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冲击载荷的变化对铸态复相耐磨钢磨粒磨损特性的影响
发布时间：2013-10-11 08:44 来源：未知
滚筒式球磨机的衬板与磨球组成一对磨损副，其工况条件是带有冲击的三体磨粒磨损系统，该磨损系统是冲击、滑动与研磨过程的联合作用。加载方式是影响耐磨材料相互作用方式和磨损机理的最重要的因素，对不同直径的球磨机，虽然衬板和磨球的材料不变，由于磨球与衬板落差发生很大变化，造成磨球对衬板的冲击载荷显著不同，从而导致衬板和磨球的使用寿命差异很大；文献报道，不同球磨机衬板如用高锰钢，磨球选用耐磨性较好的高铬铸铁，也会造成高锰钢衬板磨损量增大。因此建立不同冲击载荷和配副条件下的耐磨材料的三体磨粒磨损特性，可为不同工况条件下的球磨机衬板选材提供依据。目前，球磨机的衬板选材仍大多沿用高锰钢，高锰钢衬板在使用过程中存在的问题是：当冲击载荷不大时，不能充分加工硬化，耐磨性差。为此，作者对钢的成分进行了多元优化设计，并采用了一种新型复合变质剂、炉前合金化工艺、凝固和冷却速度控制等措施，得到了一种相组成合理、晶粒细化、组织均匀、性能良好的复相耐磨钢。该复相耐磨钢无须热处理，可在铸态下直接应用，具有节能、高效、成本低等特点。本文通过改变冲击功大小，研究铸态直接应用的复合变质复相耐磨钢（要求变质后的化学成分如表1所示）和高锰钢的动载磨损特性，这对滚筒式球磨机的衬板选材具有指导意义，富通新能源生产销售球磨机、雷蒙磨粉机等磨机机械设备。
1、试验条件和方法
试验用钢在150 kg中频感应炉中冶炼，砂型浇铸并在高温时进行强风冷却，浇注温度为1550℃。
磨损实验是在MLD-10型动载冲击磨损试验机上进行。由于目前球磨机的磨球材料大多为低铬铸铁球，对磨下试样选为低铬铸铁（尺寸为宽度20 mm，外径50mm，内径30mm;硬度52HRC）。上试样为实验试样(10mm×10mm×30mm)，试验过程中，下试样旋转，上试样以一定频率冲击下试样，磨料通过料斗均匀流入两试样之间受到冲击并碾碎。因此，上试样在与带有磨料的旋转下试样接触瞬间，试样接触面上既受到冲击力作用，同时又有短程滑动，较好地模拟了球磨机磨损工况下的磨损情况。上试样冲击频率为200次／min，下试样转速为31.4 r/min，磨粒是粒度为20/40精制石英砂，预冲10min，然后冲击磨损20min，所选取的冲击功为1.0J、3.6J、4.5J。实验前后均用丙酮清洗试样，用感量为万分之一电子天平称重，以磨损失重量W的倒数w-l表示上试样耐磨性。通过金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电镜对变质前后铸钢进行组织、磨损形貌的观察。
2、试验结果及分析
2.1铸态复相耐磨钢的显微组织和冲击韧性
铸态复相耐磨钢显微组织如图la所示�？杉�，经复合变质处理的铸态耐磨钢，不仅晶粒得到细化，而且组织的均匀性大为改善。铸态组织为马氏体十贝氏体十少量残余奥氏体，马氏体基体上分布着针状下贝氏体，其亚结构如图lb所示。从图ib可看出，在马氏体板条与贝氏体束之间及贝氏体铁素体板条间、内部均存在着热稳定性和机械稳定性很高的薄膜状残余奥氏体，亚结构的位错密度很高。其力学性能如表2所示。许多研究者指出6～9]，薄膜状残余奥氏体对钢的韧性改善极为有利，此正是铸态耐磨钢具有高冲击韧性的关键所在；而高密度的位错亚结构使铸态复相耐磨钢具有较高的硬度。总之，铸态复相耐磨钢高的硬度和良好的冲击韧性是由其组织组成和相组成、形态、分布及其亚结构决定的，而成分设计、炉前工艺控制和凝固冷却控制是决定铸态复相耐磨钢这种组织结构的关键所在。
2.2 不同冲击载荷下铸态复相耐磨钢的耐磨性
MLD-10型动载冲击磨损实骏机上的磨损过程包括上试样的自由下落与旋转的下试样产生冲击和上试样被重新提起进行下次冲击之前，上下试样之间相对产生三体磨粒磨损。
铸态复相耐磨钢和高锰钢在不同冲击载荷下的耐磨性如图2所示�？梢钥闯觯背寤鞴闲�(1.0 J)时，铸态复相耐磨钢的耐磨性最高，而高锰钢的耐磨性最低；当冲击功增为3. 60J时，铸态复相耐磨钢的耐磨性稍低于高锰钢；当冲击功增为4. 50 J时；铸态复相耐磨钢的耐磨性大大低于高锰钢。从上述结果可以看出，铸态复相耐磨钢在较小冲击载荷下表现出优异的耐磨性。由于MI}D - 10型动载冲击磨损试验机与球磨机实际工况条件具有相似性，所以，本实验结果可为球磨机衬板的选材和工艺控制过程提供依据。
2.3 磨损形貌及磨损机理分析
铸态复相耐磨钢的磨损形貌如图3所示�？杉�，冲击载荷1.0 J时，磨损面上几乎全为显微切削和犁沟，几乎没有冲击塑性变形的痕迹。冲击载荷4.5 J时，冲击塑变坑增加，磨损面中脆性断裂显著增加，几乎没有犁沟的痕迹。而以往大量的分析研究表明：韧性材料（如高锰钢）在高冲击载荷下的冲击磨损机理主要是冲击坑挤压塑性变形唇，经反复塑变形成大量块状磨屑，极少有犁沟和切削。
从上述磨损形貌和以往研究可得出，在冲击载荷较小时，由于滑动磨损而使磨损面上主要为显微切削和犁沟，提高铸态复相耐磨钢的硬度将有助于提高耐磨钢滑动磨损耐磨性；在冲击载荷较大时，由于冲击塑变坑增加，该冲击塑变坑可以在一次冲击后形成，也可能在多次冲击后形成，金属经过多次冲击变形最终以疲劳或脆性断裂机理失效，因此，为了提高耐磨钢的耐磨性，应提高耐磨钢的强韧性。
3、工业实验
我们于2001年12月在河南灵宝金矿2.1×3.0(m)的金矿磨机上同时安装铸态复相耐磨钢和高锰钢两种材质的衬板，进行工业性对比实验。高锰钢衬板1100 h己基本失效，而铸态复相耐磨钢衬板可运转1680 h。运行结果表明：当球磨机直径较小时，相应衬板承受的冲击载荷较小，铸态复相耐磨钢作为中小型球磨机衬板的使用寿命高于高锰钢衬板，且铸态复相耐磨钢具有合金成本低，无热处理工艺环节，耐磨性高和装卸费用低等优点，其经济效益非常显著。
4、结论
(1)米用合理的成分设计、炉前工艺控制和凝固冷却所得铸态复相耐磨钢具有合适的组织组成和相形态、分布及其亚结构，使铸态复相耐磨钢具有高的硬度和良好的冲击韧性配合。
(2)在动载冲击磨损实验过程中，当冲击功为3．60J时，铸态复相耐磨钢具有和高锰钢相当的耐磨性；当冲击功为1.0 J时，铸态复相耐磨钢的耐磨性是高锰钢两倍以上。实际的工业性运转对比实验也表明：试验开发的铸态复相耐磨钢具有高的抗滑动磨损和一定的冲击塑变磨损抗力，是一种高效、节能适用于中小型球磨机衬板的耐磨材料。
