金属材料磨损-研究生选修课 (14版)-西安交通大学.ppt

1、金 属 材 料 磨 损,西安交通大学铸造及耐磨材料研究所 皇志富 ,西安交通大学皇志富,材料的磨损广泛存在于冶金、矿山、电力、建材、能源、交通等领域的许多关键工艺环节的部件中，起着至关重要的作用、同时消耗着巨大的资源和能源。据中国工程院调查显示2006年全国消耗在摩擦、磨损和润滑方面的资金为9500亿元，占GDP约4.5。对材料磨损性能改善及其服役安全性提高对于上述各领域均具有重要的意义。,冶 金,电 力,矿山开采,建 材,了解和掌握摩擦磨损的基本概念，掌握磨损的定义和分类，特别是磨粒磨损的分类、特性及耐磨性的评定方法和有关测试技术，了解和掌握磨损试验机的几种基本类型及实验注意事项；了解和掌握

2、金属磨损后的基本分析方法；,本课程的学习内容,西安交通大学皇志富,了解和掌握磨损的基本理论特别是磨料磨损的基本理论，熟悉和掌握影响磨料磨损的因素，如材料的耐磨性、磨料磨损的外部条件和环境因素，材料的冶金因素以及提高材料抗磨料磨损性能主要措施和手段。,掌握常用抗磨材料的成分、组织、性能特点，生产要点及运用的典型工况。,陈华辉、邢建东、李卫：耐磨材料应用手册（第二版），机械工业出版社，2012.10 张建锋、周志芳：摩擦磨损与抗磨技术，天津科技翻译出版公司，1993.5 周一志、宫秀敏：金属耐磨材料及其合金化，华中理工大学出版社，1992.7 西安交通大学耐磨课题组：磨料磨损与耐磨合金，电力工业出

3、版社，1980.1 林福严，曲敬信，陈华辉：磨损理论与抗磨技术，科学出版社，1993.6 周庆德等：铬系抗磨铸铁，西安交通大学出版社，1986.12 张 清等：金属磨损与金属耐磨材料手册，冶金工业出版社，1991 刘英杰，成克强：磨损失效分析，机械工业出版社，1991,主要参考书目,西安交通大学皇志富,主 要 章 节,一、摩擦、磨损的基本概念 二、磨损的概念及分类 三、磨损的测试与表达 四、常用耐磨材料 五、磨料磨损的基础研究室温磨损 高温磨损 腐蚀磨损,一、摩擦、磨损的基本概念,定义： 摩擦学是研究相互接触并相对运动的两表面或界面行为、损伤与控制的技术学科。1965年作为一门学科正式提出。,

4、西安交通大学皇志富,摩擦是摩擦副表面在相互滑动中发生能量转换并产生能量损耗的过程；而磨损则是由摩擦副之间力学、物理、化学作用所造成的表面损伤。,摩擦（Friction）是两个物体在相对运动时在其接触面上发生的切向阻抗现象；磨损（Wear）是摩擦表面上物质不断损耗的过程；润滑（Lubrication）则是减少摩擦、磨损的重要手段，这三者是相互联系的，它们很早就被人们所认识和利用。,磨损损伤的特征：,有关磨损问题的基础研究，无论是实验考察还是理论建模和量化均存在许多困难，这是由于磨损损伤过程所具有的复杂特征所造成的。,1. 磨损过程中材料的损伤过程是发生在摩擦表面间接触微区内的动态过程，产生剧烈的

5、力学作用，并伴随物理化学变化，因此难以直接观测磨屑形成过程；,2. 材料的摩擦磨损性能与其它力学性能不同，它不是材料的固有特性，而是材料在实际摩擦磨损系统中表现出来的综合性能；,西安交通大学皇志富,3. 与材料其它机械损伤相类似，磨损也主要源于力学作用下材料的强度劣化，然而磨损是特殊的力学问题。其特殊表现为：外部施加给材料的力学作用是变化的，而且材料承受力学作用的体积和性能是变化的。由此磨损过程的时变性很强；,4. 现实的磨损总是多机制共存，而且是交互作用的过程，因此磨损所表现出的外部特征错综复杂。,西安交通大学皇志富,从上世纪40年代开始,人们根据不同的工况条件分别针对各种磨损机制进行了大量

6、实验研究和分析，建立了相应的理论和磨损公式。然而正是因为在特定的实验条件下得出的结论，其针对性和局限性较强，不尽适用于其它工况条件。同时，实际的磨损现象往往又是多种机制综合影响的结果，所以磨损理论的普适性较差。,1. 固体的表面特性,西安交通大学皇志富,理想金属表面的构成示意图,理 想 表 面,理想表面,表层原子受力平衡被打破，导致产生向下运动倾向,因此，理想金属表面是不存在的,固体表面可分为“外表面层”和“内表面层”，其实际组成及各层的厚度与表面制备过程、环境和材料本身的性质有关。,金属表面的实际构成示意图,实 际 表 面,2. 固体表面形貌及其表征,固体的表面形貌特征与其材料的摩擦学性能之

7、间存在着密切联系。用各种显微镜、轮廓仪等手段对磨损后的固体表面形貌进行观察与分析，是目前进行固体材料磨损机理研究的重要方面。,固体的三维表面形貌,西安交通大学皇志富,彩色3D激光显微镜,固体表面形貌的表征,固体表面形貌的表征，就是从空间尺度对固体的表面形貌进行刻划和表征。通常的做法是，用名义表平面的垂直面，沿一定的方位，从实际的固体表面上截取一个有代表性平面，称为表面轮廓，以此为基础对原表面的形貌特性进行表征。,西安交通大学皇志富,实际表面状况,3.摩擦的分类 按摩擦副的运动状态: 静摩擦、动摩擦; 滑动、滚动、滚滑;,西安交通大学皇志富,混 合 摩擦 干摩擦、边界摩擦与流体摩擦之混合状态,真

8、实干摩擦 两洁净表面间的摩擦（实验室理想状态）,干 摩 擦 名义上无润滑的摩擦，但通常摩擦副间有环境吸附物,边 界 摩擦 摩擦副间被人为引入的极薄润滑膜隔开，摩擦力与润滑 剂粘度无关，取决于两表面特性及润滑剂油性质,流 体 摩擦 摩擦副间被流体完全隔开，摩擦力完全取决于流体粘度,洁净表面表面吸附物的表面浓度低于单分子覆盖层的百分之几,按摩擦副的润滑状态:,4.古典摩擦学定律,F - 摩擦力; N-法向载荷; 0 静摩擦系数,F = N 0,西安交通大学皇志富,基本概念: 摩擦力方向与接触表面间相对运动的方向相反; 摩擦力大小与接触面积无关，与接触面的法向载荷成正比; 摩擦力大小取决于材料性质，

9、而与接触面间的滑动速度无关； 静摩擦力总是大于动摩擦力,古典摩擦学定律的局限性： 1. 名义接触面积与实际接触面积问题； 摩擦系数与实际接触面积有关,西安交通大学皇志富,接触点的塑性变形及 粘着点的形成,2. 由于表面温度、微观组织及表面物质的变化导致摩擦系数与滑动速度有一定的关系，依材料不同而不同；,西安交通大学皇志富,与黄铜配副的CrNiMo钢摩擦系数随摩擦速度和载荷的变化,如此看来： 摩擦系数取决于多种因数，如：摩擦副的表面膜状况、材料副的特性、表面性质、环境温度、环境湿度、相对滑动速度、表面粗糙度以及表面间分之子和原子的引力等。,摩擦系数是材料与各种条件的综合特征，而不是材料本身的固有

10、特征,西安交通大学皇志富,定义：由于表面相对运动而使物体工作表面的物质不断损失的现象称为磨损。,二、磨损的概念及分类,西安交通大学皇志富,不同磨损类型所造成的损失约占总磨损损失的比例为: 磨料磨损 50% 粘着磨损 15% 冲蚀磨损 8% 微动磨损 8% 腐蚀磨损 5% 疲劳磨损 14% 因此，研究磨料磨损并减少其所产生的损失具有重要意义。,西安交通大学皇志富,显微切削：硬颗粒或硬凸起与材料产生相对运 动，引起的材料损伤。,磨料磨损的基本损伤形式,西安交通大学皇志富,疲劳: 表面微观部分受循环变应力产生重复变形 导致裂纹形成，最终使表面产生破损。,压入,西安交通大学皇志富,粘着：两接触表面局部

11、的粘着使材料由一表 面转移到另一表面所引起的磨损。,西安交通大学皇志富,PAS-0.065m/s,龟裂：材料表面受到垂直应力的反复作用，产生显微裂纹,裂纹,压入,西安交通大学皇志富,裂纹,磨 损 过 程,正常的磨损过程可分为三个阶段：,西安交通大学皇志富,磨粒磨损的两大类型,两体磨损,西安交通大学皇志富,三体磨损,典 型 的 磨 损 表 面,两体磨损 三体磨损,显微切削痕,显微切削与压痕,450X,750X,西安交通大学皇志富,由短程磨损所产生的显微切削痕及压痕,两体磨损 三体磨损,西安交通大学皇志富,由显微切削所产生的卷曲状磨屑,由疲劳剥落所产生的片状磨屑,由两种类型磨损所产生的典型磨屑形貌

12、,西安交通大学皇志富,为引出磨料磨损的定量表示，可以考虑如下简单的模型：将硬表面上的凹凸不平看作一个个圆锥体，其所受载荷为L，材料硬度为P时，锥体压入表面的程度为：,两体磨损的定量表达,西安交通大学皇志富,压入锥体在垂直面上的投影面积为 rx，这样当锥体移动dl距离时，将扫出dV的体积。,磨损量的大小与载荷和滑动距离 成正比，而与材料硬度 成反比。,定量表达的实验依据,硬度对磨损量的影响在大量纯金属的两体磨损实验中得到了良好的验证，但在不同成分的钢中却出现了较大的偏差。,纯金属硬度与磨损抗力的实验结果,西安交通大学皇志富,造成上述偏差的原因是多方面的，如磨料在切削过程时的迎角、材料的变形抗力、

13、材料的微加工硬化能力以及夹杂物种类和含量等。,在同样磨料特性情况下，对于淬硬的材料由于变形能力较差，在压痕边缘材料的堆积要比退火材料要高，从而造成犁沟去处的体积增加。 特别对于脆性材料，尽管可能没有材料变形的堆积，但可能在犁沟的边缘产生脆性剥落而造成比犁沟体积更大的材料去除。,西安交通大学皇志富,基于Monte-Carlo打靶法产生两体磨损磨料分布,两体磨损过程的计算机模拟,模拟与实验结果对照表面形貌,10-6m3,Fab因子分析,模拟与实验结果对照硬度与磨损量,模拟与实验结果对照磨料尺寸与磨损量,Ha,磨损体积,材料硬度（Hm)与磨料硬度（Ha）的比值（即相对硬度）对材料的磨损具有重要的影响

14、。当磨料硬度Ha远大于金属硬度Hm时，磨损量极大，而提高金属材料的硬度虽可提高耐磨性但提高的幅度较小，但当磨料硬度Ha与金属硬度Hm相当时（Hm/Ha0.8-1.2),提高磨料的硬度则材料的耐磨量将会产生较大幅度的增加。,磨料硬度对材料磨损体积的影响,材料与磨料的相对硬度对耐磨性的影响,西安交通大学皇志富,西安交通大学皇志富,除金属与磨料的相对硬度对磨损过程的影响外，在磨损过程中金属材料的硬度往往会由于磨损表面变形而产生加工硬化。因此，测定磨损后表面的硬度“Hm”会更有意义。,金属材料的相对硬度对耐磨性增大系数的影响,Hm/Ha,影响磨损的主要因素,材料的性能： 硬度、塑性、成分、组织、加工硬

15、化能力、夹杂物种类和含量等； 材料表面状态 ：粗造度、表面膜、润滑状态等； 3. 摩擦副间的相对性能：冶金相容性、相对硬度等； 载荷：载荷大小、方向、运动速度等； 环境状态：温度、湿度、气氛、介质状态等； 磨料状态：硬度、粒度、形状、易碎性、运动状态等。,材料的耐磨性是材料与各种摩擦磨损条件的综合，而不是材料本身的固有特征。,西安交通大学皇志富,韧 性 保证部件服役安全的根本 耐 磨 性 决定部件的可服役时间 韧性和耐磨性是一对矛盾（因为金属材料的耐磨性往往与硬度相关），但它一直是耐磨材料研究工作者始终追求的性能指标。 金属材料硬度（硬质相的硬度）对耐磨性有至关重要的作用 ； Hm/Ha0.8

16、 硬质相的数量对耐磨性的影响； 数量增加，通常使耐磨性有增加的可能，但取决于其尺度和磨损条件。,耐磨材料的重要性能指标,西安交通大学皇志富,矿石磨料和实际使用的耐磨材料硬度的对照值（可根据材料硬度Hm和对磨矿物的磨料硬度Ha的比值：Hm/Ha=0.8-1.2来恰当的选择耐磨产品的类型和品种）,磨损量可用磨损体积、重量等的变化来表达磨损的程度. 几种常用的磨损测量方法： 称重法； 尺寸测量法（体积减少）； 表面轮廓测量法； 刻印法； 磨屑分析法,无论何种测量方法，其目的是要能精确地表示出磨损前后材料的损伤程度。在满足上述条件的情况下，测量方法越简单越好。,三、磨损的测试与表达,西安交通大学邢建东

17、,常用磨损量的表达,失重法 磨损失重：W = (W1-W2) / LA (mg/mmmm2) 耐磨性： = 1 / W (mmmm2/mg) 相对耐磨性： 1 / 2 W 2/ W 1 （无量纲数） 1 : 被测试样的耐磨性； 2 : 标准样品（对比试样）的耐磨性 此法适合于测定比较比重相同材料间的耐磨性,西安交通大学皇志富,采用相对耐磨性不仅可直接表示实验材料与对比材料耐磨性的差别，更重要的是可消除一些不可控或人为因素而导致的实验数据的偏差。,常用磨损量的表达,2. 体积减少法 磨损体积：V = (V1-V2) / L A (mm3/mmmm2) 耐磨性： = 1 / V (mmmm2/ m

18、m3) 相对耐磨性： 1 / 2 V 2/V 1 （无量纲数） 1 : 被测试样的耐磨性； 2 : 标准样品（对比试样）的耐磨性 此法适合于测定比较比重不同材料间的耐磨性,西安交通大学皇志富,西安交通大学皇志富,磨损试验机的类型,环块,空心圆柱端面,销盘,空心圆柱端面圆盘,磨损试验机的类型,西安交通大学皇志富,选用（设计）磨损试验机,考察并了解研究磨损对象，特别要了解其磨损方式、磨料硬度等； 选择与实际磨损工况尽可能接近的磨损实验机，如没有现成的实验机可考虑自制； 采用尽可能简单但又能代表实际磨损条件的试验方法，试验数据的重复性要好； 试样的形状尽可能简单以利于加工，试样的尺寸不应太大； 试样

19、在实验机上的装夹方式应简单、可靠，便于拆卸； 由于一些不可控因素的影响，最好考虑同时有两个以上试样一起进行试验（便于安装标样和提高试验效率）； 如有必要应考虑对磨损腔内温度、气氛等的控制； 一些不希望变动的因素应尽可能得到控制（有些可通过试验方法的制定来实现）。,西安交通大学皇志富,常用磨损试验机,销盘磨损实验机（高应力两体磨料磨损）,西安交通大学皇志富,摩擦磨损试验装置示意图,配副方式：上盘下销或下盘上销 配副材料：各类金属与非金属 摩擦因素：可测 法向载荷：1050N、505000N 摩擦气氛：可控 实验温度：室温900,销盘式摩擦磨损实验机,常用磨损试验机,橡胶轮磨损实验机（低应力两体磨

20、损） （a) 干砂；(b) 砂浆,常用磨损试验机,西安交通大学皇志富,常用磨损试验机,干砂三体磨损实验机,西安交通大学皇志富,常用磨损试验机,载流销-盘摩擦磨损试验机,西安交通大学皇志富,常用磨损试验机,销盘式腐蚀磨损实验机,西安交通大学皇志富,常用磨损试验机,冲刷腐蚀磨损实验机,西安交通大学皇志富,常用磨损试验机,冲刷腐蚀磨损实验机,冲刷磨损示意图,西安交通大学皇志富,常用磨损试验机,浆料冲刷腐蚀磨损实验机,西安交通大学皇志富,常用磨损试验机,干砂冲蚀磨损实验机,西安交通大学皇志富,常用磨损试验机,销盘式高温磨损实验机,工作原理,西安交通大学皇志富,常用磨损试验机,可控气氛高温磨损实验机,实

21、验机用试样,可控气氛扭动微动磨损试验装置,采用球/平面接触方式，待测试平面试样在上方，对磨球与旋转平台相联，球中心轴I与平台旋转轴II高度重合（其同轴度5m）。六维力/力矩传感器对摩擦过程中产生的力和扭矩的6个分量随循环次数变化的情况进行实时记录。试验在实验室大气、氮气和氧气三种气氛中进行。,不同角位移幅值下不同气氛气中的磨痕形貌,常用磨损试验机,微区磨损试验机一种用于表面镀层耐磨性评定实验机,西安交通大学皇志富,测试原理,西安交通大学皇志富,球缺体积计算公式： V=h(R-h/3)， R -球的半径； h -球缺的高。,测试原理,西安交通大学皇志富,球缺1-球缺2的体积,三体磨损磨料运动状态

22、,三体磨损磨料运动状态实时观测实验机,西安交通大学皇志富,三体磨损磨料运动状态,磨料的滑动,磨料的滚动,西安交通大学皇志富,磨损磨料的微观分析表面分析,扫描电子显微镜表面观察及微观成分分析,西安交通大学皇志富,磨损磨料的微观分析表面分析,三维轮廓仪表面形貌测量,西安交通大学皇志富,彩色3D激光显微镜,通过激光获取到观察视野全区域内的3维数据。以非接触的状态适用于各种各样的对象物体，并可实现高精度且多彩的3维解析,磨损磨料的微观分析亚表层分析,制备磨损面的斜切面试样,观察和显微硬度、成分测试,西安交通大学皇志富,磨损磨料的微观分析亚表层分析,采用扫描和金相显微镜进行观察和有关信息测试,西安交通大

23、学皇志富,磨损磨料的微观分析磨屑、磨痕分析,金属耐磨材料 耐 磨 钢：高锰钢、合金钢 耐 磨 铸铁：普通白口铸铁、铬系铸铁、 马氏体 球墨铸铁 复 合 材料: 颗粒增强金属基复合材料,四、常用耐磨材料,西安交通大学皇志富,1.普通白口铸铁,普通白口铁是铁液在凝固时按照铁碳相图中的亚稳定系进行液固转变而获得渗碳体珠光体组织。由于白口铸铁中的渗碳体具有较高的硬度（9001000Hv)，因而使其具有比灰铸铁高的耐磨性。我国很早以前就以普通白口铸铁制成抗磨性能良好的白口铸铁犁铧，到目前仍广泛地应用普通白口铸铁作为一般的抗磨零件。,获 得,西安交通大学皇志富,为使得铁液在凝固时按照亚稳定系进行液固转变，

24、必须具备下列条件之一：凝固时冷却速度较高或铁液的石墨化能力较差。因此，普通白口铸铁的化学成分特点是碳当量较低（特别是硅量较低）。此外，为提高凝固时的冷却速度通常要求铸件的壁厚较薄或要提高铸型的冷却能力。,组织,白口铸铁的组织中不含石墨，仅由珠光体和渗碳体组成。较多的情况下，普通白口铸铁的共晶组织是莱氏体（渗碳体珠光体）。由于渗碳体为连续相同时又是脆性相，这决定了普通自口铸铁韧性差而脆性大的特点。,普通白口铸铁中的碳化物 100 x,西安交通大学皇志富,普通白口铸铁的耐切削磨损的磨性可从其组织和硬度来推断。普通白口铸铁中，不含合金的珠光体显微硬度为250320HV，而含合金的珠光体显微硬度为30

25、0460HV；不含合金的渗碳体硬度为 9001000HV，而含合金的渗碳体硬度为1000120OHV。地球上蕴藏含量最多的石英硬度约为1100HV，比渗碳体的硬度要高，故普通白口铸铁的耐磨性不是很好。但因其价格低廉，生产简便，目前还应用在某些基本没有冲击应力的场合如如面粉机磨辊、球磨机磨段和清理设备中的铁丸及星铁等 。,应 用,西安交通大学皇志富,我国及其他几个工业国家的低铬铸铁的成分及硬度,2. 低铬铸铁,为提高普通白口铸铁的耐磨性，防止在铸铁中出现石墨组织，向铸铁中添加一定数量的碳化物形成元素铬从而形成了低铬铸铁。,西安交通大学皇志富,含铬量（质量分数）2的Fe-C-Cr平衡相图,低铬铸铁

26、的软化退火工艺,低铬铸铁的金相组织 500 x,低铬铸铁的铸态组织根据其凝固冷却速度的不同，通常为共晶碳化物珠光体少量马氏体少量奥氏体组成。,西安交通大学皇志富,低铬铸铁的化学成分根据零件使用的工况条件，可作相应的调整。随含碳量增加，低铬铸铁的碳化物数量增加，硬度提高，韧性降低。,低铬铸铁的硬度、冲击磨损耐磨性（石英砂）随碳含量的变化,低铬铸铁的冲击疲劳抗力次(N)相对韧度(bbf)及一次冲击韧性随碳含量的变化,随铬含量的增加，碳化物的形态和分布有所改善，使冲击韧性、硬度以及疲劳抗力和冲击磨损耐磨性有所增加。,铬对低铬铸铁性能的影响,西安交通大学皇志富,含Mo对低铬铸铁的淬火态的机械性能,由于

27、组织中大量碳化物的存在，且碳化物的结构和分布形式与普通白口铸铁相比基本没有变化，因此低铬铸铁的韧性与普通白口铸铁相当，但抗磨料磨损的耐磨性比马氏体耐磨钢有较大的提高。,13.23%C, 0.96%Mn, 3.10%Cr, 2.25%Mo；23.15%C, 0.90%Mn, 2.95%Cr, 3.32%Mo 32.72%C, 0.39%Mn, 2.49%Cr, 2.52%Mo,低铬铸铁的既可用冲天炉熔炼，亦可用电炉熔炼，还可用冲天炉与电炉双联熔炼。但用冲天炉熔炼时应注意控制铁液的碳含量。通常低铬铸铁铁液在炉前采用稀土硅铁进行孕育处理以提高综合性能。稀土元素有改善碳化物形态、细化晶粒、脱氧、脱硫和

28、净化铁液的作用。低铬铸铁在炉前加入质量分数1左右的稀土硅铁合金，将对改善低铬铸铁的冲击韧性和耐磨性有一定的作用。,低铬铸铁的熔炼,西安交通大学邢建东,冲天炉结构示意图及炉内温度、气氛变化,电弧炉和感应电炉,由于低铬铸铁的价格较廉，根据其性能特点,通常用于冲击载荷较小的磨料磨损工况。目前使用最广泛的是用于制造球磨机磨球，大多采用金属型铸造，工艺出品率高、晶粒细化且组织致密，表层的定向凝固使碳化物垂直于磨损表面而有利于抗磨性的提高。质量较好的铸态经去应力的处理的低铬铸铁磨球在水泥球磨机一仓使用的磨耗通常低于100g/t水泥,破碎率低于1。此外，在冶金行业的湿态球磨机和电厂球磨机中低铬铸铁磨球亦有大

29、量使用。低铬铸铁除用于制造球磨机磨球外，亦可用于生产直径较小的球磨机衬板和破碎机辊套。,低铬铸铁的应用,西安交通大学皇志富,球磨机结构示意图,球磨机内的磨球和衬板,在球磨机中磨不同的矿石时低铬铸铁磨球与含碳（质量分数）0.8的马氏体钢磨球的耐磨性比较,* 耐磨性值约大磨损量越小； * 仅此为砂型铸造。,西安交通大学皇志富,3. 镍硬铸铁,镍硬铸铁是含镍、铬的白口铸铁，国际上通常称NiHard，按含铬量可分为 Cr=2和 9两类。在2Cr的镍硬铸铁中，碳化物为(Fe ,Cr)3C型，其硬度为1100-1150HV，高于普通碳化物Fe3C(900-1000HV)的硬度。在9Cr的镍硬铸铁中，大部分

30、碳化物为(Cr,Fe)7C3，其硬度更高。从右图中可以见到加入Cr对形成碳化物的作用。镍硬铸铁中加人较多的镍是为了提高铸铁的淬透性，有助于铸态获得以马氏体为主的金属基体，但同时会伴随有大量的残余奥氏体。镍量的多少依铸件壁厚而定，厚壁铸件的镍量应取高限。,Fe-Cr-C系合金1150等温面,西安交通大学皇志富,Kc:(FeCr) 3C K2:(FeCr) 7C3 K1:(FeCr) 23C6,国际镍公司的镍硬铸铁的化学成分 （质量分数，）,Ni-Hard 1 含碳量较高，有较高的硬度和抗磨性，适用于小冲击载荷的磨料磨损工况； Ni-Hard 2 含碳量和硬度低于Ni-Hard 1，但抗磨性和冲击

31、疲劳抗力较好，适用于中、小冲击载荷的研磨工况； Ni-Hard 3 含碳量很低，过去用于磨球，现已少有，我国标准中无此牌号； Ni-Hard 4 合金量高于前三种铸铁，具有高硬度和良好的抗磨性，并有较高的冲击疲劳抗力以及较好的耐腐蚀性能。,西安交通大学邢建东,碳主要部分形成碳化物，少量溶入金属基体。镍硬铸铁分为高碳和低碳两类，高碳类的硬度高，耐磨性好，但脆性大；低碳类则反之，视使用条件不同选用。自由石墨是不希望有的，因其降低冲击韧性和耐磨性。,Ni-Hard 1 和 2 的硅含量较低，因硅促使石墨化；Ni-Hard 4 中含铬量高，可允许硅的质量分数高达1.82.0。较高的硅促使形成（Fe,C

32、r）7C3 型碳化物,且使马氏体转变温度Ms升高，促使获得马氏体基体，但硅降低淬透性。,铬 促使形成碳化物，并提高碳化物硬度。Ni-Hard 4 中铬与碳、硅配合使共晶碳化物大多成为（Fe,Cr）7C3，提高抗磨性和冲击韧度。,镍主要溶入金属基体中，能有效提高淬透性，促使形成马氏体或贝氏体基体。Ni-Hard 4 的淬透性明显高于Ni-Hard 1，可以做断面大于200 mm 的铸件。镍促使石墨化，为此镍硬铸铁须有一定数量的铬元素以免生成石墨。镍稳定奥氏体，高镍量会产生较多的残余奥氏体。,镍硬铸铁中不应有石墨析出，C、Si、Cr与铸件壁厚之间应有合适配合。为了保证铸件中不出现珠光体，镍硬铸铁应

33、根据铸件壁厚确定适当的Ni、 Cr含量。,我国镍硬铸铁的牌号及其化学成分（质量分数，）（GB/T8263-2010）,西安交通大学皇志富,国际镍公司的镍硬铸铁的化学成分 （质量分数，）,比较： 1. BTMNi4Cr2-GT / Ni-Hard 1，Mn含量略有放宽； 2. BTMNi4Cr2-DT / Ni-Hard 2; 3. BTMCr9Ni5 / Ni-Hard 4，提高了Cr含量，以获得更多的M7C3。,Ni-Hard 1 铸态 Ni-Hard 4 750、10h 空冷 典型镍硬铸铁的金相组织 200,Ni-Hard 1、2 既可用冲天炉熔炼，亦可用电炉熔炼，但为了成分稳定并得到希望

34、的铁液温度，最好是采用电炉获双联熔炼。Ni-Hard 4 合金元素含量高，冲天炉熔炼时合金烧损严重，且成分不能准确控制，所以 Ni-Hard 4 必须用电炉熔炼。 镍硬铸铁件既可以砂型铸造，也可以金属型铸造，线收缩率为1.62.0，一般情况下可取1.8。 铸造工艺设计应考虑顺序凝固，冒口最好采用配有缩颈的易割片，易去除冒口。冒口不可采用火焰切割，以免引起热裂。 镍硬铸铁的流动性比灰铸铁差，浇注温度 在1350以上，随铸件大小而异，一般为 1400。过高的过热熔化和过热浇注不利 于不连续碳化物的形成，从而使性能降低。,镍硬铸铁的熔炼和铸造,西安交通大学皇志富,铸态镍硬铸铁虽有足够的硬度，但其奥氏

35、体较多而冲击疲劳寿命不高，因此通常总要进行热处理。Ni-Hard 1、2只作中、低温热处理即可，Ni-Hard 4 则必须经较高温度或中温热处理。 热处理的目的： 提高冲击疲劳抗力； 提高硬度； 消除内应力。,镍硬铸铁的热处理,镍硬铸铁件热处理规范（GB/T8263-1999）,西安交通大学皇志富,Ni- Hard1的等温转变图,出现新的贝氏体和马氏体,降低奥氏体的含碳量,奥氏体转变为马氏体，铸态马氏体回火,镍硬铸铁件的金相组织和使用特性（GB/T8263-1999）,镍硬铸铁可用于许多磨损工况，从抗磨性的角度来看它通常可与其它白口铸铁、合金钢或高锰钢相竞争。镍硬铸铁比普通白口铸铁的抗磨性优越

36、得多，但在许多情况下不如高铬钼白口铸铁。当代替钢时，必须保证在使用条件下不碎裂。,西安交通大学皇志富,4. 高铬铸铁,高铬铸铁是指含铬量（质量分数）大于12的白口铸铁，它是目前国内外使用最为广泛的耐磨铸铁之一。当铸铁中的含铬量在大于12%后由于铬对铁碳相图的影响使得铸铁的组织和产生了很大的变化。 在1930年，几乎与Ni-Hard铸铁同时，在美国就对高铬铸铁进行了研究，由于铬的含量较高，在冲天炉熔炼时铬一方面极易和碳结合，使碳含量不易控制；另一方面又由于铬在冲天炉的氧化带极易氧化烧损，使得铬的收得率很低，这使得当时电炉熔炼还十分稀少的情况下，高铬铸铁无法获得大规模应用。在二次世界大战后，随着电

37、炉的大规模使用，高铬铸铁才得到较大的发展和应用。 我国在上世纪70年代初，对高铬铸铁在耐磨材料上的研究和应用给予了高度的重视。,西安交通大学皇志富,4.1 高铬铸铁的组织和成分,Fe-C-Gr相图的1150切面 K1:（Fe、Cr）23C6 = M23C6 K2:（Fe、Cr）7C3 = M7C3 Kc:（Fe、Cr）3C = M3C,Fe-C-Gr准稳态相图,Cr/C=5,西安交通大学皇志富,Fe-Cr-C 合金系中的碳化物,西安交通大学皇志富,c = 0.688nm a = 0.454nm,c,a,六方点阵M7C3的衍射斑点,凝固过程中，初生碳化物以小晶面状生长，当初生碳化物长大到一定程度

38、后，在侧向以包抄方式生长，形成一个六边形的中空的壳，然后继续向内凝固. 凝固速度的影响： 速度快 实心六边形块 速度慢 中空六边形块,光滑界面（小晶面）,晶体生长方向取决于晶体的位向,粗糙界面（非小晶面）,晶体生长方向取决于热流方向而与晶体的位向无关,含铬（质量分数）13的Fe-C-Cr相图,铬量对相图中共晶点含碳量有很大影响，随铬含量增加，共晶点含碳量下降，共晶点碳量（质量分数，CE）随铬的变化可参考下式计算： CE（）4.400.054Cr(),通过不同的热处理可改变高铬铸铁的基体组织,奥氏体M7C3 薄壁铸态（快冷）,珠光体M7C3 二次碳化物 950/2h 炉冷,高铬铸铁的铸态组织,高

39、铬铸铁的牌号及化学成分质量分数% GB/T8263-2010,4.2 高铬铸铁的热处理,大多数高铬铸铁是在热处理态使用的。基体组织的类型不仅影响到高铬铸铁的耐磨性，同时对高铬铸铁的韧性和硬度也会产生重要的影响。,西安交通大学皇志富,高铬铸铁件热处理制度,硬化态：共晶碳化物M7C3+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体; HRC56 软化态：共晶碳化物M7C3+二次碳化物+ 珠光体； HRC45,典型组织及硬度,西安交通大学皇志富,高铬铸铁热处理的特点,加热过程中二次碳化物的析出和溶入,由于铸态高铬铸铁的基体中过饱和地溶入了碳和其它合金元素，随着加热过程温度的提高，这些碳和合金元素将逐渐开始析出而形成

40、二次碳化物，随加热温度进一步提高，奥氏体中的溶解度增加，又将产生碳和合金元素的溶入过程。,含铬13的Fe-C-Cr相图,奥氏体的固溶度,西安交通大学皇志富,2. 保温过程中二次碳化物的析出和溶入 保温过程是加热过程的继续，它将使该温度中所进行的析出和溶入过程进一步彻底化。 3. 冷却过程中二次碳化物的析出 冷却过程中由于碳和其它合金元素在奥氏体中的溶解度逐渐降低，将出现二次碳化物的析出过程。但冷却速度的大小对此析出过程有决定性的影响，缓冷时将充分析出，形成珠光体基体；随冷却速度加快，析出过程逐渐受到抑制，从而有可能形成马氏体基体、奥氏体基体或它们的混合物。,西安交通大学皇志富,淬火加热温度和冷

41、却速度对试样硬度的影响,应根据部件的壁厚选择加热温度： 壁厚越大空冷时的冷却速度越慢，获得最高硬度所需的加热温度越高。Cu含量越高获得最高硬度的加热温度降低。,合金元素对试样淬透性的影响,空淬时能淬透的最大直径与 Cr/C比和Mo的关系,铬碳比越高，铸铁的淬透性也越好，铬对淬透性的影响主要是固溶在基体中的铬，基体中固溶的铬量可用下式估算：,Cr（）1.95（Cr/C）2.47,空淬时不出珠光体的最大试样直径（D)为：,无Mo的高铬铸铁,Mn对Ms点及残余奥氏体的影响,Mn对淬透性的影响,Mo对淬透性的影响,锰既进入碳化物又溶解于基体。锰能扩大 相区，对稳定奥氏体很有效。由于锰剧烈地降低 Ms

42、点会使高铬铸铁在淬火后有较多的残余奥氏体故一般控制在 1.0% 以下。锰和钼联合使用时对提高淬透性非常有效。,4.4 高铬铸铁熔炼和铸造,高铬铸铁不宜用冲天炉熔炼，因为铬的烧损太大，且极易与碳化合，碳量也不易控制。高铬白口铸铁可以在任何电炉中熔化，炉衬可以是碱性、中性或酸性的。感应炉熔炼时熔化温度不必太高，1480已经足够，过高的熔炼温度虽不会带来问题，但却使得元素的烧损增加。 在铸造工艺上高铬铸铁应结合铸钢和铸铁的特点，充分补缩，其原则与铸钢件相同(采用冒口和冷铁，遵守顺序凝固，模型缩尺可取2)。冒口尺寸按碳钢设计，浇注系统则可按灰铸铁计算，但应将各断面积增加 20%30%。由于高铬铸铁的导

43、热性差，因此当采用气割法去除浇冒口时容易在气割后产生热裂纹，故设计时宜用侧冒口或易割冒口并采用敲击法去处除浇冒口。,西安交通大学皇志富,由于高铬铸铁的导热性低（导热系数为17.58J/m.s.k，而灰铸铁为50.2462.80J/m.s.k）有较大的开裂倾向，有时铸件开箱时就已经开裂。因此在铸造工艺设计上应注意不让铸件的收缩受阻，以免造成开裂；铸件在铸型中应充分冷却，然后开箱，开箱温度过高是高铬铸铁件开裂的常见原因。 浇注温度的控制是很重要的，通常不希望太高，以避免收缩过大和粘砂, 低温浇注也有利于细化树枝晶和共晶组织。浇注温度一般比液相线温度高约 55 , 小件可为 13801420 ，厚度

44、在l00 mm 以上的铸件可更低些，在13501400 也不会出现问题。高的浇注温度将加重热节处和冒口下的缩孔，而且会造成浓密的显微缩松，同时也使得组织粗大。,西安交通大学邢建东,4.5 高铬铸铁的应用,1. 球磨机磨球 球磨机磨球应用高铬铸铁来生产，取得了很好的使用效果，国内外生产量在不断增长。仅日本 80 年代初，高铬铸铁磨球用量就达到磨球总用量的 40% 左右。高铬铸铁用于磨球，其基体组织可有三种状态: 马氏体基体、珠光体基体和奥氏体基体。水泥行业中，马氏体基体磨球使用效果最佳。,65mm 磨球磨钼矿时抗磨性对比,西安交通大学邢建东,根据平衡状态图中不同成分确定铬系白口铸铁组织和应用,2

45、. 过流件、球磨机衬板、锤头、叶片等 高铬铸铁在杂质泵过流件上获得广泛的应用；此外，在保证安全的情况下也用于制造大型破碎机的磨环、锤头等部件；在抛丸机叶片上应用也取得较好的效果。 高铬铸铁还用于高温环境中的抗磨部件，如轧钢用导位板、高炉料钟以及高炉衬板等长期在800下工作的部件。,叶轮、靴类零件中的各种材料的磨损比较,西安交通大学皇志富,二元Fe-B合金相图,B为3.81%时出现 相与Fe2B共晶,5.Fe基高硼合金,铁硼合金微观组织,两个必须解决的问题： 1.Fe2B的形态分布； 2.Fe2B的性能。,含铬量（质量分数）2的Fe-C-Cr平衡相图,不同C、B含量铁基高硼合金的微观组织 硬质相

46、数量和基体的性能可实现独立控制,铁基高硼合金的微观组织,通过熔体净化、变质处理，改善Fe2B形态,通入氩气进行熔体净化,通入氮气进行微合金化,变质元素在Fe2B表面富集抑制其生长,变质处理前Fe2B形态,变质处理后Fe2B形态,不同处理方式对硬质相尺寸的影响,不同处理方式对合金冲击韧性的影响,硬质相形态改善对韧性的影响,基于物质构成与原子间结合能并通过第一原理计算，发现了改善耐磨合金中硬质相韧性的方法。通过微量Cr、Mo、W原子置换Fe2B硬质相中部分Fe原子，明显提高了Fe2B的韧性（Fe2B的断裂韧性提高约50%以上），进而扩展到Fe-C合金耐磨材料中，使Fe3C的断裂韧性提高20%以上。

47、显著提高了此类材料的耐磨性 。,Fe2B强韧性改善,微量原子置换改变原子间电子密度分布,M2B结构和力学模量之间的关系,Fe2B,(Fe,X)2B,X,通过微量原子置换，改善硬质相韧性,铁基高硼合金中Fe2B断裂韧性表征（100g力） （a)未置换；(b) Cr元子微量置换,(a),(b),裂纹,试验采用维氏压痕法，断裂韧性通过如下公式计算： Kc=XP/c3/2 式中：X为残余压痕系数，取决于Fe2B的硬度和弹性模量的比值，即X=0.064E/H,弹性模量值取为290Gpa；P为载荷（N）；c为1/2压痕裂纹长度(m)。,不同Cr、Mo级配对Fe2B断裂韧性的影响,提高59%,B、C含量对合

48、金冲击韧性的影响,B含量对合金中硼化物体积分数的影响,基体强韧性与硬质相数量的独立控制,高强韧性基体 +硬质相,高硬度基体 +硬质相,硬质相体积分数不受碳含量影响独立控制,在铁基高硼铸造合金中实现了基体强韧性与硬质相数量、形态的独立控制，实现了耐磨材料强韧性与耐磨性的宽范围调整。解决了耐磨性与服役安全性的矛盾！,强韧化前后铁基高硼合金与高铬铸铁耐磨性的比较,碎裂后硬质相剥落,通过对硬质相的强韧化处理，提高其抗磨性,通过对铁基高硼合金中Fe2B硬质相韧性的改善，提高了合金的耐磨性,韧化后磨损面下表层硬质相裂纹消失,6.高锰钢,高锰钢是铸造抗磨钢中最典型的一种。早在1883年R.A.Hadfiel

49、d获得高锰钢的发明专利。在高锰钢中锰的公称含量为13%，其牌号为: ZGMn13。高锰钢的铸态组织为奥氏体+碳化物，经水韧处理后得到单相奥氏体组织。奥氏体高锰钢具有很高塑性、韧性以及低抗裂纹扩展性能，其硬度不高。在无润滑条件下，经受强烈冲击或挤压时，其表面层组织发生加工硬化，加工硬化后表面硬度可由HB200上升到HB500以上。因此，高锰钢在强烈冲击的工况条件下具有很高的抗磨料磨损特性，正是由于这些特性使得它被广泛用于制造矿山、建材、冶金、电力和铁路等机械中的耐磨件。,西安交通大学皇志富,高锰钢的牌号及成分,（Wt.%）（GB568085）,西安交通大学皇志富,注意控制：Mn/C8,高锰钢的组

50、织特点,Fe-C-Mn三元相图Mn13%的截面,+M3C,+M3C,西安交通大学皇志富,铸态组织,100X,奥氏体碳化物,西安交通大学皇志富,加工硬化后组织,铸造高锰钢的淬火组织图,高锰钢的磨损量与含碳量的关系,含碳量对高锰钢冲击韧度的影响,Mn/C810,西安交通大学皇志富,高锰钢的性能特点,加工硬化机理： 1.位错堆积? 2.变形诱导相变?,西安交通大学皇志富,火车路轨上的高锰钢道岔,颚式破碎机工作原理,实验室试样数据 壁厚的影响,值得注意的问题,1.碳和铸件壁厚： 壁厚变化对于高锰钢性能的影响是巨大的。,西安交通大学皇志富,浇注温度对高锰钢晶粒度的影响,2.浇注温度： 浇注温度对高锰钢的

51、晶粒大小有显著影响，低的浇注温度有利于获得晶粒细小的组织，从而使性能得到显著提高。通常高锰钢的浇注温度为14201470。,3.热处理： 保证加热保温阶段铸态碳化物的全部溶入，过高的热处理温度将使得高锰钢的晶粒粗大。,值得注意的问题,西安交通大学皇志富,高锰钢的不足,1.耐磨性 在不少情况下奥氏体高锰钢在使用过程中并不能得到加工硬化，其使用后的硬度仍然比HB200高不了多少，耐磨性当然不会好。即使得到加工硬化，其硬度通常不过提高到HB400或更高一些，总比不了马氏体钢和白口铁。 2.屈服强度低导致使用过程中变形 高锰钢的屈服强度很低，容易发生塑性变形流动。这使得部件在服役一段时间后产生严重的变

52、形，导致设备损伤和部件拆除困难。,西安交通大学皇志富,高锰钢性能的改善,提高钢的加工硬化能力 介稳定奥氏体锰钢降低锰含量（0.9-1.2%C ,8.0-9.5%Mn)，降低奥氏体地稳定性，使之在较低地冲击能力下得到硬化。 2. 提高耐磨性 通过合金化（Ti、V、Cr、Mo)以获得弥散分布地粒状碳化物，以提高高锰钢地初始硬度并提高屈服强度减少流动变形；细晶化处理（加入变质剂）；水韧时效处理（获得弥散分布的粒状碳化物）。 3. 超高锰钢 提高碳和锰含量（1.5-1.6%C, 18%或25Mn)，基于目前看到的文献资料 ,采用超高锰钢的原因可能是 :(1 )提高加工硬化能力，其中碳能起这个作用 ,但

53、此时需要增加锰量以保持韧性 ; (2 ) 改善壁厚对性能的影响。,西安交通大学皇志富,典 型 成 分,西安交通大学皇志富,对应于上述成分的性能,注意壁厚变化所带来的性能差异,由上图可见，除加Mo以外，其它所有的成分变化都是以降低高锰钢韧性的前提下进行的，这无疑减少了高锰钢服役的安全性。,西安交通大学皇志富,对高锰钢性能的改善和调整仍然是目前正在进行的一项研究工作，人们期望通过各种方法获得高韧性同时又具有高的耐磨性的部件！,五、磨料磨损的基础研究室温磨损,西安交通大学皇志富,西安交通大学皇志富,试 验 结 果,含碳量与碳化物体积分数的关系,西安交通大学皇志富,不同含碳量试验的典型组织,碳化物体积

54、分数: 9.44%, 碳含量: 2.02%. 200 x,碳化物体积分数: 42.73%, 碳含量: 3.46%. 200 x,西安交通大学皇志富,不同热处理后的典型基体组织1,试样2B(980/2h空淬)马氏体基体 500 x,试样2A (950/2h 炉冷）珠光体基体500 x,西安交通大学皇志富,试样 2C，铸态奥氏体基体 500 x,试样2D(1100/2h空淬）奥氏体基体,不同热处理后的典型基体组织2,西安交通大学皇志富,两体磨损试验结果1,相对耐磨性随碳化物体积分数的变化 （120目Al2O3 磨料） 对比材料：低碳钢,随碳化物体积分增加，相对耐磨性缓慢增加,随碳化物体积分数增加，

55、相对耐磨性急剧增加,试验结果表明：碳化物体积分数及其与磨料的相对硬度和基体组织是影响材料耐磨性的非常重要的因素。,两体磨损试验结果2,相对耐磨性随碳化物体积分数的变化（180目石榴石磨料） 对比材料：低碳钢,当采用三种不同硬度的磨料时，耐磨性随试样中碳化物体积分数的变化呈现不同的变化规律，使用高硬度磨料时随碳化物体积分数增加，材料的耐磨性下降，而使用低硬度磨料时随碳化物体积分数增加，材料的耐磨性增加。,三体磨损试验结果,西安交通大学皇志富,马氏体基体高铬铸铁相对耐磨性随碳化物体积分数的变化,五、磨料磨损的基础研究碳化物位向,不同取向的高铬铸铁磨损和冲击试样 C3.56；Cr16.2%；Si1.

56、25%,；Mn0.82；Mo0.43，Cu0.58,不同试样组织的显微硬度,三体磨损试验中碳化物位向对耐磨性的影响 （70140目石英砂，载荷0.048MPa）,对比材料：正火20钢,湿式橡胶轮磨损试验中碳化物位向对耐磨性的影响,橡 胶,对比材料：正火20钢,冲蚀磨损试验中碳化物位向 对耐磨性的影响 （玻璃砂，冲击角25）,对比材料：正火20钢,碳化物位向对一次冲击韧性的影响,对比材料：正火20钢,碳化物尺寸对耐磨性的影响,碳化物尺寸应大于磨料在磨损时产生犁沟的尺度，此时碳化物才有可能对磨料的磨损损伤造成阻碍作用。碳化物尺寸远小于犁沟尺度时，碳化物将被连根铲起而无法抵抗磨料的作用。,A,B,在

57、相同基体（奥氏体）条件下，无论磨料硬度变化，极细碳化物组织的耐磨性大幅度下降！,使用碳化硅磨料时,使用石榴石磨料时,对于一定的工况、选用合适的硬质相尺度也是保证硬质相充分发挥作用的重要方面。,B,A,A,B,裂纹扩展加速导致韧性下降,碳化物易碎裂剥落导致耐磨性下降,出现粗大的初生碳化物,五、磨料磨损的基础研究碳化物形态控制,倾斜冷却体形核触媒法,采用过流冷却和结晶形核触媒的方法，促进初生碳化物的大量形核并抑制其形核后的进一步生长，达到控制碳化物生长并团球化的目的。,不同成形温度对碳化物尺度的影响,随半固态浆料温度增加，碳化物颗粒的平均直径增加，形状因子下降。,形状因子: K=4A/L2 A ：

58、每个碳化物颗粒的平均面积； L ：每个碳化物颗粒的平均周长。,浆料处理温度于碳化物形状因子及等效直径的影响,不同半固态浆料温度试样的冲击韧性,低的浆料温度导致成形时大量微观缩松的出现,a) 半固态试样,b) 普通浇铸试样 ak = 2 . 1 7 J/cm2,断口形貌,亚共晶（1）、半固态过共晶（2）及普通浇铸过共晶（3）高铬铸铁试样的耐磨性 （ 100200目石英砂，三体磨损）,常规铸造试样,倾斜冷却体试样,倾斜角30,浆料,金属型壁,为消除缩松倾向，采用离心铸造方法进行制备。,半固态离心组织,离心坯体示意图,半固态离心成形示意图,视场1,视场2,视场3,表 三个不同区域碳化物等效直径和体积分数,碳化物等效直径和体积百分数从径向最外侧向内逐渐增大。,碳化物密度小于金属液密度，其会向径向内侧移动。,冲击韧性试验结果,图 不同试样的冲击韧性值,半固态砂型重力成形试样的碳化物体积百分数和缩松程度处于两个方案A、B之间，从而其ak值介于方案A、B所得冲击韧性值之间。,(a) 距径向外侧面0-5mm区域 b) 距径向外侧面5-10mm区域 (c) 距径向外侧面10-20mm区域,试样不同区域的硬度值,