奥氏体含量对CADI磨球腐蚀磨损特性的影响

　　　奥氏体含量对CADI磨球腐蚀磨损特性的影响

　　　　　　　　　 刘金海

1、课题的提出

矿物研磨有两种方式：干式研磨和湿式研磨。湿式研磨的效率远比干式研磨高，并且操作环境的粉尘和噪声等污染可以得到控制，因此，大多数金属矿石研磨都采用湿式研磨，但是在湿式研磨机中，砂浆介质会给磨矿设备及配件带来腐蚀问题。研究表明，在湿式磨矿中材料的消耗要远大于干式磨矿^[[i]]。这意味着腐蚀作用给设备及工件带来的损失消耗相当严重，湿式球磨机中的工况十分复杂且较为恶劣，金属耐磨材料的失效方式为腐蚀和磨损的综合作用，腐蚀和磨损交互作用会在很大程度上加速材料的流失。因此，研究CADI磨球材料的腐蚀磨损特性具有非常重要的实际工程应用价值。

奥氏体铸造磨球（CADI)生产线成套设备

2、研究方法

本研究选用4种不同等温淬火温度下的CADI作为试验材料。实验所研究的试样是直径为100mm的CADI磨球，采用金属型覆砂铸造。利用线切割在热处理后的磨球上切取试样。

矿山选矿用水多为浅层地下水和再利用的选矿废水，其离子浓度很高。为了调整这种选矿用水的PH值，矿山一般采用中和沉淀法、硫化沉淀法、沉淀浮选法等方法，但由此使得选矿用水的PH值的变化也很难精确控制，直接导致选矿用水可能出现弱酸、中性、弱碱的任何一种情况。为模拟实际工况，本研究选用0.1mol/L的NaOH溶液和0.1mol/L的稀硫酸溶液加去离子水来配制试验介质，调节试验介质的酸碱度分别约为PH4、PH7、PH10。

为了研究不同奥氏体含量的CADI的腐蚀磨损性能，本文设计了静态腐蚀试验和动态腐蚀磨损试验，其中，静态腐蚀试验包括材料腐蚀电位测量、动电位极化曲线测量、全浸腐蚀速度试验等，腐蚀磨损试验包括湿砂橡胶轮磨损试验、搅拌冲刷腐蚀磨损试验和冲击腐蚀磨损试验。本实验采用低铬铸铁磨球材料作为参考耐磨材料，利用相对耐磨性表示不同奥氏体含量的耐腐蚀磨损性能。

电化学腐蚀试验采用经典三电极体系（工作电极、参比电极和辅助电极），所用试验设备为LK2005A型电化学工作站。

3、实验结果及分析

3.1等温温度对CADI奥氏体及其含碳量的影响

    奥铁体中针状铁素体的晶核往往在过冷奥氏体晶界或奥氏体与石墨的界面处产生，又因针状铁素体形成温度较低，铁原子难以扩散，只能以共格切变的方式来完成由面心立方晶体向体心立方晶体的晶格重建，即完成奥氏体向贝氏体的转变^[[ii]]。贝氏体型铁素体长大的驱动力是碳在奥氏体中的浓度梯度，其形成过程的实质是置换型原子的点阵切变重组过程，伴随有不同程度碳原子的扩散。

从图2中可以看出随着等温淬火温度的升高（210^oC～300^oC），残余奥氏体的量逐渐增大。当等温淬火温度为210 ^oC时，碳原子在奥氏体中的扩散系数D  _γ较小，由针状铁素体通过α/γ界面固溶到奥氏体中的碳原子受到抑制，固溶过程不能充分进行，初生的针状铁素体片中的碳被过饱和，而奥氏体中的含碳量较低，稳定性较差，空冷后可转变为马氏体，导致组织中的残余奥氏体量减少。由于碳原子不能顺利的从针状铁素体中向外扩散，同时加入了合金元素，降低C在奥氏体中的活度^[[iii]]，抑制针状铁素体的生长，致使残余奥氏体中的碳含量降低^[[iv],[v]]。随着等温淬火温度升高，针状铁素体的转变孕育期缩短，转变速度加快，碳原子的扩散活化能降低，从而碳原子的扩散能力增强，有较多的碳原子固溶到奥氏体中，导致针状铁素体中碳的饱和度下降，而奥氏体中的碳浓度增加。随着α/ γ界面推移，针状铁素体的含量不断增加，而奥氏体含量相对不断减少，碳原子不断固溶到奥氏体基体内，导致残余奥氏体含碳量的增加，稳定性增强，空冷后残余奥氏体的含量增加。同时，由于CADI中合金元素具有“拖拽作用”，可以抑制碳化物的析出，从而奥氏体的含碳量将不断提高。奥氏体的含碳量增加，稳定性增加，空冷后转变成马氏体的量很少，残余奥氏体的含量增加。由于高温转变针状铁素体的碳固溶效果较低，以及富碳奥氏体的硬度较低，所以，随着等温温度的升高，宏观硬度降低。

3.2静态腐蚀性能

CADI试样在弱酸性、中性和弱碱性溶液中，首先，其腐蚀速率随着等温淬火温度的升高呈现增大的趋势，当奥氏体含量达到22%左右，腐蚀速度达到**值；然后随着等温温度的升高，CADI在弱酸性和弱碱性介质中，呈现出降低的趋势，而在中性介质中，腐蚀速度变化不大。大家知道，奥氏体相是一个耐蚀组织，理论上讲，奥氏体含量增加，耐蚀性应当提高。为什么在奥氏体含量为16-22%的范围内，增加奥氏体量，CADI的耐蚀性反而降低？这可能与富碳奥氏体与低碳针状铁素体之间的碳量差有关系，这需要进一步研究。

总体看，CADI在弱酸性（PH4）介质中的腐蚀速度最高，在弱碱性（PH10）介质中的腐蚀速度最低，在中性（PH7）介质的腐蚀速度居中。这说明CADI在酸性介质中的耐蚀性较低，在碱性介质中耐蚀性较好。

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3.3电化学性能

CADI自腐蚀电位随着奥氏体含量的增加逐渐降低；当奥氏体含量达到22%左右时，自腐蚀电位减小到最低值；继续增加奥氏体的含量，CADI在酸性介质和碱性介质中，其自腐蚀电位又具有升高的趋势，而对于在中性介质中，变化不大。

开路电位OCP（open circuit potential）又称为自腐蚀电位Ecorr或稳定电位，是指在一个特定的腐蚀体系中，在不加外界电流的状态下测试出的金属电位。自腐蚀电位反应的是材料发生腐蚀的难易程度，无法反映腐蚀速度大小。腐蚀电位值越负，一般表示该材料的耐蚀性越差，即容易被腐蚀。腐蚀电位越高，表征材料更耐蚀，但不能说明腐蚀速率。腐蚀速率的大小应该用自腐蚀电流密度来表征，自腐蚀电流密度越小，代表材料的腐蚀速度慢。

首先，CADI自腐蚀电流密度随着奥氏体含量的增加逐渐升高；当奥氏体含量达到22%左右时，自腐蚀电流密度达到**值；继续增加奥氏体的含量，CADI在酸性介质和碱性介质中，其自腐蚀电位又具有降低的趋势，而对于在中性介质中，变化不大。根据电化学腐蚀原理，自腐蚀电流密度越大，材料的耐蚀性越低，即越容易腐蚀。这说明，当CADI的奥氏体含量在22%左右范围内，其耐蚀性较差。这印证了图5中22%左右奥氏体含量的CADI磨球腐蚀速度最快的试验结果。

3.4腐蚀磨损性能

3.4.1低应力条件下的腐蚀磨损性能

在酸性介质中，CADI材料的质量损失比碱性介质的高，中性介质中材料质量损失最低。在酸性介质和碱性介质中，当奥氏体含量在22%左右，腐蚀失重皆反映出**值，既相对耐磨性最低。在中性介质中，随着奥氏体含量的增加，腐蚀磨损失重逐渐升高，相对耐磨性逐渐降低。

3.4.2 冲击载荷条件下的腐蚀磨损性能

本实验利用MLD-10型动载荷磨料磨损试验机，冲击功1J，转数200转/分钟，试样冲击频率100次/分钟。图10和图11为奥氏体含量对CADI磨球材料冲击腐蚀磨损失重和相对耐磨性的影响规律。

由图10和图11可见，首先，随着奥氏体量的提高，冲击腐蚀磨损条件下的腐蚀磨损失重逐渐增加，相对耐磨性逐渐降低；对于酸性介质和碱性介质，当奥氏体含量在20-22%范围内，腐蚀磨损失重达到**值，相对耐磨性最低，当奥氏体含量大于22%后，腐蚀失重又逐渐减小，耐磨性逐渐提高。在中性介质中，CADI磨球材料的奥氏体量超过20%后，耐磨性变化不大。

奥氏体铸造磨球（CADI)油淬生产线成套设备

3.4.3   冲刷腐蚀磨损特性

冲刷腐蚀磨损实验在MLD-10型动载磨料磨损试验机上进行，如图12所示。试样介质为酸性（PH≈4），由0.1mol/L的H₂SO₄溶液加去离子水配置，每次试验可装夹4个试样，试样尺寸为50×15×5mm，各个面均在磨床修磨以达到表面精度要求，砂浆比为5：8，砂子粒度为12～24目，主轴转速为200转/分，试验时间为4小时，为了保证砂浆介质的酸碱度，每隔半小时调节一次PH值。采用失重法测试试样抗冲刷腐蚀磨损性能。

  在酸性介质条件下，首先，随着奥氏体含量的增加腐蚀磨损失重提高，耐磨性降低；当奥氏体量在20%左右，冲刷腐蚀磨损失重达到**值，相对耐磨性最低；当奥氏体含量大于20%，冲刷腐蚀磨损失重逐渐降低，相对耐磨性增加。

3、结论

（1）  奥铁体中奥氏体含量对CADI磨球在不同介质中的腐蚀磨损性

影响很大，应根据不同的介质条件，选择不同含量奥氏体的CADI材料。

（2）       在酸性、中性和碱性介质中，随着奥氏体含量的增加，CADI的静态腐蚀速度逐渐提高；当奥氏体量在22%左右时，腐蚀速度达到**值；当奥氏体量大于22%后，在酸性和碱性介质中CADI的腐蚀速度又逐渐降低，但对于中性介质，CADI腐蚀速度变化不大。

（3）       在酸性、中性和碱性介质中，随着奥氏体含量的增加，CADI的静态自腐蚀电位逐渐降低；当奥氏体量在22%左右时，自腐蚀电位降低到最小值；当奥氏体量大于22%后，在酸性和碱性介质中CADI的自腐蚀电位又逐渐提高，但对于中性介质，自腐蚀电位变化不大。

（4）       在酸性、中性和碱性介质中，在低应力和冲击载荷条件下，随着奥氏体含量的增加，CADI的相对耐磨性逐渐降低；当奥氏体量在22%左右时，其耐磨性降低到最小值；当奥氏体量大于22%后，在酸性和碱性介质中CADI的耐磨性又逐渐提高，但对于中性介质，耐磨性变化不大。

（5）       低应力载荷条件下，CADI在碱性介质中腐蚀磨损相对耐磨性优于在酸性和中性介质中的耐磨性。在冲击载荷条件下，CADI在酸性介质中腐蚀磨损失重较大，但是其相对耐磨性优于在酸性和中性介质中的耐磨性。

参考文献

[[i]] I. Iwasaki, S.C. Riemer.Corrosive and abrasive wear in ore grinding [J]. Wear, 1985, 103(3): 253~267.

[[ii]] 方鸿生, 王家军等. 贝氏体相变[M]. 北京:科学出版社, 1999.

[[iii]] R.C.Voigt. 等温处理球墨铸铁组织的扫描电镜分析[C]. 奥氏体-贝氏体球墨铸铁. 武汉, 1986: 49~60.

[[iv]] 徐祖耀, 刘世楷. 贝氏体及贝氏体相变[M]. 北京:科学出版社, 1999.

[[v]]AaronsonH I. The Mechanism of Phase Transformation in Crystalline Solids[J]. The Institute of Metals, 1969: 270~281.

（转自铸造工业）