中铬镍耐碱腐蚀磨损铸铁材料的研制.pdf

第5 7 卷第3 期 2005 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 7 ，N o ．3 A u g u s t 2 0 0 5 中铬镍耐碱腐蚀磨损铸铁材料的研制 郑开宏，苏志辉 广州有色金属研究院，广州5 1 0 6 5 1 摘要针对高温浓碱腐蚀冲击磨料磨损工况研制中铬镍耐碱腐蚀磨损铸铁材料，分析材料的显微组织和力学性能。结果 表明，中铬镍耐碱腐蚀磨损铸铁材料的组织为细珠光体和菊花状M ，c 3 型共晶碳化物。适宜的铬、镍、钼、铜含量，塑韧性较好细珠 光体金属基体及适宜粒度的、孤立分布的高硬度M 7 c 3 型碳化物，使所研制材料的耐高温浓碱腐蚀性能、抗冲击疲劳和抗湿试冲击 磨料磨损的性能都较好。 关键词金属材料；中铬镍铸铁；耐腐蚀冲击磨损；力学性能；显微组织 中图分类号T G l 4 2 ．7 ；T G l 3 2 ．3 ；T G l 3 5 ．6 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 5 0 3 0 0 3 4 一0 3 在我国氧化铝生产过程中，有许多高温浓碱腐 蚀磨料磨损工况，每年消耗大量的易损零配件，如磨 铝矿用的球磨机衬板和磨球。这些易损零配件的工 况条件十分苛刻[ 卜2 】碱浓度一般超过2 0 0 9 ／L ；由 于母液本身有较高的温度，且铝矿浆自身产生放热 反应，因而工况中温度很高，如球磨机中的温度可达 9 0 ～1 0 0 ℃，闪蒸器中温度超过2 0 0 ℃；冲击磨料磨 损，如球磨机中的衬板和磨球。如此苛刻的工况条 件，零配件既要承受冲击磨损，又承受高温浓碱腐蚀， 造成大量易损件的消耗。而目前耐高温浓碱腐蚀磨 损材料很少，以致氧化铝厂易损件的选材受到限制。 目前常用的各种合金材料[ 3 ] ，如M o n e l 合金， 高镍铸铁，超纯铁素体不锈钢 [ C r ] ≥2 6 ％ ，可以耐 高温高浓度碱腐蚀，但这些材料硬度低，不耐磨损。 高铬铸铁，马氏体中低合金钢，硬度高，耐磨损，但不 耐高温高浓度碱腐蚀。硬质合金可以耐苛刻的碱腐 蚀磨损，但价格太高，不宜大量使用。常用的不锈钢 既不耐磨，又不耐高温高浓度碱腐蚀。大多数铝厂 常用的高锰钢在高温浓碱腐蚀磨损工况下也很不理 想。针对高温浓碱腐蚀冲刷磨损工况，开发研制中 铬镍耐碱腐蚀磨损铸铁材料，经贵州铝厂、平果铝业 公司、山西铝厂、山东铝厂、长城铝业公司的生产实 践验证，效果良好。 1实验方法 耐碱腐蚀磨损合金材料的化学成分见表1 ，研 究中对比试验用材料的主要化学成分见表2 。碳是 影响材料强度、硬度和韧性的主要元素。铬在铸铁 中与碳结合，形成适宜结构的碳化物。所研究的两 种铸铁中铬、碳、硅等元素的综合作用均形成高硬度 的M ，C 3 型共晶碳化物，为这两种铸铁的耐磨性提 供了保证，在所研究的铸钢中，铬主要作用是提高钢 的淬透性。镍、钼、钨、铜，主要作用是提高材料的自 身热力学稳定性即电极电位，以得到适宜的耐碱腐 蚀性能，另外这些元素还起到固溶强化，细化晶粒， 提高淬透性的作用。锰主要作用是固溶强化，提高 淬透性。铌主要作用是细化晶粒，并有利于得到高 硬度的碳化物。稀土主要作用是细化晶粒，净化晶 界，脱氧脱硫。 表1耐碱腐蚀磨损合金材料化学成分 T a b l e1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fm i d d l eC r ．N i a l k a l i n ec o r r o s i o n - w e a rr e s i s t a n tc a s ti r O D ． 含量／％≤1 ．0 0 ≤I ．0 0 ≤1 ．5 0 ≤0 ．3 0 ≤O ．3 0 ≤O ．1 0 ≤O ．0 6 表2 材料主要化学成分／％ T a b l e 2C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fm a t e r i a l s ／％ 篷萋昙霁篓罢三 9 - 2 、寓叩⋯。啦目。高船T 起．旆稀 试验用铸铁用中频感应电炉熔炼，试样取一Y 1 9 6 8 E l 作者简介郑开宏一 ，男，四川仪陇县人，高级工程师，硕士， 风越川珂驮川下狱躲胜吧圹牖琳，K 氏1 千耿 主要从事钢铁材料及复合材料等方面的研究。 型试块，采用箱式电阻炉热处理。 万方数据 第3 期郑开宏等中铬镍耐碱腐蚀磨损铸铁材料的研制 3 5 浓碱腐蚀采用自制的动态腐蚀试验机，碱液浓 度5 0 ％N a O H ，试验温度模拟球磨机工况选择 9 5 ℃，试验时间1 6 8 h ，碱液动态搅拌，通过失重法测 定各种材料的耐碱腐蚀性能。腐蚀试样取磨床磨削 加工的1 0 m m 1 0 r a m 5 5 m m 试样。 湿式冲击磨料磨损试验采用改造的M L D 一1 0 型 动载磨料磨损试验机，配副磨损下试样为铬合金钢 H R C 5 1 ，冲击能量2 ．7 2 J ，磨料为4 0 ～8 0 石英砂， 砂浆浓度7 0 ％。 冲击疲劳试验采用M Q 一3 型落球试验机，选用 事8 0 m m 球，垂直落球高度3 ．5 m 。 材料组织分析采用金相显微镜和扫描电镜，微 区成分分析采用J C X A - 7 3 3 型电子探针仪，腐蚀形 貌分析在扫描电镜上进行。 冲击韧性试验的试样为1 0 m m 1 0 m m 5 5 m m 无缺口，铬镍耐碱腐蚀磨损铸钢腐蚀前后对比冲击 试验时选用1 0 m m 1 0 m m 5 5 m m 无缺口试样。 2 试验结果与分析 研究中铬镍硅耐碱腐蚀磨损铸铁，是在中铬硅 耐磨铸铁的基础上重新合金化而研究开发的。这一 铸铁主要是针对高温浓碱腐蚀冲击磨料磨损工况而 研制的，如氧化铝厂用球磨机磨球。 中铬镍硅耐碱腐蚀磨损铸铁的显微组织见图1 和图2 ，组织为细珠光体和菊花状M 7 C 3 型共晶碳化 物。力学性能对比及同国内外常用材料的组织和力 学性能见表3 。 材料耐高温浓碱腐蚀性能对比见表4 。表4 结 果表明，所研究的中铬镍硅耐碱腐蚀磨损铸铁的耐 高温浓碱腐蚀性能最好，是适宜的铬含量和一定的 镍、钼、铜含量的综合作用结果。 材料的综合分析可知，M o 、C u 对耐高温浓碱腐 蚀是有利的，C r 是不利的，M n 对耐高温浓碱腐蚀不 利。实际上合金元素电极电位【4 JM n 2 C r 3 F e 2 ，因此在高温浓碱腐蚀中M n 比C r 更为不利。 图1中铬镍硅耐碱腐蚀磨损铸铁的 显微组织 1 0 0 0 F i g ．1M i c r o s t r u c t u r eo fm i d d l eC r N ia l k a l i n e c o r r o s i o n - w e a rr e s i s t a n tc a s ti r o n 图2中铬镍硅耐碱腐蚀磨损铸铁的 显微组织 1 0 0 0 F i g ．2M i c r o s t r u c t u r eo fm i d d l eC r N ia l k a l i n e c o r r o s i o n ．w e a rr e s i s t a n tc a s ti r o n 从材料高温浓碱腐蚀性能对比可以发现，马氏 表3 材料组织与力学性能对比 T a b l e 3C o m p a r i s o no fm i e r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s 万方数据 有色金属第5 7 卷 表4 材料高温浓碱腐蚀性能对比 T a b l e 4C o m p a r i s o no fh i g ht e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t e d a l k a l i n ec o r r o s i o nr e s i s t i v i t yo fm a t e r i a l s 材料 腐蚀失重／ m g c m 。 中铬镍硅耐碱腐蚀磨损铸铁 铸态细珠光体高铬铸铁 马氏体C r l 5 高铬铸铁 低铬铸铁 高碳低合金锻钢 4 5 M n 2 锻钢 4 5 锻钢 6 ．4 1 3 ．9 9 ．1 4 1 5 ．5 3 2 ．1 3 8 ．4 3 1 ．4 6 体C r 】，高铬铸铁的耐高温浓碱腐蚀的性能也比较 好，在对比材料中较有代表性。在扫描电镜下分析 所研究的中铬镍硅耐碱腐蚀磨损铸铁和马氏体C r ，5 高铬铸铁的腐蚀形貌，见图3 和图4 。观察表明中 铬镍硅耐碱腐蚀磨损铸铁腐蚀较少，而马氏体c r l 5 高铬铸铁有许多明显的腐蚀坑，腐蚀比较严重，但两 种材料的腐蚀表面已有局部腐蚀沟槽发展成的微裂 纹，可以推断如果继续腐蚀下去，微裂纹继续扩展会 造成剥落或断裂即碱脆。 图4 马氏体C r l s 高铬铸铁腐蚀形貌 7 2 0 F i g ．4M o r p h o l o g yo fc o r r o d e dC r l 5h i g hC rc a s ti r o n 表5 材料湿式冲击磨料磨损性能对比 T a b l e 5C o m p a r i s o no fw e a ri m p a c tr e s i s t i v i t y w i t hw e ta b r a s i v em a t e r i a lo fm a t e r i a l s 材料相对耐磨性 中铬镍硅耐磨腐蚀磨损铸铁 马氏体C r l 5 高铬铸铁 低铬铸铁 1 ．4 5 1 ．0 9 1 ．0 0 表6 材料抗冲击疲劳性能对比 T a b l e 6C o m p a r i s o no fi m p a c tf a t i g u er e s i s t i v i t yo fm a t e r i a l s 立分布的高硬度M 7 C 3 型碳化物有利于抗冲击磨损。 综上所述，针对高温浓碱腐蚀冲击磨料磨损工 况而研制的中铬镍硅耐碱腐蚀磨损铸铁，具有较好 图3中铬镍硅铸铁腐蚀形貌 7 2 0 x 的耐高温浓碱腐蚀性能、湿式抗冲击磨料磨损性能 F i g ．3 M o r p h o l o g yo fc o r r o d 。dm i d d l eC r - N i S ic a s ti r o n 和抗冲击疲劳性能，是应用于高温浓碱腐蚀冲击磨 中铬镍硅耐碱腐蚀磨损铸铁及对比试验用马料磨损工况比较适宜的合金材料。 氏体C r l 5 高铬铸铁、低铬铸铁的湿式冲击磨料磨损 ．。，．。 性能和冲击疲劳性能见表5 和表6 。试验表明中铬 ⋯～ 镍硅耐碱腐蚀磨损铸铁的抗湿试冲击磨料磨损和抗 中铬镍硅耐碱腐蚀磨损铸铁具有较好的耐高温 冲击疲劳的性能都是较好的。这主要是因为中铬镍浓碱腐蚀性能、抗冲击磨料磨损性能和抗冲击疲劳 硅耐碱腐蚀磨损铸铁细珠光体金属基体塑韧性能较性能，其性能优于马氏体C r 。5 高铬铸铁，是高温浓碱 好，具有良好的冲击疲劳抗力，而且适宜粒度的、孤腐蚀冲击磨料磨损工况适宜的合金材料。 参考文献 [ 1 ] 李卫，涂小慧，林怀涛，等．铝矿浆泵高铬铸铁泵壳腐蚀磨损失效分析[ A ] ／／全国第八届磨损失效分析及预防专业学 术会议论文集[ C ] ．辽阳中国机械工程学会委员会磨损失效分析及预防专业委员会，1 9 9 9 7 1 7 6 ． 万方数据 第3 期郑开宏等中铬镍耐碱腐蚀磨损铸铁材料的研制 3 7 [ 2 ] 李卫，涂小慧，林怀涛，等．湿式耐磨铝矿低铬铸铁磨球的失效分析[ A ] ／／全国第八届磨损失效分析及预防专业学术 会讨论文集[ C ] ．辽阳中国机械工程学会委员会磨损失效分析及预防专业委员会，1 9 9 9 7 7 8 1 ． [ 3 ] 王洪发．金属耐磨材料的现状与展望[ J ] ．铸造，2 0 0 0 ， 1 5 7 7 5 9 1 ． [ 4 ] 陈鸿海．金属腐蚀学[ M ] ．北京北京理工大学出版社，1 9 9 5 8 0 9 0 M i d d l eC r - N iC a s t i n gI r o nR e s i s t i n gA l k a l i n eC o r r o s i o na n dE r o s i o n - w e a rI m p a c t Z H E N G K Ⅱi h o n g ．S UZ h i - h u i G u a n g z h o uR e s e a r c hI n s t i t u t ef o rN o n - f e r F o u sM e t a l s ，G u a n g z h o u5 1 0 6 5 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h em i d d l eC r N ia l k a l i n ec o r r o s i o n ．w e a rr e s i s t a n tc a s ti r o ni Sp r e p a r e di na c c o r d a n c ew i t ht h ec o n d i t i o no f h o tc o n c e n t r a t e da l k a l i n ec o r r o s i o n ，e r o s i o na n da b r a s i o n ．A n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h e m a t e r i a la r es t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h em i d d l eC r - N ia l k a l i n ec o r r o s i o n - w e a rr e ．s i s t a n t c a s ti r o nc o n s i s t so ft h ef i n ep e a r l y t eb a s ea n dt h ec h r y s a n t h e m u m l i k ee u t e c t i cc a r b i d ew i t hM 7 C 3t y p e ．T h e e x c e l l e n tp r o p e r t i e so fh o tc o n c e n t r a t e da l k a l i n ec o r r o s i o nr e s i s t i v i t y ，i m p a c tf a t i g u er e s i s t i v i t ya n dw e a ri m p a c t r e s i s t i v i t yw i t hw e ta b r a s i v em a t e r i a la r ep e r f o r m e db e c a u s eo ft h ea d e q u a t ec o n t e n t so fC r ，N i ，M oa n dC u ，t h e p l a s t i cb a s eo ff i n ep e a r l y t e ，a n dt h eh a r dM 7 Qc a r b i d ew i t hp r o p e rp a r t i c l es i z ea n ds e p a r a t ed i s t r i b u t i o n ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；m i d d l eC r N ic a s ti r o n ；c o r r o s i o na n de r o s i o n w e a rr e s i s t i n g ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；m i c r o s t r u c t u r e 中国钢结构协会、中冶集团建筑研究总院主办 高社会效益高经济效益的双效期刊中国学术期刊综合评价数据库来源期刊 全国冶金行业优秀科技期刊中国期刊网中国学术期刊 光盘版 全文收录期刊 钢结构 双月刊 邮发代号8 2 8 5 0单价8 元全年价4 8 元 钢结构由中国钢铁工业协会主管，创刊于1 9 8 6 年。是我国钢结构专业领域的综合性科技刊物，具有 导向性、新颖性、系统性、和实用性。重点刊登钢结构领域中能代表我国发展水平的科研成果、学术论文、工 程设计、工程实录，内容兼顾理论和实践。适合于在钢结构领域从事科研、教学、设计、制造、安装、检测、防 护、维修等工作的科技人员、施工人员及大专院校的师生阅读。 钢结构为大1 6 开本，彩色胶版印刷，双月2 2 日出版，国内外公开发行。全国各地邮局均可订阅，也可 直接汇款到本编辑部订阅。 钢结构兼营广告，8 月开始征订下一年广告。全国双效期刊为您带来双赢的结果。 本刊地址北京市海淀区西土城路3 3 号；邮编1 0 0 0 8 8 ；E ．m a i l g J j g c h i n a j o u r n a l ．n e t ．c n 联系电话0 1 0 8 2 2 2 7 2 3 9 兼传真 0 1 0 8 2 2 2 7 6 7 8 总编 ／7 2 3 6 发行 ／7 2 3 7 ／8 0 4 3 编辑 7 2 3 8 ／7 2 3 9 广告 万方数据