（材料科学与工程专业论文）磨球用高合金白口铸铁组织及性能的研究.pdf

摘要 论文题目：磨球用高合金白口铸铁组织及性能的研究 学科专业：材料科学与工程 研究生：刘燕签名： 指导教师：张云鹏( 教授)签名： 摘要 本文在分析磨球材料研究现状的基础上，结合磨钼矿用磨球具体的工况条件，在高铬 白口铸铁中加入适量的铜、钒制备高合金白口铸铁。通过加入变质剂r e 、r e b 来研究 变质处理及不同的热处理工艺对高合金白口铸铁磨球材料组织及性能的影响。利用金相显 微镜、扫描电镜、x 射线衍射仪、摆锤式冲击试验机、洛氏硬度计、三体磨料磨损试验机 等分析手段，分别考察了r e 、r e b 变质处理及冷却方式和回火温度对高合金白口铸铁 组织、冲击韧性、硬度及耐腐蚀磨损等性能的影响。 本试验研究最终确定的磨球用高合金白口铸铁的成份为；w c - - - 2 6 ，w c ，= 1 2 0 ， w c u = 1 0 ，w v = 1 0 ，w s i = 1 o ，w m n = o 7 ，s 、p 三抑0 5 ，变质剂w r e = 0 6 ， w b = 0 0 5 。研究结果表明：采用r e 、r e b 作为变质剂进行变质处理可以改善高合金 白口铸铁的组织、硬度、冲击韧性和耐腐蚀磨损性能。当r e 加入量为0 9 时，变质效 果比较明显，碳化物断网i 团块化；当r e 加入量为o 6 、b 加入量为0 0 5 时，合金铸 铁的碳化物网状断开趋势明显，硬度、冲击韧性和耐腐蚀磨损性等综合力学性能较理想。 不同的淬火介质可以提高合金铸铁的冲击韧性、硬度。合金铸铁空冷时，其冲击韧性、硬 度较好，但耐腐蚀磨损性较水玻璃淬火差。合金铸铁在4 0 0 c 回火时基体组织中弥散分布 大量细小的二次碳化物，力学性能最好。合金铸铁最佳的淬回火工艺为9 8 0 2 h 空冷淬 火+ 4 0 0 6 ( 2 3 h 空冷回火，可以获得最佳的硬度、冲击韧性和耐腐蚀磨损性能。 关键词：高合金白口铸铁；磨球；变质处理；热处理；组织与性能 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：t h er e s e a r c ho nm i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so ft h eh i g h a l l o yw h i t ec a s ti r o nu s e di ng r i n d i n gb a l l m a j o r ：m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g n a m e ：l i u y a n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gy u n p e n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i gn a t u 陀： t h ea r t i c l eo nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h el a t e s tr e s e a r c ho fg r i n d i n gb a l la n dt h ec o n d i t i o n o ft h eg r i n d i n gb a l lu s e di nm o l y b d e n u mm i n e r a lj o i n st h er i g h ta m o u n tc o p p e ra n dv a n a d i u m i nt h eh i g hc h r o m i u mw h i t ec a s ti r o np r e p a r e st h eh i g ha l l o yw h i t ec a s ti r o n t h ep a p e ri ss t u d y t h ee f f e c t so fs t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo ft h em o d i f i c a t i o na n dh e a tt r e a t m e n to ft h eh i g ha l l o y w h i t ec a s ti r o ng r i n d i n gb a l lb ym e a n so fa d d i n gt h em o d i f i c a t i o na g e n tr ea n dr e b t h e a r t i c l es t u d i e st h ee f f e c t so fr e ，r e - b ，c o o l i n gw a y sa n dt e m p e r i n gt e m p e r a t u r eo ns t r u c t u r e ， t o u g h n e s s ，h a r d n e s sa n da b r a s i o nc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fh i 曲a l l o yw h i t ec a s ti r o nu s i n gt h e m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e ，s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) ，x - r a y d i f f r a c t o m e t e r s p e c t r u m ( x r d ) ，h a m m e ri m p a c tm a c h i n e ，h a r d n e s sm e a s u r ea p p a r a t u sa n dt h r e eb o d yg r i n d i n g c o m p o u n da b r a s i o nt e s t i n gm a c h i n e t h ec h e m i c a l c o m p o s i t i o ns e l e c t e du l t i m a t e l y o ft h eh i g h a l l o yw h i t ec a s t i r o n ： c h r o m i u m l 2 o ，c a r b o n 2 6 ，c o p p e r l o ，v a n a d i u m l o ，s i l i c o n l o ，m a n g a n e s e 0 7 ，s u l p h u r a n dp h o s p h o r u s 5 5 j c m 2 ，经球磨机对比试验，该铸球 耐磨损、抗破碎，制造成本较低。 1 2 2 中铬白口铸铁磨球 与高铬铸铁磨球和低格铸铁磨球相比，中铬铸铁磨球的研究报道较少。中铬白口铸铁 磨球c r 含量约为7 - - 1 0 之间，其组织中的共晶碳化物为m 3 c 及m 7 c 3 混合类型，其分 布状态已不再是连续网状，中铬铸铁的韧性更接近于高铬铸铁。中铬铸铁的碳、硅、锰、 铬含量与n i h a r d 4 4 型铸铁很相似，它们最为显著的区别就是镍含量：n i h a r d 4 群型铸铁含 5 5 - - 一6 5 的镍，而中铬铸铁一般不含或很少含镍1 1 3 1 表1 - 1 列举了中铬铸铁与 n i h a r d 4 4 型铸铁性能对比情况，由表中可见，中铬铸铁的性能完全可以与后者媲美。 表卜1 中铬铸铁与镍硬铸铁的性能对比情况1 4 1 t a b 1 - 1p r o p e r t i e sc o n t r a s to f m e d i u m c h r o m i u mc a s ti r o na n dn i h a r dc a s ti r o n 指标镍硬铸铁 中铬铸铁 硬 度( h r c ) 5 5 - 6 55 5 6 5 抗弯强度( m p a ) 7 1 6 - - 7 8 47 8 4 - - - 9 3l 力学性能 挠 度( m m ) 2 2 0 2 6 02 2 0 2 8 0 冲击韧性( j c m 2 ) 7 6 4 8 2 66 8 6 - 9 31 7 8 0 8 2 0 空冷8 8 0 - - 9 2 0 空冷 热处理 4 0 0 - - 一4 5 0 回火2 8 0 2 5 0 回火 三体磨损相对耐 磨料：硅砂 1 2 81 3 0 1 4 7 磨料：石榴石 1 7 4 1 8 3 1 9 6 磨性 磨料：碳化硅1 5 11 4 2 - 1 5 5 在含铬7 的中铬铸铁中加3 1 2 的锰合金化，再经8 5 0 较低温度下淬火后，可使 含锰中铬铸铁获得良好的机械性能，其抗冲击磨损能力与1 5 2 1 马氏体高铬铸铁相当5 | 。 与传统工艺相比，采用微合金化，并通过精炼、变质和孕育等处理工艺，通过离心金属型 浇注铸造的中铬磨球，其韧性好、硬度高、应力小，磨球的使用寿命和适应工况能力显著 提高1 6 1 0 对含铬量7 5 9 5 的中铬铸铁加铝变质处理后再经2 0 0 xl h + 5 5 0 x 2 h 亚临 界热处理后，其硬度达到常规淬火和回火热处理水平，且冲击韧性好，耐磨性为4 5 钢的 2 6 倍，同时是高铬钼铸铁的0 7 倍t 1 7 1 0 在一定限度内提高s i c 能改变中铬铸铁( c r 含 量7 - 9 ) 碳化物的类型和分布，使冲击韧性大幅提高，提高凝固期的冷却速度可使其组 织明显细化，综合性能得到改善，同时中铬铸铁耐磨性仅低于高铬铸铁( c r 含量1 4 8 ) 2 0 ，却比低铬铸铁( c r 含量2 3 7 ) 提高6 6 ，为其铸态应用提供了可能性1 1 8 1 。 1 2 3 高铬白口铸铁磨球 2 1 绪论 国外工业发达国家的白口铸铁磨球材质经历了普通白口铸铁、镍硬白口铸铁( n i h a r d ) 和高铬白口铸铁3 个阶段。由于镍硬铸铁含有的碳化物仍属于m 3 c 型。呈网状分布，与 普通白口铁相比没有本质区别，因此使用受到一定的限制1 2 1 。我国自2 0 世纪8 0 年代初 期以来开始研制和推广应用高铬铸铁磨球，高铬磨球具有优良的抗磨能力，并有良好的抗 冲击疲劳能力，同时这种磨球可降低球耗，深受企业欢迎 1 9 1 。 1 3 高铬白口铸铁磨球 1 3 1 高铬白口铸铁磨球中的碳化物 高铬白口铸铁( c r l o ) 于上世纪3 0 年代先后在美国和英国试制成功，是目前国内 外公认的较好的抗磨材料t 2 0 1 0 高铬白口铸铁是以f e 、c r 、c 为基本成分的多元合金。凝 固组织中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 、m 3 c ，这些碳化物 都是硬质相，对合金的抗磨能力起主要的作用。 高铬铸铁磨球中的碳化物的类型、数量、尺寸、分布状态都对其抗磨能力产生明显的 影响。铸态下的高铬铸铁中基体是奥氏体，这种奥氏体在加热至较高的温度下才是稳定的， 而且被c 、c r 等元素所饱和。当温度降低时，奥氏体将发生转变。通常条件下，高铬铸铁 呈现以奥氏体为主的多相组织。对于凝固后的碳化物类型，从图1 - 1 ，1 - 2 眩可以看出： 1 、高碳低铬时，容易出现m 3 c 型碳化物；2 、低碳高铬时，容易出现m 2 3 c 6 ；3 、碳和铬 配合在三角区中，则可以得到m 7 c 3 。 c r ( z )a c l i 图卜1f e - c r - c 系液面相图2 f i g 1 - 1t h el i q u i dp h a s eg r a p ho f f e - c r - cs y s t e m ob24c b ( z ) 图l 屯f e - c r - c 系简化的室温切面图删1 f i g 1 2t h es i m p l i f i c a t i o nr o o mt e m p e r a t u r ec h a r t o ff e - c r - cs y s t e m 高铬铸铁中的m 7 c 3 一般写为( c r , f e ) 7 c 3 。这种碳化物是铬原子溶入铁碳系的不稳定碳 化物f e 7 c 3 形成的。f e 7 c 3 晶体是一个六方点阵结构，每一个碳原子与相邻的六个铁原子 紧密接触。c r t c 3 晶体属于斜方晶系，c r 7 c 3 中的铬原子与f e 7 c 3 中的铁原子排列方式很接 近，铁原子与铬原子的尺寸也很接近，铬元素还可以降低碳在铁中的化学位，为铬原子大 量取代铁原子而形成稳定的( c r ，f e ) 7 c 3 化合物提供了条件。高铬铸铁中m 7 c 3 型碳化物的 含铬量根据合金含铬量、铬碳比不同而有变化，对大量试验的测定表明，最低铬含量为 西安理工大学硕士学位论文 2 5 4 ( 重量百分比) ，几乎探查不到铬、碳原子比为7 ：3 的纯碳化铬晶体。m 2 3 c 6 碳化 物常被称为t 相，是以铬为主的间隙碳化物。t 相晶体具有面心立方点阵。( c r ，f e ) 2 3 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 ，说明 v 2 3 c 6 碳化 物中的含铁量很高。 工业上应用的高铬铸铁含碳量一般为2 4 ，含铬量为11 - - - 2 5 。因此高铬铸铁 的凝固组织中的初晶碳化物和共晶碳化物主要为六方晶系的m 7 c 3 型，其硬度为h v l 2 0 0 - - 一 1 8 0 0 ，较渗碳体硬度h v 8 4 0 - - 一1 1 0 0 高。一般认为其硬度高除与化合物点阵结构的变化有 关外，也与碳铬原子间键结合强度高于碳和铁原子结合强度有关。试验表明，随着铬溶入 量的增加，碳化物硬度相应提高。普通白口铸铁凝固时，共晶碳化物m 3 c 型是连续的， 而奥氏体是孤立相，与之相反，高铬铸铁凝固时所形成的共晶碳化物m 7 c 3 型为孤立相， 而奥氏体则是连续相，大大地减弱了高硬抗磨相对基体的割裂和脆化作用。 1 3 2 高铬白口铸铁磨球的基体组织 高铬白口铸铁磨球按含铬量分为1 3 c r ( 1 1 - - 一1 5 c r ) 、1 8 c r ( 1 6 - - - 2 2 c r ) 和2 7 c r ( 2 3 3 2 c r ) ；按其基体组织分为马氏体( m ) 、奥氏体( a ) 、屈氏体( t ) 和贝氏体( b ) ，分别使用于不同的工况条件。 高铬铸铁中各种基体组织的显微硬度是：铁素体h v 7 0 - - 一2 0 0 ，珠光体h v 3 0 0 4 6 0 ， 奥氏体h v 3 0 0 , - 一6 0 0 ，马氏体h v 5 0 0 1 0 0 0 ，所以马氏体基体高铬铸铁是最常用的高铬铸 铁。高铬白口铸铁磨球的马氏体基体是通过高温热处理来实现的，其宏观硬度较高，在保 持一定韧性下有良好的耐磨性能。但经过淬火而不经低温处理的高铬白口铸铁磨球存在一 定量的残余奥氏体，其在受外力冲击时，转变为相变马氏体引起附加相变应力，因而成为 导致高铬铸铁磨球失效的重要因素。目前马氏体高铬铸铁磨球更适用于中、小型球磨机。 奥氏体基体高铬铸铁磨球啦! 在铸态下具有较高的冲击韧性，在冲击磨擦状态下这种组织 会向马氏体相转变，发生加工硬化现象，从而使磨球在具有高韧性的同时还具有高的抗冲 击磨损能力；生产应用表明，这种磨球具有优异的耐磨性和经济条件。奥氏体基体高铬铸 铁磨球更适合于大型球磨机。屈氏体属珠光体类型，其组织是铁素体和渗碳体的混合物， 随着碳含量的增加，其基体中渗碳体增多，以粒状珠光体硬度和耐磨性较好。屈氏体基体 高铬铸铁磨球的特点是整个断面硬度均匀一致，对碳化物具备始终如一的支撑基体，使磨 球在整个使用过程中均匀磨损而不会出现早期失效和变形；其显微硬度稍低，对共晶碳化 物的镶嵌能力较差，因而在使用过程中磨球的球耗率稍高。据文献介绍t 2 3 1 , 使用屈氏体 高铬铸铁磨球，在生产实践中，磨球质量得到较大提高，合格率在9 5 以上；球耗在永 平铜矿咖5 0 3 m x 8 0 m 溢流型球磨机上为1 0 1 k g t 矿，并在继续下降，达到了该矿历史最 高水平。 1 3 3 高铬白口铸铁磨球中的合金元素 高铬铸铁磨球中除常规的碳、铬等元素外，常加入的合金元素有n i 、m o 、c u 、v 、 4 1 绪论 b 、面等，这些合金元素能形成细小、弥散的碳化物等颗粒，不但本身具有极高的显微硬 度，且能强化基体组织，可以改善高铬铸铁磨球的组织，提高其硬度和韧性，同时对耐磨 性能也有很大的影响。 碳：碳在f e c r - c 系合金中能部分溶入0 【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。碳是影响碳化 物数量的主要因素，但基本不影响碳化物的类型。铸铁中的含碳量越高，碳化物数量越多， 耐磨性好。随着碳含量增加，一方面碳化物显著增加，且多分布在晶界上，故冲击韧性下 降：另一方面，当碳量升高时，高铬铸铁的晶粒显著细化。主要原因是碳量高时，形成的 碳化物阻碍高温晶粒长大，此外碳量升高，高温发生q 叫转变，而丫相对高温晶粒长大不 敏感2 4 l ，因此韧性随碳量增加出现极大值，为兼顾耐磨性和韧性，将碳量控制在1 8 2 8 较好。 铬：铬是高铬白口铸铁磨球的基础元素，是决定碳化物类型的主要因素，使显微组织 中获得高硬度的m 7 c 3 型碳化物。提高铬的含量有助于提高碳化物的数量。铬一部分去形 成碳化物，另一部分溶于基体，提高铸铁的淬透性，抑制珠光体的形成，增加铸态奥氏体 量，提高铸铁韧性。 碳和铬是高铬铸铁磨球中最重要的合金元素。碳化物数量取决于碳量和铬量。当 c r = l l 2 6 ，c = 2 - - - 4 ，m o = 0 - 4 时，碳化物的数量圯 为： l o l 2 3 3 ( c ) + 0 5 5 ( c r ) 一1 5 2 ( ) 、 ( 1 1 ) 同时，为了防止粗大初生碳化物的产生，保证碳化物全部呈现高硬度的、孤立状的 m 7 c 3 型，选择合适的c r c 比值也是十分重要的。随着c r c 增大，高铬铸铁的韧性提高。 一般情况下，c r c 在5 8 之间，可以保证获得m 7 c 3 型碳化物。铬虽然大多数与碳结合 形成碳化物，但尚有部分溶解在奥氏体中强化基体，增加铸铁淬硬性，在含碳量一定的条 件下，随着铬含量的提高而提高淬硬性，即随着c r c 的增加，铸铁淬硬性提高。 硅：硅是非碳化物形成元素，主要溶于基体中。硅能影响碳化物形态，使碳化物孤立、 等轴、细化。铸铁中硅含量过高时易出现珠光体，使韧性下降，且磨损过程中极易产生剥 落。在保证足够淬透能力时，适量的硅可提高m s 点，使基体中残余奥氏体减少，此外， 硅的加入对冶炼时脱氧及增加铁水流动性有利。因此高铬铸铁磨球的硅含量一般为0 3 一- 0 8 。 锰：锰既能进入碳化物又溶解于金属基体中。锰能够抑制珠光体转变，稳定奥氏体和 碳化物。锰虽然能够提高淬透性，但因其强烈降低m s 点，稳定奥氏体，故热处理后奥氏 体量增加，冲击韧性下降。因此，锰含量不宜过多，一般小于1 。 钼：钼溶于基体和碳化物中。溶于基体的钼具有抑制珠光体形成和提高淬透性作用。 加入钼能增加相当数量的m 7 c 3 相，并形成高硬度的m 0 2 c 。钼可使铸态组织细化，奥氏 体增多，韧性和铸态硬度都提高，可使热处理淬透深度和耐磨性都增加。钼是贵金属元素， 故其加入量一般不超过3 。 西安理工大学硕士学位论文 镍：镍不形成任何形式的碳化物，无限固溶于奥氏体中，扩大奥氏体相区，降低临界 转变速度和m s 点，是稳定奥氏体的主要合金元素，可以抑制珠光体的形成。由于镍资源 有限，价格高，一般控制在0 2 - - 0 8 。 铜：铜是非碳化物形成元素，在铸铁中一般以固溶体形式存在。铜能提高淬透性，尤 其铜、钼共用时，提高淬透性效果更显著。铜可以改变奥氏体和共析相变过程中碳原子的 扩散速度，细化组织，特别是时效时铜从固溶体中沉淀出来，强化基体，提高了基体硬度， 增加铸铁的耐磨性。铜对铸铁的机械性能也有影响，可以提高铸铁韧性和硬度1 2 6 1 。 钒：钒是强烈的碳化物形成元素，可以稳定高铬铸铁中的碳化物。国外对f e c r - v - c 相平衡进行了试验和热力学分析2 刀，研究显示v 主要存在与m 7 c 3 碳化物当中。铸态时， 钒和碳不仅能形成初生碳化物，而且形成二次碳化物，使基体中含碳量降低，提高m s 点， 在铸态容易获得马氏体，马氏体含量增加，硬度、韧性和耐磨性都有所提高2 踟。 钛：钛是活泼元素之一，它与氧、碳、氮都有较强的结合力，与硫的结合力也强于铁 啪1 ，钛与碳、氮形成的t i c 、t i n 熔点高，其质点在凝固过程中起外来晶核作用，细化铸 态组织，形成的t i c 极为稳定，不宜溶解。文献3 们研究了钛元素对c 2 5 、c r l 6 高铬铸 铁组织和性能的影响，研究发现t i c 的形成可导致共晶碳化物( c r , f e ) 7 c 3 含量降低；由于t i c 颗粒的非均质形核作用，高铬铸铁组织得到明显细化、基体显微硬度提高；钛的加入可使 硬度和耐磨性提高，同时对冲击韧性无显著影响。 硼：硼作为微量元素加入钢中，能显著提高钢的淬透性，添加0 0 0 1 b 对提高钢淬 透性的效果就相当于添加2 n i 和0 2 m ot 3 1 , 3 2 1 。 。 其他合金元素：高铬铸铁中还加入n b 、t a 等合金元素，n b 、t a 可降低合金的碳化 物形成温度，造成形成初生碳化物的温度范围缩小，进一步减小初生碳化物尺寸。 1 3 4 高铬白口铸铁磨球的铸造工艺 高铬铸铁因c r 等合金元素含量高，为减轻烧损和成分控制，而只能在电熔炉中熔炼。 常用的电熔炉是电弧炉和无芯感应炉，可采用酸性炉衬或碱性炉衬。资料研究1 3 3 1 p 高铬 白口铸铁在感应炉中熔炼，用酸性炉衬最为经济、实惠。高铬铸铁线收缩率为1 8 2 o ， 接近普通钢、导热性差( 导热系数为0 0 4 2 c a l c m s ) 、弹性模数高( 1 7 0 0 0 k g c m 2 ) ， 在铸造过程中，易于引起内应力，产生微裂纹。磨球应用实践表明，在材质成分设计、力 学性能满足要求的情况下，铸造缺陷是造成磨球破碎的主要原因。为了获得组织致密、晶 粒细小，铸造缺陷少的优质磨球，除了重视熔炼工艺和炉前处理外，在铸造工艺上还必须 采取加强冷却、充分补缩、有效挡渣等工艺措施。 高铬白口铸铁磨球的铸造方法主要有金属型和砂型两种。砂型铸球较为传统，有较长 的发展历史，多为手工操作，也有少数砂型生产线。金属型铸球由于可以获得质地致密、 高度细化的结晶组织，在同等热处理条件下，使得磨球的使用性能在磨耗和破碎率两个方 面大大优于砂型铸球，因此得到迅速发展，目前已成为铸球的主流。 缩松、疏松是磨球在使用中破碎的主要原因。采用铸型大部分为金属型、冒口局部为 6 1 绪论 砂型的铸造工艺1 3 4 , 生产的高铬铸铁磨球在实际使用中达到高耐磨、抗冲击、低成本的 良好效果。消失模铸造磨球3 5 1 由于工艺出品率高，生产效率高，操作简便( 生产工人少) ， 产品划一等优点，深受许多磨球生产厂家的欢迎。文献d 研究表明，通过合理控制冷却 速度，高铬铸铁可得到贝氏体、奥氏体和屈氏体等基体组织，但只有金属型铸造屈氏体高 铬铸铁具有性能稳定、成本低廉的特点，具有较强的实用性。文献”研究了压铸亚共晶 高铬铸铁的组织结构，发现了富集在一些特定亚晶粒边界的溶质不是晶粒被烧结的边界， 而是由根部较细的枝晶被弯曲、剥落形成的；在一定的冷却速度下，通过促进枝晶根部的 细化、枝晶的剥落，可以得到细密的压铸结构。 1 3 5 高铬白口铸铁磨球的热处理工艺 为了使高铬铸铁磨球具有理想的基体组织和耐磨性，充分发挥材料的潜力，热处理是 其生产中必要的工序。高铬铸铁磨球的热处理有淬回火、退火、亚临界热处理。 高铬铸铁磨球要获得良好的耐磨性要经过淬火处理，一般的奥氏体化温度为9 0 0 - - - 1 0 8 0 ，空冷或油冷冷却，之后再进行低温回火( 2 0 0 3 0 0 0 c ) 。在1 0 3 0 保温5 h 特殊 淬火液淬火，之后2 7 5 保温4 h 空冷回火的热处理工艺生产出的c r 2 6 高铬铸铁磨球u 引 硬度达6 0 h r c ，冲击韧性大6 j c i n 2 。一些试验研究表明3 9 ，枷，高铬铸铁磨球采用高温回 火对性能改善有利，且经高温回火磨球组织未发生改变，分析认为高温回火对高铬铸铁消 除应力比较彻底。文献“对高碳和低碳高铬铸铁耐磨性和抗氧化性进行了研究，奥氏体 化温度分别为高碳高铬铸铁1 0 5 0 ，低碳高铬铸铁1 0 0 0 ，回火温度为5 0 0 、6 0 0 ， 试验结果表明，5 0 0 、6 0 0o c 回火两种高铬铸铁尤其是高碳高铬铸铁具有好的抗氧化性； 高碳高铬铸铁中铬碳化物的体积分数较高、力学性能较好、延展性低，比低碳高铬铸铁的 耐磨性好。 亚临界热处理是在共析转变区以下温度进行的热处理工艺，适应于在室温下存在过饱 和固溶体的合金。在亚临界处理过程中 4 2 , 4 3 ，铸铁基体组织中的残余奥氏体会析出二次 碳化物并在冷却过程中转变为马氏体，出现二次硬化，使其硬度上升。在适当的处理温度 和处理时间下，能得到最高的硬度，即用亚临界处理的磨球能达到常规热处理性能，从而 大大降低生产成本。 1 4 高铬白口铸铁磨球变质处理的研究现状 高铬白口铸铁磨球加入少量合金元素，进行变质处理，可以改善磨球的韧性，使磨球 强度和韧性较好配合，从而提高耐磨性，并尽可能降低铬含量( 即降低成本) 。高铬铸铁 磨球中常加入的变质元素有稀土、c a 、b a 、m g 、t i 、b 、a i 等。 稀土是高铬铸铁磨球生产中常用的变质剂，稀土元素与铁液中的o 、s 均有较大的亲 和力，能净化铁液，在结晶时避免了初生相的有方向性的生长，因而避免了晶粒粗大。稀 土的熔点低，是强成分过冷元素，有研究1 用热分析技术考察了变质前后高铬铸铁的一 次结晶过程，结果得出，变质处理后，合金的初晶结晶时间和凝固时间均缩短，同时也由 7 西安理工大学硕士学位论文 于稀土为非碳化物形成元素，在凝固过程中通过溶质元素再分配而富集在碳化物结晶前沿 的液体中，提高了碳化物的形核率。 苏勇等人“卯进行了硼、钒、钛、稀土对高铬铸铁的变质处理，研究结果表明，多元 变质处理使高铬铸铁性能有较大提高，经变质处理后其冲击韧性与耐磨性有显著提高，硬 度略有提高。热处理后性能有较大改善。装机使用证明，经多元变质剂处理的高铬铸铁磨 球的耐磨性比未经处理的磨球提高1 0 - 3 0 。 张羊换等人4 们通过微量钒、钛和稀土对高铬铸铁进行变质处理，进一步改善了铸铁 的耐磨性和韧性，通过工业装机试验结果表明，稀土钒钛高铬白口铸铁磨球的磨损非常均 匀，圆整度很好，无剥皮、变形等缺陷；其耐磨性比含m o 、c u 的传统高铬白口铸铁磨 球提高约2 0 ，而破碎率低于0 3 。 长治钢铁公司的管一非等人4 7 1 在高铬铸铁磨球中加入三种变质剂：稀土硅0 3 + 铝 o 4 ：锌0 0 1 5 ；稀土硅o 3 ，研究其变质处理工艺。结果表明，加入o 3 稀土硅作 变质处理并经热处理，其硬度较高，磨损量小，冲击韧性好，综合性能优良。 王仲珏4 阳研究了高铬铸铁磨球的稳定化生产的新工艺，对稀土复合变质剂实行“二 步法处理，即把变质剂分别在炉内及铁水浇包内加入，这样可以发挥奥氏体枝晶细化和 控制共晶结晶的作用，采用离心金属型铸球，同时施行5 5 0 - 6 5 0 亚温处理，制得的磨 球与传统工艺相比，硬度高、应力小、韧性好、热处理费用低、生产周期短，磨球的使用 寿命和适应工况能力显著提高。 大连理工大学秦紫瑞等人4 鲫采用稀土镁合金变质处理，同时通过多元合金化与控制 铬碳比，改善了高铬铸铁的组织与性能。试验结果表明，在高铬铸铁中添加适量的稀土镁， 可明显地细化其组织，改善碳化物的分布形态，使其铸态机械性能达到或超过n i h a r d l # 水平，在p h = 6 弱酸性介质中，其冲蚀磨损率比n i - h 矾1 群低3 0 ，且成本低，表明新研 制的高铬铸铁具有广泛应用前景。 刘根生等人巧研究采用r e ，a l 复合变质处理对含硼高铬铸铁组织及性能的影响。 试验结果表明，采用r e 和a l 合理搭配，并加入适当的量对含硼高铬铸铁进行变质处理 后，其铸态组织中碳化物的分布和形貌明显改善，材料的综合性能得到显著提高。 长安大学张进孝巧通过添加不同含量v 、r e 合金元素，对普通高铬铸铁进行复合 变质处理。研究结果表明，经v 、r e 复合变质的高铬铸铁，可使碳化物转变为孤立的块 状，冲击韧性和抗磨性均提高，当含0 2 5 v 、0 7 r e 时，毗约提高6 0 ，抗磨性约提 高两倍。 文献巧2 1 研究了r e ，a 1 对高铬铸铁组织及性能的影响，结果表明，铸态未变质高铬 铸铁组织中，奥氏体含量多，碳化物呈粗大板条状分布，晶粒比较粗大；经适量的r e ， a l 复合变质后铸态高铬铸铁中残余奥氏体含量显著减少，初生奥氏体显著细化，板条状 碳化物变细、碎化，使高铬铸铁的硬度、耐磨性、冲击韧性都有不同程度的提高。 1 5 高铬白口铸铁磨球的磨料磨损行为及机制 8 1 绪论 材料的磨损失效是相当复杂的过程，因为磨损性能并不是材料固有的特性，而是与磨 损过程的磨料性质、材料本身性能以及相互作用方式等因素有关的系统特性 5 3 1 0 磨损的 这种系统特性从根本上决定了不会有万能的抗磨材料，只有在某种工况下最适合的抗磨材 料，因此只有在明确特定工况条件下来评论抗磨材料的抗磨性的好坏才有意义。 根据欧洲经济合作和发展组织( o e c d ) 的工程材料磨损研究小组给出的定义：磨损 就是由于表面相对运动使物体表面材料逐渐损耗的过程。磨损现象繁纷复杂，但都有一个 “磨屑 脱离本体的过程。从磨屑形成过程的观点来看，大体上有四种不同的磨损类型巧们： 粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、表面疲劳磨损等。由表1 - 2 5 可以看出，在各种磨损 类型中，磨料磨损最为普遍，约占各种磨损的5 0 。 表l - 2 各种磨损类型所占的比例5 5 1 t a b 1 2t h ep r o p o r t i o no fw e a r sa n da b r a s i o n 本试验磨钼矿用高合金白口铸铁磨球的磨损属于磨料磨损，同时由于钼矿的矿浆呈弱 酸性，有一定的腐蚀性，因此还伴随着腐蚀磨损。腐蚀环境中摩擦表面出现的材料流失现 象称为腐蚀磨损( c o r r o s i v ew e a r ) 。磨料磨损是指硬的磨( 颗) 粒或硬的突出物在与摩擦 表面相互接触运动过程中，使表面材料发生损耗的一种现象或过程。硬颗粒或突出物一般 为非金属材料，如石英砂、矿石等，也可能是金属，像落入齿轮间的金属屑等。磨料磨损 几乎没有一种是单一的磨损机理而引起的，经常是多种磨损机制综合作用的结果，而且随 着磨损条件的变化，可能从一种机制转化为另一种机制。 磨料磨损是一种常见的磨损形式，也是最重要的磨损类型，分类方法很多，目前仍没 有统一的分类方法，一般将磨料磨损分为三大类 5 5 1 低应力擦伤式磨料磨损，高应力磨 料磨损或碾磨磨料磨损，凿削式磨料磨损。按磨损系统中有无第三体也可将其分为两体磨 料磨损和三体磨料磨损 5 6 1 0 如果磨料是固定在磨擦平面上的，部件表面与其接触所发生 的磨损，称为两体磨料磨损。如果磨料不是固定的而是松散地处于压力作用下的两个金属 表面之间时，所发生的磨损称之为三体磨料磨损。研究表明二体磨料磨损比三体磨料磨损 对材料的损坏更为严重 5 7 1 0 磨料磨损机制属于磨料的机械作用，这种机械作用在很大程度上与磨料的形状及尺寸 大小，固定的程度及载荷作用下磨粒与被磨表面的机械性能有关。对于高铬铸铁磨球其磨 料磨损的机制可以概括如下： ( 1 ) 微观切削磨粒在材料表面的作用力可分为法向力和切向力两个分力。法向力 是磨粒压入表面，切向力使磨粒向前推进，当磨粒的形状与位向适当时，磨粒如刀具一样， 在表面进行切削而形成切削。由于切削的宽度和深度都很小，切削也很小，故称之为微观 切削。在显微镜下观察，这些微观切削一般较长而宽具有机床切削的特点，切削一面较光 9 西安理工大学硕士学位论文 滑，另一面出现滑移台阶，有些还有卷曲现象。 ( 2 ) 多次塑性变形( 微观犁皱或微观压入)由于磨粒具有负前角及较圆钝的特征， 故与表面材料接触时大部分发生滚动、压入和犁皱，使表面材料发生很大的变形，这些变 形遭到反复塑变，导致材料生产加工硬化或其他强化作用最终剥落而成为磨削。 这种形式的磨料磨损在球磨机磨球上所造成的磨损更有典型性。当磨粒的硬度超过零 件表面材料的硬度时，在冲击力的作用下，磨料压入材料表面，使材料发生塑性流动，形 成凹坑及其周围的凸缘。当第二颗磨粒再压入凹坑及其周围的凸缘时，又重复发生塑性流 动，如此反复塑性变形和冷加工硬化，最终使材料逐渐硬化而脆性剥落以致成为磨削。 ( 3 ) 破碎犁削或切削造成沟槽边缘裂纹的形成，这些裂纹导致碎片形成，从而造 成材料损失。 1 6 选题的意义和内容 1 6 1 选题的意义 磨球的消耗构成了选矿厂生产成本的重要组成部分，选择磨球时，必须要考虑成本效 益的高低，需要综合考虑材质的耐磨性和服役的工况条件和环境。只有了解造成磨球磨损 的原理，并结合具体的工况条件，才能使磨球的损耗量减至最小限度。 高铬铸铁作为一种优良的抗磨材料，以其磨耗小、抗疲劳冲击、抗腐蚀性能好，在矿 山、水泥、冶金等国民经济的众多行业中得到了广泛的应用，这主要由于其显微结构中存 在高硬度的m 7 c 3 型碳化物( 1 2 0 0 18 0 0 h v ) 1 5 8 1 0 国内外对高铬白口铸铁的研究正在深入， 但高铬铸铁属于脆性材料，韧性较差，如何使其获得高硬度的m 7 c 3 型碳化物并使硬度和 韧性达到良好的配合，综合提高其耐磨性，一直是研究的主要课题。 金堆城钼业公司在选用磨钼矿的湿式球磨机磨球时，先后选用过低铬合金白口铸铁磨 球和球墨铸铁磨球。磨球实际使用效果：在相同的工况条件下，球墨铸铁磨球与低铬合金 白口磨球相比具有磨耗低、破碎率低、生产成本低、磨矿效率高等特点。但球墨铸铁磨球 由于含碳量高引起成品钼中碳含量偏高，降低了成品钼的品质，因而需要寻找一种新的替 代磨球。 本课题紧密结合金堆城钼业公司在球磨机磨球实际生产中存在的问题，在高铬铸铁磨 球基本成分的基础上加入铜、钒合金化，制备高合金白口铸铁磨球，通过加入稀土、硼， 来研究变质处理及适当的热处理工艺后，高合金白口铸铁磨球中碳化物的形态、分布的改 变及对硬度、韧性、耐磨性等力学性能的影响，在不同变质剂及变质工艺条件下找到最佳 的变质方案，进一步提高高合金白口铸铁磨球的韧性，提高磨球在湿式磨机耐腐蚀磨损性 能，降低其在磨钼矿中的球耗。 1 6 2 选题的研究内容 变质处理对于改善高铬铸铁具有特别重要的意义，国内外材料工作者们对此进行了大 量的研究，研制出了种类繁多的变质剂。在这些变质剂中，有采用单一合金元素进行变质 1 0 1 绪论 的，也有采用多种合金元素进行复合变质的；有采用无机盐进行变质的，也有采用无机盐 + 合金元素进行变质。本研究中，采用了r e 、r e b 对c r l 2 c u l v l 进行变质处理。 本课题的主要内容：分析研究磨钼矿磨球的工况条件进行受力分析；在高铬铸铁中加 入铜、钒合金化，对合金白口铸铁进行熔炼，分别以r e 、r e b 作为变质剂对高合金白 口铸铁磨球进行变质处理；之后根据试验需要加工试样，研究变质剂及其加入量对高合金 白口铸铁组织和力学性能的影响，探讨出最佳的合金铸铁成分及变质方案。依据铸态和热 处理态组织和性能分析结果制定热处理工艺参数，进行热处理试验。 西安r _ z - 大学硕士学位论文 2 磨球的工况条件及受力分析 磨损是材料消耗的主要方式之一，由于材料的抗磨损性能并不是材料本身固有特性， 而是与磨损过程中的外界条件、材料本身性能( 物理、化学、力学等性能) 及相互作用等 因素有关的系统特性。因此，脱离材料的工作条件来评价材料的耐磨性是没有实际意义的， 只有根据磨料的性质、工况条件、服役环境等分析结果提出材料相应的性能要求，才能科 学选择磨球材料。 球磨机中磨球、衬板和矿粒构成了一个带有冲击的三体磨料磨损系统5 蚰由于其影 响参量太多，且各个参量相互作用，使得这一磨损系统非常复杂。影响磨球耐磨性的因素 主要有外部因素和磨球本身的质量和性能。磨球的外部因素即是其所处工矿条件：球磨机 的参数( 规格及转速等) ；被磨物料的性质( 硬度、粒度、腐蚀性) ；磨矿环境与工艺条件， 以及衬板的材料和表面结构等。磨球自身因素主要包括：磨球材料的成份与显微组织结构； 磨球的尺寸大小及其力学、物理化学等性能。 2 1 磨球的工况条件 通过调查研究得知磨钼矿磨球的主要工况条件为：球磨机型号为m q 3 6 0 0 x 4 0 0 0 ， 工作转速1 8 转m i n ；磨球最大直径1 0 0 m m ；球磨机内矿浆p h 值大约6 - - 7 ，矿浆浓度 7 5 ；给矿：9 0 吨d , 时；球磨机衬板材质为高锰钢；矿石粒度小于1 5 m m ，矿物组成与 硬度见表2 - 1 。 表2 1 矿物组成及硬度 t a b 2 - 1c o m p o n e n ta n dh a r d n e s so ft h em i n e r a l 由此可知球磨机的规格大小为中大型磨机，磨球受到的冲击力较大，衬板的材质也可 反映出冲击力较大( 高锰钢是在较大的冲击载荷或接触应力作用下，表层加工硬化，并有 高密度位错和形变孪晶生成，从而产生高耐磨表层的一种耐磨材料) 。球磨机转速一般选 择临界转速，其转速较临界转速低时，磨球在筒体内滑动或滚动，粉磨效率低，转速较高 时，磨球上升的最高点较高，下落的冲击力增大，转速过大时，磨球就附在磨机内壁随磨 机滚筒旋转，物料的研磨停止：故此可认为工作转速1 8 转m i n 就是临界转速。矿石属于 中等偏硬矿石，因而磨料硬度较高，其中石英硬度最高，其换算成维氏硬度为h v 9 0 0 ； 因此，矿石可碎性和磨球的耐磨性主要由石英决定。磨机内矿浆p h 值大约6 7 ，为中性 或偏弱酸性，矿浆浓度7 5 。可见该磨球的磨损是在腐蚀环境中进行的硬磨料磨损。 2 2 磨球在球磨机中的运动和受力分析 1 2 2 磨球的工况条件及受力分析 2 2 1 磨球的运动方式及分布 磨球工作时是随球磨机的旋转运动沿简体径向分层次有规律地转动，简体旋转时，磨 球首先在摩擦力的作用下被衬板带动，并由于旋转产生离心力，在离心力等外力作用下贴 在筒体内壁与滚筒一道旋转，当磨球达到一定的线速度和被带到一定高度时，由于重力作 用，磨球在某一点位置落下，滚筒中的物料受到磨球的碰击和研磨作用而被粉碎，从而达 到破碎物料的目的，同时磨球也受到冲击、物料的磨损及浆料的腐蚀作用。 根据磨球在球磨机中的运动和工作情况，可把筒体内的磨球群分为五个区6 如图2 1 所示。i 抛落区：磨球脱离简体下落，成抛物线下落，此过程中球与球、衬板、物料基 本上不接触；i i 破碎区：球与球、衬板、物料发生冲击，导致物料的冲击破碎；滑动 区：磨球向下滑动，滑动过程中，球与球、物料和衬板发生摩擦，对物料有一定的碾碎作 用；i v 研磨区：随着筒体转动，球与球、衬板、物料以不同速度转动，有相对运动，发 生相互摩擦，引起物料的碾碎研磨；v 死区：球与球、物料之间基本上不发生相对运动， 处于相对静止状态，该区不发生碾碎研磨和冲击破碎。 图2 - 1 磨球在球磨机中的分布图 f i g 2 1d i s t r i b u t i n go f g r i n d i n gb a l li nt h eb a l lm i l l s 2 2 2 磨球的受力分析 在整个磨矿过程中，磨球受到磨料磨削和凿削作用，以及磨球与磨球、磨球与衬板的 反复滚动，滑动和碰撞，造成了磨球的损耗和破坏。从生产实践中观察得知，冲击作用对 磨球造成的损失甚至比磨损还要大。显而易见，作抛落运动的磨球在抛落点受到的冲击力 最大。图2 - 2 是磨球运动轨迹简图，a 点是脱离点，c 点是抛落点，b 点是磨球运动的最 高点。 文献6 1 1 由磨球上抛初速圪( 式2 1 ) 和运动轨迹( 式2 2 ) 推导出b 和c 两点的垂 直距离h ( 式2 3 ) 及c 点的坐标( 式2 4 ) 。 呀= r g c o s 口 ( 2 1 ) 式中：r 球磨机筒体半径： 西安理工大学硕士学位论文 g 重力加速度( 9 8 1 米秒2 ) ； a 脱离点与筒体中心连线与y 轴的夹角，即脱离角。 n ， c j f 、 k 弦 、 冀7 弋 l义 y 1 乇v 吐 气 图2 - 2 磨球运动的示意图 f i g 2 2m o v e m e n ts c h e m a t i cd i a g r a mo fg r i n d i n gb a l l h = 4 5 r c o s a s i n 2 口 善4 4 r 觚s i n 麓c o s 2 ：r 凰c o 讹st 2 耳= 2 口一 l ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 依据能量守恒定律，磨球在抛落点和最高点处能量相等；那么c 点磨球具有的动能砟 和b 点处的势能相等，即有： 1 e c =