、连续运行或者间断运行、工作班次及时间长短等1 3 9 - 4 0 l 。 ( 1 ) 浆料因素 浆料浓度和流速。在同样的运转条件下，随浆料的浓度降低，也即浆料中 固体颗粒含量降低，固体颗粒的冲刷作用减弱，渣浆泵过流部件的使用寿命提 高。而浆料流速加大，单位时间内固体粒子对材料表面冲击次数增多，材料流 失数量增加。许洪元等人的研究表明，叶轮的磨损强度与其转速呈5 次方的关 系h “。所以浆料流速的增大，将加快过流部件的磨损，降低使用寿命。在氧化 铝矿浆中，固体含量甚至达到4 0 以上，加剧了氧化铝矿浆对过流件表面材料 的冲刷磨损作用。 浆料酸碱度。在固液浆料中使用时，除了固体粒子冲刷造成材料的流失 外，浆料的腐蚀作用也会造成材料的流失，同时腐蚀和冲蚀磨损问的相互作用 更加剧了材料的流失，这一点对p h 4 昆明理工大学硕七学位论义 时，腐蚀作用逐渐减弱，材料磨损以固体粒子的冲刷作用为主a 但是在p h 1 4 的强碱环境下，材料因腐蚀和冲蚀磨损而产生的失重又会增大，特别是在高 温条件更加明显【4 “。 粒子尺寸、硬度和冲击角度影响h 3 1 m 。浆料中固体粒子大小、硬度及粒 子对材料表面的冲击角度也对材料的冲蚀磨损产生很大影响。在矿浆浓度和酸 碱度相近时，如果固体粒子尺寸较小、硬度较低，相应的粒子冲击能量较小， 过流部件的使用寿命可提高6 1 0 倍。而冲击角度的减小，有效参与冲蚀磨损 的磨料增加及磨料的切削作用加大，使磨损速率增加。y o s h i r o i w a i 等人研究 s u s 4 0 3 不锈钢的冲蚀磨损表明，在冲击角为4 5 。时，磨损速率最大。而热轧 2 7 s i m n 在冲击角为3 0 。时的冲蚀磨损速率最大。可见，随过流件材料的不同， 磨损速率最大的冲击角也不尽相同1 4 5 1 。在氧化铝矿浆中，以氧化铝为主的固体 颗粒硬度非常高，在渣浆泵工作过程中对过流件表面材料的磨损作用大增，这 是氧化铝矿浆区别于其他普通浆料的重要特点之一。 ( 2 ) 过流件材料因素 碳化物的影响。由于高硬度的碳化物对基体有保护作用，所以碳化物体积 分数增加会使过流件材料抗磨能力提高，但是过高的碳化物体积分数会使基体 被严重割裂，降低材料的抗裂纹扩展能力。碳化物尺寸对高铬铸铁材料抗磨性 和抗断裂能力也有较大影响，过于细小的碳化物可能因不能抵抗氧化铝矿浆中 固体颗粒磨料的切削力而折断，或者被大颗粒磨料直接整块削去，起不到抵抗 磨损的作用，导致磨损失重量增加；而碳化物尺寸过大时，在磨损过程中难以 受到基体的支撑，因而碎裂倾向增大，剥离造成的失重和基体磨损失重都相应 增加，从而降低过流件使用寿命 4 6 1 4 7 1 。 基体组织的影响。一般来说，高铬铸铁的总磨损率由碳化物和基体两者的 磨损机制麸同决定，而抗磨能力较强的硬质相的磨损率是起主导作用的因素。 基体组织是抗磨弱相，但是它对抗磨骨架相的保护作用却是不可低估的。与碳 化物本身或碳化物一基体界面相比，基体组织更能使裂纹钝化，即具有更高的 断裂韧性。基体组织的硬度也决定了它对碳化物的支撑能力的强弱，间接影响 了材料的抗磨性能和过流件的使用寿命。一般马氏体基体比奥氏体基体能为合 金提供较好的抵抗应力磨损抗磨性，但动态断裂韧性较低。具体的使用依工况 和使用要求决定【4 8 l 。 昆明理工火学硕士学位论文 1 。2 2 其它材质的发展现状 由于普通白口铸铁碳化物以网状渗碳体为主，基体组织以珠光体为主，因 而硬度和冲击韧性较低，耐磨性较差，同时各相之间电极电位差较大，电化学 腐蚀较严重，所以在渣浆泵过流件中应用较少。这里主要介绍低合余白口铸 铁、镍硬铸铁、奥贝球铁a d i 等金属材料和复合材料、高分子材料的发展现 状。 ( 1 ) 金属材料 低合金白口铸铁。这里将锰系、钨系白口铸铁以及低铬白口铸铁都归到低 合金白口铸铁范围内。 锰白口铸铁是以铁和锰的碳化物为抗磨骨架相的自口铸铁。其成分范围 为： 2 6 3 8 c ，2 0 7 0 m n ，0 6 1 2 s i 。锰在缎织 中均匀分布，由于奥氏体中溶有较多锰，在冷却转变时，金属基体按照类似于 锰钢的性质转变，可以通过改变冷速或添加合金元素的办法来改变奥氏体转变 产物及其性能。承受较低冲击载荷及产生冲刷磨损的零件，如渣浆泵泵体、叶 轮，可选用较高的含碳量，增加组织中的碳化物量，经过适宜热处理后，其抗 磨性能比普通白口铸铁优越得多【3 】。但是在氧化铝矿浆腐蚀磨损情况下，锰白 口铸铁过流件的硬度不足以抵抗高硬度氧化铝矿颗粒的冲击、切削，材料流失 较快，渣浆泵使用寿命很短。 钨系合金白口铸铁以抗腐蚀磨损及抗冲蚀磨损能力强而著称。这种抗磨材 料适用于制造渣浆泵过流件及水力输送物料装置的易磨损件。选煤厂、火力发 电厂、金属选矿厂采用钨合金白口铸铁零件，都能收到良好的抗磨效果。钨白 口铸铁含钨量一般为9 2 0 ，它的抗冲蚀能力随含钨量的增加而增加。用 二f 以抗腐蚀为主的场合，宜选取较低含碳量( 2 0 2 2 ) 。用于磨粒强 烈冲刷的场合，可选取较高含碳量( 2 8 3 2 ) 。我国的钨资源丰富， 充分利用这一有利条件开发我国钨系抗磨铸铁是有广阔前途的。 我国于1 9 7 3 年开发丁 m n 5 w 3 低合金白1 2 1 铸铁，作为渣浆泵过流部件材质。 其成分主要是在普通白1 2 1 铸铁的基础上加入了( m n ) = 4 0 6 ，耐w 、 ：2 5 3 5 ，其显微组织为：共晶碳化物 ( f e m n w ) 3 c 】十马氏体基体十 残余奥氏体，碳化物呈断续网状分布，硬度为职c5 5 6 5 。m 5 w 3 低合金白口 铸铁生产的叶轮的使用寿命较普通白口铸铁能提高近1 0 倍【2 1 。 昆明理工大学硕士学位论文 我们一般把含铬量2 5 的白口铸铁称为低铬白口铸铁，在抗磨料磨 损性能及性价比方面优于碳钢和一些低合金钢。多年来，改善低铬铸铁使用性 能的研究大部分集中于改变碳化物的形态和分布方面。例如，采用变质处理改 变碳化物的形核条件和晶体生长机制，使碳化物弥散化并改变其形貌。但是低 铬白口铸铁碳化物类型为渗碳体。其耐磨性低于具有m t c 3 型碳化物的高铬铸 铁，这使得很难作为过流件材料来抵抗氧化铝矿浆的冲蚀磨损。 镍硬铸铁。镍硬铸铁是2 0 世纪3 0 年代开始发展应用的合金白口铸铁。镍硬 铸铁问世后，合金白口铸铁开始代替非合金白口铸铁，这在抗磨料磨损材料发 展历史上是一个重要的转折 4 9 1 。 我国在t 9 8 1 年起开始在渣浆泵过流部件上应用镍硬1 和镍硬4 ，取得了较 好的使用效果。镍硬1 生产的6 p s 泵叶轮在洗煤厂使用寿命为4 2 2 3 h ，而同样 的镍硬4 叶轮使用寿命3 4 3 4 h 。镍硬1 是在普通白口铸铁基础上添加了( o r ) = 1 5 2 6 ，似n = 3 3 4 8 ，显微组织为马氏体十残余舆氏 体十m 3 c 型碳化物，硬度为h r c 5 2 6 0 ，冲击韧性3 5 j c m 2 。由于镍硬l 含 铬量较低，碳化物为渗碳体型，所以冲击韧性较低。镍硬4 提高了含铬量和含 镍量，降低了含碳量，( c ) = 2 6 3 2 ，( c r ) = 8 0 9 o ， o ( n i ) = 5 0 6 5 ，显微组织为马氏体十残余奥氏体十m 3 c 型十m 7 c 3 型 碳化物，由于m 7 c 3 型碳化物占多数，且其硬度高，孤立分布，所以镍硬4 硬度 较高，h r c5 5 6 4 ，冲击韧性较高，钒为7 9 j e r a 2 ，适用于尺寸较大的泵 1 5 0 - 5 2 。但由于我国镍资源的稀少，镍的价格较高，镍硬铸铁在渣浆泵过流件中 的应用并不合适。 奥贝球铁a d i 。a d i ( a u s t e n i t e d u c t i l e i r o n 的缩写) ，在中国被翻译为奥贝球 铁，自从2 0 世纪7 0 代初在美国、中国、芬兰等国分别独立地成功生产出a d i 零 件以来，在发达国家，尤其是美国取得了迅速发展。由于其优良的综合力学性 能，使其不但成功地用于汽车曲轴和齿轮，而且作为耐磨材料而用于球磨机磨 球，虽然其在渣浆泵中的应用还很少报道，但是它在渣浆泵上的应用有着明显 的技术优势：a d i 的硬度略低于高铬铸铁，但残余奥氏体的加工硬化作用可部 分弥补这一不足；而且其韧性大大高出后者，有着硬度和韧性的最佳配合；不 加或加少量的贵重合金就会得到有良好机械性能的a d i ：有优良的铸造性能； 热处理工艺不十分复杂：重量轻；可用冲天炉熔化。日本学者在研究a d l 在传 送湿态介质的管道应用时，对a d i 的抗磨性能与铁素体球铁( f d i ) 及珠光体球 昆明理工大学硕= l 学位论文 铁( p d i ) 进行了对比实验，表明a d i 的磨耗为p d i 的1 1 0 ，f d i 的1 2 5 ，其磨 损形念也有很大不刚5 3 】。清华大学李双寿等人对a d i 叶轮在实验室进行了台架 斌验，较系统地研究了决定叶片磨损失效的因素，如a d i 的化学成分和热处理 工艺，以及叶型、磨料种类等，为a d i 在渣浆泵过流部件上的应用提供了指 导。可以预计该材质将来在小型渣浆泵和含泥沙量大的清水泵中会得到应用 1 5 4 - 5 5 1 。 ( 2 ) 复合材料 陶瓷表面涂层。陶瓷材料虽然具有高硬度，耐磨损，耐腐蚀等特性，但是 出于其本身又具有脆性大的缺点，使其还难以在渣浆泵上应用。然而采取表面 涂层的方法，在金属表面形成陶瓷涂层，既发挥陶瓷材料耐磨损、耐腐蚀特 性，又提高了金属材料的使用寿命，不失为渣浆泵过流部件材质研究发展的一 个方向。h x z h a o 等人采用等离子喷涂方法，在s u s 3 2 9 j 1 双相不锈钢表面 形成了c r 2 0 3 涂层、a 2 0 3 啊0 2 涂层、z r 0 2 8 y 2 0 3 涂层。在喷射和旋转试验机上 采用石英砂十粉煤灰十石膏混合浆料进行试验，结果表明c r 2 0 3 涂层明显提高 了s u s 3 2 9 j 1 双相不锈钢腐蚀冲蚀磨损耐磨性能。蒋业华、李祖来等针对承受严 重冲蚀磨损的渣浆泵过流件，采用砂型负压铸渗工艺制备了w c 灰铸铁基表面 复合材料，这种材料具有良好的微观组织结构和优异的抗冲蚀磨损性能，抗冲 蚀磨损性能是c r l 5 m 0 3 的2 7 倍【5 6 】。但该方法还存在很多问题需要解决，例如 气孔、夹渣、渗透能力差、渗透深度不均匀、粘砂和表面粗糙度高、不易进行 机加工等等，这些问题制约了该工艺在渣浆泵过流件中的推广和应用。 ( 3 ) 高分子材料 目前先进的高分子材料，例如聚氨酯弹性体和环氧树脂，以及由它们为基 体制备的复合材料，在浆液冲蚀磨损和腐蚀磨损领域中应用日益受到关注。这 是因为，一方面高分子材料在耐酸碱腐蚀方面有天然的优势，而且密度小；另 方面这些高分子材料的抗冲蚀性能能够与高铬铸铁等媲美。卢德宏、黎清宁 等在模拟渣浆泵叶轮的工况条件下，对此研究了高铬铸铁、环氧树脂基复合材 料和聚氨酯弹性体3 种适合渣浆泵零件使用的耐磨材料的冲蚀磨损性能和磨损 机理，为聚氨酯弹性体的实用打下基础【矧。但是高分子材料昂贵的价格使渣浆 泵过流件生产成本大大升高，成为其在工业应用中的主要障碍。 昆明理t 大学硕士学位论文 1 3课题的研究意义及总体方案 1 3 1 课题的研究意义 氧化铝是国民经济的一种重要战略物资，它不仅是电解铝厂的重要原料资 源，也是房地产、汽车、电子电器等产业的重要的消费对象，此外还是交通运 输、船舶重要的材料。随着社会的进步和人们生活水平的提高，铝的需求将不 断增加，到2 0 0 5 年世界氧化铝市场出现了大转折，氧化铝缺口将达到1 9 0 万 吨。 作为输送氧化铝矿浆的主要设备，目前仅中铝河南公司就有渣浆泵5 0 0 台 以上，其它几个氧化铝厂的用泵量也很大。铝业的蓬勃发展必然带来渣浆泵需 求的增加。但由于渣浆泵在氧化铝浆料中工作，受到固体和液体两相流动的作 用，浆料中的固体颗粒和强碱性介质对泵的过流部件产生不同性质的损伤，损 伤后泵的性能急骤下降，使泵的过流部件磨损失效，雨不能正常工作，导致生 产受到很大的影响。又由于频繁地更换过流部件，不仅增加了备件的消耗费 用，更增加了工入的检修工作量。因此提高渣浆泵的效率和使用寿命具有重要 的社会效益和经济效益。由于泵内两相流动极其复杂，研究符合其流动规律的 叶型和流道，提高效率，难度很大。而在高温强碱性氧化铝矿浆腐蚀磨损工况 下，为了使渣浆泵过流件材料具有优秀的耐腐蚀磨损性能，就要求材料具有很 高的硬度和耐热强碱腐蚀性能，同时具有一定的冲击韧性。所以，通过合理设 计过流部件的抗磨蚀材料来减少金属的磨损，延长渣浆泵的使用寿命，是摆在 氧化铝生产面前首要问题，也是目前国内外学者研究渣浆泵的重要内容。 在渣浆泵过流件生产中，先后采用了普通白口铸铁、镍硬铸铁和商铬铸铁 c r l 5 m 0 3 等耐磨材质，现在陶瓷材料、奥贝铸铁a d i 、高分子材料和含c r 2 0 以上的高铬铸铁等新型材料也开始被局部使用。由于普通白口铸铁碳化物以网 状渗碳体为主，基体组织以珠光体为主，因而硬度和冲击韧性较低，耐磨性较 差，同时各相之间电极电位差较大，电化学腐蚀较严重，所以在氧化铝矿用渣 浆泵过流件中普通白口铸铁应用较少，而主要是以高铬铸铁和镍硬铸铁为主。 其中含c r 2 0 以上的高铬铸铁硬度较高，不但耐腐蚀性好，耐热性和耐磨性也 很好，因此研究和开发各种工况下的新型渣浆泵过流件高铬铸铁材料也成为一 个备受广泛关注的课题。所以我们提出研究氧化铝矿渣浆泵过流件材料高铬铸 铁这个课题旨在通过改进高铬铸铁耐磨蚀合金材料和工艺，使其具有较好的 1 3 昆明理工大学硕士学位论文 综合力学性能和耐磨蚀性，提高渣浆泵过流件的使用寿命。 为此，本文将全面系统地研究高铬铸铁的成分、组织、热处理工艺和定向 凝固，以及这些方面对高铬铸铁耐磨蚀性能的影响，从而设计出一种适合氧化 铝矿渣浆泵过流件工况r 使用的新型高铬铸铁和生产加工工艺，为其在渣浆泵 过流件实际工厂生产中打下基础，本文的研究内容具有重要的实际意义和理论 意义。 13 2 研究总体方案 针对目前渣浆泵过流件材料的研究和应用现状，本文将系统地研究新型高 铬铸铁的组织成分、热处理、定向凝固以及耐磨蚀性能等方面的问题。 ( 1 ) 选择合适的高铬铸铁组织与化学成分。 通过对工况和一般渣浆泵过流件失效原理的分析，选择合适的高铬铸铁组 纵和化学成分，包括碳化物、基体组织的类型、分布、性质和高铬铸铁中碳、 铬等主要元素的含量等多个方面，然后通过冲蚀磨损试验重点考察了镍、稀土 这两种添加元素的最佳添加量。 ( 2 ) 研究所设计商铬铸铁的热处理工艺， 通过系列的热处理试验，研究高铬铸铁的淬火、网火工艺，包括淬火、 回火温度和保温时问等，以获得较佳的综合力学性能， ( 3 ) 研究定向凝固方法制各高铬铸铁。 设计简易装置制各定向凝固商铬铸铁过流件试样，通过分析定向凝同高铬 铸铁试样的组织和性能，研究较合适本工况的高铬铸铁过流件的碳化物大小、 间距和分布。 ( 4 ) 研究所制备高铬铸铁的耐磨蚀性能和机理 通过对比中性介质冲蚀磨损、碱性介质静态腐蚀和碱性介质冲蚀磨损三组 试验，研究所制备高铬铸铁过流件耐磨蚀性能以及磨损、腐蚀两者的交互作用 分量- 以c r l 5 m 0 3 作为对比，讨论该材料的相对耐磨性。 分量，以c r l 5 m 0 3 作为对比，讨论该材料的相对耐磨性。 昆明理工大学硕士学位论文 第二章过流件组织与化学成分的选择 2 1 渣浆泵过流件中高铬铸铁组织的选择 2 1 1 高铬铸铁的组织 高铬铸铁的优良抗磨蚀能力和冲击韧性主要决定于其特有的组织。这种铸 铁的碳化物主要为( c r ，f e ) 7 c 3 型，硬度很高，多数以条状形态存在。由于基体中 富含铬元素，有较好的淬透性和耐蚀性，经过适宜的热处理可获得抗磨蚀能力 优良的金属组织。 高铬铸铁中碳化物的数量、性质、尺寸、分布状态以及基体组织性质都对 其抗磨蚀能力产生明显影响。针对高温强碱性氧化铝矿浆腐蚀磨损的工况，为 了制取具有有优良抗磨蚀能力的过流件，首先需要了解高铬铸铁中各种碳化物 和基体组织的特点。 ( 1 ) 碳化物。 工业应用的高铬白口铸铁含碳量一般为2 4 ，含铬量为1 1 2 8 ，凝固组织中可能出现的初生碳化物和共晶碳化物有( c r f e ) 7 c 3 ， ( cr f e ) 2 3 c 6 和( c r ，f e ) 3 c 。这些碳化物都是硬质相，对合金的抗磨能力起主要作 用。( c r ，f e ) t c 3 型碳化物晶体属于斜方晶系，铁原子与铬原子的尺寸很接近，易 取代铁原子形成( c r ，f e ) 7 c 3 。另外，铬元素可以降低碳在铁中的化学位，使 ( c r ，f e ) 7 c 3 成为稳定的化合物。( cr ，f e ) 2 3 c 6 碳化物常被称为t 相，( c r ，f e ) 3 c 则是 渗碳体型碳化物，其硬度由高到低分别为( c r ，f e ) 7 c 3 h v l 2 0 0 1 8 0 0 、 ( c r ，f e ) 2 3 c 6 h v l 0 0 0 1 1 0 0 、( c r ，f c ) 3 c h v 8 4 0 1 1 0 0 。( cr ，f 0 7 c 3 初生碳化物的三 维形貌为心部有孔洞的六方棱柱体，共晶碳化物一般呈典型的板条形貌。 ( 2 ) 奥氏体组织。 奥氏体硬度一般为h v 3 0 0 6 0 0 ，在磨料压入工件表面产生切自0 作用后， 材料塑性变形可诱发表面组织中的奥氏体相变，产生密排六方e 马氏体和体心 立方a 马氏体，金属表层发生形变硬化，工件表面硬度急剧提高，使材料抗磨 能力显著增强。同时，奥氏体高铬铸铁件整体上仍保持着良好的韧性。这些性 能使得具有奥氏体基体的高铬铸铁在高应力磨损条件下有良好的抗磨能力。高 铬铸铁形成铸态奥氏体基体组织的基本条件是：铸件冷速高于避免共析转变及 i s 昆明理t 大学硕士学位论文 贝氏体转变的临界冷速；马氏体开始转变温度哪s ) 低于室温a ( 3 ) 马氏体组织。 马氏体组织是由过冷到m s 点以下的奥氏体转变而成。马氏体有很高的硬 度：h v 5 0 0 1 0 0 0 ，能够与高硬度的碳化物更好的配合发挥抗磨作用，并且随 含碳量的提高马氏体硬度也相应提高。另一方面马氏体组织韧性较低，高应力 环境下易开裂、剥落，故在低应力磨损条件下使用更能体现其优良的抗磨能 力。为了获得马氏体组织，铸件冷却速率应高于珠光体转变和贝氏体转变的临 界冷速，而碳和铬含量增加都将降低m s 温度，所以必须采取措施适当降低奥 氏体的碳、铬含量。 ( 4 ) 残余奥氏体。 高铬铸铁中的奥氏体富含碳、铬而且成分分布不均匀，即使经过脱稳处 理，合金的m f 点一般都在室温以下。因此，铸件淬火组织中总要存在相当数量 的未转变的奥氏体。在马氏体转变过程中，这些残余奥氏体与新生成的马氏体 之间，因比容不同及点阵畸变己存在应力，相界面处结合较弱。在冲击载荷或 压应力作用下，残余奥氏体变形，从而诱发自身进一步向马氏体转变，内应力 水平更加提高。残余奥氏体较多的高铬铸铁件受到反复冲击，难以避免发生局 部材料剥落或零件断裂失效。控制残余奥氏体含量是生产马氏体高铬铸铁的一 个重要问题。多年来，许多研究工作集中于寻找这方面的有效途径。 2 i 2 高铬铸铁组织的选择 本课题中渣浆泵过流件的基本工况是高温强碱性氧化铝矿浆冲蚀磨损。泵 流量在6 3 0 m 3 h 左右，矿浆浓度4 0 以上，矿浆中的主要硬质颗粒氧化铝硬度很 i 每：h v 2 2 0 0 左右，属于低应力冲蚀磨损。另外p h 1 4 的强碱性介质环境，使 我们需要综合考虑材料组织的耐磨蚀性能。 一般都是采用亚共晶成分的高铬铸铁，共晶成分由碳化物和奥氏体或其转 变产物所组成。 在几种碳化物类型中，( c r , f e ) ，c 3 型碳化物具有最高的硬度，为了抵抗高硬 度的氧化铝矿石颗粒的磨损，它无疑是最佳的选择。因为粗大的初生碳化物在 矿浆颗粒的冲击下会碎裂而剥落，从而增加磨损时的失重；并且初生碳化物使 材料的韧性和其他机械性能降低。故一般高铬铸铁的显微组织是由初生奥氏体 或其转变产物和共晶组织所组成。共晶的( c r , f e ) 7 c 3 型碳化物呈六角形杆状及曲 昆明理工大学碗+ 学位论文 面板条状，分布在基体之中。相对于普通白口铸铁或低铬白口铸铁而言。可以 认为高铬铸铁中的碳化物是不连续相，而基体是连续相。也就是说碳化物对基 体的破坏作用大大减少，因而高铬铸铁的韧性优于普通白口铸铁和低铬白口铸 铁。而正因为高铬铸铁中的碳化物是不连续相，故把基体退火成珠光体后就可 进行机械加工。碳化物的孤立和球化还能减轻强碱环境下碳化物相界腐蚀的程 度，对提高耐蚀性较为有利。文献指出，在高铬铸铁中存在所谓的碳化物“尺 寸效应”【4 0 】，故应控制合适的碳化物尺寸以提高高铬铸铁的耐磨性。碳化物的 体积分数一般控制在3 0 左右，考虑到强碱腐蚀的影响，本文选择碳化物体积 分数为2 5 3 0 ，在保证足够的抵抗硬质颗粒磨损的前提下减少碳化物相界 腐蚀和降低基体割裂程度。孤立的碳化物在特定的方向上具有很高的机械性 能，所以把这些组成相作适当的排列，可以使铸铁强化到较高的水平，定向凝 固就是这样一种可以使各相按一定的方向排列起来的工艺方法。 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。基体越软， 耐磨性越低，碳化物被撕下来的倾向也越大。软基体的另一不良作用是它们的 屈服强度低，从微观上讲，它们不能提供一个足够的靠山以支承碳化物去抵抗 微观的机械应力，碳化物就可能由于伴随着磨料磨损的剪切应力的作用而断 裂。高铬铸铁中各基体组成体的显微硬度是：铁素体h v 7 0 2 0 0 、珠光体 h v 3 0 0 4 6 0 、奥氏体h v 3 0 0 6 0 0 、马氏体h v 5 0 0 1 0 0 0 。在基体中含有1 0 珠光体时，对耐磨性就有非常有害的影响。许多高铬铸铁件耐磨性不好是由 于材料的淬透性不够或热处理不恰当，以致在金相组织中出现了大量的珠光 体。 在很多磨料磨损的情况下，高铬铸铁中的奥氏体可能像高锰钢那样得到加 工硬化。但加工硬化的金属基体并不具有像马氏体基体那样的抗磨性能，这一 点可以从许多破碎和碾磨的实践经验所证实。而且本工况中氧化铝矿浆是低应 力冲蚀磨损，不会使奥氏体发生加工硬化。奥氏体或部分奥氏体基体的另一缺 点是奥氏体的不稳定性，它可以在机械应力的作用t t t 变成马氏体。伴随此转 变的体积变化会造成应力，它会使铸件断裂或者使表面产生微观剥落而加速磨 损 3 1 。 马氏体的硬度最高，其磨料磨损抗力也最好，故本文希望所得的高铬铸铁 基体组织是马氏体。但通常所得的铸态基体组织常常是珠光体、马氏体和残留 奥氏体的混合物。较薄的断面中易得奥氏体，较厚的断面中可能出现珠光体。 昆明理工大学硕士学位论文 假如所用的高铬铸铁有足够高的淬透性，能在铸型中冷却的条件下基本上不出 现珠光体或贝氏体，则在试样断面较薄时，基体的绝大部分是奥氏体，只有很 少量的珠光体和一些马氏体出现在共晶碳化物的邻近；而在试样断面较厚时， 在共晶晶区中有大量的马氏体，在奥氏体树枝晶的中心有二次碳化物析出。在 光学显微镜下有时候会看到一些很像珠光体的暗黑区，但在透射电镜仔细观察 时，这个区域乃是奥氏体一马氏体的基体上密集地分布着二次碳化物。 由( c r , f e ) t c 3 型共晶碳化物与马氏体基体( 弥散地分布着二次碳化物) 所组 成的高铬铸铁具有优良的磨料磨损抗力，并兼有相当可观的断裂抗力( 韧 性) 。提高高铬铸铁韧性也是一个极为重要的问题，本文通过改变化学成分、 铸造工艺及热处理工艺使材料的力学性能和金相组织发生了变化，从而达到强 韧化效果。 正是由于一般所得的铸态基体组织不能满足使用的要求，故高铬铸铁一般 均需经过高温热处理，以获得弥散地分布着二次碳化物的马氏体基体。但在热 处理后的组织中常含有相当数量的残留奥氏体。在高铬铸铁的应用和研究中， 残余奥氏体的作用和控制受到很大的关注。残余奥氏体在无冲击的磨料磨损条 件下所起的作用已有一致看法。但在冲击条件下，残余奥氏体所起作用及其在 组织中的合理控制，目前国内外尚未得到统一的认识。较为流行的观点是认为 残余奥氏体在冲击磨料磨损中是有害的，它在冲击磨损中发生马氏体相变，引 起体积膨胀和残余应力而导致剥落。但近年也有许多研究工作指出残余奥氏体 在一定磨损条件下是有利的i s s l s g 。在氧化铝矿浆冲蚀磨损条件下，残余奥氏 体所引起的体积膨胀和残余应力较小，不会导致材料剥落失效，而且一定的残 余奥氏体量可以提高高铬铸铁的韧性，所以允许有一定量的残余奥氏体存在。 2 2 高铬铸铁中合金成分的确定 在实际生产中，为了使高铬铸铁得到需要的组织又不至于过度合金化，必 须针对铸件的实际情况正确地选择化学成分唧】。一般从以下几个方面考虑选择 化学成分： ( 1 ) 零件的工况条件对材料性能和组织的要求； ( 2 ) 根据零件特点确定制造工艺； ( 3 ) 零件的可靠性和制造的经济性。 昆明理工大学顶士学位论文 2 2 1 碳、铬 2 2 1 1 碳 碳在f e c c r 系合金中能部分溶入t 1 f e 中，也能在铬含量较高时与c r 、f e 等形成复合化合物：( c r , f e ) 7 c 3 、( c r , f e ) 2 3 c 6 、( c r , f e ) 3 c 。碳在铁中的溶解度较 小，碳化物数量、类型及其分布形态是影响高铬铸铁耐磨性和韧性的关键。碳 化物数量取决于碳量和铬量。当c = 2 4 ，m o = 0 4 时，碳化物的 数量为： k = 1 2 3 3 ( c ) 十0 5 5 ( c r ) 一1 5 2 ( ) 由上式知，碳是影响碳化物数量的主要因素，碳影响碳化物数量，但基本 上不影响碳化物类型，欲增加碳化物数量，应增加含碳量。m t c 3 型碳化物显微 硬度高，是提高耐磨性的主要原因，在三体磨损中，当h a ( 矿物硬度) h 。时，碳化物数量增加，耐磨性下 降。在冲蚀磨损条件下，h 。 h 。时，碳化物数量增加，耐磨性提高；当h 。 1 2 为m 7 c 3 型碳化物。铬在基体 中的溶解量随加入量增加而增加。能谱分析表明，当c r = 1 5 时，基体中可溶 解8 1 2 的c r ，碳化物中可溶解3 5 4 0 的铬，基体中的铬量变化： c r = 1 9 5 ( c r c 1 2 4 7 - 1 9 - 昆明理工大学硕士学位论文 铬增加淬透性、耐热性和耐蚀性。在含碳量一定时，铬量增加m s 点上 升。铬量增加，共晶和共析温度均提高，共晶温度t s 与c r 、c 的关系为： t s = 2 4 5 4 1 4 5 9 3 ( c ) 一4 0 6 9 ( c r ) 十1 6 1 2 ( c ) x ( c r ) 每增加l c r ，共析温度约提高4 0 。 铬具有抑制珠光体形成，增加铸态奥氏体量，提高铸铁韧性的作用。在酸 性和高温氧化气氛中含2 8 c r 的高铬铸铁耐磨性最佳。铬与碳是高铬铸铁中两 种重要的合金元素。提高铬的含量，也有助于提高碳化物的数量。当含铬量大 于1 0 1 2 时，碳化物的形态从m 3 c 型转变成m 7 c 3 。从碳化物数量计算公 式中可以看出，铬增加碳化物量的效果远比碳差，因此工艺上常用调整碳的含 量来改变碳化物量。在实际生产中，铬一般要和碳合理地搭配使用，以达到提 高铸铁硬度，韧性的目的。铬在铁水中溶解度远大于固体铁中的溶解度，因 此，随着奥氏体结晶，铬向余下铁水中聚集，浓度增加。共晶凝固时，铬大部 分溶于碳化物中，碳化物中铬的浓度高于奥氏体。铬提高铸铁的淬透性的效果 不是很明显，因此在高铬铸铁中要加入其他提高铸铁淬透性的合金元素。 2 21 3o r 0 高铬铸铁中铬与碳的比值c r c ，对其组织和性能有很大的影响。文献介 绍：随着c r c 增加，共晶碳化物的形貌经历了连续网状一一片状一杆状等连 续程度减小的过程，共晶碳化物的类型也经历了一个m 3 c 一一m 3 c + m 7 c 3 、 m 7 c 3 的变化过程，这无疑会提高铸铁的韧性。此外基体晶粒随着c d c 的增加变 得细小，高铬铸铁的k i c 随着c r c 增加有先升高后逐渐降低的趋势，当c r c 为 7 1 时，k i c 处于最高值。另外文献中还指出，c r c 大于5 就能获得大部分的 m 7 c 3 型碳化物；同时c r c 越高，铸铁的淬透性也增加。 综合考虑耐磨性、经济性等方面的因素，本课题选择亚共晶高铬铸铁c 、 c r 含量分别为2 4 2 6 、2 7 2 9 ，c r c 高达1 0 1 2 。用公式k = 1 2 3 3 f c ) 十o 5 5 ( c r ) 一1 5 2 ( ) 计算碳化物数量约为3 0 。用f l a r a t r a y 的经验 公式；基体c r 含量= 1 9 5xc r c 一2 4 7 算出，高铬铸铁