（材料加工工程专业论文）超高铬铸铁的腐蚀磨损性能.pdf

摘 要 i 论文题目：超高铬铸铁的腐蚀磨损性能 专 业：材料加工工程 研 究 生：杨雄 指导教师：魏世忠 摘 要 在磷肥生产过程中，磷酸输送渣浆泵所使用的过流件承受比较严重的腐蚀磨 损。本文针对这种工况，在国标高铬铸铁 cr26 的基础上，开发了新型的超高铬 铸铁，其含碳量在 3.2- 4.5%之间，铬含量在 32- 39%之间（根据铬含量将其分为 两类：cr33 和 cr37）。超高铬铸铁中的碳化物为 m7c3和 m23c6，基体为马氏体 和残余奥氏体，硬度在 50hrc- 63hrc，冲击韧性在 4j/cm2- 8j/cm2之间。 利用 chi660c 电化学工作站测定了超高铬铸铁在 1mol/l 的 h3po4中的耐腐 蚀性能和电极电位。碳含量和回火温度对其腐蚀性能和电极电位有很大影响。随 着碳含量或回火温度的升高，铸铁的电极电位和腐蚀性能同时下降。 采用冲蚀磨损试验机分别测定了超高铬铸铁在清水介质和 1mol/l 的 h3po4 介质中的冲蚀磨损性能。在清水介质中，超高铬铸铁的耐磨损性与 cr26 铸铁相 近，随着碳含量的增加，其磨损性能先降低后升高。 在 1mol/l 的 h3po4介质中，超高铬铸铁的耐磨性明显优于 cr26 铸铁。 cr33 超高铬铸铁的耐磨性为 cr26 的 1.4- 1.8 倍；而 cr37 超高铬铸铁的耐磨性为 cr26 的 1.3- 3 倍。在碳含量是 3.55%，铬含量在 37%左右的时候，超高铬铸铁的 耐腐蚀磨损性能最佳，其耐磨性为 cr26 的 3.04 倍。碳含量和回火温度对超高铬 铸铁的腐蚀磨损性能有显著影响，随着 c 含量或回火温度升高，超高铬铸铁的 抗腐蚀磨损性能下降。 铸铁的磨损机理以基体被切割，碳化物的剥落为主。随着碳化物的剥落在失 效形式中所占比例的增加，铸铁的磨损性能下降。 最后，本文研究了基体微区铬含量与腐蚀磨损性能的关系。随着碳含量或回 火温度的增加，基体中铬含量降低，相间腐蚀加剧，使超高铸铸铁的腐蚀磨损性 能变差。 关 键 词：超高铬铸铁，腐蚀磨损，热处理，磨损机理 论文类型：应用基础研究 摘要 ii subject： corrisive wear property of the super high chromium cast iron specialty： material processing and engineering name： yang xiong supervisor：wei shi- zhong abstract the components of the slurry pump suffer serious corrosive abrasion in the phosphorus fertilizer manufacturing process. so based on the high chromium cast iron，new super high chromium cast iron(shcci) which contains 3.2- 4.5% carbon and 32- 39% chromium has been developed in this paper. the shcci could be classified as cr33 and cr37. after heat treatments, its microstructure consists of carbide of m7c3+m23c6, martensite and retain austenite. and its hardness is between 50hrc and 63hrc,the toughness is between 4j/cm2 and 8j/cm2. the property of erosion and the electrode potential of shcci has been tested with chi660c electrochemical workstation. the result shows that the content of carbon and the tempering temperature affects the property of erosion and the electrode potential greatly. with the increase of content of carbon and the tempering temperature, the property of erosion and the electrode potential both decreases. the erosion abrasion tester has been employed to test its property of erosive wear in the media of water and phosphorous acid. in the water, the resistance of erosion abrasion of shcci equals to that of cr26. when the content of carbon increases, its property of abrasion decreases first and then goes up. in the 1mol/l h3po4, the resistance of erosion abrasion of shcci is much higher than that of cr26. the resistance of erosion abrasion of cr33 is 1.4- 1.8 times of cr26,and the resistance of erosion abrasion of cr37 is 1.3- 3.0 times of cr26. the shcci contains 3.55% carbon and 37.3% chromium possesses the best resistance, which is 3.04 times of cr26. and the content of carbon and the tempering temperature affects the property of erosion and the electrode potential greatly. with the increase of content of carbon and the tempering temperature, the resistance of erosion abrasion decreases. finally, the wear mechanism has been analyzed from the point of the content of 摘要 iii chromium of the matrix. with the increase of the content of carbon and the tempering temperature, the content of chromium in the matrix decreases, the volume loss resulted from the inter- phase corrosion increases and the resistance of the shcci decreases. key words：super high chromium cast iron，erosive abrasion，heat treatment，wearing mechanism dissertation type：application fundament 第 1 章 前言 1 第1章 前言 1.1 选题背景 在磷肥厂生产过程产生的硫酸(h2s04)、 磷酸(h3p04)、氟硅酸(h2sif6,) 等都 为腐蚀性介质，对设备、管道、阀门具有强烈的腐蚀作用。其中最严重的腐蚀问 题1是: 1. 在普通过磷酸钙生产过程中，由于f、cl等元素与磷矿石伴生，且磷矿石 中夹带一定的石英，其加工过程中回转化成室筒体既遭受无机酸(h2so4、 h3po4、hf、sif、h2sif6、hci等)腐蚀，又遭受以石英为主的固体磨蚀，使腐 蚀复杂化。 2. 在湿法磷酸的萃取生产过程中，料浆泵位于萃取循环反应槽中，用于输 送含固体颗粒的磷酸料浆，由于料浆中含有磷酸、硫酸、氟硅酸等多种无机酸， 再加之固体颗粒的磨损，在料浆泵的转子高速旋转过程中，腐蚀和磨损联合作 用，使叶轮、轴套、蜗壳等零部件损坏十分严重，使用寿命很短。 磷矿粉(或矿浆)加入磷酸反应槽后，矿中的si02和反应生成的石膏等都在磷 酸料浆中。由于固体颗粒的存在，磷酸料浆与转动件或静止部件间相对运动剧烈 的部位都会产生材料磨损，这种局部磨损在料浆泵叶轮线速度大的端部最为严 重。而料浆循环泵的作用是把充分反应后的料浆输送到过滤机过滤磷酸。由于这 么多含固体介质的酸性混合物对萃取料浆泵具有强烈的腐蚀性。再加之泵的叶轮 高速旋转，料浆对泵体及叶轮具有强烈的冲刷和磨蚀性。 在这样苛刻的工况条件下，设备很容易被破坏。而一旦设备出现腐蚀破 坏，整个生产装置就将被停产，造成严重的经济损失。例如 30 万吨/年合成氨装 置因腐蚀停产一天，损失为 60 万元人民币，30 万吨/年乙烯装置因腐蚀造成停 产一天，损失为 750 万元人民币。因此，化工行业的腐蚀最为严重，经济损失最 大。 国内常用的制造料浆泵的材料如 1crl8nil2mo2ti, 1crl8nil2mo3ti 等已远 远不能满足生产的要求。在我云南昆阳磷肥厂湿法磷酸装置中使用，其主要部件 如:叶轮、轴套等，运行时间不超过 250 小时，最短的几个小时。无法保证生产 的正常运行。 在国外，用于湿法磷酸装置中制造料浆泵的材料较多，如法国的ub- 6、瑞 典的sincro2合金、日本的a725m, a955、美国的cd- 4mcu.这些材料中cr，ni含 量较高，而碳含量都控制在超低范围内。因此，它们具有较好的耐腐蚀性能，但 河南科技大学硕士学位论文 2 其硬度比较低，耐磨性较差。以日本a725m为例，该料浆泵为日本生产的，使用 后，其叶轮也仅能用786小时，仅为一月。 所以，研究和开发新型的渣浆泵使用材料具有很重要的意义。 1.2 渣浆泵的研究现状 1.2.1 渣浆泵内固液两相流的磨损规律试验研究 对水力机械内部固液两相流冲蚀磨损规律的研究，具有重要的价值，系统掌 握冲蚀磨损规律可以更好的指导和促进机械部件材料冲蚀磨损性能机制的研究， 从而指导机械结构部件参数的优化设计，适当控制运行工况，进一步降低过流部 件的冲蚀磨损破坏程度，提高机械的工作效率和有效寿命由于受实际试验条件的 限制,室内冲蚀试验主要在不同泵类机械上进行。 warman国际公司研究小组对流量和磨粒颗粒大小对磨损的影响进行了实验 研究。研究标明，进口侧壁内衬板的磨损受颗粒大小变化的影响不大2。 日本mitsubishi重工业集团公司对泥沙泵、污水泵的高弹性衬板材料，包括 聚合物、金属和陶瓷涂层等13种材料的浆料磨损性能进行了系统研究3。研究结 果表明，流化合成塑料和橡胶与金属和马氏体不锈钢有良好的耐冲蚀磨损性能； 超过一定的临界冲蚀速度后，材料的冲蚀磨损率随着冲蚀速度和浆料浓度的增加 而成指数上升；聚氨酯材料由于其气孔率很高，冲蚀磨损性能很差；橡胶材料具 备优异的冲蚀磨损性能得益于自身的高抗剪切强度。 李双寿、卢达溶等采用正交实验方法对奥贝球体(简称adi)叶片的磨损进行 了试验研究，探讨了叶片材料特性的成分和热处理工艺以及叶片线型，磨料种类 等水力学条件对叶片磨损的综合影响。研究表明成分和热处理工艺交互作用决定 的材料特性是影响叶片磨损的主要因素，其次是叶片线型、磨料种类等。该研究 首次将叶轮内的冲蚀磨损机理和材料的抗磨性两个不同领域的研究结合在一起 4。 抗磨蚀材料从总体上讲应具备韧性强、硬度高、质量均一、结晶颗粒细、结 构致密拉力强、疲劳极限高的等综合性能，并具有可加工性和可焊性5。 目前水力机械过流部件所采用的抗磨蚀金属材料主要有高铬铸铁、铸钢、有 色金属及其硬质合金。实际工况运行的检验和试验研究表明，层错能低、弹性 好、强度高、组织致密、晶粒细微、耐蚀性好，具有足够韧性的亚稳态奥氏体材 料是理想的水轮机过流部件使用材料。但是由于金属材料本身具备硬度较低，强 度较小的特性，从而限制了其耐磨性能的提高。王飚等人选取铝、铁、钨等10种 第 1 章 前言 3 常用结构材料进行抗磨蚀性能研究，结果表明以钨、钴、铬的抗汽蚀性能最佳 6。 1.2.2 渣浆泵过流件设备的生产中的问题及解决的现状 目前水力机械过流部件所采用的抗磨蚀金属材料主要有高铬铸铁等。虽然亚 共晶高铬铸铁被认为是目前最优良的耐磨材料，但当用于磨损强度大的工况时， 寿命却相当短。所以，渣浆泵用高铬铸铁正朝过共晶铸铁发展，但是由于过共晶 高铬铸铁中初生相过于粗大，会使得产品在生产过程中就会出现裂纹。使得产品 报废。所以，国内关于过共晶铸铁的研究还比较少。 石家庄工业泵厂的李启从工业生产的角度浅谈了提高渣浆泵过流件使用寿命 的措施7。 李绍利等人检索到两项国外关于过共晶高铬铸铁的专利8： 1. 专利 wo2004/103608 介绍了一种用消失模生产过共晶铸铁的方法，可用 于生产渣浆泵等设备的部件，该方法的缺点是：模具投资大，不适于单件小批的 渣浆泵部件的生产，其能加入的孕育剂的最大量受到限制；孕育剂在铁液里分布 不均匀。 2. 美国专利 5803152 介绍了一种细化初生相的方法，该方法适于有过共晶 相的合金（特别针对白口铸铁）。该工艺是在浇注铸件的同时向金属液里加入孕 育剂。其缺点是：孕育剂的加入量偏高，其表面的氧化物杂质一般都残留在铸件 里，对材料的韧性有不利的影响；浇注温度偏低，合金液的流动性不好，不适合 生产渣浆泵过流件之类的复杂件。 1.3 超高铬铸铁的研究与应用 上世纪九十年代，加拿大与澳大利亚的研究人员率先研究开发出了碳为 4.5- 5.0%，铬为 30- 35% 的超高铬铸铁，用做渣浆泵过流件，获得了良好的成效9。 上世纪末至本世纪初，国内大连耐酸泵厂和石家庄泵业集团先后研究了在耐腐蚀 泵上使用的超高铬铸铁材料，亦取得了满意的成效10- 12。近年来，郑州机械研 究所开发研究的超高碳高铬堆焊药芯焊丝，能获得与摩擦面重直的杆状 m7c3型 碳化物，有望解决腐蚀磨损件的焊补问题13。 超高铬铸铁的研究开发，正在成为新的热点，引起耐磨材料和石油化工领域 的广泛关注。现将国内外有关超高铬铸铁的研究开发状况简介如下。 河南科技大学硕士学位论文 4 1.3.1 超高铬铸铁的成分范围与分类 将国内外研究开发的铬系铸铁的碳、铬成分分别标示在fe- c- cr三元合金的 液相投影图图上（图1- 1）：国标gb/t82631999规定的铬系铸铁的碳、铬含量 如图中a1，a2和a3三个方框所示。其中，a1表示含铬2%的低铬铸铁，a2表示 含铬8%的中铬铸铁，a3表示含铬15- 26%的高铬铸铁。b框为石家庄耐酸泵厂和 大连耐酸泵厂各自研究开发的以铁素体为基体的超高铬铸铁。c框是石家庄泵业 集团研究开发的超高碳高铬铸铁。d框标示郑州机械研究所研究的超高碳高铬高 碳高铬堆焊药芯焊丝。a，b，c，d 四点表示的加拿大的r.j. llewellyn研究的超 高铬铸铁。 图 1- 1 fe- c- cr 三元合金的液相投影图14 fig.1- 1 the liquid phase projection graph of the fe- c- cr alloys 由图 1- 1 可见，国标规定的低铬、中铬与高铬白口铸铁的化学成分均处在先 共晶析出相为奥氏体的亚共晶白口铸铁的成分范围内。新研究开发的超高铬白口 铸铁的化学成分则分别处于先共晶析出相为铁素体（高铬）的亚共晶白口铸铁， 或先共晶析出相为 m7c3型碳化物的过共晶白口铸铁的成分范围内。因此，按先 共晶析出相种类，目前国内外研制的超高铬白口铸铁可分为两类： （1） 先共晶析出相为铁素体（高铬）的亚共晶超高铬白口铸铁； 第 1 章 前言 5 （2） 先共晶析出相为 m7c3型碳化物的过共晶超高铬白口铸铁。 1.3.2 亚共晶超高铬白口铸铁 亚共晶超高铬铸铁的化学成分见表 1- 111。在高铬铸铁中，当铬含量满足 cr%10c%+12.5%时，基体中的铬含量大于 12.5%，含铬铁素体基体从铁的负电 位变为铬的正电位。当铬含量满足 cr/c17 时，就可避免形成 cr7c3，而形成 (fe,cr)3c 和(fe,cr)23c6，而这两种碳化物与含铬铁素体基体的电极电位更接近， 能提高材料的耐腐蚀性。当基体含铬量达 22.5- 27.5%时，即碳铬含量达到原子比 2:8 时，其耐蚀性就可大幅提高。按照这一思路，通过提高含铬量和调整 cr/c， 在改变碳化物形态的同时，使基体含铬量达 25%以上，以确保材料的耐蚀性； 由于铁素体的硬度低，需要大量的碳化物来提高材料的硬度，选择铬含量为 32- 40%，碳含量为 1.0- 2.5%。 表1- 1 亚共晶超高铬铸铁的化学成分（%） tab.1- 1 the chemical composition of hypoeutectic super high chromium cast iron（shcci） 元素 c si mn cr mo ni cu 含量 1.42.5 1.41.8 2.03.5 3340 3.0 3.0 1.5 在高铬铸铁中，硅能阻碍共晶碳化物的生长速度，改善共晶碳化物的形态， 从而提高材料韧性，选择硅含量为 1.4- 1.8%。加人 mo、mn 来提高材料的硬 度，加人 ni、cu来提高材料的耐腐蚀性和韧性。 亚共晶超高铬铸铁退火后的组织为 f（铁素体）+m23c6。其中碳化物呈开花 状、条束状、断网状，提高了材料的韧性。强硬相碳化物总量大于 30%，是材 料具有高的硬度和耐磨性的基础，而且材料的基体为溶有大量合金元素的铁素 体，使其具有很好的耐腐蚀性。 退火后，亚共晶超高铬铸铁的基体为铁素体，硬度在 39- 48hrc 之间，冲击 韧性为 5.0- 8.0j/cm2，基本能够满足腐蚀磨损条件下对硬度与冲击韧性的要求。 材料的腐蚀磨损试验在 msh- 120 磨损试验机上进行，磨损参数11是：转 数 2880n/min，磨损时间：8h，用感量为 0.1mg 的分析天平称重，计算腐蚀磨损 失重率。腐蚀磨损介质为 40% 20- 40 目硅砂，其余为酸溶液，酸溶液的成分为 h3po4 6%，h2s04 3% ，h2sif6 1%，余量为水。实验室腐蚀磨损试验结果见表 1- 2。由表 1- 2 可见，在混酸砂的腐蚀磨损试验中，亚共晶超高铬白口铸铁的耐磨 蚀性与镍硬铸铁（ni- hard）在中性介质中的耐磨性能相当；在耐腐蚀方面，能 耐 40%的磷酸溶液腐蚀。亚共晶超高铬白口铸铁在耐腐蚀与耐腐蚀磨损方面， 河南科技大学硕士学位论文 6 均具有很大的优势。 亚共晶超高铬白口铸铁在酸性较强的介质环境中的使用寿命见表 1- 311。在 酸性较强的介质环境中，亚共晶超高铬材料具有很好的抗腐蚀磨损能力。与 fecr30 材料相比，使用寿命提高 2.5- 10 倍，用作磷酸料浆泵的各个磨损部件， 具有很高的使用价值。 表 1- 2 腐蚀磨损试验结果11 tab.1- 2 results of the erosion- abrasion test 磨损介 质 材料状态 磨损前质 量/g 磨损后质 量/g 腐蚀磨损 量/g 磨损腐蚀 率(%) 相对耐腐 蚀磨损性 混酸砂 退火 1550.314 1531.049 19.765 1.243 1.065 混酸砂 退火 1572.947 1552.751 20.196 1.283 1.032 混酸砂 退火 1508.418 1488.105 19.920 1.321 1.002 水砂 退火+回火 1566.418 1546.201 20.747 1.324 1.000 表1- 3 亚共晶超高铬铸铁的使用寿命11 tab.1- 3 service life of hypoeutectic super shcci 介质状况 材料 so2(%) p2o5(%) f(%) caso42h2o.sio2 (%) ph 值 粒 度/ mm 油温/ 使用 寿命 超高铬 铸铁 2.7- 3.3 0.5- 1.0 0.40.8 20 2- 3 0.03 30- 40 8000h fecr30 2.7- 3.3 0.5- 1.0 0.40.8 20 2- 3 0.03 3040 700h 1.3.3 过共晶超高铬白口铸铁 文献15介绍了高温磨损条件下使用的过共晶超高铬白口铸铁。其化学成分 为 4.5c- 40cr- 8ni- 9nb- 5mo，对比材料为高铬铸铁(25cr)，化学成分为 fe- 25cr- 2.9c- 0.5ni- 0.5mo。 高铬铸铁（25cr）典型的铸态组织见图1.2，性能与试验温度之间的关系见 图1- 3。凝固过程中，先共晶奥氏体呈树枝状，晶间是奥氏体+m7c3的共晶组织 良的耐磨性能。（图1- 2a）室温时奥氏体转变为马氏体+残余奥氏体。过共晶超 高铬铸铁的室温组织中，大部分是大块的先共晶碳化物，基体为马氏体+残余奥 氏体（图1- 2b）。由于大量大块状先共晶碳化物的存在，过共晶超高铬铸铁在室 温时的断裂强度比高铬铸铁（25cr）差；但当温度超过700k时，则比后者高， 见图1- 3b。在任何温度下，过共晶超高铬铸铁的硬度都比高铬铸铁（25cr）高， 见图1- 3a。 第 1 章 前言 7 图 1- 2 试验材料和 cr25 的显微组织15 (a) 25cr；(b) 试验材料 fig.1- 2 microstructure of the test material and the 25cr alloy (a)25cr; (b)test material 在发电厂，锅炉推进器等保证将煤粉，重油和空气充分混合，然后充分燃 烧。推进器的工作温度为 973k 到 1073k，还得承受煤粉的磨损。为了研究这类 磨损行为，文献15设计了专用的低应力高温磨损实验机。两种合金在低应力高 温磨损的试验条件下的磨损率见图 1- 4。过共晶超高铬铸铁（测试材料）的平均 磨损率为高铬铸铁（25cr）的 36%，即过共晶超高铬铸铁的高温相对耐磨性是 高铬铸铁（25cr）的 2.7 倍。说明过共晶超高铬铸铁在高温低应力磨损条件下具 有优的耐磨性能。 图 1- 3 试样性能与试验温度之间的关系15 (a)试样的硬度与试验温度之间的关系；(b)试样的断裂强度于试验温度之间的关系 fig.1- 3 property of this specimens as a function of test temperature (a)hardness of this specimens as a function of test temperature; (b)compressive strength of the specimens as a function of test temperature ab 河南科技大学硕士学位论文 8 文献9介绍了在渣浆泵和物料运输设备中使用的过共晶超高铬白口铸 铁。 试验用过共晶超高铬白口铸铁化学成分与处理状态如表1- 4所示，碳为4.5- 5.0% ，铬为30- 35% 。 过共晶超高铬白口铸铁金相组织见图1- 5。对a12试样讲，铸态时，初生相 主要是粗大的m7c3初生碳化物，体积分数为41%（图1- 5a）。基体组织为奥氏体 分解形成的铁素体+共析碳化物，间或有少量珠光体。经过950- 960保温4- 6个 表1- 4 过共晶超高铬铸铁的化学成分9 tab.1- 4 the chemical composition of hypereutectic super shcci 材料种类 编号 成分 处理状态 a12 30%cr,4.5% c 铸态,碳化物体积分数为41 a61 同a12 淬火处理，体积分数为38 a217 35%cr,5%c 淬火处理，体积分数为44 试验用过共晶超高铬铸 铁 a218 同217 铸态 对比用高铬铸铁 （cr25） a05 27%cr, 3% c 淬火处理 小时淬火处理后的 a12 试样，碳化物尺寸减小，体积分数下降为 38%（图 1- 5b），基体组织为马氏体+残余奥氏体。铬、碳含量分别由 30% cr、 4.5% c提 高为 35%cr、5%c，经过 950- 960保温 4- 6 个小时淬火热处理后，细化后的 m7c3 型碳化物镶嵌在转变后的共晶组织中，碳化物体积分数为 44%，基体组织 为马氏体+残余奥氏体（图 1- 5c）。 图 1- 4 磨损量与测试时间的关系 fig.1- 4 volume loss of the specimens as a function of test time 第 1 章 前言 9 (a)a12铸态组织 (b) a61（a12淬火态） (c) a217（淬火组织） 图1- 5 超高铬材料的金相组织9 fig.1- 5 microstructure of hypereutectic super shcci (a)as- cast a12 alloy; (b) heat- treated a61 alloy; (c) a217 alloy 注：a61是a12经过950- 960保温4- 6个小时淬火处理后得到的组织；a217经过相同的热处理。 过共晶超高铬白口铸铁的硬度如表1- 5所示，铸态硬度为hrc54.7，淬火后的 硬度为57.9- 64.4，随铬、碳含量升高而升高。 对石化、釆矿行业便用的各类渣浆泵，阀门，喷嘴，旋流器和其他用于运输 渣浆的器件来说，承受的是低角度的冲击腐蚀磨损。为此，加拿大、澳大利亚的 r.j. llewellyn 等人研制了专用的 coriolis 检测装置。以含有 10% 50- 70 目石英砂 的泥浆为磨料，造成高速低角度的冲击腐蚀磨损。这种磨损形式对应于加拿大北 阿尔伯塔的采矿业和油砂矿加工业中遇到的严酷磨损形式，以求降低此行业较高 的磨损成本。 表1- 5 过共晶超高铬铸铁的硬度9 tab.1- 5 hardness of hypereutectic super shcci 编号 硬度hrc a12（铸态） 54.7 a61（950960保温46个小时淬火处理） 57.9 a217（950960保温46个小时淬火处理） 64.4 使用 coriolis 检测装置测出的低角度的冲击腐蚀磨损性能见表 1- 6。在该试 验中，以 aisi1020 钢（0.2%c）为标准试样，以其相对耐磨性为 1。标准试样的 磨损量除以受测试样的磨损量，即为受测试样的相对耐磨性。由表 1- 6 可知： （1）经 960加热，保温 6 小时淬火后，过共晶超高铬白口铸铁相对耐磨性升 高；（2）铬、碳含量升高，碳化物数量增加，过共晶超高铬白口铸铁相对耐磨 性升高。 河南科技大学硕士学位论文 10 表 1- 6 过共晶超高铬铸铁的低角度的冲击腐蚀磨损性能9 tab.1- 6 low impact angle erosion resistance of hypereutectic super(shcci) 试样编号 成分与处理状态 硬度 相对耐磨性 aisi102 钢 0.2%c，轧制 hrb26.5 1 a12 30%cr，4.5%c，铸态 hrc54.7 25 a61 30%cr，4.5%c，淬火处理 hrc61.1 38 a217 35%cr，5%c，淬火处理 hrc64.4 65 快速冷却和凝固对过共晶超高铬白口铸铁碳化物形态的影响见图1- 6，其下 部为激冷层，上部为正常组织。釆用快速凝固可以形成更多细小的团球状的初生 碳化物）。初生碳化物细化大幅度提高过共晶超高铬白口铸铁低角度冲击腐蚀磨 损性能（表1- 6）。过共晶超高铬铸铁用作渣浆的抽取装置和物料运输设备中的 部件，其使用性能见表1- 7。 图1- 6 激冷对初生碳化物形态的影响9 fig.1- 6 effect of chill on distribution of primary carbides 图1- 7 激冷面的相对腐蚀耐磨性和硬度9 fig.1- 7 relative erosion rates and hardness (hrc) values for chill face 第 1 章 前言 11 表1- 7 过共晶超高铬铸铁的使用性能9 tab.1- 7 service experiences of hypereutectic super chromium white irons (cwi) 工况 部件 对比标准材料，寿 命(小时) 过共晶超高铬铸 铁,寿命(小时) 相对耐磨性 金矿 叶轮 a12 720 a217 2160 3.0 金矿 叶轮/里衬 a05 1400 a217 2390 1.7 金矿 叶轮/里衬 a05 1400 a217 2390 1.7 金矿 叶轮/里衬 a05 1150 a61 1940 1.7 铝土矿 叶轮 a05 405 a61 630 1.6 叶轮 a05 2160 a12 3600 1.7 油砂沥青抽取 部件 叶轮 a12 2500 a61 5500 2.2 磁铁矿 喉部衬里 a05 2800 a61 5580 2.2 铌矿 喉部衬里 a05 4400 a217 8000 1.8 铜矿 叶轮 a05 1500 a217 2500 1.7 由表1- 7可见：(1)过共晶超高铬铸铁(a12、a61、a217)相对耐磨性是高铬铸 铁cr25(a05)的1.6- 2.2倍；(2)经淬火处理的过共晶超高铬铸铁(a61)的相对耐磨性 是铸态的(a12)的2.2倍。 这是因为过共晶超高铬铸铁的铬碳含量高，分别在30%- 35%与4.5%- 5.0%之 间，碳化物类型为m7c3型，体积分数高达38%以上；经淬火处理后，碳化物的 尺寸相对变小，分布趋向均匀。同时，基体中铁素体、珠光体等软质相消失，材 料的宏观硬度升高，在hrc57以上。经淬火处理后的超高铬铸铁在矿浆的抽取 设备使用，表现出了良好的耐磨性。 1.3.4 初生碳化物的细化 超高铬铸铁中的碳含量和铬含量都较高，组织中存在粗大的初生碳化物，粗 大的碳化物使得材料的冲击韧性急剧下降。细化初生碳化物使得其成为团球状弥 散分布在基体中可以提高材料的冲击韧性，使得材料可以在更多的工况下使用。 细化碳化物的办法有很多，如合理运用铸型对液态金属的激冷作用，变质和 孕育处理，半固态处理，合金化，悬浮铸造。其中孕育和变质处理、合金化、悬 浮铸造是较常用的方法。 孕育和变质处理是一种简单经济的方法。张景辉16等人根据化学键理论， 通过详细的计算推导出键参数函数图，指出 li、na、k、rb、ba、cs、sr、 ca、ce、la 等元素对于小平面方式生长的合金均有孕育和变质作用。在高铬铸 铁中起改善碳化物形态与分布、细化晶粒的作用。 山东大学的孙晓敏，杨华研究了 k/na 变质剂对高铬铸铁组织和性能的影响 17，研究发现变质后残余奥氏体量明显减少，初生奥氏体显著细化，碳化物由 河南科技大学硕士学位论文 12 粗大板条状向细板条状、菊花状转变；变质和热处理共同作用可同时提高高铬铸 铁的硬度、耐磨性和冲击韧性。 添加某些合金对过共晶高铬铸铁的细化也是一种细化初生碳化物，改善高铬 铸铁性能的有效方法。西安交大的智小慧等人研究了在铸态的过共晶高铬铸铁中 添加钛和铌对初生碳化物的影响，结果表明添加钛后，初生相 m7c3细化，整个 碳化物（先共晶和共晶碳化物）的体积分数降低；添加铌后，形成 nbc，使得 初生碳化物 m7c3的体积分数和尺寸下降18- 19。 西安交大的皇志富研究了不同半固态成型温度所对应的凝固组织。研究表 明，采用倾斜冷却体法可以明显改善奥氏体的形貌，而且初生碳化物可得到显著 细化和等轴化20- 21。 1.3.5 超高铬铸铁研究中存在的问题 由上述分析可知，超高铬铸铁具有显著的组织特点和性能优势，有广润的应 用前景。亚共晶超高铬铸铁中，基体为高铬铁素体，具有铬的正电极电位；其铬 碳化物为m23c6型，硬度较高，且电极电位与高铬铁素体相近。从组织性能特点 看，亚共晶超高铬白口铸铁具有良好的抗腐蚀磨损性能。过共晶超高铬铸铁中， 其铬碳化物为m7c3型，硬度高，数量多；经淬火处理后，基体组织为马氏体+残 余奥氏体。过共晶超高铬白口铸铁具有优良的承受严酷的低角度的冲击腐蚀磨损 （如渣浆泵）与高温磨损（如热电厂锅炉推进器）性能。 超高铬铸铁研究与应用中存在的主要的问题是： 第一，在过共晶超高铬铸铁中，尤其是含碳量达到5%以上时，初生m7c3型 碳化物数量多，且形态过于粗大，降低冲击韧性与耐磨性。已经发现用变质与激 冷等工艺措施细化球化碳化物时，可显著提高耐磨性能。但使碳化物细化与团球 化的技术，离实际生产应用还有很大距离。 第二，从金相组织与性能特点看，亚共晶超高铬铸铁在腐蚀磨损条件下，具 有优良的性价比，有广阔的应用前景。但目前的应用范围仅限于磷酸腐蚀工况， 需要进一步推广。 第三，对超高铬铸铁的基础研究还十分薄弱，如对成分、组织、热处理工艺 与性能之间的关系，缺乏系统研究；对失效机理的分析工作亦十分薄弱。 第四，超高铬铸铁系高合金材料，铸造性能不佳，要使之稳定生产，在铸造 生产工艺方面还要做大量的工作。 第 1 章 前言 13 1.4 重蚀磨损工况下的磨损机制及理论研究现状 1.4.1 材料的冲蚀磨损机制 冲蚀磨损机制主要有：(1)由于冲击粒子的切削作用，材料以切屑形式脱离 表面；(2)由于不断冲击时，材料加工硬化最后发生断裂，材料以薄片屑形式从 冲击形成的层状表面脱离；(3)由于冲击时表面唇状物或其它凸起部分发生断 裂，材料以簇团屑形式脱离表面。形成切屑是单颗粒冲击情况下材料磨损的唯一 形式;薄片屑的形成是多次冲击的综合结果。当磨粒开始冲击表面时，一般把材 料挤压到坑的边缘，随后连续不断地冲击揉搓表面层，从而形成一种强烈变形的 表面结构，终因加工硬化造成表层脆性断裂，形成薄片状屑。表面的层状结构和 磨粒嵌入都有助于断裂。磨粒嵌入的作用之一，就是在表面形成“ 铁砧” ， 当遭 受磨粒冲击时，这些“ 铁砧” 就是应力集中区。簇团屑的脱离是由于冲蚀形成了极 端不平的表面形貌，表面吸收大部分冲击能都转化为表面能耗散在材料内部。如 果表面凸起部分受到磨粒冲击，表面的几何形状会降低冲击点的散热速度，因而 在局部地区产生高温，使凸起部分软化，就可能断裂而脱离表面22。 1.4.2 影响冲蚀磨损的因素 由于冲蚀磨损过程本身的复杂性，影响冲蚀磨损的因素也是多方面的，主要 有： 1. 磨粒方面 (1) 磨粒硬度的影响：一般认为冲蚀磨损量是磨粒硬度的函数，其关系式为 e= kh2.3 。 (2) 磨粒形状的影响：球形磨粒冲蚀时，靶材以犁沟变形为主;而多角形磨粒 则以切削为主。多角形磨粒比圆球形磨粒的磨损量要大得多。 (3) 磨粒尺寸的影响：靶材的冲蚀磨损量随着磨粒尺寸增大而增加， 当磨 粒尺寸增大到一定值时，磨损几乎不再增加。 (4) 磨粒破碎的影响：磨粒在冲击靶材表面过程中会破碎出大量碎片，这些 碎片能除去磨粒在以前冲击时在靶材表面形成的挤出唇或翻皮，构成二次磨损。 (5) 磨粒嵌镶的影响：对于延性材料，磨粒较容易嵌镶于靶材的基体，使靶 材表面的性能变坏，往往使冲蚀磨损量增加。 2. 靶材方面 (1) 宏观硬度的影响：小冲角时，材料的宏观硬度越大则耐冲蚀磨损性越高; 而冲角为90 时，耐冲蚀磨损性随材料的硬度增大而降低。 河南科技大学硕士学位论文 14 (2) 加工硬化的影响：加工硬化能提高小角度冲蚀磨损的耐磨性，而对大角 度冲蚀磨损的影响则相反。 (3) 材料组织的影响：小冲角时，马氏体比珠光体耐磨，高碳马氏体比低碳 马氏体更耐磨，在基体上有大量碳化物存在时耐磨性会明显提高;而大角度冲蚀 磨损时，硬度高的组织比硬度低的磨损加剧。 3. 流体方面 (1) 冲蚀速度的影响：因为冲蚀磨损与磨粒的动能有直接的关系，所以冲蚀 速度对冲蚀磨损影响很大。研究表明，冲蚀磨损量与磨粒的速度存在指数关系。 (2) 流体温度的影响：温度对冲蚀磨损的影响有两种完全不同的结论。一些 试验结果表明，随着温度升高，冲蚀磨损加剧;但另一些实验且有相反的结果。 (3) 冲角的影响：冲角是指磨粒与靶材表面之间的倾角。延性材料的冲蚀磨 损开始随冲角增加而增大，当冲角为20 - 30 时，磨损最大，然后随冲角继续增 大而减小；脆性材料则随冲角的增加，磨损量不断增大，当冲角为90 时，磨损 最大。 1.4.3 浆体冲蚀磨损和固体粒子冲蚀磨损 液体介质携带固体粒子以一定的角度和速度对材料表面进行冲击，使材料表 面产生磨损的现象称为浆体(液体- 固体)冲蚀磨损。浆体冲蚀磨损在工矿生产中也 很常见，例如泥浆泵中泥浆对泵体和叶轮的磨损，原煤管道输送中煤浆对管道的 磨损等等。对于浆体冲蚀磨损的研究迄今还很不深入，一般认为冲速不高的浆体 冲蚀磨损主要是由其中的固体磨粒造成的，因而认为浆体冲蚀磨损的机理与固体 粒子冲蚀磨损相同。但是浆体中液相的存在必然会产生一定的影响，使浆体冲蚀 磨损与以气体为介质的固体冲蚀磨损之间存在一定的差异23。 1.4.4 浆体冲蚀磨损与固体粒子冲蚀磨损之间的差异 1. 冲蚀速度和冲蚀角 由于液相的存在，在浆体冲蚀磨损时磨粒必须穿过 磨粒之间以及磨粒与靶材表面之间的液膜才能到达靶材表面，产生冲蚀磨损，这 必然使磨粒的冲蚀速度降低。另外，根据流体力学理论，一束流体冲击在材料表 面上，流体将沿着材料表面铺展，如图1- 8所示。在浆体冲蚀磨损中，由于流体 的粘性较大，磨粒的运动方向将向流体运动的方向偏斜。沿v1方向偏斜的那部分 磨粒的实际冲角将比名义冲角小，而沿v2方向运动的那部分磨粒的实际冲角将比 名义冲角大，根据式1- 1、1- 2计算： d1/d2=(1+cosa)/2 (1- 1) 第 1 章 前言 15 d2/d=(1- cosa)/2 (1- 2) 因此，除90 外，在各种冲角下总是沿v，方向偏斜的磨粒居多，所以铺展作 用的综合效应使大多数磨粒的实际冲角减小。 图1- 8 浆体冲击靶材表面的铺展作用示意图 fig.1- 8 the schematic diagram of the slurry impacting the target material 2. 浆体的连续性 固体粒子冲蚀磨损时，固体粒子是不连续的，而浆体却 是连续的。由于浆体的铺展作用，只有铺展层中离靶材表面较近的那些磨粒能冲 击到材料表面产生磨损，而离靶材表面较远的浆体中，一部分磨粒不能参与冲蚀 而流失，所以浆体冲蚀磨损时，实际参与磨损的磨粒数目要少得多，而且这些磨 粒虽能达到靶材表面，但由于穿过液膜使冲蚀速度降低，其冲蚀作用也相应减 弱。 3. 浆体的冲刷作用 一颗磨粒冲击到靶材表面往往形成一个压坑，压坑的 末端产生变形唇。在浆体冲蚀磨损时，由于浆体的冲刷作用，使变形唇或变形的 凸体很容易被冲刷掉，因而在浆体冲蚀磨损中，靶材的硬度所起的作用更为重 要，而延性所起的作用相对减小。 4. 浆体的冷却作用 固体粒子冲蚀磨损时，由于局部产生剧烈的变形和绝 热剪切作用，靶材表面局部地区会产生很高的温升，使材料的组织发生变化，甚 至熔化。而在浆体冲蚀磨损时，由于液相的存在，起到冷却作用，温升不会很 高，热效应大为减小。 河南科技大学硕士学位论文 16 由于浆体冲蚀磨损与固体粒子冲蚀磨损之间存在以上差异，因而浆体冲蚀磨 损规律与固体粒子冲蚀磨损相比，也有许多不同之处。 1.4.5 浆体冲蚀磨损规律与固体粒子冲蚀磨损规律的比较 1. 冲蚀角与冲蚀磨损率的关系 莱维等人对铝、铜和软钢等延性材料进行 研究发现，在冲蚀速度小于10m/s时，随冲角a增大，材料的冲蚀磨损率e不断增 加，最大冲蚀率在90 冲角处。在更高的冲蚀速度时，冲蚀磨损的e- a关系曲线上 出现两个峰值，一个在40 - 60 冲角之间，另一个在90 冲角处。这与固体粒子冲 蚀磨损的规律大不相同，如图1- 9所示。许多研究表明，工业材料、不锈钢、脆 性材料等都存在两个峰值。 图 1- 9 浆体冲蚀磨损与固体粒子冲蚀磨损的e- a关系对比 fig.1- 9 the compare of the relationship of e- a between the slurry scouring wear and the solid particles scouring wear 2. 冲蚀速度与速度指数 浆体冲蚀磨损不仅由于磨粒受到流体的粘性阻 力，而使磨粒减速，而且对速度指数也有影响。莱维等人的研究指出，浆体冲蚀 磨损的速度指数n随冲角而变化，且比固体粒子冲蚀磨损时要小些。冲角a在20 - 90 时，速度指数n在1.62- 2.12之间。 3. 浆体性质对冲蚀磨损的影响 研究发现，以al2o3和sic磨粒的水浆比以 煤作磨粒的水浆冲蚀磨损率大2倍。而冲蚀磨损规律基本上没有变化。煤浆的冲