摘要：本文在對(duì)分級(jí)機(jī)工況條件與工作原理進(jìn)行分析的前提下，選擇高鉻鑄鐵代替原使用的灰鑄鐵作為分級(jí)機(jī)葉片材料，并通過試驗(yàn)研究了高鉻鑄鐵葉片的成份、組織和性能。主要內(nèi)容有：對(duì)分級(jí)機(jī)葉片進(jìn)行受力和失效分析；確定高鉻鑄鐵的成分、熔煉、鑄造及熱處理工藝，澆注試樣；探討了不同熱處理工藝下，試樣基體組織和碳化物的變化及其對(duì)試樣力學(xué)性能和耐磨性的影響；通過金相觀察、x射線衍射分析、能譜分析、洛氏硬度實(shí)驗(yàn)、沖擊韌性實(shí)驗(yàn)、耐磨性實(shí)驗(yàn)、磨損試樣的磨損面觀察和沖擊斷口觀察研究試樣組織與性能之問的關(guān)系；確定 熱處理工藝，制取葉片，并投入工藝性實(shí)驗(yàn)。
高鉻鑄鐵葉片最終確定成分為：碳3.0%、鉻14.0%、硅1.3%、錳1.3%、釩0.1%、硫，磷 0.05%。在本實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，850度正火+回火態(tài)試樣具有 綜合力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：高鉻鑄鐵葉片成分中加入的釩對(duì)組織有很好的細(xì)化作用；葉片材料在鑄態(tài)下基體組織中就出現(xiàn)了大面積分布的屈氏體，正火后基體組織向更多的屈氏體分布發(fā)展，同時(shí)基體中殘余奧氏體量增多，試樣硬度降低，沖擊韌性提高，斷裂類型由脆性斷裂變?yōu)闇?zhǔn)解離＋韌窩混合斷裂；回火后殘余奧氏體量減少，殘余奧氏體量在21.57%時(shí)，合金材料耐磨性 。此外，本文將在葉片底部出現(xiàn)的粒狀珠光體組織與葉片頂部、中部出現(xiàn)的層片狀珠光體組織進(jìn)行比較，并對(duì)前者形成原因及其對(duì)性能的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：基體宏觀偏析是粒狀珠光體形成的主要原因；粒狀珠光體的硬度和沖擊韌性均優(yōu)于層片狀珠光體，但耐磨性較差；在本實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨著正火溫度提高，珠光體球化更完全。900℃正火試樣珠光體球化完全，但耐磨性較差，850℃正火試樣擁有 耐磨性。
關(guān)鍵詞：分級(jí)機(jī)葉片；高鉻鑄鐵；組織與性能
磨礦、分級(jí)作業(yè)廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、建材、化工、冶金、材料等工業(yè)領(lǐng)域。就礦物加工領(lǐng)域而言，除個(gè)別砂礦外，所有選礦廠都有磨礦分級(jí)作業(yè)，因此它是最普遍、最通用的生產(chǎn)工序。在選礦廠中磨礦分級(jí)作業(yè)的基建投資占60％＇－＂80％。生產(chǎn)費(fèi)用占選礦成本的50％—70％，因此改進(jìn)磨礦分級(jí)設(shè)備和技術(shù)具有很大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，國內(nèi)外對(duì)此都非常重視。分級(jí)是對(duì)相同密度的固體顆粒按其粒徑差異做兩種或兩種以上級(jí)別的分離，即粒度調(diào)整。分級(jí)可在重力場(chǎng)中進(jìn)行，也可在離心力場(chǎng)中進(jìn)行，其中干法分級(jí)機(jī)大多采用慣性力場(chǎng)或離心力場(chǎng)的空氣分級(jí)機(jī)。如表1-1所示。
一般與干式粉碎設(shè)備如高速機(jī)械沖擊磨機(jī)、振動(dòng)磨機(jī)、氣流磨、雷蒙磨等配套，是目前發(fā)展較快的重要精細(xì)分級(jí)設(shè)備。濕法分級(jí)機(jī)有重力沉降式和離心式水力分級(jí)機(jī)，如螺旋分級(jí)機(jī)、小直徑水力旋流器等，一般與濕式粉碎設(shè)備如球磨機(jī)、攪拌機(jī)、振動(dòng)磨等配套使用。
1)與磨礦作業(yè)構(gòu)成閉路作業(yè)，及時(shí)分出合格粒度產(chǎn)物，以減少過磨。
2)在某些重選作業(yè)(如搖床選、溜槽選等)之前，作為準(zhǔn)備作業(yè)，對(duì)原料進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)后的產(chǎn)物，分別給入不同設(shè)備或在不同操作條件下進(jìn)行分選。
3)對(duì)原礦或選后產(chǎn)物進(jìn)行脫泥或脫水。
4)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，測(cè)定微細(xì)物料的粒度組成。
濕式分級(jí)(又稱水力分級(jí))是根據(jù)礦粒在運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中沉降速度的不同，將粒度級(jí)別較寬的礦粒群，分成若干窄粒度級(jí)別產(chǎn)物的過程，常用的分級(jí)設(shè)備包括水力旋流器、細(xì)篩、風(fēng)力分級(jí)機(jī)和螺旋分級(jí)機(jī)等，這些分級(jí)設(shè)備各有其特點(diǎn)和優(yōu)、缺點(diǎn)。
水力旋流器 的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理量大、影響作業(yè)指標(biāo)的因素可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。國外有關(guān)選礦廠幾乎均選用水力旋流器作為磨礦回路的分級(jí)設(shè)備，但水力旋流器用作磨礦回路的分級(jí)設(shè)備也有其局限性及缺點(diǎn)：需用砂泵加壓給礦，因此動(dòng)力消耗大；影響指標(biāo)的因素多，例如結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)(給料性質(zhì)、濃度、粒度、壓力、流量等)的變化均影響分級(jí)指標(biāo)變化；無滯后作用(與螺旋分級(jí)機(jī)相比，)、反應(yīng)快，因此必須采用自動(dòng)控制。變徑水力旋流器、水力旋流器中流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其力學(xué)特性與水力旋流器內(nèi)截面的曲率半徑密切相關(guān)，分級(jí)粒度從2微米到250微米；復(fù)合力場(chǎng)水力旋流器適合磁性物料的分級(jí)、選別作業(yè)東北大學(xué)與鞍鋼齊大山礦研制的磁力水力旋流器也獲得較好的指標(biāo)。
從60年代末以來國內(nèi)外開展了細(xì)篩分級(jí)的研究美國明塔克鐵礦選礦廠最初在磨礦回路中曾試驗(yàn)用擊震細(xì)篩分級(jí)，70年代初改用德瑞克(dｅｒｒｉｃｋ)公司研制的德瑞克高頻細(xì)篩，取得很好的 這種振動(dòng)細(xì)篩的關(guān)鍵部件有3個(gè)：①k形激振電機(jī)。高頻轉(zhuǎn)動(dòng)(3000～3600ｒ／ｍｉｎ)，采用密封、高質(zhì)量油的自潤滑方式；②篩網(wǎng)。由特殊耐磨合金編制而成，篩孔尺寸0.111－－0.292ｍｍ，篩子振幅亂1.0ｍｍ；為了防止堵塞，采用3層篩網(wǎng)，上層為主篩網(wǎng)，中間為防堵篩網(wǎng)，下層為支撐篩網(wǎng)；③給礦器。保證物料均勻、連續(xù)、平整地鋪滿三路篩面上。1983年我國江西伊春鉭鈮礦曾引進(jìn)2臺(tái)德瑞克篩用于處理250ｍｒｎ水力旋流器脫泥后沉砂，也取得了較好 。國內(nèi)一些選礦廠于80年代也進(jìn)行利用直線振動(dòng)篩代替螺旋分級(jí)機(jī)、水力旋流器或與其組合適用的研究。與此同時(shí)也開展了高頻振動(dòng)細(xì)篩的研究。長沙礦冶研究院研制成功了gps型高頻振動(dòng)細(xì)篩。這種細(xì)篩總體來看與德瑞克相似，但振動(dòng)部分及篩網(wǎng)有改進(jìn)。東北大學(xué)研制的gps2800x1680型高頻細(xì)篩在歪頭山鐵礦進(jìn)行了工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)并通過工業(yè)鑒定。
風(fēng)力分級(jí)通常有三種方法1161：①淘洗。即利用空氣洗滌方法進(jìn)行分離和回收，一般用于大量生產(chǎn)。把物流引入一定流向的氣流中，氣流使細(xì)顆?？朔亓ι仙郊?xì)粒的收集器。粗顆粒由于太重，無法被氣流帶走而進(jìn)入粗粒收集器。通過一個(gè)固定大小的淘洗器，增大或減小器流量，空氣流速就會(huì)隨之增大或減小。這樣以來就會(huì)改變氣流的流速和壓力，作用于顆粒上的壓力則會(huì)變化，從而改變分級(jí)點(diǎn)；②自由渦流。氣流沿切線方向進(jìn)入分級(jí)室，粗顆粒被拋向分級(jí)室的外層并被送入粗粉收集室；細(xì)顆粒被送入細(xì)粉收集室，改變?nèi)~片角度和流量，可控制產(chǎn)品粒度；③強(qiáng)制渦流。高速旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片，可用于強(qiáng)制或誘導(dǎo)空氣環(huán)形運(yùn)動(dòng)。在此氣流中給料使粗顆粒被拋向分級(jí)室的外層并被送入粗粉收集室：細(xì)顆2粒被送入細(xì)粉收集器。要獲得精細(xì)分級(jí)，不僅應(yīng)改變氣流量，而且要改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速，增大或減小葉輪轉(zhuǎn)速會(huì)使作用于顆粒e的離心力發(fā)生變化，使分級(jí)分離粒徑發(fā)生變化。
雙螺旋分級(jí)機(jī)廣泛適用于選礦廠中與球磨機(jī)配成閉路循環(huán)程分流礦沙，或用在重力選礦廠中來分級(jí)礦砂和細(xì)泥，及金屬選礦流程中對(duì)礦漿進(jìn)行粒度分級(jí)，及洗礦作業(yè)中的脫泥、脫水等作業(yè)。該機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、操作方便等特點(diǎn)。分級(jí)機(jī)是借助于同體顆粒大小不同，比重不同，因而在液體中的沉降速度不同的原理.細(xì)礦粒浮游在水中成溢流出，粗礦粒沉于槽底。由槽底向上部排出，來進(jìn)行機(jī)械分級(jí)的一種分級(jí)設(shè)備，能把磨機(jī)內(nèi)磨出的料粉級(jí)于過濾，然后把粗料利用安裝葉片的螺旋片旋入磨機(jī)進(jìn)料口，再把過濾出的細(xì)料從溢流管子排出。法機(jī)底座采用槽鋼，機(jī)體采用鋼板焊接而成。螺旋軸的人水頭、軸頭、采用生鐵套，耐磨耐用，提升裝置分電動(dòng)和手動(dòng)兩種。針對(duì)我國選礦廠生產(chǎn)實(shí)際情況，直徑d≤36ｍ的磨機(jī)能與螺旋分級(jí) 成自流連結(jié)、生產(chǎn)平穩(wěn)可靠。因此除要求磨礦產(chǎn)品粒度很細(xì)者8b(c－200目＞90呦，采用螺旋分級(jí)機(jī)仍為較有優(yōu)勢(shì)的方案。
雙螺旋分級(jí)機(jī)葉片具有清理漿料的作用，在工作的時(shí)候需要承受研磨體與物料的沖擊和磨損。隨著物料粉磨技術(shù)的快速發(fā)展，分級(jí)機(jī)趨于大型化，對(duì)葉片材料的性能提出了更高的要求，如何提高其耐磨性是廣大材料工作者 研究的課題。目前廣泛應(yīng)用的葉片主要有4大類：①高錳鋼葉片；②低、中合金耐磨鋼葉片；＠荻鑄鐵葉片：④合金自口鑄鐵葉片“％1。
(1)高錳鋼葉片
高錳鋼從發(fā)明至今一直是礦山、公路、鐵路、建材、化工、冶金、磨料生產(chǎn)等行業(yè)的主要耐磨材料。其主要特點(diǎn)是具有良好的韌性.能承受強(qiáng)烈的擠壓和沖擊，并在擠壓和沖擊過程中產(chǎn)生硬化而發(fā)揮出良好的抗磨損特性。與其它耐磨材料的一個(gè)顯著區(qū)別是，受力并產(chǎn)生塑性變形是高錳鋼獲得高硬度的前提，其塑變前的硬度很低，塑變后具有很高的抗沖擊性和耐磨性，但對(duì)冷脆應(yīng)變較敏感。因此，服役過程中的加工硬化是導(dǎo)致高錳鋼耐磨損的最主要機(jī)制，這就要求高錳鋼應(yīng)該使用于具有較強(qiáng)烈的擠壓或沖擊的工作環(huán)境中。實(shí)驗(yàn)證明位01大應(yīng)力、高沖擊環(huán)境中使用的高錳鋼耐磨性明顯高于小應(yīng)力、低沖擊環(huán)境中工作的同材質(zhì)工件，如同樣的挖掘機(jī)斗齒在南方山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中工作表現(xiàn)出良好的耐磨性，而到北方松軟土質(zhì)中高錳鋼的優(yōu)勢(shì)則完全喪失。因此，分級(jí)機(jī)葉片材料采用高錳鋼時(shí)，往往不能使高錳鋼的耐磨性得到真正發(fā)揮。
(2)低、中合金耐磨鋼葉片
低、中合金耐磨鋼是以硅、錳為基礎(chǔ)，加入鉻、鉬、鎳以及其它微量元素而發(fā)展起來的，具有一定的韌性，在低、中沖擊載荷下的耐磨性優(yōu)于高錳鋼，但存在淬透性和淬硬性低的缺點(diǎn)k211。
(3)灰鑄鐵葉片
灰鑄鐵作為傳統(tǒng)的金屬材料在鑄造生產(chǎn)中歷來都占有重要的地位。由于灰鑄鐵具有優(yōu)越的鑄造性能、良好的切削性能和較為簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工藝，因此它被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域?；诣T鐵摩擦阻力小、磨損小，強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕之間有很好的配合。金堆城目前采用灰鑄鐵作為雙螺旋分級(jí)機(jī)葉片材料，但在螺旋分級(jí)機(jī)中使用的灰鑄鐵葉片工作壽命僅為2-3 .難以達(dá)到工廠的性能要求.
(4)合金白口鑄鐵葉片
普通白口鑄鐵具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn) 的特點(diǎn)，它是傳統(tǒng)的抗磨材料之一。但它的組織是典型的萊氏體，這就決定了它具有韌性差，脆性大和耐磨性差等缺點(diǎn)，使得它的應(yīng)用范圍受到限制。合金化是改進(jìn)白口鑄鐵使用性能的有效方法，向白口鑄鐵中加入鎳和鉻，制成鎳硬鑄鐵，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢垣@得較好的抗沖擊疲勞能力和高的硬度。然而我國的鎳資源較缺乏，致使大范圍推廣鎳硬鑄鐵的應(yīng)用變得不現(xiàn)實(shí)。
近年來，國內(nèi)外的研究者對(duì)于鉻在鑄鐵中的作用做了大量的研究實(shí)驗(yàn)在此基礎(chǔ)上研制開發(fā)出多種不同含鉻量的白口鑄鐵，從而形成了一個(gè)獨(dú)立的白口鑄鐵分支——鉻系白口鑄鐵。高鉻白口鑄鐵20世紀(jì)30年代先后在美國、英國研制成功，其含鉻量在11～28％之間，共晶碳化物為六方晶系的mc，型。普通白鑄鐵凝固時(shí)，共晶碳化物mc是連續(xù)的，奧氏體是孤立的。而高鉻鑄鐵凝固時(shí)所形成的共晶碳化物m7c，型為孤立相，而奧氏體是連續(xù)相，這就大大地減弱了高硬度抗磨相對(duì)基體的割裂或脆化作用。如果使用這種材料作磨球可以降低球耗和電耗，提高產(chǎn)量和細(xì)度，深受企業(yè)歡迎眩卵。由于鉻的加入，有效地改變了白口鑄鐵的組織和性能，顯著提高材料的抗磨能力。從世界范圍來說，鉻資源并不缺乏，且價(jià)格適中。與其他合金白口鑄鐵相比，鉻系合金白口鑄鐵的性價(jià)比頗具吸引力，因而已經(jīng)成為目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的耐磨材料。鉻在白口鑄鐵中的作用主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①促進(jìn)碳化物形成，改變碳化物結(jié)構(gòu)、性能和形態(tài)；②固溶于奧氏體中，改變奧氏體相變性質(zhì)。人們利用這兩方面作用，獲得各種預(yù)期金相組織，以滿足各種抗磨零件的技術(shù)要求。
為適合我國大多數(shù)用沖天爐熔煉白口鑄鐵的特點(diǎn)，國內(nèi)發(fā)展了低鉻白口鑄鐵在普通白口鑄鐵中加入cr形成低鉻白口鑄鐵。低鉻白口鑄鐵的化學(xué)成分根據(jù)零件使用的工況條件，可作相應(yīng)的調(diào)整。低鉻白口鑄鐵生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，抗磨性較，但因其組織中有大量的網(wǎng)狀碳化物而致使在對(duì)材料強(qiáng)度要求較高的場(chǎng)合下很難被采用。低鉻白口鑄鐵一般以珠光體狀態(tài)使用，因此其碳化物類型、數(shù)量、形態(tài)和分布是很重要的參數(shù)。與普通白口鑄鐵相比，碳化物由萊氏體中的普通滲碳體fe3c變?yōu)楹辖饾B碳體(f,cr)３c，維氏硬度也由840hv增加到1000hv，碳化物形貌也有所改善。低鉻鑄鐵的化學(xué)成分通常要根據(jù)零件的使用工況作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。目前應(yīng)用較為成熟的低鉻鑄鐵成分范圍是：2.4%—3.2%。
含鉻量在6％～10％的中鉻鑄鐵，其碳化物的類型具有雙重性，即由m7c3型和m3c型組成，隨著鉻含量的增加，碳化物中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的m3c比例減小，而共晶碳化物趨向孤立狀的m7c3碳化物。中鉻鑄鐵的化學(xué)成分要根據(jù)基體情況來確定，想獲得符合使用要化學(xué)成分，就需要綜合考慮不同類型碳化物量相對(duì)增加，碳化物硬度和形態(tài)相應(yīng)得到增加和改善，將提高鑄鐵韌性和耐磨性。另一方面，高si含量會(huì)降低鑄鐵的淬透性，含碳量較低時(shí)又會(huì)減少碳化物量，降低鑄鐵的磨性，因此需綜合考慮元素的影響鉻鑄鐵一般要經(jīng)過熱處理后才投入使用，所采取的熱處理工藝與高鉻鑄鐵相似。
高鉻鑄鐵是以fe、cr、c為基本成分的合金，圖1—2是fe、cr、c液相面圖，利用此圖可以預(yù)計(jì)出剛剛凝固后的鑄鐵所具有的組織。圖1-3是fe、cr、c系室溫切面圖。從上述兩圖可以看出，剛凝固下來的高鉻鑄鐵中基體是奧氏體，這種奧氏體在加熱至高的溫度下才是 ，而且被cr、c等元素所飽和。當(dāng)溫度降低時(shí)，奧氏體將發(fā)生轉(zhuǎn)變。對(duì)于凝固后的碳化物類型，從圖1-3的fe、cr、c系室溫切面圖可以看出：高碳低鉻時(shí)，容易出現(xiàn)m3c型碳化物；低碳高鉻時(shí)，容易出現(xiàn)m4c；碳和鉻配合在三角區(qū)，則可以得到m7c3。工業(yè)上應(yīng)用的高鉻鑄鐵含碳量一般為2%高鉻鑄鐵作為公認(rèn)的第三代抗磨鑄鐵，具有優(yōu)良的耐磨性能和抗氧化性能，在各行各業(yè)中使用已愈來愈廣泛，尤其是在冶金工業(yè)上，為充分合理地發(fā)揮各種合金元素在高鉻鑄鐵中的作用，合理地對(duì)各種素進(jìn)行應(yīng)用，研究各種合金元素對(duì)高鉻鑄鐵在各種狀況下性能的影響具有重要意義高鉻白口鑄鐵按基體組織可分為馬氏體基體高鉻鑄鐵、貝氏體基體高鉻鑄鐵、屈氏體基體高鉻鑄鐵、奧氏體基體高鉻鑄鐵，可分別用于不同的工況條件。
a、馬氏體基體高鉻鑄鐵
馬氏體有很高的硬度，抗磨能力較強(qiáng)。為了獲得馬氏體組織，鑄件冷速應(yīng)高于珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷速，在連續(xù)冷卻條件下，馬氏體轉(zhuǎn)變50％的溫度至少應(yīng)高于室溫。高鉻鑄鐵在較高溫度進(jìn)行等溫處理時(shí)，碳與鉻可由奧氏體中脫溶，形成彌散分布的二次碳物。由于二次碳化物中的碳鉻濃度遠(yuǎn)高于固溶體，碳化物析出和奧氏體中的碳鉻濃度相應(yīng)降低，ms點(diǎn)得以升高，而奧氏體的鉻濃度仍足以維持較低的臨界速度，高鉻鑄鐵經(jīng)過等溫處理后，用油或其他淬火介質(zhì)淬火可以獲得以馬氏體為主體的基體組織。
b、奧氏體基體高鉻鑄鐵
奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物對(duì)白口鑄鐵的力學(xué)性能有很大影響。奧氏體基體高鉻白口鑄鐵具有很強(qiáng)的加工硬化特性，在較大的沖擊載荷作用下，硬化深度可達(dá)5mm，且在使用過程中基本無剝落和破碎現(xiàn)象，表現(xiàn)出韌性與抗磨性的 配合。與馬氏體基體高鉻白鑄鐵加工硬化后的表現(xiàn)相反，奧氏體基體高鉻鑄鐵中的奧氏體可以達(dá)到逐層硬化，逐層磨損的 ，其機(jī)理與高錳鋼相似。
c、貝氏體基體高鉻鑄鐵
浙江大學(xué)于20世紀(jì)70年代開始研究貝氏體基體的白口鑄鐵技術(shù)。在普通高鉻白口鑄鐵加入提高淬透性元素mo、cu、v、w等，采用金屬型鑄造，冷卻過程選擇避免形成明確確一硝方六珠光體的臨界冷卻速度，以使奧氏體穩(wěn)定地過冷到貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)從而在鑄態(tài)下獲得貝氏體基體加m7c3型共晶碳化物組織。貝氏體高鉻鑄鐵的特點(diǎn)是組織細(xì)密、顯微硬度較高、對(duì)碳化物的支撐能力強(qiáng)，也有一定的加工硬化現(xiàn)象，加工硬化深度為2-3mm，表面硬度值可提高4mm，組織為貝氏體時(shí)可獲得耐磨性及沖擊疲勞性能的良好配合。屈氏體基體高鉻鑄鐵在高鉻白口鑄鐵中，屈氏體組織是一種良好的耐磨基體。屈氏體是介于索氏體和貝氏體之間的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，具有高的強(qiáng)度和好的韌性。以屈氏體為基體的高鉻白口鑄鐵特點(diǎn)是整個(gè)接觸面硬度均勻一致，對(duì)碳化物具備始終如一的支撐基礎(chǔ)，使材料在整個(gè)使用過程中均勻磨損而不會(huì)出現(xiàn)早期失效和變形。由于屈氏體屬于珠光體類型組織，沖擊韌性較高，作磨球時(shí)球的破碎率幾乎為零Ⅲ1。對(duì)于抗磨料磨損材料而言，基體的選擇是重要的，屈氏體是片間距非常細(xì)小的珠光體，它是一種強(qiáng)韌性基體，對(duì)碳化物具有鑲嵌與支撐能力。通常鑄態(tài)下屈氏體高鉻鑄鐵整體硬度可50-56hrc。在磨損初期屈氏體本身可承受一部分磨損，因而可有效地避免碳化物過早地暴露以致剝落或折斷。東鄉(xiāng)銅礦1997年引進(jìn)河北工大屈氏體高鉻鑄鐵球的生產(chǎn)技術(shù)，年磨球生產(chǎn)能力9000t。鄭州鋁廠、小寺溝銅礦、永平銅礦、鄉(xiāng)銅礦、東荒裕金礦及水泥行業(yè)使用也證明，屈氏體高鉻鑄鐵球具有耐磨、破碎率低的優(yōu)點(diǎn)(小于2％)，能使磨礦石的磨球單耗成本明顯降低。
材料的磨損總是發(fā)生在與外界物體接觸并有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)件表面，這是一種在機(jī)械力的作用下(部分磨損過程受電及化學(xué)作用影響)表面材料逐漸脫離母體，導(dǎo)致機(jī)件表面形狀、尺寸、組織和性能不斷變化，材料不斷損失的過程。磨損現(xiàn)象紛繁復(fù)雜，但都是一個(gè)“磨屑＂脫離本體的過程，從磨削形成過程的觀點(diǎn)來說，大體分四種磨損類型：
(1)磨料磨損：由于硬顆粒或突出物的作用而造成物料遷移所導(dǎo)致的磨損。
(2)粘著磨損：兩個(gè)光滑的金屬表面在壓力下作相對(duì)滑行時(shí)，界面上的實(shí)際接觸面極可能結(jié)合起來而形成粘著，這些粘著點(diǎn)不斷破裂，斷裂可能發(fā)生在結(jié)合面處，也可能發(fā)生在本體的突出部位，這就使某一表面上產(chǎn)生脫離了本體的金屬磨屑。
(3)腐蝕磨損：在腐蝕條件下，金屬表面形成一層腐蝕產(chǎn)物，在有相對(duì)滑行時(shí)，這層腐蝕產(chǎn)物將被磨掉，使金屬受到繼續(xù)的腐蝕和磨損。
(4)表面疲勞磨損：這種磨損是由于多次反復(fù)的加載和卸載而導(dǎo)致在接觸面上以及接觸面的皮下形成垂直于或平行于接觸面的疲勞裂紋，這些裂紋的擴(kuò)展以及相互交割，可能使金屬表面開裂，以致剝落。在這些種類的磨損中，磨料磨損是最主要的磨損形式。在所有的業(yè)磨損中一半以上的磨損實(shí)質(zhì)主要是磨料磨損，它導(dǎo)致了人力、能源和材料的大量消耗。人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到對(duì)磨料磨損、抗磨材料及磨料磨損機(jī)理研究的必要性和迫切性。近８緒論年來，國內(nèi)外抗磨材質(zhì)的發(fā)展取得很大進(jìn)步。
1.5.1磨料磨損
分類磨料磨損是最常見的磨損形式，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，磨料磨損現(xiàn)象幾乎是隨處可見。由于磨料磨損產(chǎn)生于不同的工況，摩擦系統(tǒng)所處的環(huán)境各異，磨損過程是復(fù)雜和多樣的，影響磨損的因素很多，根據(jù)磨料對(duì)于機(jī)件的作用方式，許多人曾經(jīng)對(duì)磨料磨損進(jìn)行過分類。美金屬學(xué)會(huì)的分類“踟是：
(1)高應(yīng)力鑿削磨損：所謂高應(yīng)力是指磨料在與工件接觸時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力已經(jīng)超過了磨料本身的破斷強(qiáng)度。在此情況下，磨粒接觸處集中的壓應(yīng)力，使金屬表面收到切削并產(chǎn)生塑性變形和疲勞以及硬質(zhì)相的開裂而造成材料磨損。
(2)低應(yīng)力劃傷磨損：是指磨料本身的強(qiáng)度超過磨料與工件之間的接觸應(yīng)力，在磨損過程中磨料不發(fā)生破碎的情況。磨料一般沿工件表面平移，金屬表面被劃傷，但由于正向壓力較低，劃痕較淺。雙螺旋分級(jí)機(jī)葉片工作時(shí)葉片表面受到礦渣的磨損屬于典型的濕式低應(yīng)劃傷磨損。
1.5.2磨料磨損形成機(jī)制
磨料磨損與其他磨損形式在形成機(jī)制方面有顯著的不同，發(fā)生磨料磨損時(shí)，材料首先受磨料切削，并發(fā)生塑變和疲勞現(xiàn)象，形成切削，最終從表面除去。在不同工況下，磨料可能沿不同方向與工件表面接觸。也就是說，磨料可以從不同方位施力于工件表面，這種力可分垂直于工件表面的法向力和平行于工件表面的切向力。法向力迫使磨粒壓入工件表面，產(chǎn)生壓坑。切向力則使磨粒沿工件表面移動(dòng)，并在表面留下切削溝槽，塑性較好的材料溝槽側(cè)面的金屬發(fā)生塑性流變，形成唇狀凸邊。但不是所有磨料都能在工件表面產(chǎn)生切削作用，據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算得到的數(shù)據(jù)，在松散的磨粒中，大約只有10％的磨粒在工件表面產(chǎn)生切削作用，其余的磨粒在工件表面滾動(dòng)，如果金屬性質(zhì)較脆，溝槽中被切削的材料可直接脫離材料表面，形成磨屑。而初次被切削的塑性金屬大部分形成唇狀凸邊，由形變產(chǎn)生的唇狀邊中，金屬組織和性質(zhì)發(fā)生很大變化，塑變區(qū)可能發(fā)生形變硬化、型變熱導(dǎo)致的相變(淬火、回火、回復(fù)再結(jié)晶等)、金屬織構(gòu)變化、內(nèi)應(yīng)力增加等一系列足以改變材料性能的變化，同時(shí)還會(huì)發(fā)生吸附在工件表面的氧原子向塑性流變區(qū)擴(kuò)散。隨著上述現(xiàn)象的出現(xiàn)，塑變材料硬化，脆化。當(dāng)磨料與工件表面塑變區(qū)繼續(xù)反復(fù)作用，將把已發(fā)生塑變的材料壓平。這說明工件表面連續(xù)不斷發(fā)生反復(fù)塑變，可使材料的形變硬化加強(qiáng)，彈性極限提高，脆性益愈增加。晶體內(nèi)部點(diǎn)陣過度畸變，出現(xiàn)位錯(cuò)塞積群或位錯(cuò)密度有顯著差異的胞狀結(jié)構(gòu)。最使材料脆化，不可能進(jìn)一步發(fā)生塑性變形和吸收外來能量的程度。此時(shí)，材料的最薄弱部分接替，形成磨屑，脫離母體。對(duì)于塑性材料(或金屬組織中某些塑性較高的部分)來說，這種反復(fù)塑變導(dǎo)致材料脆化、斷裂的機(jī)制已被大部分研究工作者所接受。也有人提出磨屑生與材料的低周期疲勞破壞ｍ1。低周期疲勞破壞是指材料周期性地承受超過彈性極限的反復(fù)應(yīng)力后，短期內(nèi)出現(xiàn)的破壞現(xiàn)西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文象，其實(shí)質(zhì)與上述機(jī)制相似。
1.5.3影響磨料磨損的因素
磨料硬度對(duì)工件的磨損量有顯著影響。一般來說，在相同的工況下，較硬的磨料能使工件產(chǎn)生較大的磨損量。磨料磨損產(chǎn)生的過程中，磨料或大塊磨料的表面凸出部分壓入工件表面，并在表面層移動(dòng)。如果磨料的強(qiáng)度不能抵抗外力而破碎，磨粒尺寸減小，外形改變(一是棱角更趨銳利)，磨損率將隨不同的因素而變化。磨粒的形狀對(duì)于金屬的磨損率也有影響。如果磨粒是多角形，棱角 的曲率半徑則是影響工件磨損的重要因素。 曲率半徑大的磨粒易于切削金屬，而且壓入金屬表面的深度大，提高材料表面的塑性變形程度。而 曲率半徑小的磨粒，壓入深度小，壓入部分的材料可能保持在彈性變形的范圍內(nèi)。這種不同的形變特點(diǎn)，對(duì)金屬的磨損量有明顯影響。當(dāng)磨粒與材料發(fā)生水平切削運(yùn)動(dòng)時(shí)，多角形前端刃緣與磨粒前進(jìn)方向之間的夾角，常稱前角，對(duì)磨屑的形成有一定的影響。這一點(diǎn)與金屬切削刀具切削金屬的情況有類似之處。前角較大的磨粒前進(jìn)時(shí)，對(duì)材料主要產(chǎn)生擠壓作用，犁溝中的金屬大部分以流變的方式排出溝槽，小部分發(fā)生彈性變形，很少形成一次切屑。只當(dāng)角小于臨界值(根據(jù)材料性能不同而有變化，在300-900范圍)時(shí)，磨粒以楔入方式進(jìn)入材料表面。當(dāng)剪切應(yīng)力超過材料剪切強(qiáng)度以后，材料發(fā)生斷裂，形成磨屑。磨屑的形成會(huì)使材料磨損量增大。磨粒在垂直于前進(jìn)方向的截面形狀對(duì)其磨損能量也有影響。假設(shè)磨粒壓入材料的部分的界面是圓錐形，當(dāng)磨粒向前移動(dòng)時(shí)，在錐角較大的磨粒兩測(cè)的金屬大部分發(fā)生塑性流動(dòng)，形成帶有唇狀凸邊的溝槽。反之，如果，錐角較小時(shí)，形成不帶唇狀凸邊的切削溝槽的幾率大大增加，磨損大部分以排出一次切屑的形式損耗。當(dāng)然這種現(xiàn)象還與金屬材料的機(jī)械性質(zhì)有關(guān)，脆性材料更易形成切削溝槽。綜上所述，磨粒的形狀、尺寸以及磨料與工件金屬相互作用的方向有密切關(guān)系。礦物、巖石一類的磨料一般屬于脆性材料，在與工件相接觸過程中都會(huì)發(fā)生斷裂、破碎。由于巖體的解理特征、風(fēng)化程度、內(nèi)部物相的結(jié)合方式與強(qiáng)度有所不同，破碎后形成的磨粒尺寸、形狀、表面形貌均有差異。在工業(yè)實(shí)踐中，觀察磨粒外形有助于預(yù)測(cè)和控制磨損量巧。
螺旋分級(jí)機(jī)的外形是一個(gè)矩形斜槽，槽底傾角為120-18.5。，底部呈半圓形。槽內(nèi)安裝有1或2個(gè)縱長的軸，沿軸長連續(xù)地安置螺旋形葉片，借上端傳動(dòng) 帶動(dòng)螺旋軸旋轉(zhuǎn)，見圖2-1。
如為雙螺旋，從上部來看螺旋葉片均是向外轉(zhuǎn)動(dòng)。礦漿由槽的旁側(cè)給入，1-螺旋；2一分級(jí)槽；3一螺旋軸；4一軸承；5一傳動(dòng)裝置；6一螺旋提升 ；7一進(jìn)料口；8一溢流堰；9一溢流排出口；10-沉砂排出口
槽的下部形成沉降分級(jí)面。粗顆粒沉到槽底后被螺旋推向上方排出，在運(yùn)輸過程中同時(shí)進(jìn)行脫水，未及沉降的細(xì)顆被表層礦漿流攜帶經(jīng)溢流堰排出。在分級(jí)槽下端有一個(gè)框架，框架的上部橫梁設(shè)有提升裝置，用以調(diào)節(jié)螺旋葉片距槽底的距離，并在停車時(shí)將螺旋軸抬起，以防止礦砂沉積埋住螺旋葉片。螺旋分級(jí)機(jī)分級(jí)液面的高低又可分為高堰式和浸入式(或稱沉沒式)兩種。高堰式分級(jí)機(jī)的溢流堰高于下端螺旋軸的中心，而低于螺旋葉片的上緣。分級(jí)液面的長度不大，液面可直接感受到螺旋葉片的攪動(dòng)作用，故適于粗級(jí)分級(jí)作用，分級(jí)粒度多在0.15mm以上。浸入式分級(jí)機(jī)的下端螺旋葉片完全浸入在液面以下，分級(jí)面積大而平穩(wěn)，適于細(xì)粒級(jí)分級(jí)，分級(jí)粒度在0.15mm以下。它的溢流生產(chǎn)率較高。此外還有一種低堰式螺旋分級(jí)機(jī)，其分級(jí)液面低于下端螺旋軸承，液面很小，攪動(dòng)作用大，主要用于含泥砂石的洗礦。
2.1.1葉片失效分析
生產(chǎn)實(shí)踐中，螺旋分級(jí)機(jī)葉片的常見失效形式有磨料磨損失效和脆裂失效兩種。其中脆裂屬于不正常的失效形式。下面對(duì)螺旋分級(jí)機(jī)葉片的失效形式進(jìn)行說明與原因分析：
(1)磨料磨損失效此種失效為正常磨料磨損失效。葉片在工作過程中，與礦石這樣的大塊磨料相接觸，西哥理工走學(xué)碩士擘位論文在長期的沖擊與碾磨過程中，葉片逐漸磨損變小，直至尺寸不在滿足幣常工作要求。
(2)脆裂失效由于抗磨件在工作過程中所受的沖擊是難以預(yù)料的.因此，有時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)脆裂失效。脆裂失效的原因大概有以下幾點(diǎn)：①在外力的作用和溫度等的影響下，使片內(nèi)部應(yīng)力增加，井沿碳化物產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致葉片脆裂失效。⑦如果鑄件在熱處理過程中，產(chǎn)生微裂紋，工作中這些微裂紋就會(huì)擴(kuò)展而出現(xiàn)破碎失效。③分級(jí)機(jī)中進(jìn)入螺栓等金屬物件，卡住葉片，使葉片受力過大而產(chǎn)生斷裂失效。倒22是葉片脆裂失效和磨損失效形貌。
高鉻鑄鐵是最重要的耐磨材料之一，適用于各種低應(yīng)力磨料磨損的工況條件，廣泛應(yīng)用干機(jī)械、冶金、采礦及礦產(chǎn)品加工等行業(yè)。近年來，各工業(yè)國家都很重視對(duì)高鉻鑄鐵的研究工作，以期充分利用其優(yōu)異的耐磨性能。高鉻鑄鐵耐磨件，在我國也應(yīng)用很廣。隨著礦業(yè)和冶金行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)高鉻鑄鐵件的需求增長。目前，年產(chǎn)量大約超過50 噸，不僅供國內(nèi)各行業(yè)使用，也有相當(dāng)數(shù)量的鑄件出口。作為新一代抗磨材料.高鉻鑄鐵正在越來越廣泛的領(lǐng)域內(nèi)取代傳統(tǒng)的高錳鋼而成為抗磨粒磨損的優(yōu)質(zhì)材料。尤其在磨料塊度小而硬度高的場(chǎng)合下，如粉碎水泥熟料、制備石英砂、分級(jí)選礦等工況下更成為一種 材質(zhì)，并被廣大相關(guān)工業(yè)界所接受分級(jí)機(jī)中的葉片，是合金抗磨自口鑄鐵用得較多的磨損零件。被磨材料有金屬礦石、煤、耐火材料和水泥等。在碾磨這些材料時(shí)，包含了許多不同的環(huán)境條件，例如有干的磨料，腐蝕，沖擊疲勞等。條件雖然各異，但共同的要求是：抗磨件都要有足夠的抗磨性和抗破碎零葉片失效分析能力。本課題緊密結(jié)合金堆城鉬業(yè)公司生產(chǎn)實(shí)際中存在的問題，利用高鉻鑄鐵替代原有的灰鑄鐵作為分級(jí)機(jī)葉片材料，并通過合理的合金元素配比和熱處理工藝設(shè)計(jì)，使新合金材料的硬度、沖擊韌性和耐磨性達(dá)到良好的配合，達(dá)到工廠的性能要求，延長分級(jí)機(jī)葉片的服役壽命。此外，還通過分析材料的微觀組織與結(jié)構(gòu)，找出微觀組織與硬度、韌性、耐磨性等宏觀性能的聯(lián)系，綜合起來對(duì)材料的設(shè)計(jì)開發(fā)提供理論指導(dǎo)。
2.2.2研究意義
隨著生產(chǎn)的需要、科技的發(fā)展，新材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)已成為一個(gè)越來越重要的課題。新材料的研究，各種材料的快速更新、取代，對(duì)未來經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是至關(guān)重要的。高鉻鑄鐵作為一種優(yōu)異的耐磨材料，廣泛應(yīng)用于各種抗磨料磨損的場(chǎng)合。本課題的研究意義主要有以下幾點(diǎn)：
(1)在不提高生產(chǎn)成本的前提下，開發(fā)一種主要用于螺旋分級(jí)機(jī)葉片的合金高鉻鑄鐵材料，這種鑄鐵耐磨性有較大提升，應(yīng)用更加廣泛?？纱蠓秶〈诣T鐵作為葉片材料，并可直接應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和戰(zhàn)略價(jià)值。
(2)從微觀組織構(gòu)成的角度分析材料的組織與各項(xiàng)性能之間的關(guān)系。為耐磨材料研究提供新的思路。
(3)從微觀角度研究熱處理對(duì)基體類型與結(jié)構(gòu)的影響，并找出不同熱處理?xiàng)l件對(duì)材料組織和相結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，及由此對(duì)力學(xué)性能和耐磨性產(chǎn)生的影響。為耐磨鑄鐵材料設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。
及實(shí)驗(yàn)方案碳化物形態(tài)、分布狀況、數(shù)量等對(duì)高鉻鑄鐵的使用性能有顯著的影響。為了改善高鉻鑄鐵的性能，國內(nèi)外的材料工作者圍繞著如何改變碳化物的形態(tài)和分布上開展實(shí)驗(yàn)研究。但在實(shí)驗(yàn)研究的過程中還應(yīng)意識(shí)到，選擇合適的基體組織對(duì)改善材料的抗磨能力也有一定的作用。越來越多的實(shí)驗(yàn)研究表明，合理的搭配合金元素可以使高鉻鑄鐵為理想的組織和性能。
c,cr鉻與碳是高鉻鑄鐵中兩種重要元素。提高含碳量能增加碳化物含量，提高鑄鐵的硬度，改善材料的耐磨性，但過高的碳量會(huì)使鑄鐵的韌性降低，選擇鑄鐵成分時(shí)一般要同時(shí)考慮碳和鉻的配合，以保證鑄鐵成分為亞共晶成分。當(dāng)選擇接近共晶點(diǎn)的亞共晶成分時(shí)，鑄鐵熔點(diǎn)，流動(dòng)性好，不易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。易獲得質(zhì)量高的鑄件。
提高鉻的含量，也有助于提高碳化物的數(shù)量。當(dāng)含鉻量大于百分之十到百分之十二時(shí)，碳化物的形態(tài)從mc轉(zhuǎn)變成m7c3，工藝上常用整碳的含量來改變碳化物的含量。在實(shí)際生產(chǎn)中，鉻一般要和碳合理的搭配使用，以達(dá)到提高鑄鐵硬度的韌性的目的。由于本課題中分級(jí)機(jī)的工作環(huán)境存在腐蝕，鉻的加入，一方面有利于耐磨性的提高，另一方面形成鈍化膜，提高基本的電極電位，有利于耐蝕性的提高。在腐蝕磨損的條件下，鉻是耐磨蝕材質(zhì)的主要元素。
高鉻鑄鐵中鉻與碳的比值，對(duì)組織和性能有很大的影響。大于五就能獲得大部分的m7c3型碳化物，同時(shí)比值越高，鑄鐵的液透性也增加，隨著比值的增加，共晶碳化物的形貓經(jīng)歷了連續(xù)網(wǎng)一片一桿等連續(xù)程度減小的過程，共晶碳化物的類型也經(jīng)歷一個(gè)變化過程，會(huì)提高鑄鐵的韌性。此外基本晶粒會(huì)隨著比值的增加變得細(xì)小。
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