（材料学专业论文）铬镍锰钼低碳高合金钢组织性能研究.pdf

铬镍锰钼低碳高合金钢组织性能研究 摘要 本文主要研究了不同铝 镍含量的c r n i m n m o 衬板钢组织 力学性能 均 匀腐蚀性能以及耐冲击腐蚀磨损性能 试样成分选择为 在原c r n i m o 低碳高 合金衬板钢的基础上 保持其它成分不变 加入1 5 的锰 并将m o 含量调整 为0 5 o 3 n i 含量调整为1 o 0 8 熔炼得到三种c r n i m n m o 衬板钢 并对之进行返火和淬火回火处理 采用光学金相显微镜 x 射线物相分析仪 洛氏硬度计和冲击韧性试验机等实验手段分析了不同热处理状态下的组织构 成 并测定了硬度 冲击韧性等力学性能 结果表明 随着钼和镍含量的改变 退火态的组织发生了变化 但淬火回火态下的组织仍然主要为板条马氏体 合 金成分进行少量调整后的三种衬板钢在淬火回火后的硬度保持在4 8 h r c 以上 冲击韧性保持在5 0j c m 2 以上 通过吊线法测定了三种衬板钢的均匀腐蚀性能 结果显示 三种衬板钢的耐腐蚀能力为尚耐蚀级别 在改进的m l d 1 0 型冲击腐蚀磨损试验机上 对不同铝和镍含量的 c r n i m n m o 衬板钢试样进行了冲击腐蚀磨损性能测试 随后采用光学显微镜 扫描电镜 显微硬度计分析了磨损试样的磨面形貌及磨损表面物质成分 亚表 层金相和显微硬度变化 探讨了冲击腐蚀磨损下的磨损机制 结果表明 对于 硬度在4 8 h r c 以上 韧性在5 0j c m 以上的衬板钢来说 磨损机制主要是累积 塑性变形和腐蚀作用而引起的浅层疲劳剥落 显微切削 腐蚀磨损 随着冲击 功的不断加大 低碳高合金钢的变形层形成时间变短 失重速率加大 磨损表 面物质主要为铁氧化物和铬氧化物 关键词 冲击腐蚀磨损衬板钢合金化组织性能磨损机制 a ni n v e s t i g a t i o no ns t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f c r n i m n m ol o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e e l a b s t r a c t m i c r o s t r u c m r e m e c h a n i c a lp r o p e r t y u n i f o r mc o r r o s i o nr e s i s t a n c e a n d p r o p e r t y o fc o r r o s i v e i m p a c t a b r a s i o no fc r n i m n m ol i n e r s t e e lw i t h m o d i f i c a t i o no fn i c k e lc o n t e n ta n dm o l y b d e n u mc o n t e n ta r es t u d i e db yt h i sp a p e n t h ec h o i c eo fs a m p l ec o n t e n th o l dt h el i n ew i t ho t h e ra l l o y s a d di n1 5 w t p e r c e n t m a n g a n e s ea n dc h a n g et h en i c k e lc o n t e n tw i t ho 3 w t p e r c e n ta n d0 5 w t lp e r c e n t a n dm o d i f yt h em o l y b d e n u mw i t hi o w op e r c e n ta n do 8 w t p e r c e n t c r n i m n m o l i n e rs t e e lo ft h r e ev a r i a t i o n so fc o m p o s i t i o na r em e l t e d a n n e a l e d t h e n q u e n c h e da n dt e m p e r e d m i c r o s t r u c t u r ea r ea n a l y z e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e a n dh a r d n e s sa r et e s t e db yr o c k w e l lh a r dt e s t e ra n dt o u g h n e s sw e r et e s t e db y i m p a c t t o u g h n e s st e s t e ra td i f f e r e n th e a tt r e a t m e n t t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t m i c r o s t r u c t u r eo ft h r e el c h aw o u l d c h a n g e a ta n n e a l e d s t a t e b u t m i c r o s t r u c t u r ew o u l dm a i n t a i n m a i n l y a sl a t hm a r t e n s i t ea t q u e n c h e d t e m p e r e d s t a t ew i t ht h em o d i f i c a t i o no fn i c k e lc o n t e n ta n dm o l y b d e n u m c o n t e n t t h e h a r d n e s so ft h r e el i n e rs t e e l sk e e pa b o v e4 8 h r c a n dt h e t o u g h n e s sk e e pa b o v e5 0j c m 2 u n i f o r mc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h r e el c h ab y t h em e t h o do fh a n g i n gt h r e a d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h r e e l i n e rs t e e l sa r et h el e v e lo fe v e nc o r r o s i o nr e s i s t a n c e t h ei m p a c tc o r r o s i o na n da b r a s i o nb e h a v i o ro fc r n i m n m ol i n e r s t e e lw i t h d i f f e r e n tn i c k e la n dm o l y b d e n u mc o n t e n tw e r et e s t e db ym o d i f i e dm l d 一1 0t e s t e r t h r o u g ht h es e mo b s e r v a t i o n o ft h ew o f ns u r f a c e t h es u b s u r f a c e o p t i c a l m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i so ft h es a m p l e a n dt h es e ma n a l y s i so fc h e m i cc o m p o n e n t o fw o e f ls u r f a c e i ti sf o u n dt h a tt h ei m p a c tc o r r o s i o na n da b r a s i o nm e c h a n i s mo f c r n i m n m ol i n e rs t e e lw i t hh a r d n e s sa b o v e4 8 h r ca n dt o u g h n e s sa b o v e4 8 h r c i sm a i n l ym i c r o c u t t i n g s p a t t i n go fe x t r u d e dh a r d e ne d g e c o r r o s i o nw e a rb yt h e i n t e r a c t i v ew o r ko fc o r r o s i o na n da b r a s i o na n df a t i g u es p a l l i n gw i t hs u p e r f i c i a ll a y e r d e f o r m i n gl a y e ro fc r n i m n m ol i n e rs t e e lw o u l df o r mw i t hs h o r t e rt i m ea n dw e a l h e a v i l ya si m p a c tp o w e ri n c r e a s i n g c h e m i c a lc o m p o n e n to fw o r ns u r f a c ei sm a i n l y f e r r o n so x i d ea n dc h r o m i u mo x i d e k e y w o r d s i m p a c tc o r r o s i o na b r a s i o n l i n e rs t e e l a l l o y i n g m i c r o s t r u c t u r e a n d p r o p e r t y w e a rm e c h a n i s m 插图清单 图1 1冲击功和耐密性之间的关系 4 图2 1 合金元素对铁素体硬度和韧性的影响 1 5 图2 2 退火工艺曲线 2 0 图2 3 淬火温度对合金性能的影响 2 0 图2 4 衬板材料的退火态和淬火回火态金相组织 2 1 图2 5 淬火及回火工艺曲线 2 1 图3 11 试样退火态和淬火回火态金相组织 2 7 图3 22 婀式样的退火态和淬火回火态金相组织 2 7 图3 32 试样退火态 衍射图 2 8 图3 4m 0 2 c 的p d f 卡片 2 8 图3 5c r 7 c 3 的p d f 卡片 2 9 图3 62 试样淬火回火态x r d 衍射图 2 9 图3 7奥氏体的p d f 卡片 3 0 图3 83 辅式样的退火态和淬火回火态金相组织 3 0 图3 93 试样退火态x r d 衍射图 3 1 图3 1 03 试样淬火回火态x r d 衍射图 3 1 图3 一1 1 锰含量对各类不锈钢点腐蚀电位的影响 3 6 图4 1h m i i a 比值与耐磨性及磨损机制转换之间的关系 4 0 图4 2铁矿石的显微组织 4 1 图4 3 冲击腐蚀磨损试验装置 一4 3 图4 4 冲击功为1 5 j 的三种低碳高合金钢冲击腐蚀磨损失重曲线 4 4 图4 5不同冲击功下1 别氏碳高合金钢冲击腐蚀磨损失重曲线 4 5 图4 61 5 j 冲击功下1 试样冲击腐蚀磨损s e m 形貌 一4 6 图4 71 5 j 冲击功下1 试样冲击腐蚀磨损后的亚表层金相 4 7 图4 81 试样冲击腐蚀磨损1 2 小时后的亚表层裂纹 4 8 图4 91 材料试样亚表层硬度梯度 1 2 h 4 8 图4 1 01 5 j 冲击功下2 试样冲击腐蚀磨损s e m 形貌 4 9 图4 1 11 5 j 冲击功下2 试样磨面亚表层金相 5 0 图4 1 22 材料试样亚表层硬度梯度 1 2 h 5 1 图4 1 31 5 j 冲击功下3 试样冲击腐蚀磨损s e m 形貌 5 2 图4 1 41 5 j 冲击功下3 试样磨面亚表层金相 5 3 图4 53 材料试样亚表层硬度梯度 1 2 h 5 4 图4 1 61 2 j 冲击功下1 材料试样的磨损表面s e m 形貌 5 5 图4 1 71 2 1 冲击功下l h 式样的磨损亚表层金相 5 6 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 1 2 j 冲击功下1 材料试样亚表层硬度梯度 1 2 i t 2 o j 冲击功下1 材料试样的磨损表面s e m 形貌 2 o j 冲击功下1 材料试样的磨损亚表层金相 2 0 j 冲击功下1 材料试样亚表层硬度梯度 1 2 h 冲击磨损后的试样表面e d s 5 6 5 7 5 8 5 9 5 9 表1 1 表2 1 表2 2 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表3 7 表4 1 表格清单 高锰钢的成分范围 质量百分比 2 合金元素在钢中的分布 1 4 合金元素在抗磨钢中的作用 1 6 试验原料主要成分 2 4 金属材料耐均匀腐蚀的十级标准 2 6 实验材料的化学成分 2 6 三种试样的硬度数据 3 2 三种试样的冲击韧性数据 3 2 三种试样的均匀腐蚀数据 3 2 马氏体晶面间距与含碳量的关系 3 4 三种低碳高合金钢基本参数 3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究一i 作及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标志和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果 也不包含为获得盒8 b 些盘堂 或其他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 示谢意 学位论文作者签字 签字日期 厶乡7 年膳月 二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒筵王些叁堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅或借阅 本人授权 金g 王些态堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索 可以采 用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 f 保密的学位论文在解密后适用本授权 捧 名 i 嘶伏聊躲卉彤再 签字日期 对年72 月 二日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 签字日期 阳谚年 月 徊 电话 邮编 致谢 本文是在杜晓东副教授的亲切关怀中完成的 在实验的开始阶段 杜 老师对论文选题以及研究方法给予了悉心的指导 在实验过程中 导师严 谨求真的治学态度 慎思创新的科学思维 亲和大度的人格魅力对我影响 深远 这两年半以来 杜老师不仅给予我学业上的指导和教诲 而且给予 我很多生活上的关心和帮助 值此论文付梓之际 谨向杜老师致以最诚挚 的感谢 学高为师 身正为范 在求学生涯中 许多授业解惑的老师们授予了 我言行的规范 杜老师的宽容平和 丁老师的从容淡定 洪老师的认真严 谨 欧老师的和蔼至善都是我生活道路上的航标 不断指引修正生命前行 的方向 独学而无友 则孤陋而寡闻 很幸运在我的日常生活中遇到了许 多思维敏捷 见解独到的同学 使我能领受并学习到他们身上的许多优良 品质和睿智思想 在这么多年求学生涯中 家人一直竭力为我营造宽松的 学习氛围 给我提出了很多中肯的建议和做人的道理 感恩他们多年默默 的付出 感谢多年求学过程中来来去去的室友们 卧谈经常遗弃了冷漠的 黑夜 感谢在那个冬天一起奋斗的同学 温馨友好的氛围溶化了寒冷的天 气 深深地怀念校园 图书馆 操场 非常感谢实验中心的汪冬梅老师 程娟文老师 郑玉春老师在实验过 程中所给予了大力帮助和支持 非常感谢师兄孙国栋 满达虎 王家庆 师姐邢文静 王义飞 王兰 从东锋 杨小娟在学习和实验过程中所给予的大力帮助 作者 汪瑞俊 2 0 0 7 年1 2 月 第一章绪论 应用于磨料磨损工况条件下的钢铁材料称为钢铁抗磨材料或耐磨材料 磨 料磨损是指由于硬颗粒或硬突起使得材料产生迁移而造成的一种磨损l l j 在工 业领域中 磨料磨损是最重要的一种磨损类型 约占5 0 左右 2 在我国经济建 设 如冶金 矿山 建材 电力 中 每年用于破碎 制粉的抗磨材料消耗是 非常巨大的 以球磨机用衬板为例 每年消耗2 0 多万吨 欧共体每年消耗2 0 亿 美元 美国高达6 0 亿美元1 3 j 因此 为了减少磨料磨损所造成的经济损失 研 究磨损和不断发展抗磨材料是一项永远热点的课题 金属抗磨材料从普通白口铸铁 高锰钢到镍硬铸铁 铬系白口铸铁 贝氏 体耐磨铸铁 耐磨铸钢以及金属基表面复合材料 硬质合金 获得了长足的发 展 但目前应用最多 消耗最大的仍是以耐磨铸铁和耐磨铸钢为主 11 耐磨材料的发展 1 1 1 耐磨自口铸铁 耐磨白口铸铁的发展大致可分为普通白口铸铁 镍硬铸铁 高铬白口 铸铁3 个阶段 1 1 1 1 普通白口铸铁 普通自口铸铁为专门的耐磨材料 采用低硅 3 5 高 锰和高硫来得到完全的白口组织 其显微组织是由珠光体和网状渗碳体或莱氏 体组成 显微硬度在h v 5 0 0 左右 因网状渗碳体脆性很大 不适合高应力磨损 的需要 近些年来在通过微合金化来改善白口铸铁的力学性能和使用性能方面 做了大量的工作 白口铸铁经过等温淬火 使基体组织呈贝氏体 共晶碳化物 呈粒状 有利于提高其冲击韧性 可用来制造磨球和小型衬板 4 微合金化可 有效的改善白口铸铁的力学和使用性能 北京科技大学 沈阳铸造研究所研究 发现微量的铌可使低合金冷硬铸铁轧辊的使用寿命提高2 5 1 5 j 孙玉福对变质锰 硼耐磨白口铸铁的工艺及热处理进行了研究1 6 7j 1 1 1 2 镍硬铸铁 镍硬白口铸铁是c l i m a x 国际公司在1 9 2 8 年研制成功的 这是耐磨白口铸铁 发展的重要标志 它是在普通白口铸铁中加入3 o 5 o n i 和1 5 3 5 c r 促使奥氏体延迟向珠光体及贝氏体转变 同时铬能抑制镍的石墨化作用 有助 于形成稳定的渗碳体 在铸态条件下就能生成马氏体基体和m c 型碳化物组织 其硬度 5 5 0 6 5 0l i b 和强度都优于普通自口铸铁且生产工艺简单 故较早得到 了广泛应用 镍硬铸铁在美国 英国和德国己纳入国家标准 其镍硬4 号 铬含 量提高至 9 共晶碳化物的晶体结构由原来m 3 c 型转变成m t c 3 型 从一定程度 上破坏了网状分布 其力学性能仅次于c r l 5 m 0 3 型高铬白口铸铁 我国从国外 引迸的镍硬铸铁主要用于杂质泵过流部件的生产上 如泵壳 叶轮 护板等 我国镍硬铸铁的生产较少 主要是由于我国的镍资源比较缺乏 价格昂贵 昆 明理工大学曾在这方面进行过大量的研究 8 11 1 3 铬系白口铸铁 铬系白口铸铁几乎是与镍硬铸铁同时发展起来的 美国率先进行了1 0 3 0 铬的高铬自口铸铁的研究 而后英国 前苏联 德国等也相继进行了大量 的生产性研究 2 0 世纪6 0 年代以后 由于电炉熔炼的广泛应用 使得高铬铸铁 得到相当大的发展 铬元素的加入 使碳化物结构类型由网状m c 型变为孤立 的m c 3 型 这样不仅提高了耐磨性 而且提高了韧性 其使用效果比镍硬铸铁 更好 因此 高铬铸铁问世以来 一直被认为是比较理想的耐磨材料 应用十 分广泛 9 1 0 但由于高铬铸铁生产成本高 不仅原材料成本高 而且需要电炉熔炼 并 且在矿山湿磨条件下腐蚀较为严重不宜使用 为此 在这方面进行了大量的研 究 1 先后开发了含钒 硼锰的白口铸铁 西安理工大学针对金属矿山湿式球磨 机工况开展了一系列的耐磨铸铁试验研究 宁国耐磨材料厂研究了c r 2 4 及含v t i 的c r 2 4 高铬铸铁磨球 华北电力大学则研究了回火温度对高铬铸铁耐磨性和 冲击韧性的影响 合肥水泥研究所通过对高铬铸铁工艺的研究 使在水泥厂破 碎熟料的锤头寿价比为高锰钢的2 5 3 倍l l l j 1 1 2 高锰钢 奥氏体高锰钢在强烈冲击或重力挤压的工况条下 其奥氏体组织转变为层 错孪晶强化的马氏体 使表面迅速硬化 硬度从耶1 7 0 2 2 5 提高n h b 5 0 0 8 0 0 而心部依然保持原有的硬度和韧性 因而广泛应用于冲击磨损的工件 高 锰钢成分见 表1 1 表1 1 高锰钢的成分范围 质量百分比 墨 坐 塑 坐 曼 翌 竺 元素cc rn im os im nspr et i 含量1 1 1 3 0 3 1 01 1 0 1 4 o0 5 o 0 7 我国在2 0 世纪5 0 6 0 年代几乎把高锰钢作为一种万能的耐磨材料使用 1 2 但在实践过程中发现 高锰钢的起始硬度低 如果在使用中不能发生加工硬化 就无法发挥高锰钢潜在的耐磨能力 表现得非常的不耐磨 于是在高锰钢的熔 2 炼方面发展了吹氩 吹氮 炉外精炼等工艺 提高钢的纯净度 采用悬浮浇注 表面合金化 爆炸硬化等手段以增加其耐磨性 高锰钢的另一个缺点是屈服强 度低 3 5 0 m p a 在使用过程中极易发生塑变 造成工件的尺寸超差以及维修的不 佰1 1 3 1 1 1 4 a 目前 对于高锰钢的研究主要集中在合会化和工艺方面 基于高锰钢基体 强度低的特点 可以添加合会元素铬 镅弓 起固溶强化 添加t i v 等碳化物 形成元素 通过弥散热处理获得奥氏体基体上弥散分布有碳化物硬质点的组织 结构 1 5 1 这些弥散的硬质点不但本身硬而耐磨 而且还可通过奥罗万机制阻碍 位错运动 提高加工硬化能力 进而提高耐磨性 工艺上的改进是利用铸后余 热 1 1 3 贝氏体钢 1 1 3 1 奥氏体一贝氏体双相钢 最近十几年在贝氏体转变的研究中发现 硅含量的增加 可强烈的抑制碳 化物析出 获得无碳化物贝氏体 利用等温淬火工艺研制出了m n s i 系等温淬火 奥一贝钢 该钢只含有s i m n 合金元素 且组织集中了贝氏体的高强度与奥氏 体的优异韧性与应变强化能力 具有高的屈服强度 韧性和耐磨性 中国矿业大学邵何生 曲敬信 杨东方等在这方面进行了深入的研究 这 种奥贝钢显微组织交替排列 亚结构为高密度位错的板条状无碳化物贝氏体和 总量在1 0 2 5 的薄膜状奥氏体组织 1 1 3 2 马氏体一贝氏体钢 马 贝锅是通过连续冷却方式获得的 通过加入m n s i b 来抑制先共析铁 素体 珠光体的转变 而凸出贝氏体转变区 在较大的冷速范围内得到贝一马 组织 获得空冷贝氏体钢 清华大学 国家科委贝氏体钢研究和开发中心 多年来在m n b 系空冷贝氏体耐磨钢方面做出了开创性工作 m n b 贝氏体钢以 廉价的锰 硼为合金元素 空冷自硬 可获得马氏体及2 0 3 0 贝氏体的复相 组织 从而简化生产工艺 提高强度和韧性 并显著的降低生产成本 目前已 发展了低碳 中碳 高碳等一系列产品 其中用于耐磨件比较成功的有耐磨钢 球 耐磨铸钢件 耐磨钢管 刮板 截齿等 对于贝氏体钢的研究 西北工业 大学康沫狂等也进行了大量的工作 研究了s i m n m o 系准贝氏体钢 并开发了 一系列产品 1 1 3 3 贝氏体铸钢 铸态贝氏体钢是近年来发展的热点 它以碳 硅 锰为主要合金元素 添 加其它微量的合金元素 在铸态下获得细条状贝氏体和薄膜状奥氏体均匀交替 分御的组织 具有高硬度 高韧性的特点 可以在铸态下使用 不需要重新进 行热处理 而且合会元素的含量较低 5 价格低廉 其获得奥一贝组织的 关键是利用硅 1 4 2 4 在贝氏体转变过程中强烈的抑制碳化物的析出 同 时硅可以提高铸钢的流动性 改善铸造性能 提高抗磨性能 与锰 2 o 3 0 配合可以明显的提高淬透性从而达到铸态自硬化的目的 另外 微合金化有利 于改善铸态的结晶组织 细化晶粒 净化晶界去除钢中的有害夹杂 提高铸钢 件的韧性 目前对于铸态贝氏体钢的研究已开展了大量的工作 主要集中在合 金成分的设计及微合金化方面 1 8 1 1 9 1 2 0 1 1 4 中 低合金耐磨钢 2 1 1 尽管采用加入某些合金元素的高锰钢或合金白口铁球磨机衬板比普通高锰 钢衬板的抗磨性有很大提高 但是 这些材料因含有大量的c r n i m o 等贵重 金属而使成本增加 并且在生产和使用过程中容易产生裂纹 甚至破碎 基于 这些原因 我国冶铸工作者从我国的国情出发 开始了用中低合金钢来制作球 磨机衬板的研究 并取得了可喜的成果 1 c r m o c u 中碳低合金耐磨钢 由沈阳工业大学研究的含c r m o c u 并辅以r e 处理的中碳低合金耐磨钢 经9 5 0 空淬和2 5 0 回火后 硬度达到 5 0 h r c 以上 冲击值为2 5 6 0j c m 2 其基体为回火马氏体 经扫描电镜观察为 板状马氏体组织 在透射高倍观察下 可清楚地看到其组织为位错马氏体与少 量孪晶马氏体的混合物 且在马氏体板条间有不连续薄膜状残余奥氏体分布 这种形状和分布的奥氏体改善了钢的冲击韧性和相对耐磨性 这种钢在不同冲 击功下的耐磨性与高锰钢形成了鲜明的对比 如图1 1 所示 譬 兰 瞧 爨 整 麓 图1 1 冲击功和耐磨性之间的关系 f i g 1 1r e l a t i o nb e t w e e ni m p a c tp o w e ra n da b r a s i o nr e s i s t a n c e 从图1 1 可以看出 随着冲击功的增加 高锰钢的耐冲击磨损性能明显提高 而新研究的c r m o c u 钢的耐磨性能却是下降 但在对比试验选取的各冲击功 4 条件下 新钢种的耐磨性均高于高锰钢经河北迁安县铁矿在f 1 8 3r e x 3m 球磨机 上使用 这种材料的衬板寿命达到了1 0 1 2 个月 面z g m n l 3 衬板的寿命仅为 3 5 个月 2 c r m o v t i 中碳多元合金钢 合肥水泥研究设计院研究的含c r m o 及 微量v t i n b 的中碳多元合金钢 用r e 处理及一定的热处理后得到弥散分布 着度高 抗磨料磨损性能好 且有较高的冲击韧性和抗弯强度 寿命是普通高 锰钢的3 倍以上 3 高碳中铬合金钢 由合肥水泥研究设计院研究的另一种含4 5 5 5 c r 0 3 o 7 m o 并用r e 孕育处理的高碳中铬合金钢材板在水泥球磨机上 应用也很成功 在安徽东关水泥厂f2 2 m x 6 5 m 水泥磨机的一仓使用中 这种钢 的相对耐磨性为高锰钢的7 8 倍 4 c r m o 多相低合金钢 由沈阳铸造研究所等研究的含3 c r 及0 4 m o 的 多相低合金耐磨钢衬板 经等淬热处理得到贝氏体 马氏体 残余奥氏体组织 该材料具有高韧性 高硬度 从而具有良好抗冲击 抗疲劳 抗变形 抗磨损 等特性 这种村板经现场应用表明 使用寿命比普通高锰钢提高1 2 倍 1 2 衬板材料的发展 在冶金矿山行业湿式磨机中 矿山湿式磨机衬板 使用工况条件恶劣 既受 腐蚀又受冲击和磨损 众多研究表明 在湿态下 特别是在腐蚀介质中 同种材 料的磨损率是干态下的数倍 湿态腐蚀磨损并非纯磨损与纯腐蚀的叠加 而是具 有交互加速作用的复杂过程 因此湿式磨机衬板的过程是腐蚀和磨损交互作用 的过程1 2 因此湿式磨机衬板材料要求耐磨损 耐冲击 耐腐蚀的良好配合 以延长材料的寿命1 2 3 j 目前国内外应用较多的球磨机衬板材料有如下几种1 2 4 2 6 1 21 奥氏体高锰钢系列 普通高锰钢做磨机衬板 通常条件下 高锰钢水淬后的表面硬度为1 7 0 2 2 0 1 4 1 3 只有受到较大的冲击时 硬度才会达到3 0 0 3 5 0 h b 而其韧性却相当 高 冲击值a k 7 0 0 j c m 2 因此 高锰钢本身是一种硬度不足 韧性有余的材料 在许多情况下 高锰钢难以产生硬度高而又耐磨的立方马氏体 而只能产生硬 度很低的六方马氏体 在中低应力冲击载荷下 甚至不产生马氏体转变 使其 耐磨性急剧降低 实际上 高锰钢作为衬板材料不能将加工硬化性能表现出来 经对失效零件检查表明 表面硬度只有2 4 2 5 h r c 没有发生马氏体转变 因 此 高锰钢本身是一种硬度不足 韧性有余的材料 因此很容易受磨料犁沟 切削磨损a 同时由于高锰钢屈服强度低 易产生塑性流变 凸起变形 有时甚 至拉断衬板螺栓 作为隔仓板 篦板 由于高锰钢塑性流变 常使篦缝堵塞 变小 影响生产 由于它韧性好 使用安全 人们仍使用它 在保持它的高韧性前提条件下 提高它的屈服强度 原始硬度 加工硬化速率 而研制各种改进型高锰钢 对 于大中型磨机隔仓篦板等部件 应向使用既可靠 寿命又可成倍提高的超强合 金高锰钢发展 一些中小磨机使用中锰钢 高锰钢 甚至所谓铸惫水淬高锰钢 也有明显效果 但要确保产品质量 1 2 2 高铬 铝 铸铁 钢 国外6 0 年代开始使用具有优异耐磨性的高铬铸铁 钢 做磨机衬板 因衬 板结构为单螺孔小方块 故不易开裂 7 0 年代西安交大 沈阳铸造所等单位把 高铬材质引入国内做磨机衬板 由于国内 1 8 3 3 5 m 磨机衬板多为双螺孔 长条形且衬板薄厚差值大 因此限制了使用 多年来研制单位积极探索 通过 调整成分和热处理 不断提高其韧性 在金相组织上尽量减少残余奥氏体量等措 施 在 2 2 3 0 m 中型磨机上应用 己比较成功 但因铬 铝等元素含量高 成本高 销售价高 又制约了生产厂和使用厂 近年来又发展了中铬铸铁在一 定范围应用 高铬铸铁 钢 在矿山和水泥湿法原料磨上应用时 受介质腐蚀 作用 耐磨性己不突出 12 3 中碳多元合金钢及各类合金钢 中碳多元合金钢的特点是含碳量在中碳范围内 加入4 6 的铬 0 4 o 8 的铝及v t i r e 等多元微量元素合金化 经过风冷淬火加回火热 处理 金相组织为 回火马氏体 弥散碳化物 硬度为4 8 5 6 f i r c 冲击韧性 a k 为1 5 2 5 j c m 2 抗拉强度sb 1 0 0 0 n c m 2 6 年来在数十家大中小型磨机普通 阶梯衬板及角螺旋 沟槽 环沟 双曲面节能衬板上使用 均取得比高锰钢衬 板提高寿命1 2 倍的良好效果 各类合金钢衬板近年来多有发展 低碳合会钢热处理采用水淬或油淬 硬度可 达5 0 h r c 左右 但因含c r 在2 左右 碳含最较低 金相组织中很少有碳化物 存在 所以耐磨性提高不大 采用水淬控制不好易开裂 高碳中 高合金钢 空淬即可达到5 0 h r c 以上的高硬度 耐磨性能较好 发展中 高碳合金钢是磨 机衬板材质的一个方向 但共同的缺点是耐蚀性和耐冲击性差 1 24 磁性衬板材料刚 磁性衬板材料出现后 由于它对湿式磨机抗腐蚀能力优于铁基衬板 因此 各国均有一定程度的应用 与金属型 非金属型衬板相比 金属磁性衬板具有使 用寿命长 质量轻 厚度薄 磨矿粒度细 噪音小 节球 节电 作业率高 无故障 无螺栓固定 安装轻便快捷 不漏矿浆 减轻工人劳动强度 工作环 境好 运行零缺陷 零维护 零成本 具有良好的经济效益和社会效益 但橡胶衬板对粗磨作用及磨球直径大于8 5 r a m 的情况 效果不如铁基衬板 磁性衬板因在安装上有诸多不便 适应面有限 如湿式格子磨机不适用 且内 置永久磁铁使其抗断能力降低 因此 磁性衬板在矿山衬板的应用上有一定的 局限性 1 2 5 橡胶衬板材料 捌 自六十年代瑞典s k e g a 公司开发了砾磨机用格栅型橡胶衬板并采用柔性 联接方式以来 磨矿机用耐磨橡胶衬板技术得到了很大发展 相继研制成功了 球磨机用橡胶衬板 棒磨机用橡胶衬板 自磨机用橡胶衬板 自6 0 年代橡胶衬 板用于工业生产以来 在橡胶衬板的基础上 又有了新形式的衬板出现 瑞典 设计了橡胶和耐磨金属制造的复合衬板 它是用硫化方法将橡胶与耐磨金属粘 在一起的 这种衬板能比理想地解决衬板的韧性于硬度之间的矛盾 以及在于 磨时橡胶因高温造成老化而使耐磨性能降低的问题 日本对橡胶衬板的结构形 状进行了新设计 形成了具有高耐磨性能的 钢质化 橡胶衬板 该橡胶衬板 的工作表面制成特殊的 燕尾 槽形 以便使磨损后的钢球和碎球嵌入槽内 使橡胶衬板表面 钢质化 从而使衬板表面不易磨损 延长了衬板的使用寿命 同时又提高了磨矿效果 橡胶衬板具有使用寿命长 重量轻 更换时安全 简便 维护费用少 生 产费用低 工作噪声小等优点 但橡胶衬板的使用也受到一定条件的限制 虽 然橡胶衬板是具有良好弹性的材料 利用橡胶制造的衬板具有减缓冲击的性能 这种性能能够降低磨损 但是其减缓冲击的性能与冲击速度以及冲击角有关 当冲击速度大于9 m s 冲击角越小时 橡胶衬板减缓冲击的性能则会大大降低 橡胶表面会被撕裂而破坏 此外 橡胶衬板还受到使用温度的限制 当温度超 过8 5 时 随着橡胶弹性的逐渐减小 衬板磨损急剧增加 1 3 磨粒磨损机理研究情况 磨损源于表面的力学作用或化学作用 摩擦温升将加剧磨损 磨损主要有 五种形式 粘着磨损 磨粒磨损 疲劳磨损 冲击磨损 化学磨损 或腐蚀磨 损 它们的共同特征是从摩擦表面剥离固体材料 其他常见的磨损形式还有 微动磨损 但是它们都不是独立的磨损机理 而是粘着磨损 腐蚀磨损和磨粒 磨损的复合形式 据估计 工程中有三分之二的磨损是粘着磨损和磨粒磨损 除了疲劳磨损之外 所有磨损机理的材料剥离都是渐进进行的 一个磨损过程可以有一种或多种磨损机理 在大多数情况下 开始的磨损 是 种机理引起的 逐渐发展成另一种磨损机理起主要作用 这种磨损失效分 7 析变得更加复杂 一般的分析都是面对零件最终失效的磨损机理 而不是磨损 过程中某个阶段的磨损机理1 2 本文研究的冲击磨损 是两个固体表面在冲击载荷下的磨损 由于是大面 积的冲击接触 故不同于固体颗粒 点接触 冲击的冲蚀磨损 因此冲击磨损 基本上属于以滑动磨损为主的磨损 其主要磨损机理为n a m p s u h 提出的剥层 磨损机制 13 1 冲击磨损 最早系统研究冲击磨损的是例 他们利用球形冲头对不同材料试样 类似于 冲击硬度 作往复冲击 得出试样质量损失w 与冲击速度v 冲击次数n 之间 的关系 即 w k n v 8 其中 kv 为材料常数 3 l j 3 2 研究了复合冲击 冲击伴有滑动 规律 指出存在一个零磨损期 主要观 点认为冲击磨损系亚表面材料疲劳引起 而疲劳裂纹萌生 扩展直至断裂需要 时阃 在未疲劳破坏之前不产生磨损 故有一磨损孕育期 该试验结果与随后 w p s u h 的剥层磨损机制相 致 3 3 l 3 4 3 5 1 最值得一提的是r i c e n o w o m y 和 w a y n 3 6 1 1 3 7 3 8 的研究 他们设计了冲击磨损实验装置 首次提出了冲击磨损表层 次表层组织特征 由里及外将它们分为三个区域 i 区为基材区 b a s em a t e r i a l 该区未受表面变形的影响 i i 区为塑性变形和组织细化区 p l a s t i cd e f o r m a t i o n a n dr e f i n e m e n t 该区可见到微晶碎化 重新取向及组织细化 但该区无成分 变化 i i i 区为组份混合区 c o m p o s i t i o n a lm i x 认为该区与i 不同 除 塑变组织细化外还有配副试样材料转移物 并受环境介质成分的影响 被转移 材料多少主要取决于相对滑动速度 而与正冲击载荷关系不大 他们对磨粒成 分研究得出 磨粒是由非常小的晶粒组成 并伴有相变 氧化发生 他们还研 究了材料强韧性对冲击磨损的影响 得出在相同配副上试样为1 7 4 p h 不锈钢 时 通过热处理改变下试样a f l 4 1 0 强韧性 得出硬度相同时 高韧性组织的 磨损抗力高于高强度处理的材料 扫描电镜分析磨损表面形貌得出 磨损属于 剥层与磨削机制 1 3 2 剥层磨损 3 9 1 磨损既然是一个表面和亚表面材料的塑性变形与断裂过程 一般来说 它 应该包括有塑性变形的局部积累 磨损裂纹形成与扩展 并合 直至材料分离 过程 为此n p s a h 于1 9 7 3 年提出了剥层磨损理论 该理论把材料的磨损特性与微观组织密切联系起来 剥层磨损过程可分为 五个阶段 1 两表面接触时 通过接触点传输法向和切向载荷 较软表面上的 微凸体在重复载荷的作用下易于变形和断裂 形成磨损小颗粒 硬质微凸体也 脱落 但脱落的速度较低 当微凸体变形或脱落时 开始产生出相当光滑的表 面 2 由接触点的硬质微凸体施加的表面作用力使每一次加载循环产生塑性变 形增量 并随着重复加载而积累 经过一定次数的循环加载后遗留下来的永久 变形增量 小于在该循环中出现的总塑性变形量 因在给定循环期间 剪切方 向转换 弹性卸载应变值相当于塑性应变量 f 3 随着亚表面继续变形 在表面 下面核生出裂纹 由于就在接触区下面存在三向压缩载荷状态 所以非常接近 表面处不会出现裂纹核生 f 4 一旦裂纹出现 由裂纹产生或事先存在的空穴和 裂纹 进一步加载和变形会引起裂纹延伸和扩展 最后与相邻裂纹相连 裂 纹沿平行于表面的方向传播 其深度与材料的性质和加载状态有关 5 1 当裂纹 最后剪切到表面时 便剥落出长而薄的磨损片 磨损片的厚度与亚表层裂纹滋 长位置有关 磨损率由裂纹产生速率或裂纹扩展速率决定 但裂纹扩展率总是 比较慢 1 33 磨料磨损机理 4 1 j 1 微观切削磨损机理 磨粒在材料表面的作用力可分为法向力和切向力 这两个分力 法向力使磨粒压入表面 在表面形成压痕 切向力使磨粒向前推 进 当磨粒的形状与方向适当时 磨粒如同刀具一样 在表面进行切削而形成 切屑 由于切削的宽度和深度都很小 切屑也很小 故称之为微观切削 磨粒 和表面接触时发生切削的概率不是很大 当磨粒形状较圆钝时 或者在犁沟的 过程中磨粒的棱角而不是棱面对着运动方向时 或者磨粒和被磨材料表面间的 夹角 迎角 太小时 或者表面材料塑性很高时 往往磨粒在表面滑过后 只犁 出一条沟来 把材料推向两边或前面 而不能切削出切屑来 2 多次塑变 犁皱或微观压入 机理 当磨粒滑过表面时 除了切削外 大部分磨粒只把材料推向前面或两旁 这些材料受到很大的塑性变形 却没有 脱离母体 同时在沟底及沟槽附近的材料也受到较大的变形 犁沟形成时一般 可能有一部分材料被切削而形成切屑 一部分则仅有塑性变形 被推向前缘的 成为塑变楔 被推向两侧的成为塑变脊 若发生犁沟时 全部的沟槽体积都被 推向两旁和前缘而不产生任何一次切屑 则称之为犁皱 犁沟或犁皱产生的塑 变脊和塑变楔 当受到随后的磨料作用时 可能把堆积起的材料重新压平 也 可能使己变形的沟底材料遭到再一次的犁皱变形 如此反复塑变 导致材料的 加工硬化或其它强化作用终于剥落而成为磨屑 像这样表面微观组织受到周期 性载荷作用而产生磨损叫低周疲劳磨损 这是因为材料在超过弹性极限的周期 性重复应力作用下才有破坏的现象 因而扩大了疲劳的含义 而且实验表明 正常测定的疲劳极限不能作为材料磨料磨损耐磨性的基本判据 4 2 4 3 4 4 1 3 微观断裂 剥落 磨损机理 磨损时由于磨料压入材料表面而具有静水 压的应力状态 所以大多数材料都会发生塑性变形 但对有些材料 特别是脆 性材料 则可能是断裂机理占支配地位 当断裂发生时 压痕处有明显的表面 裂纹 这些裂纹从压痕四周出发向材料的内部伸展 裂纹平面垂直与试样表面 而呈辐射状为中线裂纹 压痕附件还有横向的无出口裂纹 当横向裂纹相互交 叉或扩展至表面时 就造成微观断裂机理的材料磨损 脆性材料的压痕断裂 其外部条件取决于载荷大小 压头的形状和尺寸 内部条件则取决于材料的硬 度及断裂韧性等 4 疲劳磨损机理 即使在弹性限度内很微小的应力 如果作用于物体的 内部 也会留下一定的痕迹 这种痕迹积累起来就成为疲劳的根源 也就是说 由于摩擦而作用于物体内部的摩擦应力反复作用的结果 使物体表面的一部分 出于疲劳而脱落 这种现象就是疲劳磨损 近期主张疲劳影响的人多起来 最初并具有代表性的是n p s u n 他提出了 应力累积点转移的 剥层理论 该理论指出 由于摩擦的反复进行 在摩擦 面以下形成空洞 并扩大生长成为裂纹 裂纹从摩擦面下的一定深度开始 继 而导致其上部表层的剥落 该理论以位错理论为基础 研究了摩擦表面裂纹的 萌生与发展 使摩擦学基础研究更前进了一步 它的重要特点是从材料的本质 上面来阐述磨损过程 用它可以来预测磨损形貌 并可以定性的解释摩擦过程 中所发生的一些现象 虽然不能够定量的预测金属磨损 但是 它使人们对于 会属材料的磨损过程的认识显然是深入的多了 他的突出贡献在于针对裂纹的 形成条件提出了局部盈利判据和能量判据 同时证明裂纹的扩展过程属于1 1 型 裂纹 脱层理论认为 在硬金属与软金属对磨时 硬金属也会有磨损 这是因 为虽然宏观上接触应力比较小 但是在微观上 某些微小凸峰处则有较高的应 力 然而硬金属的强度大 塑变抗力大 裂纹形核率低 因此 硬金属的磨损 率小于软金属的磨损率1 4 1 3 4 腐蚀磨损1 4 刨 冶金矿山用湿式磨机衬板不仅受冲击 磨损 还受到浆料的腐蚀 在湿磨 矿山衬板用钢中 常见的腐蚀形式有小孔腐蚀 缝隙腐蚀以及应变差异电池腐 蚀等 同时 冲击 腐蚀 磨损三者之间还存在交互作用 从而进一步加剧了 材料的磨损 1 均匀腐蚀 均匀腐蚀又称一般腐蚀或连续腐蚀 在均匀腐蚀中 腐蚀 发生在金属裸露的整个表面上或零件使用的工作面上 均匀腐蚀会使零件受力 的有效面积不断减小 直到完全破坏 2 晶间腐蚀 晶界较晶内一般具有较大的活性 当这种活性又被夹杂物 或某一合金元素的减少 或增多 进一步活化时 晶界的电位进一步降低 晶 界 晶内电位差加大 这时则会引起晶界的深腐蚀 称为晶间腐蚀 晶间腐蚀 发生后 合金碎裂 或丧失强度 1 0 3 点腐蚀和缝隙腐蚀 点蚀又称孔蚀 是发生在金属制件上极局部区域 的一种腐蚀形式 它是由于钢件的钝化膜局部破坏所引起的 这种破坏多数是 由于溶液中含氯离子或氯化盐引起的 蚀孑l 一旦形成 便迅速发展 直至穿透 钢件 缝隙腐蚀和电腐蚀一样 是发生在局部区域上的腐蚀 也是多数发生在 含氯化物的溶液中 在构件的缝隙或其他隐蔽的区域内 在这些缝隙内 溶液 的物质迁移十分困难 当缝中溶解氧被耗尽时 则缝中局部钝化膜产生还原性 溶解 是钢件露出活性表面 形成阳极区 导致缝隙腐蚀 衬板材料在受到冲 击后 会在表面形成微裂纹 当浆料进入这些微裂纹时 就会形成缝隙腐蚀 将加速金属的腐蚀 具有自钝化能力的金属或合金的缝隙敏感性较高且钝化能 力越高则敏感性越强 缝隙腐蚀可在中性及酸性介质中发生 但又以在充气的 含活性阴离子的中性介质中最易发生 4 应变差异电池腐蚀 湿磨中的磨球在运转过程中 出于受到磨料的冲 击 挤压 犁削等作用 会发生强烈的塑性变形 从而形成沟槽凹坑 并在侧 面形成凸起的棱 这些部位与坑底相比较 具有较高的内能 在浆料的作用下 两侧隆起部位将作为阳极 而坑底部位将作为阴极 构成所谓的 应变差异电 池 研究指出 在腐蚀磨损中 由于塑性变形 可使腐蚀速