内容简介

本书是总结整理国家高技术研究发展计划(863计划，2012AA03A508)“高强耐磨材料的开发”项目的相关研究成果而成。本书主要内容包括耐磨贝氏体球铁发展现状、合金化贝氏体球铁的制备与组织性能、钒对合金化贝氏体球铁组织和性能的影响、耐磨贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺与性能研究、合金化贝氏体球铁回火处理及组织性能研究、含钒合金化球铁深冷处理工艺研究。本书可供冶金、材料、机械等专业科技人员及高等院校相关专业的师生学习参考。

前言概述

1研究项目背景与立题依据研究项目概述研究项目概述矿产资源的开发和利用程度是衡量一个国家基础工业实力和工业技术水平的重要标志，也是一个国家工业发展的重要组成部分。矿山机械在采矿、选矿等重要环节中扮演着十分重要的角色，同时，在国民经济的发展中也起到了非常重要的作用。矿山机械产品具有批量小、品种多、工况条件恶劣以及零部件磨损严重等特点；矿山机械按其用途可分为采掘设备、提升设备、矿用车辆、破碎粉磨设备、筛分设备、洗选设备及焙烧设备等七大类。在选矿厂中，碎磨流程存在投资高和耗能大等问题，一般情况下，破碎粉磨设备占选矿厂全部设备投资的50%以上，能耗则占选矿厂总能耗的60%～70%，在一定程度上制约了采矿选矿行业的发展。因此，在选矿厂建造中降低碎磨流程的投资和能耗是选矿厂设计投产中最为重视的问题。就破碎设备而言，种类较为繁多，有颚式破碎、辊式破碎、圆锥破碎、冲击式破碎以及立式冲击破碎等，但一般的破碎设备多存在能耗高、产率低、破碎比小以及产品粒度不均匀等问题。高压辊磨机的出现显著改善了常规破碎设备的诸多不足，很快在矿山机械领域中受到广泛关注。高压辊磨机是一种新型高效节能粉碎设备，由西德Schnert教授基于层压粉碎理论研制发明。20世纪80年代，德国洪堡公司（KHD）和伯力鸠斯公司（Polysius）制造出的高压辊磨机投放市场后，由于具有单机产量高、稳定性好及单位能耗低等优点，在当时取得了非常好的销售业绩。目前，高压辊磨机在矿石粉碎以及水泥生料和熟料等物料粉碎作业中也获得了较为成功的应用。高压辊磨机的工作原理是，当物料供给到两辊之间时，在强大的径向液压力推动下动辊旋转带动物料向下行进，同时定辊被反向带动旋转，物料在可调节的辊缝中被连续压成料饼，最终达到粉碎的效果。高压辊磨机的物料在辊子工作时被挤压下移；随着辊子间隙的逐步缩小，压力增大，物料经过屈服性破碎过程，渐渐形成料饼或散状颗粒；物料越接近于最小辊间隙，受压越趋于最大，在这个过程中物料和辊子受力是很复杂的，对辊面有强大的破坏和磨损。辊面必须具有高抗拉、压、剪强度和高硬度抗磨蚀能力，而且还要具有一定的韧性，以便缓解挤压中的振动冲击，确保辊面长期使用。而目前研究和开发的难点是辊面磨损层，由于辊面与物料表面直接接触，负荷很大，磨损剥落是其主要的失效形式，研究难度较大，故尚没有理想、简单又比较经济可靠的最佳护层方案。通过多年的研究和开发，目前高压辊磨机辊面技术主要采用高强耐磨材料堆焊辊面，有一字纹、人字纹、棱形纹、锯齿纹、网点花等多种形式，焊接辊面一般每一二个月补焊一次，使用4000～8000h后必须更换辊子。这种辊面作为矿山矿物的压辊使用时，其寿命更短。目前国外的高压辊磨机全部采用碳化钨作为辊面材料，并采用柱钉式辊面结构，这种辊面耐磨性能良好。由于高压辊磨机实际工况环境恶劣，在使用过程中辊面的失效多源于辊面基体材料的耐磨性与抗压强度不足，从而导致辊面的局部或整体磨损严重；因此，对于大型高压辊磨机硬质合金镶嵌辊面基体材料的选取与辊面的制备，是提高辊面材料性能、延长其使用寿命的关键因素，也是目前高压辊磨机应用中最为亟待解决的问题。近年来，由于具有低廉的制造成本以及优良的力学性能和耐磨性，贝氏体球墨铸铁被广泛应用于耐磨损的零部件中，尤其是在大型辊压机的辊套中。通过一系列工艺过程参数的控制，如控制冷速和控制热处理工艺参数等，可以获得贝氏体组织和理想的力学性能。但由于以上方法的成本较高及生产周期较长，耐磨性依然有待提高，尤其大断面的贝氏体球墨铸铁的制备工艺复杂、技术含量高且制造难度大等因素，国内还鲜有企业能够工业化生产。含碳化物的贝氏体球墨铸铁（CADI）是近几年来由等温淬火球墨铸铁（ADI）派生出的一种新型的球铁材料，拥有ADI的各种优越性能。CADI中的附加相碳化物的存在，使得球铁的硬度和耐磨性得到大幅度提高。作为一种机械工程材料，CADI具有重大的经济意义和广泛的发展空间。国外已经有企业成功地将高强耐磨贝氏体球墨铸铁应用于大型矿山的高压辊磨机辊面材料中，且取得了较好的使用效果。而在国内，由于成分设计、制备工艺、热处理等技术的限制并未被广泛推广应用。这种材料的研究还主要集中在使用效果的评价方面，有时所得结果相差较大；同时由于对合金化及热处理等强化机理还没有明确的认识，使得材料的设计、热处理工艺的制定及推广应用等缺乏理论指导。基于上述背景，本研究依托于国家高技术研究发展计划(863计划)“高性能耐磨材料开发”项目(项目编号：2012AA03A508)，其目标是开发出高性能、低成本基于多元合金协同作用的新型高强耐磨贝氏体球墨铸铁，使其耐磨性较传统耐磨材料得以大幅度提高。为此，需要对合金贝氏体球墨铸铁合金成分进行设计，开展贝氏体球墨铸铁的等温淬火热处理及其相变和强韧化机理研究；并引入深冷处理及优化其工艺，对深冷强化机理进行深入了解，最终达到材料在高应力作用下抗磨料磨损的要求。2研究进展与成果本研究通过对高强耐磨贝氏体球墨铸铁的成分设计与优化实现了高强耐磨环形铸件的凝固成形与控制，从而获得基体组织与耐磨相在尺寸、形状、体积分数等方面的合理匹配，为大型高效节能耐磨用贝氏体球墨铸铁的研制开发提供了核心技术。在此基础上，我们系统研究了大规格高强耐磨贝氏体球墨铸铁环件的热处理方法，并对热处理后新型耐磨贝氏体球墨铸铁的耐磨性能等做出评价。为了进一步提高等温淬火合金化贝氏体球墨铸铁的力学性能，我们还研究了深冷以及深冷结合传统热处理工艺对其组织和力学性能的影响，分析了深冷强化机理。具体研究进展如下：
(1)设计了合金成分，并利用Thermo-Calc软件计算了合金平衡相图；通过离心铸造制备了具有良好力学性能的大断面合金化贝氏体球墨铸铁。化学成分(质量分数)范围为：34%～35%C，19%～21%Si，03%～035%Mn，08%～085%Mo，07%～08%Cu，35%～36%Ni，06%～065%Cr,余下的为Fe，其耐磨性是商用高铬铸铁的两倍。(2)揭示了V对MoNiCuCr系合金化贝氏体球墨铸铁显微组织和力学性能的影响规律。发现V可以细化组织中的针状贝氏体，纳米尺度的VC颗粒弥散分布在贝氏体基体中，有助于其硬度、冲击韧性和耐磨性的提高，其机制为细晶强化和析出强化。
(3)在实验的基础上确定了获得力学性能优异的含V合金化球墨铸铁的等温淬火工艺。当等温淬火温度为300℃及保温2h，其贝氏体组织明显细化，马氏体量减少，奥氏体量增加；硬度达628HRC，抗压强度为3000MPa，耐磨性良好。(4)获得了等温淬火合金化贝氏体球墨铸铁回火过程中的组织演变规律及机理，包括孪晶马氏体及其位错亚结构的回复与再结晶软化、残余奥氏体的分解、马氏体中过饱和碳的脱溶与相变以及共晶渗碳体的转变等过程。(5)提出深冷处理工艺可以对等温淬火合金化贝氏体球墨铸铁进行强化，并揭示了其中的强化机制。深冷处理可以促进残余奥氏体转变为片状马氏体及更细小的碳化物析出；深冷处理后施加回火易使基体中析出的碳化物发生Ostwald熟化，出现过回火软化现象。现已取得如下成果：(1)发表论文12篇，专利3项。(2)企业标准1项。成都利君实业股份有限公司标准：耐磨轴套执行规范，标准号：LJB022—2016。(3)科技成果鉴定1项。高压辊磨机用高强耐磨辊面材料研发及应用（辽机鉴字〔2016〕第005号），辽宁省机械工程学会，2016年12月6日。(4)应用情况：已经研发出合金化贝氏体球墨铸铁耐磨辊套材料，并获得国家发明专利，同时在成都利君实业股份有限公司生产的高压辊磨机产品上获得应用。2000mm的合金化贝氏体球墨铸铁辊套在辽宁罕王集团毛公山铁矿获得使用，目前辊套运行状态良好。与以往产品相比，其磨损量较小，使用寿命获得大幅度提高，完全可以满足高压辊磨机设备批量生产的需求。
3论文与专利论文：（1）JunjunCui,HongyunZhang,LiqingChen,WeipingTongMicrostructureandmechanicalpropertiesofawearresistantascastalloyedbainiteductileiron［J］.ActaMetallurgicalSinica(EnglishLetters),2014,27(3):476～482（2）JunjunCui,LiqingChenMicrostructuresandmechanicalpropertiesofawearresistantalloyedductileironaustemperedatvarioustemperatures［J］.MetallurgicalandMaterialsTransactionsA,2015,46(8):3627～3634（3）崔君军,陈礼清,李海智,佟伟平等温淬火低合金贝氏体球墨铸铁的回火组织与力学性能［J］.
金属学报,2016,52(7):778～786（4）崔君军,陈礼清钒对合金化贝氏体球墨铸铁组织和性能的影响［J］．机械工程材料,2016,40(10):60～64（5）LiqingChen,JunjunCui,WeipingTongEffectofdeepcryogenictreatmentandtemperingonmicrostructuresandmechanicalbehaviorsofawear-resistantaustemperedalloyedbainiticductileiron［C］.4thInternationalConferenceonNewFormingTechnology(ICNFT2015),August5-11,2015,Glasgow,UK,MATECWebofConferences21,08008(2015)（6）崔君军,赵阳,陈礼清,李海智回火处理对等温淬火低合金贝氏体球墨铸铁组织和性能的影响［C］.材料科学与加工技术暨高品质特殊钢技术开发课题研讨会论文集,
沈阳，2014:77～81（7）JunjunCui,LiqingChenMicrostructureandabrasivewearresistanceofanalloyedductileironsubjectedtodeepcryogenicandaustemperingtreatments［J］.JournalofMaterialsScienceandTechnology,2017,33(12)：1549～1554(SCIEI)（8）JunjunCui,LiqingChenInfluenceofaustemperingprocessonmicrostructuresandmechanicalpropertiesofV-containingbainiticductileiron［J］.JournalofIronandSteelResearchInternational,2018,25(1)：81～89(SCI)(SCIEI)（9）崔君军,张雅静,王琳琳,张国志耐海水腐蚀球墨铸铁成分优化设计及其抗蚀性能［J］.
中国腐蚀与防护学报,2014,34(6):537～543（10）HaizhiLi,WeipingTong,JunjunCui,HuiZhang,LiqingChen，LiangZuoHeattreatmentofcentrifugallycasthighvanadiumalloysteelforhigh-pressuregrindingroller［J］.ActaMetallurgicalSinica(EnglishLetters),27(2014):430～435（11）HaizhiLi,WeipingTong,JunjunCui,HuiZhang,LiqingChen,LiangZuoTheinfluenceofdeepcryogenictreatmentonthepropertiesofhigh-vanadiumalloysteel［J］.MaterialsScienceandEngineeringA,662(2016):356～362（12）李海智,沈德鹏,杨旭,崔君军,
佟伟平深冷处理对高钒合金钢组织和性能的影响［C］．材料科学与加工技术暨高品质特殊钢技术开发课题研讨会论文集,沈阳,2014:39～44专利:(1)陈礼清，崔君军，何亚民，李海智，佟伟平，左良，魏勇，徐智平一种高压辊磨机的合金贝氏体球墨铸铁辊面及其制备方法.中国国家发明专利,专利号：ZL2015104814323(2)佟伟平，李海智，何亚民，崔君军，陈礼清，左良，魏勇，徐智平一种用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面材料及辊面制备方法.中国国家发明专利,专利号：ZL2014100359531(3)佟伟平，李海智，何亚民，崔君军，陈礼清，左良，魏勇，徐智平一种高压辊磨机镶铸辊面及其制备方法.中国国家发明专利,
专利号：ZL20151029882464项目完成人员主要完成人职称（学位）单位陈礼清教授东北大学RAL国家重点实验室崔君军博士后东北大学RAL国家重点实验室张红云硕士东北大学RAL国家重点实验室张松硕士东北大学RAL国家重点实验室佟伟平教授东北大学EPM教育部重点实验室李海智博士东北大学EPM教育部重点实验室5报告执笔人崔君军，陈礼清。6致谢该研究是在项目组全体成员的共同努力下完成的，同时也离不开东北大学轧制技术及连轧自动化国家实验室领导、同事以及合作企业的相关领导和技术人员的帮助和支持。衷心感谢轧制技术及连轧自动化国家重点实验室为项目提供了便利的工作环境和坚实的硬件基础。感谢国家高技术研究发展计划（863计划）(项目号：2012AA03A508)对高强耐磨合金化贝氏体球墨铸铁研究的资助。特别感谢合作企业的相关领导和工程技术人员。感谢成都利君实业有限公司何亚民经理、魏勇经理、徐智平经理、丁亚卓博士等，在项目实施过程中，这些领导和工程技术人员在耐磨贝氏体球墨铸铁的组织和性能的理论研究上给予了十分重要的帮助与支持。感谢鞍山钢铁集团公司轧辊厂王素红高级工程师、张朋高级工程师等在耐磨贝氏体球墨铸铁成分设计、制造等方面提供的重要支持与帮助。谨向上述合作企业的领导和工程技术人员表示我们由衷谢意。最后，感谢实验室的高翔宇、王佳夫、薛文颖、吴红艳、李成刚、田浩、张维娜等老师对本项目多年来实施过程中给予的热情帮助和支持。

作者介绍

东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（简称RAL）是我国轧制技术领域唯一的国家重点实验室，多年来取得了非常丰富的科研成果。本简报是该实验室2013年各项工作的总结，全面反映了实验室2013年取得的各方面的科研成果。

目录

摘要
1 绪论
1．1 国外轴承钢的发展概况
1．□ 国内轴承钢发展概况
1．3 轴承钢钢种的发展
1．4 轴承失效形式及高铁轴承用钢的性能要求
1．4．1 滚动轴承服役条件及失效形式
1．4．□ 高铁轴承钢的质量和性能要求
1．5 渗碳轴承钢热处理工艺的研究现状
1．5．1 预处理
1．5．□ 渗碳
1．5．3 渗碳后热处理
1．6 深冷处理
1．6．1 深冷处理的研究现状
1．6．□ 深冷处理对性能的影响
1．6．3 深冷处理的作用机理

□ 渗碳轴承钢的材料制备
□．1 引言
□．□ 化学成分设计
□．3 化学元素作用
□．4 成分优化
□．5 平衡相图
……