含碳化物奥铁体球墨铸铁的研究及应用 1


等  温淬火球墨铸铁(简称ADI)基体组织是由针状铁素体和稳定的高碳奥氏体组成,被称为奥铁体。这种组织使得ADI具有优异的综

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图1. (a) 铸态石墨球 (b) 铸态屈氏体和碳化物

合力学性能,而且可以通过改变合金成分、奥氏体化温度和时间、等温转变温度和时间等工艺参数,以满足不同工作条件下性能要求。因此,ADI的生产和应用受到了许多行业的广泛关注。但是,ADI作为抗磨材料,其耐磨性略显不足。因此,在ADI的基础上,在基体组织中引入一定数量的碳化物,可以显著提高其耐磨性,同时保持较高的韧性。这种材料称为含碳化物奥铁体球墨铸铁,简称CADI。CADI具有耐磨和强韧性的特点,在耐磨工况条件下具有非常大的应用前景,所以,近几年,CADI的研究与应用引起了耐磨铸件行业的广泛重视。

图1为CADI的铸态组织。石墨球数量超过300个/mm2,球化率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,如图2所示。

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图2. 奥铁体、碳化物和石墨球

经等温淬火处理后,CADI基体中保留一定数量的富碳奥氏体。奥铁体中富碳奥氏体所占的比例直接影响CADI的力学性能、耐蚀性和耐磨性能。大量实验表明,等温淬火温度和等温时间对CADI中奥氏体的含量有直接的影响。

图3为等温淬火温度对奥氏体量的影响。由图3可见,随着等温温度的提高,奥铁体中富碳奥氏体的量逐渐增加。

图4为等温淬火温度对CADI冲击韧性的影响。由图4可见,当温度低于230℃,冲击韧性较低;此后随着等温温度的增加,冲击韧性逐渐提高;当温度大于290℃,冲击韧性变化不大。

图5为等温淬火温度对硬度的影响。由图5可见,随着等温温度的提高,CADI的硬度逐渐降低。

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图3 等温淬火温度对奥氏体量的影响

图6为奥氏体量对CADI腐蚀速度的影响。由图6可见,CADI试样在弱酸性、中性和弱碱性溶液中,首先,其腐蚀速率随着奥氏体量的升高呈现增大的趋势,当奥氏体含量达到22%左右,腐蚀速度达到最大值;然后随着奥氏体的增加,CADI在弱酸性和弱碱性介质中,又呈现出降低的趋势,而在中性介质中,腐蚀速度变化不大。大家知道,奥氏体是一个耐蚀相,理论上讲,奥氏体含量增加,耐蚀性应当提高。为什么在奥氏体含量为16-22%的范围内增加奥氏体量,CADI的耐蚀性反而降低?这可能与富碳奥氏体和低碳针状铁素体之间的碳量差有关系,这需要进一步研究。

总体看,CADI在弱酸性(PH4)介质中的腐蚀速度最高,在弱碱性(PH10)介质中的腐蚀速度最低,在中性(PH7)介质的腐蚀速度居中。这说明

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图4 等温淬火温度对CADI冲击韧性的影响

CADI在酸性介质中的耐蚀性较低,在碱性介质中耐蚀性较好。

图7为奥氏体对自腐蚀电流密度的影响。由图7可见,首先,CADI自腐蚀电流密度随着奥氏体含量的增加逐渐升高;当奥氏体含量达到22%左右时,自腐蚀电流密度达到最大值;继续增加奥氏体的含量,CADI在酸性介质和碱性介质中,其自腐蚀电流密度又具有降低的趋势,但是对于在中性介质中,变化不大。根据电化学腐蚀原理,自腐蚀电流密度越大,材料的耐蚀性越低,即越容易腐蚀。这说明,当CADI的奥氏体含量在22%左右范围内,其耐蚀性较差。

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图5等温淬火温度对CADI硬度的影响

利用MLD-10型动载荷磨料磨损试验机研究了CADI的耐腐蚀磨损性能。冲击功1J,转数200转/分钟,试样冲击频率100次/分钟,以低铬铸铁作为参考对比磨损试样。图8和图9为奥氏体对CADI材料冲击腐蚀磨损失重和相对耐磨性的影响规律。

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图6 奥氏体对CADI静态腐蚀速度的影响

由图8和图9可见,首先,随着奥氏体量的提高,冲击腐蚀磨损条件下的腐蚀磨损失重逐渐增加,相对耐磨性逐渐降低;对于酸性介质和碱性介质,当奥氏体含量在20-22%范围内,腐蚀磨损失重达到最大值,相对耐磨性降低到了最低值;当奥氏体含量大于22%后,腐蚀失重又逐渐减小,耐磨性逐渐提高。但是,在中性介质中,CADI磨球材料的奥氏体量超过20%后,耐磨性变化不大。

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图7 奥氏体对CADI自腐蚀电流密度的影响

富碳奥氏体在耐磨性方面的贡献有两方面:一方面,富碳奥氏体在外力作用下能转变成马氏体,有效提高材料表面的硬度,增加耐磨性;另外,富碳奥氏体发生马氏体相变的过程中伴随着体积膨胀,磨损表面层承受一定压应力,这对改善耐磨性有一定的益处。

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图8 奥氏体对CADI腐蚀磨损失重的影响

在冶金、矿山、水泥、火力发电等工业领域研磨过程中,耐磨材料的磨损、能量消耗在经济成本中占有相当大的比例。随着国民经济的发展,我国的钢铁产量、铁矿石需求量连年增加,铁矿石的年消耗量占据全世界的40-50%。据统计,2009-2011年我国的粗钢产量分别为5.68、6.26、6.8亿吨,国内矿石产量分别为8.8、10、11亿吨。另外,我国2012年水泥产量22亿吨,占世界水泥总量的60%。据统计,2009年我国金属耐磨材料的消耗超过350万吨,其中,磨球消耗近160万吨,而在铁矿、有色粉磨中消耗的磨球占各行业磨球消耗总量的70﹪。

Fig. 9. The influence of austenite on the relative wear resistance of CADI.

图9 奥氏体对CADI腐蚀磨损相对耐磨性的影响

目前,在国内外用于磨球的耐磨材料主要有低铬白口铸铁、高铬铸铁和锻造合金钢等。低铬铸铁磨球的特点是硬度低,耐磨性差,冲击韧性较低,容易破碎和剥落;高铬铸铁磨球的特点是硬度高,耐磨性较好,但是在腐蚀性介质的湿磨条件下耐磨性优势不大,性价比不高,另外,在大型球磨机中其韧性也显不足,容易出现碎球;锻钢磨球的特点淬透性差,整体硬度低,耐蚀性差,耐磨性较低。实践表明,磨球的破碎和剥落,这将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系统磨损严重。另外,目前我国使用的主要是铬系抗磨材料磨球,而我国是一个铬资源贫穷国家,90%的铬铁需要进口。因此,开发铬含量低的高耐磨性能磨球是当务之急。

根据CADI的所具有的性能,将其应用在球磨机磨球中具有非常大的前景。经过4年的应用实践与探索,表明CADI磨球(图10)在选矿应用中反映出具有以下特点:

1)    CADI磨球破碎率非常低,不失圆、不变形、无剥落。

2)    CADI磨球的加工硬化能力非常强,表面硬度可以达到HRC64-68,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。

3)    应用CADI磨球后,提高磨矿效率,产量增加10-20%,而球磨机电力消耗可以节省10-15%。实践表明,某公司有5台润磨机,全部使用CADI磨球,一年可以节省电费近200万元。从这个意义上讲,这是一种免费使用的新型节能磨球。

4)    由于CADI磨球含有一定数量的石墨球和奥氏体,降低球磨机周围环境的噪音10-12分贝。

5)    使用CADI磨球后,大大改善了球磨机闭环回路系统辅助设备的使用寿命。

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图10 铸态的CADI 磨球

结论

1)    奥氏体含量对含碳化物的奥铁体球墨铸铁(CADI)的力学性能、耐蚀性能和耐磨性能具有较大的影响。

2)    CADI可作为一种新型耐磨材料应用于冶金、水泥等行业的研磨工序的研磨介质。

3)    实际应用考核表明:在铁

矿湿磨条件下,CADI磨球破碎率为零,无剥落,耐磨性是低铬球的2-3倍,节省电能消耗,提高磨矿效率,降低噪音,可显著提高渣浆泵、高频筛等

辅助设备的寿命。 ■


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