高耐磨性奥铁体球墨铸铁研究及应用

高耐磨性奥铁体球墨铸铁研究及应用耐磨材料在冶金、矿山、水泥、火力发电等工业领域整个能量消耗和经济成本中占有相当大的比例。2009年中国工程院咨询研究报告显示，2006年全国消耗在摩擦、磨损和润滑方面的资金为9500亿元，占国民生产总值GDP的45。据不完全统计，仅破碎设备及采掘机斗齿、渣浆泵等损失，每年不少于70亿，其中，磨球不少于40亿，衬板15亿，锤头8亿，斗齿5亿。按照材料消耗重量讲，国内每年消耗金属耐磨材料约达300万吨以上，其中，磨球消耗近180万吨，而冶金矿山消耗的磨球占各行业磨球消耗总量的70；球磨机和各种破碎机衬板消耗近30万吨。为了提高抗磨材料的耐磨性，科学工作者对抗磨材料进行了大量的研究。耐磨材料发展可分为三个阶段第一为普通白口铸铁和高锰钢，第二为镍硬铸铁，第三为高铬白口铸铁。上述耐磨材料在不同发展阶段对降低单位材料消耗起到了非常大的作用，但是材料性能也存在某些问题，如普通白口铸铁韧性较低，高锰钢在低冲击载荷下加工硬化能力差，高铬铸铁在腐蚀性介质的湿磨条件下耐磨性优势不大，同时韧性也显不足。由于韧性的不足，常常导致研磨体介质破碎和剥落，这使得粉磨工序管磨机的生产率降低、研磨效率下降、能耗增加以及磨矿闭环回路的辅助设备磨损严重。因此，人们希望研制更强韧的抗磨材料。一般情况下，提高耐磨合金的性能是建立在增加合金元素的基础上，但目前全世界范围内，各种铁合金的价格猛涨，导致耐磨材料制造成本节节攀升。目前我国使用的抗磨材料种类主要是铬系抗磨材料，如低铬铸铁、高铬铸铁等。而我国是一个铬资源贫穷国家，90的铬铁需要进口，近10年，高碳铬铁价格翻了45倍。根据这一现实，开发适合我国国情的耐磨材料，做到科学的、合理的利用现有资源，为了国民经济可持续发展，为了子孙后代，应该珍惜宝贵的战略资源，开发少用铬或不用铬的材料，代替铬系耐磨材料。因此，本项目拟采用少量合金化和热处理改性强化的技术措施，开发含碳化物等温淬火球墨铸铁（简称CADI）强韧性耐磨材料，为冶金、矿山、水泥、发电等行业提供一种优质的抗磨材料。1金相组织图1为CADI的石墨分布、铸态组织和等温淬火后的组织。石墨球数量超过300个/MM2，球化率大于91，基体由屈氏体和碳化物组成。经过等温淬火后，获得奥铁体组织、碳化物与石墨球。图1CADI的组织2等温淬火温度对CADI残余奥氏体量及其含碳量的影响CADI经等温淬火处理后会在基体中残留一定数量的奥氏体，这些残余奥氏体和等温淬火得到的针状铁素体组织合称为奥铁体。奥铁体中残余奥氏体所占的比例直接影响CADI的各项力学性能及耐磨性能。残余奥氏体在耐磨性方面的贡献有两方面一方面，残余奥氏体在外力作用下能转变成马氏体，有效提高材料的耐磨性；另一方面，残余奥氏体的耐腐蚀性较好，有效地减小了腐蚀磨损对材料的破坏。但是，残余奥氏体的存在也有不利的一面在残余奥氏体发生相变转变为马氏体的过程中伴随着体积膨胀，这是导致磨球剥落的原因之一。残余奥氏体量及其碳含量随等温淬火温度变化的规律如图2和图3所示。从图2中可以看出随着等温淬火温度的升高，残余奥氏体的量逐渐增加。由图3中可以看出随着等温淬火温度的升高，残余奥氏体的碳含量也逐渐增加。图2等温淬火温度对残余奥氏体量的影响图3等温淬火温度对碳含量的影响贝氏体型铁素体长大的驱动力是碳在奥氏体中的浓度梯度，其形成过程的实质是置换型原子的点阵切变重组过程，伴随有不同程度碳原子的扩散。等温淬火温度较低时，碳原子在奥氏体中的扩散系数D较小，碳原子由贝氏体型铁素体通过/界面固溶到奥氏体中的过程不能充分进行。由于碳原子不能顺利地从生长着的贝氏体型铁素体向外扩散，初生的贝氏体型铁素体片被过饱和，作为推动贝氏体型铁素体继续形成的动力，一些碳原子必然在贝氏体型铁素体内部析出。同时，由于材质中加入了MN元素，在/前沿界面富集了高于平衡成分的少量MN，降低了C在中的活度，减慢了贝氏体型铁素体界面的迁移，从而抑制了贝氏体型铁素体的生长，导致残余奥氏体中碳含量较低。奥氏体的碳含量低，稳定性较差，空冷后转变成的马氏体量增大，最终组织中残余奥氏体量较低。等温淬火温度升高，转变孕育期缩短，转变速度加快，空位浓度增加，碳原子在跃迁时克服晶格中势垒所需的能量降低，即扩散活化能降低，碳原子的扩散能力增强，有更多的碳原子固溶到奥氏体中。由于大量的碳原子扩散进入奥氏体内部，导致贝氏体型铁素体中碳的饱和度显著下降，而奥氏体内部碳浓度升高，因而碳的浓度梯度降低，碳原子由/界面向奥氏体中扩散的速度下降，贝氏体型铁素体的长大驱动力降低，/界面推移速度下降。随着贝氏体型铁素体的含量不断增加，奥氏体的量不断减少，有更多的碳原子不断固溶到奥氏体基体内，导致残余奥氏体含碳量的增加。同时，由于CADI中含有较高的硅和“合金元素的拖拽作用”可以抑制碳化物的析出，当碳化物受到拖拽作用的影响而不能析出时，奥氏体的碳含量将不断提高。奥氏体的碳含量增加，稳定性增加，空冷后转变成马氏体的量很少，残余奥氏体的含量增加。3CADI的耐磨性CADI作为ADI的一种派生材料，其最主要的优点就是有良好的耐磨性。CADI在耐磨件中的应用潜力还相当大，耐磨性能是CADI尚待继续开发的性能之一。因此，研究CADI的磨损性能对于进一步开发其作为磨损件的应用潜力，指导实际生产都具有重要的现实意义。等温淬火温度对CADI耐磨性的影响如图4所示。从图4可以看出，随着等温度淬火温度的升高，CADI的相对耐磨性逐渐降低，当等温淬火温度升高到290时，耐磨性降低到最低值，约21，当等温淬火温度提高到320，CADI耐磨性又增加至274。图4等温淬火温度对耐磨性的影响CADI的磨损机理与其他的耐磨铸铁和耐磨钢不同，一是CADI中含有一定量的碳化物，这些碳化物起到一个抵抗磨料对基体磨损的保护作用；另一个区别在于CADI中含有残余奥氏体，当这些残余奥氏体碳含量较低时，稳定性较差，在受到外力作用下易转变成马氏体，产生加工硬化，基体的耐磨性提高，防止镶嵌于基体中碳化物过早剥落；另外，残余奥氏体的耐蚀性较高，对腐蚀磨损有抵抗作用，因此CADI的图4等温淬火温度对耐磨性的影响耐磨性增加。等温淬火温度较低时，扩散系数较小，碳原子扩散不能充分进行。由于材料中含CR、MN这些正偏析元素，这些元素会在在/前沿界面富集，使得碳原子的扩散更加困难，贝氏体铁素体的碳含量较高，显微硬度增加，同时，导致最终组织中残余奥氏体的碳含量较低。奥氏体的碳含量低，稳定性差，出炉后会转变为马氏体，导致残余奥氏体的量较少。在进行磨损试验时，由于马氏体具有很好的耐磨性，同时残余奥氏体的碳含量较低，在外力作用下很容易转变成马氏体，产生表面加工硬化，导致CADI的耐磨性较高。随着等温淬火温度的提高，碳原子的扩散能力增强，从而导致最终组织中残余奥氏体的碳含量达到1822，在热力学和动力学上均已稳定，然而残余奥氏体的耐磨性较低，从而使CADI的耐磨性降低。当等温淬火温度继续升高到320益时，基体中的残余奥氏体比例大大提高，使得CADI的耐蚀性增加，从而使腐蚀磨损减小，也即抗腐蚀磨损能力提高。4CADI的应用于2009年9月18号，在唐山某选矿厂进行实际装机试验考核，球磨机型号为15M伊3M，至今已经运行了2年。生产统计表明，在相同的工况条件下，CADI磨球的球耗为230250G/T铁矿粉，不到低铬球（8001000G/T）的1/3，也就是说耐磨性是低铬球的3倍多。没有碎球、没有失圆、没有剥落，如图5所示。图5倒磨后的CADI磨球另外，应用CADI磨球后，磨矿效率提高了1520，节省电费1520，降低噪音1012分贝。生产实践证明，磨球碎片对闭环磨矿回路中的杂质泵、管道、水力旋流器等设备造成严重的磨损，使用寿命降低，维护成本提高。而CADI磨球没有碎片产生，这样可以大大降低球磨机周边设备维护成本，提高生产效率。润磨机是制造铁矿粉球团的主要设备，它处理含水量在813的精矿粉，使物料充分混合和细化，增大物料颗粒的表面积。润磨机对钢球性能要求比较高，特别是钢球的破碎率要低，否则，碎球严重堵塞润磨机的周边排料的篦子板，使得润磨机生产效率大大降低，严重时，会影响下道工序的生产，甚至导致停产，进行检修。宣化钢铁公司曾使用过低铬磨球和高铬铸铁磨球，效果不理想，低铬铸铁磨球的破碎率非常高，高铬铸铁磨球的价格较高，生产成本增加。经过4多月的CADI磨球在润磨机中的工业应用试验统计表明，CADI磨球单耗为0246KG/T，磨耗较低，耐磨性是低铬磨球的2倍。同时反映出CADI磨球具有以下特点1）CADI磨球破碎率非常低，不堵塞篦子板，提高磨矿效率和产量。2）应用CADI磨球后，可以节省电能10，符合国家节能减排的政策。该公司有5台润磨机，如果全部使用CADI磨球，一年可以节省电费近200万元。3）磨球的表面加工硬化能力非常强，表面硬度可以达到HRC6468，而内部的韧性较高，所以不破碎，这是目前其他材质的磨球无法比拟的。4）该磨球使用过程中，不失圆，基本呈圆球体状，从而有