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 陳勝遷1，2  鄭開宏1  王海艷1

 （1．廣東省材料加工研究所；2．張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

摘要針對(duì)釩鈦磁鐵礦濕磨工況下，半自磨機(jī)襯板的失效行為進(jìn)行了研究。采用OM.SEM.EDS.硬度儀等分析手段分析了失效襯板組織的形貌特征，討論了襯板材料在弱堿性工況下的腐蝕磨損機(jī)理。結(jié)果表明，失效襯板表面主要以切削犁溝、腐蝕坑和裂紋為主，材料表面硬度低、加工硬化效果不明顯以及腐蝕磨損的交互作用是導(dǎo)致襯板失效的主要原因。

 關(guān)鍵詞  襯板；弱堿性；腐蝕磨損

 中圖分類號(hào)  TD453；TH117 DOI：10. 15980/j．tzzz．2016. 06. 005

 腐蝕環(huán)境中摩擦表面出現(xiàn)的材料流失現(xiàn)象稱為腐蝕磨損，簡稱為磨蝕。我國每年因腐蝕磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失十分驚人，引起人們的廣泛關(guān)注。而濕態(tài)腐蝕磨損工況下，襯板既承受礦漿的腐蝕磨損，又受到磨球和礦石的沖擊磨損，服役工況非常惡劣，造成襯板的壽命大幅度降低，一般不到半年就需要更換，成本較高。因此，分析襯板在濕磨工況下的失效機(jī)理，對(duì)濕式半自磨機(jī)襯板材料的改善或替代具有重要的意義，但目前有關(guān)鋼鐵耐磨材料在濕式腐蝕磨損工況下的耐磨耐蝕性研究報(bào)道很少。

 攀枝花釩鈦磁鐵礦廠采用濕磨工藝，半自磨機(jī)襯板在濕式弱堿性礦漿介質(zhì)中工作，受到高應(yīng)力沖擊磨損、磨料磨損以及礦漿的腐蝕磨損，使用環(huán)境極其惡劣。礦石中主要金屬礦物為釩鈦磁鐵礦、鈦鐵礦、鐵的硫化物，另有少量赤褐鐵礦、硅酸鐵等，硬度在摩氏硬度6～8之間，礦漿pH值為8.6～8.8。原礦的多元素分析見表1半自磨機(jī)規(guī)格及襯板服役工況見表2。

 本課題針對(duì)攀枝花釩鈦磁鐵礦的半自磨機(jī)襯板，分析了襯板腐蝕磨損微觀形貌，研究了濕式弱堿性介質(zhì)下材料腐蝕與沖擊磨損的交互作用，以期為提高襯板的使用壽命及合理選材提供參考。

1  試驗(yàn)材料及方法

 將剛拆卸的磨損襯板，用自來水沖洗干凈，然后從磨損襯板的表面切割200 mm×200 mm的大塊試樣，表面涂敷黃油保護(hù)，再通過線切割加工成10 mm×10mm×30 mm的試樣，試樣用超聲波清洗后，再分別用直讀光譜、布氏硬度計(jì)、DMI3000M金相顯微鏡和JXA-8100型掃描電鏡等設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行成分分析、硬度測試、微觀組織分析和表面形貌分析。

2  試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1襯板的化學(xué)成分、組織及力學(xué)性能

 襯板的材質(zhì)是5Cr2NiMo合金鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3、表4。用布氏顯微硬度儀測量襯板厚度方向的亞表層硬度(HV)為439～452，而遠(yuǎn)離表層的(5mm以上)為395～414。硬度分布相差不大，濕磨工況下漿料對(duì)磨球的緩沖作用使襯板處于低沖擊載荷狀態(tài)，襯板表面加工硬化作用未能進(jìn)一步發(fā)揮，材料的耐磨性未得到大幅度提升。

 圖1是襯板的微觀組織照片，圖2為XRD圖譜�？梢钥闯�，微觀組織主要由馬氏體和殘余奧氏體組成。

2.2襯板的腐蝕磨損形貌與分析

 圖3是襯板表面的微觀形貌�？梢钥吹�，材料的表面有大量的劃痕和切削犁溝；整個(gè)工作表面上還可觀察到許多細(xì)小的、成片生長的凹坑，這些凹坑的形貌與犁溝不同，主要以半球狀為主，內(nèi)部較為光滑，未觀察到塑性變形特征，為典型的腐蝕坑，見圖3。

 圖4是切削犁溝的微觀形貌圖�？梢钥闯觯�材料的表面發(fā)生塑性流動(dòng)并犁出一條溝槽，溝槽兩側(cè)有凸起的塑性變形金屬，底部有腐蝕坑。這是由于襯板的硬度低、韌性好，磨料的粗糙峰在外部應(yīng)力作用下嵌入金屬表面，在滑動(dòng)中推擠金屬，使材料發(fā)生塑性流動(dòng)被推移到磨料運(yùn)動(dòng)路徑的兩側(cè)或前方并呈層狀分布，這些材料易在其他磨料的作用下被磨掉，而層狀分布的材料造成金屬表面電化學(xué)性質(zhì)不均勻，大大加速了腐蝕磨損條件下的腐蝕過程，從而在溝槽的不同區(qū)域產(chǎn)生腐蝕坑。

 圖5是腐蝕剝落坑的微觀形貌，其中可觀察到腐蝕剝落坑周邊有大量的腐蝕坑和磨損痕跡，底部微觀形貌與純腐蝕的形貌相同，有腐蝕坑和小的顆粒嵌入物，無顯著塑性變形痕跡。腐蝕剝落坑與疲勞剝落坑不同，分析認(rèn)為疲勞剝落坑是在循環(huán)加載過程中局部塑性變形積累和亞表面裂紋形成與擴(kuò)展、合并，直至材料分離所產(chǎn)生；腐蝕剝落坑是在腐蝕與磨損的相互促進(jìn)過程中形成的，兼有磨料磨損、腐蝕磨損等多種磨損特征。

 圖6是襯板沖擊腐蝕磨損的腐蝕坑的微觀形貌，可以看出腐蝕比較嚴(yán)重，腐蝕坑成片生長呈蜂窩狀分布，大的腐蝕坑深處和周邊，還存有大量細(xì)小的腐蝕坑，表面出現(xiàn)明顯變形、磨損。表明在自磨機(jī)工作過程中，材料表面在礦石和磨球的剪切力作用下產(chǎn)生局部塑性變形，從而造成塑性變形區(qū)電化學(xué)性質(zhì)不均勻，形成電位差，變形區(qū)陽極的電化學(xué)腐蝕速度大于均勻腐蝕從而產(chǎn)生腐蝕坑，并進(jìn)一步造成腐蝕坑的面積和深度增大，同時(shí)產(chǎn)生大量新的腐蝕小坑。對(duì)襯板的腐蝕坑表面進(jìn)行了EDS元素分析，其取點(diǎn)位置見圖7，成分分析見表5。由表5可見，腐蝕較輕區(qū)C與Fe的摩爾比遠(yuǎn)高于基體，表明C在譜圖3區(qū)域發(fā)生了富集，其原因可能是碳化物在基體上的均勻彌散析出，這可提高鋼的耐腐蝕性。

 循環(huán)往復(fù)的沖擊加載，使襯板表面發(fā)生塑性變形并累積到一定極限，在腐蝕與磨損的交互作用下材料表面及表層形成裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展導(dǎo)致材料發(fā)生大量剝落。圖8是襯板450斜切面上裂紋的微觀形貌�？梢钥闯�，裂紋的擴(kuò)展與沖擊軸線成一角度，其周邊未觀察到明顯的腐蝕產(chǎn)物，裂紋呈連續(xù)狀，無分叉。結(jié)合表6開裂處EDS分析結(jié)果可知，裂紋形成區(qū)域與基體成分不同，其C含量遠(yuǎn)高于基體并伴有局部氧化反應(yīng)，表明鋼中富集的碳化物會(huì)給材料的塑性帶來一定的負(fù)面效應(yīng)。

2.3討論

 從襯板的微觀形貌來看，襯板失效的主要原因是礦漿腐蝕與磨球和磨料的沖擊磨損交互作用。一方面受腐蝕的影響，大量的蝕坑造成了材料流失，削弱了材料的力學(xué)性能，使其表面沖擊硬度不足，在磨料的切削作用下襯板表面很容易被去除而形成二次磨損，即腐蝕促進(jìn)了磨損的進(jìn)行；另一方面襯板在磨損的作用下，襯板裸露出新鮮表面而直接與腐蝕介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，腐蝕速度加快。另外磨料的磨損作用在金屬表面產(chǎn)生不均勻的塑性變形使強(qiáng)應(yīng)變區(qū)處于高能區(qū)．強(qiáng)烈變形區(qū)將成為陽極而其余部位作為陰極構(gòu)成“應(yīng)變差異腐蝕電池”，使腐蝕磨損條件下的腐蝕過程大大加速，即磨損促進(jìn)腐蝕。腐蝕磨損過程循環(huán)往復(fù)進(jìn)行，導(dǎo)致腐蝕與磨損形成相互促進(jìn)的惡性循環(huán)。與應(yīng)力腐蝕開裂不同，襯板表面裂紋屬于腐蝕疲勞開裂。崔約賢等認(rèn)為應(yīng)力腐蝕開裂只在一定的材料與介質(zhì)組合條件下才能發(fā)生，拉應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的必要條件，而襯板在安裝和使用過程中未受到外加拉應(yīng)力，磨球?qū)σr板的沖擊則使襯板表面形成壓應(yīng)力。因此，襯板的表面裂紋是在交變應(yīng)力作用下發(fā)生局部腐蝕，產(chǎn)生應(yīng)力集中進(jìn)而形成的裂紋，而不是應(yīng)力腐蝕造成的。

3  結(jié)  論

 鈦磁鐵礦濕磨工況下，合金鋼襯板承受的是低沖擊載荷，加工硬化效果難以發(fā)揮，故其耐磨性差。襯板材料的失效是礦漿腐蝕和沖擊磨料磨損的交互作用造成的，切削犁溝：腐蝕剝落坑、蜂窩狀的腐蝕坑和裂紋是襯板的主要失效形式。磨球和磨料對(duì)襯板的沖擊作用，使襯板表面形成壓應(yīng)力，抑制了應(yīng)力腐蝕開裂。