高耐磨性?shī)W鐵體球墨鑄鐵研究及應(yīng)用耐磨材料在冶金、礦山、水泥、火力發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域整個(gè)能量消耗和經(jīng)濟(jì)成本中占有相當(dāng)大的比例。2009年中國(guó)工程院咨詢研究報(bào)告顯示，2006年全國(guó)消耗在摩擦、磨損和潤(rùn)滑方面的資金為9500億元，占國(guó)民生產(chǎn)總值GDP的45。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅破碎設(shè)備及采掘機(jī)斗齒、渣漿泵等損失，每年不少于70億，其中，磨球不少于40億，襯板15億，錘頭8億，斗齒5億。按照材料消耗重量講，國(guó)內(nèi)每年消耗金屬耐磨材料約達(dá)300萬(wàn)噸以上，其中，磨球消耗近180萬(wàn)噸，而冶金礦山消耗的磨球占各行業(yè)磨球消耗總量的70；球磨機(jī)和各種破碎機(jī)襯板消耗近30萬(wàn)噸。為了提高抗磨材料的耐磨性，科學(xué)工作者對(duì)抗磨材料進(jìn)行了大量的研究。耐磨材料發(fā)展可分為三個(gè)階段第一為普通白口鑄鐵和高錳鋼，第二為鎳硬鑄鐵，第三為高鉻白口鑄鐵。上述耐磨材料在不同發(fā)展階段對(duì)降低單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問(wèn)題，如普通白口鑄鐵韌性較低，高錳鋼在低沖擊載荷下加工硬化能力差，高鉻鑄鐵在腐蝕性介質(zhì)的濕磨條件下耐磨性優(yōu)勢(shì)不大，同時(shí)韌性也顯不足。由于韌性的不足，常常導(dǎo)致研磨體介質(zhì)破碎和剝落，這使得粉磨工序管磨機(jī)的生產(chǎn)率降低、研磨效率下降、能耗增加以及磨礦閉環(huán)回路的輔助設(shè)備磨損嚴(yán)重。因此，人們希望研制更強(qiáng)韌的抗磨材料。一般情況下，提高耐磨合金的性能是建立在增加合金元素的基礎(chǔ)上，但目前全世界范圍內(nèi)，各種鐵合金的價(jià)格猛漲，導(dǎo)致耐磨材料制造成本節(jié)節(jié)攀升。目前我國(guó)使用的抗磨材料種類(lèi)主要是鉻系抗磨材料，如低鉻鑄鐵、高鉻鑄鐵等。而我國(guó)是一個(gè)鉻資源貧窮國(guó)家，90的鉻鐵需要進(jìn)口，近10年，高碳鉻鐵價(jià)格翻了45倍。根據(jù)這一現(xiàn)實(shí)，開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的耐磨材料，做到科學(xué)的、合理的利用現(xiàn)有資源，為了國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，為了子孫后代，應(yīng)該珍惜寶貴的戰(zhàn)略資源，開(kāi)發(fā)少用鉻或不用鉻的材料，代替鉻系耐磨材料。因此，本項(xiàng)目擬采用少量合金化和熱處理改性強(qiáng)化的技術(shù)措施，開(kāi)發(fā)含碳化物等溫淬火球墨鑄鐵（簡(jiǎn)稱CADI）強(qiáng)韌性耐磨材料，為冶金、礦山、水泥、發(fā)電等行業(yè)提供一種優(yōu)質(zhì)的抗磨材料。1金相組織圖1為CADI的石墨分布、鑄態(tài)組織和等溫淬火后的組織。石墨球數(shù)量超過(guò)300個(gè)/MM2，球化率大于91，基體由屈氏體和碳化物組成。經(jīng)過(guò)等溫淬火后，獲得奧鐵體組織、碳化物與石墨球。圖1CADI的組織2等溫淬火溫度對(duì)CADI殘余奧氏體量及其含碳量的影響CADI經(jīng)等溫淬火處理后會(huì)在基體中殘留一定數(shù)量的奧氏體，這些殘余奧氏體和等溫淬火得到的針狀鐵素體組織合稱為奧鐵體。奧鐵體中殘余奧氏體所占的比例直接影響CADI的各項(xiàng)力學(xué)性能及耐磨性能。殘余奧氏體在耐磨性方面的貢獻(xiàn)有兩方面一方面，殘余奧氏體在外力作用下能轉(zhuǎn)變成馬氏體，有效提高材料的耐磨性；另一方面，殘余奧氏體的耐腐蝕性較好，有效地減小了腐蝕磨損對(duì)材料的破壞。但是，殘余奧氏體的存在也有不利的一面在殘余奧氏體發(fā)生相變轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過(guò)程中伴隨著體積膨脹，這是導(dǎo)致磨球剝落的原因之一。殘余奧氏體量及其碳含量隨等溫淬火溫度變化的規(guī)律如圖2和圖3所示。從圖2中可以看出隨著等溫淬火溫度的升高，殘余奧氏體的量逐漸增加。由圖3中可以看出隨著等溫淬火溫度的升高，殘余奧氏體的碳含量也逐漸增加。圖2等溫淬火溫度對(duì)殘余奧氏體量的影響圖3等溫淬火溫度對(duì)碳含量的影響貝氏體型鐵素體長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力是碳在奧氏體中的濃度梯度，其形成過(guò)程的實(shí)質(zhì)是置換型原子的點(diǎn)陣切變重組過(guò)程，伴隨有不同程度碳原子的擴(kuò)散。等溫淬火溫度較低時(shí)，碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)D較小，碳原子由貝氏體型鐵素體通過(guò)/界面固溶到奧氏體中的過(guò)程不能充分進(jìn)行。由于碳原子不能順利地從生長(zhǎng)著的貝氏體型鐵素體向外擴(kuò)散，初生的貝氏體型鐵素體片被過(guò)飽和，作為推動(dòng)貝氏體型鐵素體繼續(xù)形成的動(dòng)力，一些碳原子必然在貝氏體型鐵素體內(nèi)部析出。同時(shí)，由于材質(zhì)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，減慢了貝氏體型鐵素體界面的遷移，從而抑制了貝氏體型鐵素體的生長(zhǎng)，導(dǎo)致殘余奧氏體中碳含量較低。奧氏體的碳含量低，穩(wěn)定性較差，空冷后轉(zhuǎn)變成的馬氏體量增大，最終組織中殘余奧氏體量較低。等溫淬火溫度升高，轉(zhuǎn)變?cè)杏诳s短，轉(zhuǎn)變速度加快，空位濃度增加，碳原子在躍遷時(shí)克服晶格中勢(shì)壘所需的能量降低，即擴(kuò)散活化能降低，碳原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，有更多的碳原子固溶到奧氏體中。由于大量的碳原子擴(kuò)散進(jìn)入奧氏體內(nèi)部，導(dǎo)致貝氏體型鐵素體中碳的飽和度顯著下降，而奧氏體內(nèi)部碳濃度升高，因而碳的濃度梯度降低，碳原子由/界面向奧氏體中擴(kuò)散的速度下降，貝氏體型鐵素體的長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力降低，/界面推移速度下降。隨著貝氏體型鐵素體的含量不斷增加，奧氏體的量不斷減少，有更多的碳原子不斷固溶到奧氏體基體內(nèi)，導(dǎo)致殘余奧氏體含碳量的增加。同時(shí)，由于CADI中含有較高的硅和“合金元素的拖拽作用”可以抑制碳化物的析出，當(dāng)碳化物受到拖拽作用的影響而不能析出時(shí)，奧氏體的碳含量將不斷提高。奧氏體的碳含量增加，穩(wěn)定性增加，空冷后轉(zhuǎn)變成馬氏體的量很少，殘余奧氏體的含量增加。3CADI的耐磨性CADI作為ADI的一種派生材料，其最主要的優(yōu)點(diǎn)就是有良好的耐磨性。CADI在耐磨件中的應(yīng)用潛力還相當(dāng)大，耐磨性能是CADI尚待繼續(xù)開(kāi)發(fā)的性能之一。因此，研究CADI的磨損性能對(duì)于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)其作為磨損件的應(yīng)用潛力，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。等溫淬火溫度對(duì)CADI耐磨性的影響如圖4所示。從圖4可以看出，隨著等溫度淬火溫度的升高，CADI的相對(duì)耐磨性逐漸降低，當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟壬叩?90時(shí)，耐磨性降低到最低值，約21，當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟忍岣叩?20，CADI耐磨性又增加至274。圖4等溫淬火溫度對(duì)耐磨性的影響CADI的磨損機(jī)理與其他的耐磨鑄鐵和耐磨鋼不同，一是CADI中含有一定量的碳化物，這些碳化物起到一個(gè)抵抗磨料對(duì)基體磨損的保護(hù)作用；另一個(gè)區(qū)別在于CADI中含有殘余奧氏體，當(dāng)這些殘余奧氏體碳含量較低時(shí)，穩(wěn)定性較差，在受到外力作用下易轉(zhuǎn)變成馬氏體，產(chǎn)生加工硬化，基體的耐磨性提高，防止鑲嵌于基體中碳化物過(guò)早剝落；另外，殘余奧氏體的耐蝕性較高，對(duì)腐蝕磨損有抵抗作用，因此CADI的圖4等溫淬火溫度對(duì)耐磨性的影響耐磨性增加。等溫淬火溫度較低時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)較小，碳原子擴(kuò)散不能充分進(jìn)行。由于材料中含CR、MN這些正偏析元素，這些元素會(huì)在在/前沿界面富集，使得碳原子的擴(kuò)散更加困難，貝氏體鐵素體的碳含量較高，顯微硬度增加，同時(shí)，導(dǎo)致最終組織中殘余奧氏體的碳含量較低。奧氏體的碳含量低，穩(wěn)定性差，出爐后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，導(dǎo)致殘余奧氏體的量較少。在進(jìn)行磨損試驗(yàn)時(shí)，由于馬氏體具有很好的耐磨性，同時(shí)殘余奧氏體的碳含量較低，在外力作用下很容易轉(zhuǎn)變成馬氏體，產(chǎn)生表面加工硬化，導(dǎo)致CADI的耐磨性較高。隨著等溫淬火溫度的提高，碳原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致最終組織中殘余奧氏體的碳含量達(dá)到1822，在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上均已穩(wěn)定，然而殘余奧氏體的耐磨性較低，從而使CADI的耐磨性降低。當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟壤^續(xù)升高到320益時(shí)，基體中的殘余奧氏體比例大大提高，使得CADI的耐蝕性增加，從而使腐蝕磨損減小，也即抗腐蝕磨損能力提高。4CADI的應(yīng)用于2009年9月18號(hào)，在唐山某選礦廠進(jìn)行實(shí)際裝機(jī)試驗(yàn)考核，球磨機(jī)型號(hào)為15M伊3M，至今已經(jīng)運(yùn)行了2年。生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)表明，在相同的工況條件下，CADI磨球的球耗為230250G/T鐵礦粉，不到低鉻球（8001000G/T）的1/3，也就是說(shuō)耐磨性是低鉻球的3倍多。沒(méi)有碎球、沒(méi)有失圓、沒(méi)有剝落，如圖5所示。圖5倒磨后的CADI磨球另外，應(yīng)用CADI磨球后，磨礦效率提高了1520，節(jié)省電費(fèi)1520，降低噪音1012分貝。生產(chǎn)實(shí)踐證明，磨球碎片對(duì)閉環(huán)磨礦回路中的雜質(zhì)泵、管道、水力旋流器等設(shè)備造成嚴(yán)重的磨損，使用壽命降低，維護(hù)成本提高。而CADI磨球沒(méi)有碎片產(chǎn)生，這樣可以大大降低球磨機(jī)周邊設(shè)備維護(hù)成本，提高生產(chǎn)效率。潤(rùn)磨機(jī)是制造鐵礦粉球團(tuán)的主要設(shè)備，它處理含水量在813的精礦粉，使物料充分混合和細(xì)化，增大物料顆粒的表面積。潤(rùn)磨機(jī)對(duì)鋼球性能要求比較高，特別是鋼球的破碎率要低，否則，碎球嚴(yán)重堵塞潤(rùn)磨機(jī)的周邊排料的篦子板，使得潤(rùn)磨機(jī)生產(chǎn)效率大大降低，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)影響下道工序的生產(chǎn)，甚至導(dǎo)致停產(chǎn)，進(jìn)行檢修。宣化鋼鐵公司曾使用過(guò)低鉻磨球和高鉻鑄鐵磨球，效果不理想，低鉻鑄鐵磨球的破碎率非常高，高鉻鑄鐵磨球的價(jià)格較高，生產(chǎn)成本增加。經(jīng)過(guò)4多月的CADI磨球在潤(rùn)磨機(jī)中的工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表明，CADI磨球單耗為0246KG/T，磨耗較低，耐磨性是低鉻磨球的2倍。同時(shí)反映出CADI磨球具有以下特點(diǎn)1）CADI磨球破碎率非常低，不堵塞篦子板，提高磨礦效率和產(chǎn)量。2）應(yīng)用CADI磨球后，可以節(jié)省電能10，符合國(guó)家節(jié)能減排的政策。該公司有5臺(tái)潤(rùn)磨機(jī)，如果全部使用CADI磨球，一年可以節(jié)省電費(fèi)近200萬(wàn)元。3）磨球的表面加工硬化能力非常強(qiáng)，表面硬度可以達(dá)到HRC6468，而內(nèi)部的韌性較高，所以不破碎，這是目前其他材質(zhì)的磨球無(wú)法比擬的。4）該磨球使用過(guò)程中，不失圓，基本呈圓球體狀，從而有