（材料加工工程专业论文）磨浆机筒体新材料的开发及成型工艺研究.pdf

堕查堡耋三查兰三：至圭兰堡耋圣一磨浆机筒体新材料的开发及成型工艺研究摘要首先利用数码金相显微镜、扫描电镜( f e is i r i o n ) 等分析手段，对国外进口简体材料的组织、成分进行了分析，提出了新材料开发的设想o -其次，利用对比实验的方法进行了耐磨耐蚀铸铁( n m s 铸铁) 新材料的开发，探讨了加入不同质量分数的n i 、c 对n m s 铸铁组织和性能的影响规律，实验结果表明：在c 、c r 含量一定的情况下，随着n i 含量的增加，n m s 铸铁中奥氏体的含量持续增加，n m s 铸铁的硬度先增加后降低，且在含n i 量为4 时，硬度最大，n m s 铸铁的耐磨性最好，此时耐蚀性也最好；n m s 铸铁的韧性随着n i 含量的增加先增加后降低，且当n i 含量为6 时，n m s 铸铁的韧性最好；在c r 、n i 含量一定的情况下，随着c 含量的增加，铸铁中的碳化物数量增加，硬度增加，耐磨性提高，冲击韧性下降，耐蚀性能先增加后下降，且在c 含量为2 8 时，耐蚀性最好。进而探索了用n m s 铸铁生产双螺旋辊式磨浆机简体的离心铸造工艺，就涂料的选择、模具温度、铸型转速等进行了研究，结果表明：涂料的厚度和涂覆工艺直接影响铸件表面组织和气孔、夹杂等缺陷，涂料的厚度应控制在2 o 3 0i n i n 之间，涂料采用喷枪喷涂工艺：浇注时模温要控制在4 5 0 。c左右，模具温度太低铸件容易出现冷隔和裂纹等缺陷：转速是影响铸件质量的最重要因素，转速低，铸件出现淋落缺陷，转速高，铸件冷却速度快，铸件容易出现分层等缺陷，转速应控制在1 4 0 0 r r a i n 。离心铸造后的组织得到了明显细化并呈定向生长，而且组织的致密性比普通砂型铸造组织致密性显著提高，断口出现大量韧窝，铸件韧性也有很大程度的提高。最后，通过离心铸造生产出双螺旋辊式磨浆机筒体。实验结果表明使用寿命是传统材料的3 倍，而生产成本与传统材料相近。关键词双螺旋辊式磨浆机：简体；耐磨耐蚀铸铁；离心铸造堕堑堡矍三查兰三兰至圭耋堡墼三一d e v e l o p m e n to ft h en e wm a t e r i a la n ds t u d yo fc o n f e c t i o n i n gp r o c e s so fg r i n d e dp a s t em a c h i n ec y l i n d e ra b s t r a c tf i r s t l y , m i c r o s t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o no fs c r e w ys h e a t h sm a t e r i a li sa n a l y z e db ym a k i n gu s eo fs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，d i g i t a lm e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p ea n do t h e ra n a l y s i sm e t h o d s t h e np r o p o s a lo fn e wm a t e r i a lr e s e a r c hi sp u tf o r w a r d s e c o n d l y , r e s e a r c ho fn e wm a t e r i a lo ft h en m sc a s ti r o ni sc a r r i e do u tb ym e t h o do fc o n t r a s te x p e r i m e n t i n f l u e n c er u l eo fm i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r r n a n c eo fn m sc a s ti r o ni ss t u d i e dw h e nd i f f e r e n tm a s sf r a c t i o nn i 、ci sa d d e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h ec o n t e n to ft h ea u s t e n i t ei n c r e a s e sc o n t i n u a l l ya n dt h eh a r d n e s si n c r e a s e sf i r s t l ya n dt h e nd e c l i n e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fn iw h e nt h ec o n t e n to fc ra n dci si n v a r i a b l e w h e nt h ec o n t e n to fn ii s4 t h eh a r d n e s sr e a c ht h ev e r t e x ，n m sc a s ti r o nr e s i s t a n tw e a r i n gr e a c ht h ev e r t e x ，r e s i s t a n tc o r r o s i o nr e a c ht h ev e r t e xt o o t h et o u g h n e s so ft h en m sc a s ti r o ni n c r e a s e sf i r s t l ya n dt h e ni td e c l i n ew i 也t h ei n c r e a s i n go fc o n t e n to fn i t h et o u g h n e s so ft h en m sc a s ti r o ni st h eb e s tw h e nt h ec o n t e n to fn ii s6 t h ea l t l o u n to ft h ec a r b i d eo ft h en m sc a s ti r o ni n c r e a s e s ，t h eh a r d n e s si n e r e a s e s ，r e s i s t a n tw e a r i n gp r o m o t e sb u t t h et o u g h n e s sd e c l i n e sa n dt h ec o r r o s i o no ft h en m sc a s ti r o ni n c r e a s e sf i r s t l ya n dt h e ni td e c l i n e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fcw h e nt h ec o n t e n to fc ra n dn ii si n v a r i a b l e t h ec o r r o s i o ni sb e t t e rw h e nt h ec o n t e n to f ci s2 8 f u r t h e rm o r e ，t h ec e n t r i f u g a lc a s t i n gp r o c e s so fp r o d u c i n gd o u b l es p ! r a lr o l l e rg r i n d e d p a s t em a c h i n ei se x p l o r e db ym a k i n gu s eo fn m sc a s ti r o n d o p es e l e c t i o n ，m o u l dt e m p e r a t u r ea n dm o u l dr o t a t i o n a ls p e e di ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：d o p et h i c k n e s sa n db r u s h i n gp r o c e s si n f l u e n c ed i r e c t l ym i c r o s t r u c t u r eo fc a s t i n gs u r f a c e ，a i rh o l ea n di n c l u s i o nd e f i c i e n c y ，t h et h i c k n e s so ft h ed o p es h o u l db ec o n t r o l l e db e t w e e n2 0 r a ma n d3 0 m m 、t h ec o a t i n gs h o u da d o p tt h ei i哈尔滨理工火学工学硕上学位论文s p r a y i n g p r o c e s so ft h ea i r b r u s h ；t h em o u l dt e m p e r a t u r es h o u l db ec o n t r o l l e da b o u ta t4 5 0 口a n dw h e nt h et e m p e r a t u r eo ft h em o u l di st o ol o w ，t h ec a s t i n gi sa p tt op r e s e n tt h ed e f i c i e n c yo fc o l ds h u ta n dc r a c k t h er o t a t i o n a ls p e e di st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ro fa f f e c t i n gt h eq u a l i t yo fc a s t i n g s c a s t i n g sa p p e a rt h ed e f i c i e n c yo fd r o pw h e nt h er o t a t i o n a ls p e e di sl o w w h e nr o t a t i o n a ls p e e di sh i g h ，c a s t i n gc o o l i n gs p e e di sf a s ta n dc a s t i n g sa r ea p tt op r o d u c ed e f i c i e n c yo fl a y e r ，t h er o t a t i o n a ls p e e ds h o u l d b ec o n t r o l l e da t1 4 0 0 r r a i n m i c r o s t r u c t u r eo fc e n t r i f u g a lc a s t i n g sg e t sf i n e ，o r i e n t a t i o ng r o w t ha n dc o n s i s t e n c eo fm i c r o s t r u c t u r ei sal o th i g h e rt h a nt h a to fo r d i n a r ys a n dm o u l dc a s t i n g s m u c hd i m p l ei sf o u n di nt h ef r a c t u r e ，t h et o u g h n e s so fc a s t i n g si si m p r o v e dal o t a tl a s t ，c y l i n d e ro fd o u b l es p i r a lr o l l e rg r i n d e d - p a s t em a c h i n ei sp r o d u c e db yc e n t r i f u g a lc a s t i n g e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tl i f e s p a ni st r e b l el o n g e rt h a nt h a to ft r a d i t i o n a lm a t e r i a la n dc o s ti se q u a lt ot h a to ft r a d i t i o n a lm a t e r i a l k e y w o r d sd o u b l es p i r a lr o l l e rg r i n d e d p a s t em a c h i n e ；c y l i n d e r ；h i g hc h r o m i u mc a s ti r o n ；c e n t r i f u g a lc a s t i n g1 i i堕堡堡呈三奎兰三兰至圭兰堡竺兰第1 章绪论磨浆机是制浆造纸厂的重要设备，它不仅直接影响产品质量，而且关系到生产能耗、成本和对环境的污染。磨浆能耗常占纸产品生产总能耗的一半左右，因此，磨浆机能耗直接影响造纸企业的经济效益。对传统的盘式磨浆机、锥型磨浆机、圆柱磨浆机等刀式磨浆机的设备和工艺进行改进很难降低磨浆过程的能耗，提高磨浆质量。近年来，人们研制了多辊磨浆机、振动惯性磨浆枧、强磁粒子涡流磨浆机、射流挡板式磨浆机、声压效应式设备、空化作用式磨浆设备和双螺旋辊式磨浆机等无刀式磨浆设备，其中双螺旋辊式磨浆机磨浆质量好，能耗低，被制浆造纸行业看好，并称之为第三代磨浆机【i l 。1 1 双螺旋辊式磨浆机特点及发展现状1 1 1 双螺旋辊式磨浆机的特点双螺旋辊式磨浆机将纤维分离、化学药品浸渍、蒸煮、洗涤、漂白、和纤维的切断等多个复杂的工艺过程汇集在磨浆机内完成。通过正反螺旋套组对纤维挤压、扩散、剪切、洗涤的作用，以及碱、亚硫酸钠、过氧化氢等化学药品在机内的添加反应，进行高浓度( 3 0 3 5 机械化学制浆 2 】。由于双螺旋辊式磨浆机的特殊结构，使之除了具有良好的磨解功能外，还具有浓缩、高效混合等功能，它在浆料( 或原料) 磨解过程中可以进行脱水( 或脱出废液) 、加入蒸汽、加水洗涤、加药( 蒸煮剂、漂白药剂) 进行化学反应等操作，完成多项工艺过程。与传统刀式磨浆机相比有突出的优点( 详见表1 1 ) 。表1 1 双螺旋辊式磨浆机的优点t a b l e1 - 1a d v a n t a g eo f d o u b l es c r e wr o l l e rg r i n d e d - p a s t em a c h i n e与传统盘磨机比较双螺旋辊式磨浆机传统磨浆机成浆品质均匀性好，纤维长不均匀，纤维短磨浆能耗( 8 0 1 2 0 ) 度吨浆( 4 0 0 6 0 0 ) 度吨浆节水污染有洗涤功能，吨浆节水6 0 吨无洗涤功能磨浆，纤维分离，药品浸渍，蒸多功能以切断为主的磨浆煮，洗涤，漂白与一身哈尔滨理工大学工学硕士学位论文1 1 2 国内外研究现状及存在问题二十世纪五十年代，国外塑料和食品工业开始使用双螺杆挤出机，经过近3 0 年发展，1 9 7 5 年法国c l e c t r a l 公司首先对双螺杆挤出机进行技术开发，力图用于制浆造纸业【3 】。此后，瑞典、美国也纷纷着手该项技术的移植和拓展。1 9 8 3 年6 月，c _ eb a u e r 公司进行了双螺杆挤压机用于制浆工业的生产试验，处理的原料为南方松和杨木木片，在较低能耗下，生产了性能类似t m p ( 热磨机械浆) 的浆料。9 0 年代初期，法国c l e c t r a l 公司成功地完成了制浆的工业试验，制造了用于制浆造纸工业的双螺旋辊式磨浆机，这种设备现已用于渣浆再磨、废纸处理、浆料漂白和洗涤等环节。瑞典k m w 公司还利用双螺杆挤压机作为混合器，用于浆料和漂液高浓混合 4 1 。在国内，1 9 8 5 年东北林业大学开始进行“双螺旋辊式磨浆机研制”省攻关项目的研究，1 9 8 8 年进行了阶段性鉴定，进而又进行了省攻关项目“双螺旋辊式磨浆机工业化研制”，1 9 9 8 年研制成功国内第一台用于制浆造纸的双螺旋辊式磨浆机，现已批量生产p 1 。双螺旋辊式磨浆机的特殊结构，使之除了具有良好的磨解功能外，磨浆机具有高浓度制浆的特点，浆料仅含8 的水，几乎无游离水，接近干磨，因此磨损条件极为恶劣，还要进行加碱、亚硫酸钠、过氧化氢等化学药品在机内的添加反应，要求材料既要耐酸又要耐碱，尤其是加碱性亚硫酸钠时，浆料整体属碱性，但与材料接触表面析出的二氧化硫与整齐结合生成亚硫酸，同时材料受酸性腐蚀。正螺旋套、反螺旋套要承受连续不断的较高( 8 1 0 m p a ) 的压力作用，给料时，螺齿还要承受较大的剪切应力和冲击应力，要求材料具有良好的综合机械性能；双螺旋辊式磨浆机还要完成蒸煮任务，材料要在9 0 以上温度下工作，又要求材料要有一定的耐热性。这些恶劣的服役环境给材料的研究和开发带来了极大的困难嘲。鉴于以上螺旋套的工作环境特点，可知磨损类型不止一种，磨损机理相当复杂，对螺旋套的磨损机理尚不清楚，开发出适合双螺旋辊式磨浆机螺旋套用耐磨材料成为追在眉睫必须解决的重大课题，具有重大的实际意义、广阔的应用价值和发展前途。不仅可占领国内市场，推动先进的双螺旋辊式磨浆机的进一步应用，还可占领国际市场，提高出口创汇能力，具有重大的经济效益和社会效益。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文1 2 耐磨材料的发展现状现今，世界各国都在致力于新材料的研究开发，而耐磨材料正是其中一个重要的课题。国内外关于耐磨材料的报道相当多，包括了各种耐磨材料的性能、应用、发展等方方面面。总的来说，所有耐磨材料的共同特点就是表面硬度高，这是耐磨性的由来，也是耐磨材料的基本要求。但是，各种材料所能表现出来的硬度并不是完全相同，硬度形成的原因也不一样，除了硬度之外的其它的力学性能及综合力学性能更不相同。这使得各种耐磨材料在各自的性能、应用、发展等方面形成了差别。就现有的耐磨材料而言，在工业上的应用仍然以耐磨钢和耐磨铸铁为主，尤其是耐磨铸铁。2 0 0 0 年1 0 月2 0 日至2 3 日，我国在北京召开了2 1 世纪全国耐磨材料大会暨第九届全国耐磨材料、磨损失效分析与抗磨技术学术会议1 7 1 。该会议报告对我国的耐磨材料现状及新的发展进行了总结。从抗磨材料的发展阶段来看，大致可分为四代：第一代是普通白1 2 1 铸铁和高锰钢；第二代是镍硬铸铁：第三代是高铬白口铸铁；第四代则是近二三十年发展起来的贝氏体球墨铸铁 8 1 。目前，常用的耐磨材料有自口铸铁、耐磨钢和耐磨合金。其中自口铸铁以其良好的抗磨性能，且价格较便宜而应用较为广泛。特别是合金白口铁，无论是从第一代的硬镍型白口铸铁，还是第二代的高铬白口铸铁，其寿命均比普通白口铸铁提高几倍或几十倍纠。其中铬系白口铁，通过调整其含铬量与含碳量( 即c r c 比) 可使碳化物和基体都发生明显变化，从而可大幅度地提高合金白口铸铁的抗磨蚀性和综合性能。1 2 1 抗磨白口铁国外耐磨白口铸铁的发展分为普通白口铸铁、镍硬铸铁和高铬自口铸铁( 至今已发展成系列化和标准化，进行工业化大批量生产) 3 个阶段【l ”。1 2 1 。1 普通抗磨白口铁在欧洲，十八世纪早期出现了自口可锻铸铁的生产方法，在铸态下可用作抗磨材料。随后，发展了专门抗磨的高碳低硅的白口铸铁；这种材料采用低硅( 3 5 ) ，高锰和高硫来得到完全的白口组织。普通白口铸铁以及随后发展的低硅白口铸铁，由于没有特意向其中加入必要的合金元素，致使显微组织基本是由珠光体和网状渗碳体或莱氏体构成，显微硬度在5 0 0 h v 左右，脆性较大，使其应用受到限制，只能满足低应力抗磨堕查堡堡三查耋三兰堡圭兰堡兰圣场合的需要，降低含磷量和含碳量均可改善铸件的脆性，但是其效果有限，特别是其硬度值也无法满足磨损的要求。这种白口铸铁的主要优点是生产工艺简单。价格低廉【1 2 1 。1 2 1 2 镍硬铸铁1 9 2 8 年c l i m a x 国际公司研制成功的镍硬铸铁，是在普通白口铸铁中加入3 0 0 o - - 5 0 c r ，得到非常硬而且耐磨的( f e ，c r ) 3 c + m + a r 铸态组织，其中碳化物为连续的渗碳体，h v 值在8 4 0 1 1 0 0 之间，有好的抗磨性。热处理仅限于低温下消除应力退火，生产的铸件使用广泛，生产工艺简单，所以较早地在矿山处理和冶金轧辊领域得到应用 1 3 i 。美国，日本及欧洲各国2 0世纪初就开始采用镍硬铸铁，镍硬铸铁在美国。英国，德国已纳入国家标准，目前已发展到镍硬4 拌，铬含量由2 提高到9 ，镍由4 5 提高到6 0 ，共晶碳化物由m 3 c 型变成m 7 c 3 型，力学性能显著提高，铸态厚截面可获得马氏体组织，硬度在h r c 6 2 以上，并且具有一定韧性，主要应用于辊式磨环和磨辊，可铸态使用，这对数吨重不便热处理的大铸件很有意义i ”i 。1 2 13 高铬白口铁目前普通的白口铸铁己近淘汰，取而代之的是合金白口铸铁，由于中国铬资源储量丰富，价格便宜，所以是合金白口铸铁的主要添加元素a 人们常说的高铬铸铁主要是指高铬铝白e l 铸铁，可分为c r l 5 和c r 2 0 两类，前者用于承受一般冲击磨损，而后者用于高冲击磨损和厚度较大的耐磨件，含铬量超过3 0 的高铬铸铁一般用于耐热或耐蚀的零件【1 4 】。本世纪3 0 年代，几乎是在发展镍硬马式体白口铸铁的同时，主要在美国进行了含1 0 - 一3 0 c r 的高铬白口铸铁的研究，而后，英国，前苏联，德国等也相继进行了大量的生产研究。6 0 年代以后，由于电炉的广泛应用，使得这种铸铁发展较快【l ”。高铬白口铸铁由于成分设计的特点，具有比镍硬白口铸铁更好的组织、性能。铬的加入改变了白口铸铁的碳化物结构类型，由普通白口铸铁中的网状m 3 c 型碳化物变成m ，c 3 型碳化物，这不仅提高了耐磨性，而且提高了韧性。因此，高铬铸铁问世以来，一直被认为是较理想的抗磨材料，应用十分广泛。国内外对高铬铸铁的成分、组织、热处理工艺与性能之间的关系、工艺控制、特殊件生产以及各种磨料磨损条件下的使用性能已进行了大量的研究，近年来还对结晶规律进行了一些研究n 6 1 。实际应用表明，磨料的硬度对合金的抗磨性影响很大。j m b e r e z a 通过试验指出，在碾磨水泥熟料( 4 5 0 h v ) 时，高铬白口铸铁磨球要比锻钢磨球的抗磨性高出1 0 倍，碾磨长石( 5 0 0 h v ) 高出2 3 倍，而碾磨石英( 8 0 0 -1 0 0 0 h v ) 或二氧化硅硬度较高的矿料时仅超过锻钢磨球2 0 3 0 。因此，经堕尘堡矍三盔兰三兰堡圭兰堡丝耋，济地采用较贵的高铬白口铸铁在很大程度上取决于磨料的硬度。一般而言，商铬白口铸铁只有用来碾磨硬度在5 0 0 - - 6 0 0 h v 以下的磨料时，在经济上是合理的。高铬自1 2 1 铸铁被国内外公认具有优异的耐磨性能，但由于以下两方面的原因，使其应用领域受到了限制：一是生产成本高，这不仅是原材料成本高，而且还需要电炉熔炼；二是在矿山湿磨条件下不宜使用。8 0 年代以来，为了进_ _ 步提高高铬白口铸铁的性能并扩大应用范围，进行了大量的研究。在基础理论方面，t o h i d e 和g o h i r a 发现，当c r 1 0 以后，合金的凝固特性发生了根本的变化，表现为糊壮凝固，碳化物由斜方晶系m 3 c 型转化为六方晶系m 7 c 3型，显微硬度由1 0 6 0 1 2 4 0 h v 提高到1 5 0 0 1 8 0 0 h v 。使其在腐蚀性的湿磨条件下得到更广泛的应用f 1 7 1 。日本，英国，德国均向高铬铸铁中加入钒，随着钒量的增加，v c 颗粒( 2 8 0 0 h v ) 明显增加，由于v c 颗粒周围的铬浓度相对提高，从而提高了高铬白口铸铁的耐蚀性和抗磨性。为了解决高铬铸铁成本高和抗冲击性能不足的弱点，北京科技大学吴承建等人采用了离心铸造的方法生产了高铬铸铁和球墨铸铁双金属复合辊圈，其使用寿命比目前的中锰球铁辊圈提高4 倍，生产成本比中锰球铁进高出2 0 左右f 1 8 1 。从整体来看，合金白口铸铁的耐磨性优于耐磨铸钢，但是铸刚的韧性好，在有冲击载荷的情况下有广泛的应用。1 2 2 高锰钢高锰钢是英国人h a d f i e l d 于1 8 8 2 年发明的，高锰钢有良好的综合机械性能，在强烈的冲击载荷作用下，工件表面产生加工硬化现象，具有较高的耐磨性【1 ，所以在工程上得到广泛的应用，但是，如果在使用中不能发生加工硬化，就无法使高锰钢的抗磨特性得到发挥，就变得非常不耐磨。而且高锰钢的屈服强度太低，大约3 5 0 m p a 左右，在使用中容易发生塑性变形，所以，现在一些发达国家已经停止使用在大的工件上。国内近年来针对提高高锰钢使用寿命和降低成本方面作了大量工作，使高锰钢的性能得到大幅的提高。锰钢的性能特点与钢中五大元素c 、s i 、m n 、s 、p 的含量密切相关，生产中应该严格控制各种成分的含量以获得理想的性能。近些年来，随着先进的生产方法、生产工艺的不断出现，对高锰钢中成分的控制达到了较高的水平，因而生产出来的高锰钢性能也越来越好而且性能稳定。如今，人们对锰钢的研究多是致力于采用新的方法来改善及提高其性能，通过与传统方法相结合，大大提高了锰钢的性能【2 0 l 。高锰钢主要应用在高冲击负荷下的各种大型破碎机易损件，如破碎机颚板、大型破碎机锤头、挖掘机铲齿、铁道辙叉等科】。针对在冲击负荷小或低应力磨损条件下不能充分加工硬化而不耐磨的问题，发展了合金化改性高锰钢，奥氏体易加工硬化中锰钢、低锰钢。高碳锰钢。为使厚大铸件中心部位也为全奥氏体组织，提高加工硬化能力，发展了超高锰钢【2 2 】。太原理工大学张金山教授等研究了一种中碳中锰钢，含有微量r e 、b和m g 。采用降低含c 量和微合金化相结合的方法，改变了中锰钢的组成相。水韧处理后，组织为奥氏体、屈氏体及一定量的马氏体，通过提高初始硬度及加工硬化能力来提高材料的耐磨性。北京航空材料研究院李树索博士与北京科技大学陈希杰教授研究了含有1 4 1 8 c 、1 7 - 一2 1 m n 的超高锰钢，探讨了c 、m n 、c r 、m o 元素在超高锰钢中的作用o “。结果表明，碳锰含量增加以及铬钼等元素的加入，提高了奥氏体锰钢加工硬化的能力，超高锰钢抗冲击磨料磨损性能明显高于m n l 3 钢，实验室试验耐磨性提高了3 0 左右。还有洛阳工学院谢敬佩教授研究的复合变质剂对中锰钢强韧性的影响1 2 5 】。结果表明，采用n b 、n 、r e 、s i 、c a 复合变质处理，细化了中锰钢组织，改善了其碳化物类型、分布和数量，大幅提高了中锰钢的力学性能。除了高、中锰钢外，人们对其它耐磨钢的研究也从来没有停止过。例如，抗磨用铸造低合金钢，分为珠光体一渗碳体抗磨钢、马氏体抗磨钢、奥氏体一贝氏体抗磨钢等几类，它们的耐磨性和综合力学性能比锰钢相去甚远口“。但是如今，人们研究了各种方法来改善它们的性能，已经取得了很大的成果。如昆明理工大学蒋业华博士等研究了一种空淬s i m n - c r - m o 低合金耐磨钢，其综合性能比普通低合金钢高出许多。在新型耐磨钢方面，清华大学方鸿生教授领导的“国家科委贝氏体钢研究推广中心”多年来研究的m n - b 系空冷贝氏体复相组织耐磨锻钢，以s i 作为主加元素，最终能使无碳化物贝氏体具有优良的强韧性。1 2 3 贝氏体球铁白口铸铁的发展从低合金化到高合金化，从珠光体白口铸铁到马氏体白口铸铁，虽然抗磨性有很大的提高，但是其脆性问题始终难以彻底解决，7 0 年代末诞生的贝氏体球铁为抗磨材料的研究和发展提供了一条新的思路，即以球墨铸铁替代白口铸铁，以贝氏体组织替代马氏体组织，同时有少量奥氏体和弥散分布的碳化物，显示出优良的耐磨性能和优异的综合力学性能。各国从不同的角度进行了规模巨大的奥氏体球铁( a u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o n ) 的研究，简称a d i ，这种材料具有较高的强度同时具有一定的耐磨性。另一类是以贝氏体和少量碳化物为机体，称为贝氏体球铁( b a i n i t ed u c t i l ei r o n ) 简称b d i 。该材料具有很好的耐磨性，同时具有一定的强度和韧性) 。贝氏体球铁优异的综合性能使其具有非常广泛的用途，如用在耐磨、耐冲击、高强度，高韧性和耐疲劳的场合。在大齿轮方面，贝氏体球铁甚至可以完全替代渗碳钢，在某些条件下比渗碳钢作用更好。在震动和冲击载荷的情况下，贝氏体球铁的减震及阻碍裂纹扩散能力是渗碳钢无法比拟的。此外，在润滑困难或无润滑的恶劣条件下，贝氏体球铁很适合应用于机车车轮、辊轮，滑块等场合口”。1 2 4 新型复合材料在众多类型的新材料中，金属基复合材料凭借其高强度、高弹性模量、良好的高温性能和抗疲劳性能、良好的耐磨性和尺寸稳定性、不吸湿、不老化等忧点，成为近年来人们研究的热点。早期的金属基复合材料的研究和应用都针对于航空、航天和军事工业，如1 9 7 8 年美国就将复合材料应用在哥伦比亚号航天飞机上。1 9 8 2 年日本丰田汽车公司最早把a i h s i o a i 复合材料用干汽车活塞上，开创了金属基复合材料在民用工业应用的先例。此后，金属基复合材料的研制和开发工作便逐步活跃起来。金属基复合材料可以分为连续纤维增强、非连续纤维增强( 包括颗粒、短纤维和晶须) 和叠层复合三类口“。所用的基体金属包括a 1 、m g 、t i 等轻金属及其合金、高温合金以及金属间化合物等，也有少量以钢、铜、锌、铅、铁为基体。连续增强体主要由碳基石墨纤维、碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维、不锈钢丝和钨丝等。晶须类主要为碳化硅、氧化硅以及最新开发的硼酸铝、酸钾等晶须。颗粒则有碳化硅、氧化铝、氧化铬、硼化钛、碳化钛、碳化硼等。用以上各种基体和增强体可以组成大量金属基复合材料的品种。在金属基复合材料中，铝基复合材料发展最快，这主要是因为铝本身不属于稀缺资源，价格不贵，熔点也不高，制造工艺和设备都不特别复杂困难，成本和价格也比较合理p ”。美、英、日、法等国的一些公司己经开始生产铝基复合材料，然而，普通的铝基复合材料又难以胜任高温、高速、重载、高磨损的恶劣工矿，于是人们开始开发铁基复合材料。早在1 9 6 5 年，人们就利用精密铸造定向凝固技术成功的生产出铁基共晶高温合金叶片及导向叶片。不过，钢铁材料的熔点高、比重大、比强度小、制造工艺困难，所以铁基复合材料在早期并未引起人们的重视【”】。近些年来，随着现代工业对材料使用性能提出越来越高的要求和人们对降低成本的重要性的认识，以及许多新型制备技术的出现，铁基复合材料正逐步受到国内外学者的关注。此外，钢铁企业己有的成熟工艺和设备亦推动研究人员将复合材料理论应用于钢铁，研制开发性能优良、价格低廉的铁基复合材料【”】。1 3 本课题研究内容国内目前将塑料工业应用的3 8 c r m o a l 表面渗氮作为筒体及螺旋套的材料，但由于氮化层很薄，其耐磨性耐蚀性都很差，使用寿命只有两个月左右，有时甚至更短。更换这些零件需要停机操作，劳动强度大，浪费工时，影响了生产效率，不能满足简体及螺旋套的使用性能的要求，限制了双辊螺旋辊式磨浆机的进一步推广应用。因而提高螺旋套材料的耐磨和耐蚀性能，便成为双螺旋磨桨机推广应用的中的一个重要课题。基于上述的思想认识，本文研究的内容是通过对国外进口筒体材料的组织、成分的分析及对耐磨材料的发展现状的研究，结合国内的实际情况，进行c r - n i 亚稳奥氏体基耐磨耐蚀铸铁( n m s ) 的合金设计。除了进行金相分析和常规力学性髓实验以外，还利用对比实验的方法探索生产双螺旋辊式磨浆机筒体的离心铸造工艺。最后，通过离心铸造生产出双螺旋辊式磨浆机筒体，进行装机实验，考察其实际使用寿命。具体从以下方面进行研究：1 国外进口筒体材料组织、成分及硬度的分析：2 新型( n m s ) 铸铁的化学成分、组织及力学性能的优化；3 磨浆机新型( n m s ) 铸铁简体的成型工艺的优化。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文第2 章进口筒体材料分析及新材料开发建议2 1 引言1 9 9 6 年天津世行贷款项目引进了双螺旋辊式磨浆机生产线，成为当时世界上的第4 条双螺旋辊式磨浆机生产线。由于国外的公司对筒体和螺旋套的材料及生产工艺进行严格的保密，在购买新的零件时必须将报废的零件回收，所以很难得到有关简体和螺旋套材料方面的具体资料。课题组获得了一小块国外筒体材料的碎片，对该材料进行了成分及性能的分析。2 2 进口材料的组织分析进口材料的显微组织如图2 1 所示。可见：组织是由连续的基体与分布在基体上的连续网状组织组成的，在连续网状组织上还不规则地分布着白色的析出物。图2 - 1 进口材料显微组织f i g 2 - 1m i c r o , p l r u c t u r eo f i m p o r t e dm a t e r i a l2 3 进口材料的能谱分析为了进一步确定基体、连续网状组织、白色析出物的成分，进行了试样能谱分析。图2 2 为进口螺旋套材料显微组织能谱分析的照片，从图2 2 a 可呈查堡垩三查兰三兰堡圭兰堡篁圣见：基体的c o 含量最高，质量分数达到了7 2 5 4 ，其次是c r ，质量分数达到a ) 基体b ) 网状物c ) 网状物上不均匀物质图2 - 2 进口材料的能谱分析f i g 2 - 2e n e r g ys p e c l n n nn a l y s i so f i m p o r t e dm a t e d a l了2 4 2 4 ，其余的w 和m o 的含量较少，质量分数只有2 8 5 和0 3 7 。可以推测该材料是c o 基高温合金，其基体是c o 的奥氏体固溶体，固溶体内溶解了大量c r 和少量的w 和m o ，起到固溶强化的作用。从图2 - 2 b 可见，颜色堕查鎏堡三奎兰三耋至圭兰堡篁圣，。：。一较暗的网状物质中c r 的含量最高，质量分数达到了6 5 4 3 ，其次是c o ，质量分数达到了3 2 3 1 ，其它元素的含量很少。根据上述试验结果，结合c o c r二元相图，猜测网状物质是c r 的碳化物，应以( c r 、c o ) 7 c 3 为主。从图2 2 c可见：网状物质上的不均匀白色物质是w 、c r 、c o 的三元碳化物，应是c r 、c o 溶解在w 的碳化物中形成的，说明w 的分布不均匀，形成了w 的成分偏析。为了验证对该材料的组织结构猜测是否正确，又对进口材料组织进行了面扫描，结果见图2 3 。图2 - 3 进口材料显微组织面扫描照片f i g 2 3f a c es c a n n i n gp h o t oo f m i c r o s t r u c t u r eo f i m p o r t e dm a t e d a l由图可见，紫色为c o ，黄色为c r ，蓝色为w ，通过与图2 1 对比，结合前文的分析，进一步证实了猜测的正确性，该材料是c o 基高温合金，其基体是c o 的奥氏体固溶体，连续网状组织为q 的碳化物，网状物质上的不均匀白色物质是w 的碳化物。2 4 进口材料的化学成分利用i c p 对进口材料进行了化学成分分析，分析结果见表1 - 2 。可见，与前面的能谱分析是致的，该材料是c o 基高温合金，由于c r 的含量较高( 3 2 ) ，应含有大量的c r 的碳化物，w 的含量也较高( 8 ) ，也可能含有一定量的w 的碳化物。由以上分析可知，此进口材料的基体是c o 基奥氏体固溶体，基体间颜色较暗的网状碳化物是铬的碳化物，在网状物质上的不均匀塞堑鎏垩三查耋三兰堡圭兰堡篁圣白色物质是w 、c r 、c o 的三元碳化物。表2 - 1 进口材料化学成分( w r )t a b l e2 - 1c h e m i s t r yc o m p o n e n to f i m p o r t e dm a t e r i a l ( w t )化学元素s ic rf en iwc oc化学成分( 、州)0 4 53 2 0 06 5 01 0 08 8 05 2 0 01 1 72 5 进口筒体材料的硬度利用t h 3 0 0 型洛氏硬度计对进口材料进行了宏观硬度的测试，h r c 在4 8 5 5 l 之问。综上所述，推测进口材料是钴基高温合金，组织是c o 的奥氏体基体加c r 、w 碳化物。作者认为：双螺旋辊式磨浆机的工作温度只有1 0 0 2 0 0 ，从耐热的角度，采用钴基高温合金是不必要的，可能是利用钻的奥氏体基体来保证耐蚀性的要求。进口材料的硬度并不高，可能是牺牲硬度来保证耐蚀性的要求。2 6 新材料开发建议从进口材料的分析可见，新材料的开发应以提高耐蚀性为主，同时保证一定的硬度与韧性。高铬自口铸铁组织中含有大量的c r 7 c 3 型碳化物，只要设法改善基体的组成，提高基体的耐蚀性与韧性，就能与国外进口材料的性能相当，而高铬白口铸铁的价格要比钴基高温合金的价格低1 0 倍左右，即使高铬白口铸铁的耐蚀性不如钴基高温合金，只要高铬白口铸铁的使用寿命不低于钴基高温合金的十分之一，从价格的角度考虑就是可行的。而且，课题组对自口铁有多年的研究，积累了大量的经验。因此，作者建议：开发一种新型高铬白口铸铁，h r c 在5 0 左右，基体是耐蚀性好的奥氏体，以提高材料的耐蚀性；并且含有一定数量的c r t c 3 型碳化物，以保证耐磨性的要求。高铬白口铸铁在耐磨性能方面是不需质疑了，无论是干磨还是湿磨，铬系自口铁都具有足够的抗磨性能。而碱性腐蚀对于白口铁来说作用并不大，因此哈尔滨理工大学工学硕士学位论文也不用重点考虑。应该考虑的主要是如何解决抗酸性腐蚀和工作中较高的冲击及剪切应力的问题。对于铬系白口铁来说，可以通过进一步合金化的方法( 加入n i 、c u 等稳定奥氏体的合金元素) 来获得奥氏体基体。同时利用变质处理，细化晶粒，提高材料的综合性能，既可增加材料的硬度、韧性，又提高了材料的耐磨耐蚀性能1 3 ”。2 7 本章小结1 进口材料是钴基高温合金，基体是c o 的奥氏体固溶体，基体问分布着c r 和w 的碳化物。2 进口材料的硬度h r c 在4 8 5 5 1 之间。3 本文建议开发一种新型高铬白口铸铁，h r c 在5 0 左右，基体是奥氏体，以增强材料的耐蚀性，并含有一定量的c r t c 3 型碳化物，以提高耐磨性。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文3 1 引言第3 章磨浆机筒体新材料的开发双螺旋辊式磨浆机由于磨浆质量好，能耗低，被制浆造纸行业看好，并称之为第三代磨浆机，在国内外得到了迅速的发展。但目前世界各国都集中在双螺旋辊式磨浆机设备的开发及工业应用上，对设备上的关键部件正螺旋套、反螺旋套及筒体等耐磨件材料的研究报导却尚未见到。国内将塑料工业应用的3 8 c r m o a l 表面渗氮暂时作为简体及螺旋套的材料，使用寿命在两个月左右，更换筒体及螺旋套要停机作业，影响了双螺旋辊式磨浆机的工作效率，无法满足简体及螺旋套的使用性能的要求 3 6 】。开发适合于双螺旋辊式磨浆机的筒体及螺旋套的新材料，提高筒体及螺旋套的使用寿命，具有重要的理论学术价值和实际应用意义。通过第2 章对国外简体材料的分析，决定开发一种新型耐磨耐蚀铸铁( n m s ) 材料，来满足双螺旋辊式磨浆机的工作环境需要。本章仅就新型耐磨耐蚀铸铁( 讧s ) 材料的开发过程作以介绍。3 2 试验方案的确定借鉴课题组前期工作经验，本试验以含钨高铬铸铁c r l 8 、2 为研究对象。通过引入合金元素n i ，使基体变为奥氏体，通过改变c 的加入量，改变碳化物的数量和结构，调整新材料的硬度，实现不同耐磨性与耐蚀性的组合。依据上述分析，可将实验分为两组：首先固定c 的含量为2 8 ，c r 为1 8 0 ，w 为2 o ，调整含n i 量来考察n i 对材料组织和性能的影响规律，确定最佳含n i 量，具体方案见表3 1 。然后，在确定最佳含n i 量的基础上，改变c 的含量( 如表3 2 所示) ，来进一步考察性c 量对材料组织和性能的影响规律，从而根据对材料性能的需要选择出与其匹配的成分配比。堕查堡堡三尘耋三耋堡圭兰堡丝兰表3 - 1第一组实验成分配比( w )t a b l e3 - 1c o m p o n e n tm i x t u r er a d i oo f t h ef i r s tg r o u pt e s t ( w ，9 6 )元素含量试样编号n icc rw1022342 81 8 o2 04658依据第一组的试验结果知，含n i 量4 为镍的最佳含量。因此，第二组试验的成分配比如表3 2 所示。表3 - 2 第二组实验成分配比( w 肼)t a b l e3 - 2c o m p o n e n tm i x t u r er a d i oo f t h es e c o n dg r o u pt e s t ( w f )元素含量试样编号cn ic rw61 572 o401 8 02 083 53 3 试验材料3 3 1 试验原材料本实验主要原料为生铁、铬铁、钨铁、废钢，原料的化学成分见表3 3 。表3 - 3 实验原料化学成分表( 州)t a b l e3 - 3c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f m a t e r i a l ( w f )元素含量m ns ipscm ot ic rr ew生铁0 2 1 01 6 4 00 ，0 8 40 0 3 64 0 8 0铬铁1 9 6 00 0 2 60 0 3 78 0 0 06 0 9 6 0- 1 5 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文续表( 3 - 3 )钨铁0 6 01 0 00 0 6o 1 00 - 8 02 4 07 0 0 0废钢l ，0 00 2 03 3 2 配料计算本实验以含钨高铬铸铁c r l 8 w 2 为研究对象，含钨高铬铸铁c r l 8 w 2 的配料方案如下所示：根据原材料生铁、铬铁、钨铁，废钢的化学成分，固定c r 和w 的质量分数，分别为1 8 和2 ，通过调整元素的含量，主要是调整碳和硅两种元素含量，使它们都处在各自允许的范围内。每炉浇注1 0 m m 1 0 m m x 5 5 m m 的标准冲击试样1 2 个，1 0 m m 2 5 m m x 5 5 m m 的磨损试样1 个，经计算选定每炉2 k g炉料，按此计算如下：2 k g 炉料中铬铁的含铬量为：2 k g 1 8 = o 3 6 k g ，铬铁的含铬量为6