1、<p>　　中文3930字，3125單詞,17200英文字符</p><p>　　出處：Chenje T W, Simbi D J, Navara E. Relationship between microstructure, hardness, impact toughness and wear performance of selected grinding media for mineral or

2、e milling operations[J]. Materials & design, 2004, 25(1): 11-18.</p><p>　　礦石研磨操作中選擇的研磨介質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)、硬度、沖擊韌性和磨損行為的關(guān)系</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　通過實驗室的研磨實驗，研究了5種已選工業(yè)研磨球的微觀、

3、力學(xué)性能和磨損行為的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著碳含量的增加，研磨介質(zhì)的硬度和耐磨性得到了一定的升高，反映了從鋼中的全珠光體組織到在鑄鐵的珠光體中析出硬質(zhì)碳化物和殘余奧氏體的過渡。沖擊實驗結(jié)果表明熱處理后顯著改善了中鉻鑄鐵的沖擊韌性。這是由于連續(xù)網(wǎng)狀碳化物敏感性裂紋中斷，脫離含珠光體和殘余奧氏體的圍繞著硬質(zhì)的離散化合物。熱處理條件下的鉻鑄鐵球具有所需的組織-力學(xué)性能-磨損性能的組合。從經(jīng)濟因素和生產(chǎn)條件特別是在礦石研磨過程的角度上，支持非合金白

4、口鐵的使用。</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　上世紀(jì)下半葉礦業(yè)規(guī)模的擴大，特別是大直徑磨球機的引進通常是提高產(chǎn)品質(zhì)量和研磨劑效果的主要原因。大部分研究是針對現(xiàn)有的材料和高錳鋼的選定，由于它能夠抵抗嚴(yán)重磨損，如經(jīng)過大直徑磨球磨損等，高錳鋼成為許多早期實驗的研究重點。具有原始硬度的鋼（約200BHN）對于生產(chǎn)來說很昂貴。在同一時間脫穎而出的高

5、鉻鑄鐵，仍然選擇水泥一類較軟的研磨介質(zhì)。它們的使用已經(jīng)發(fā)展到包括采礦業(yè)的內(nèi)襯材料的生產(chǎn)。</p><p>　　今天大多以馬氏體低合金鋼作為工業(yè)研磨介質(zhì)，可以選擇鍛造和鑄造的等級。這些鋼的主要優(yōu)點是它們對于大多數(shù)磨損條件的適應(yīng)性，和應(yīng)對磨損率容易接受的成本。由于平均耐磨性和沖擊韌性不足，全世界幾乎停止了用于現(xiàn)代化大直徑磨球的非合金白口鑄鐵的生產(chǎn)，但在包括津巴布韋的一些國家非合金白口鑄鐵仍然是最受歡迎的研磨介質(zhì)。&l

6、t;/p><p>　　目前市場上寬量程的磨球，很難達到用戶需要的成本低、性能高的要求。相同條件下，這些磨球的組合性能并不良好。因此，成本價格的使用優(yōu)于成本效益，研磨介質(zhì)的選擇標(biāo)準(zhǔn)普遍導(dǎo)致研磨劑的高成本。本次調(diào)查的目的是比較在相同的條件下，不同材料的相對性能。、</p><p>　　Table 1 Chemical composition of selected grinding media (

7、wt.%)</p><p><b>　　實驗方法</b></p><p><b>　　實驗材料</b></p><p>　　本次實驗使用的材料是五種類型的磨球，其名稱和化學(xué)成分列于表1。直徑為60mm磨球是在400kg感應(yīng)爐和砂型鑄造中生產(chǎn)的。對共析鋼，鑄造半鋼和中鉻鑄鐵的磨球進一步進行熱處理，分別加熱到750℃、850℃

8、、1050℃，保溫3h后空冷。</p><p><b>　　金相組織分析</b></p><p>　　從不同工藝下的實驗鋼切下金相試樣，拋光后用3%的硝酸酒精溶液腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察微觀結(jié)構(gòu)并拍下顯微照片，圖像分析儀測定鑄鋼和中鉻鑄鐵試樣和非合金鑄鐵中碳化物的體積分?jǐn)?shù)，。</p><p><b>　　沖擊實驗</b>&

9、lt;/p><p>　　在表1描述的每種類型的磨球中隨機抽取三個球作為沖擊試驗的試樣，磨球從6m的高度落在錳鋼砧上。記錄并計算出使每個試驗?zāi)デ驍嗔阉柘侣涞拇螖?shù)。觀察和記錄鑄態(tài)和熱處理試樣的剝落和散裂程度。</p><p><b>　　硬度測試</b></p><p>　　實驗?zāi)デ虻挠捕扔谩癈”級羅克韋爾硬度儀進行測量，將30kg和10kg作為主要

10、載荷和次要載荷。</p><p><b>　　磨損試驗</b></p><p>　　評估研磨介質(zhì)磨損行為的磨損試驗在一批0.45m×0.45m的磨球上進行。分別使用21kg和30kg的磨球。每個實驗球被長25mm寬3mm的不同取向的淺槽標(biāo)記（用于識別）。邦德功指數(shù)（BWI）為14.4kWh/t的花崗巖砂礫（津巴布韋礦石的典型特征）作為爐料。在初次實驗時，以獲

11、得接近300mm的調(diào)和平均尺寸（HMS）的產(chǎn)品的時間作為磨損時間。例如磨損時間分別是3h、4h和5h時，給出的HMS值分別是810mm、360mm和280mm。相應(yīng)的，隨后的試驗有5h的時間間隔。</p><p>　　濕磨試驗使用65%的硬粒，進行5h預(yù)磨損用于消除剝落和脫碳一類的表面缺陷，然后將磨損后的磨球進行標(biāo)記。每個實驗結(jié)束之后，重新取出標(biāo)記的球，用軟刷和清水徹底沖洗干凈，并用壓縮空氣進行干燥并稱重量。記錄

12、下每個實驗運行后的平均重量損失。試樣總數(shù)為16個，所有試樣都要進行5h的磨損。幫</p><p><b>　　實驗結(jié)果分析</b></p><p>　　在鑄態(tài)和熱處理條件下的測試球的微觀結(jié)構(gòu)示于圖1-6。</p><p>　　Fig. 1. Low alloy steel showing very fine pearlite, 1000$.&l

13、t;/p><p>　　Fig. 2. Heated treated eutectoid steel showing a fine pearlitic structure, 500$</p><p>　　圖1顯示了低合金鋼球的顯微組織。其結(jié)構(gòu)由僅能在高放大倍率下才能看見的精細珠光體組成，碳當(dāng)量為0.91，因此組織中不應(yīng)該有鐵素體的存在。鑄態(tài)和熱處理狀態(tài)下的熱處理共析鋼典型組織如圖2所示。結(jié)構(gòu)包含

14、與低合金鋼一樣的層狀難溶解的精細珠光體。</p><p>　　Fig. 3. (a) Medium chromium cast iron in the as cast condition showing coarse carbides in a pearlitic matrix, 500$ and (b) Heated treated medium chromium cast iron showing refin

15、edcarbides in a pearlitic matrix, 500$.</p><p>　　圖3顯示了鑄態(tài)和熱處理狀態(tài)下中鉻鑄鐵磨球的組織結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)基本相同，主要包括由珠光體和殘余奧氏體包圍的碳化物。在鑄態(tài)材料中很多碳化物粗糙而細長（圖3a）。鑄態(tài)球在熱處理時，碳化物結(jié)構(gòu)相當(dāng)完善。之后熱處理中出現(xiàn)少量殘余奧氏體。由圖像分析評估出中鉻球在鑄態(tài)和熱處理狀態(tài)下碳化物的體積分?jǐn)?shù)分別是28%和31%，這些數(shù)值是對

16、不同區(qū)域組織測量后得到的平均值。</p><p>　　Minkoff能夠證明M7C3的中、高鑄鐵碳化物的類型，M是鉻和鐵。采用Fe-Cr-C三元相圖，要求鉻和碳含量能在中、高鑄鐵形成一個完全溶解的組織：</p><p>　　碳化物總量（%）=12.33C+0.55Cr-15.2 (1)</p><p>　　這個公式給出中鉻鑄鐵球（表1）的

17、碳含量為31.6%。分別比鑄態(tài)和熱處理狀態(tài)下的磨球高27.85%和30.97%。在圖像分析的基礎(chǔ)上進行體積分?jǐn)?shù)的計算。</p><p>　　鑄態(tài)非合金白口鐵的微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示，基本上包括奧氏體突觸，即珠光體和共晶碳化物的混合物。連續(xù)網(wǎng)絡(luò)中的共晶碳化物體積分?jǐn)?shù)為22%，只能在高倍顯微鏡下看出。半鋼球結(jié)構(gòu)（圖5）與非合金鑄鐵非常相似，但它含有半鋼球結(jié)構(gòu)中沒有的魏氏體（圖4）。當(dāng)鑄造半鋼進行能夠大量消除魏氏體組織的熱

18、處理（圖6）時，網(wǎng)狀碳化物變得不連續(xù)。位于鐵碳相圖邊界的熱處理溫度促進珠光體和少量的滲碳體向奧氏體轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致碳化物網(wǎng)絡(luò)的減少和精細結(jié)構(gòu)的演變。圖像分析測量出鑄態(tài)和熱處理狀態(tài)下半鋼的碳化物的體積分?jǐn)?shù)分別為25%和15%。</p><p>　　Fig. 4. (a) Unalloyed cast iron showing pearlite (P) formed from</p><p>　

19、　Fig. 5. As cast semi-steel showing pearlite (P) formed from primary austenite</p><p>　　dendrites with continuous network of eutectic carbides (C), 200$.</p><p>　　表2給出了圖1~6描述的磨球類型的微觀結(jié)構(gòu)，由于與低合金鋼精細

20、珠光體組織相比硬質(zhì)碳化物的形成，具有較高碳含量的鑄鐵相應(yīng)的具有較高的硬度值（圖7）。熱處理通過改變微觀結(jié)構(gòu)來提高材料的性能只能大大提高中鉻鑄鐵、低共析鋼和半鋼的硬度值。</p><p>　　共析鋼和低合金鋼的碳含量較低，因此減少的硬度值使沖擊試驗進行的非常好（圖8）。由于完全珠光體精細結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良，經(jīng)過3000次沖擊后，共析鋼在的鑄態(tài)和熱處理條件下沒有損壞，然而在表面上觀察到碎片。落下次數(shù)從鑄態(tài)下的1344提高到

21、熱處理后的2627，中鉻鑄鐵球的性能得到明顯提高。尤其是在鑄</p><p>　　Fig. 6. Heat treated semi-steel showing pearlite (P) formed from austenite</p><p>　　dendrites with a discontinuous carbide (C) network, 200$.</p>&

22、lt;p>　　Table 2 Summary of microstructural features observed in the grinding media investigated</p><p>　　態(tài)條件下，在斷裂之前磨球發(fā)生大量的剝落。由于殘余奧氏體減少的影響，剝落范圍的減少，使熱處理球破碎的沖擊次數(shù)的增加。后者產(chǎn)生脆性的應(yīng)變誘導(dǎo)相變馬氏體剝落，相變造成的體積增加也可以導(dǎo)致剝落的發(fā)生。因此，鑄

23、態(tài)球中大量的奧氏體會產(chǎn)生板條馬氏體，從而導(dǎo)致更高程度的剝落。這些磨球顯微組織的主要硬質(zhì)相成分是脆性的。因為它在存在于連續(xù)網(wǎng)絡(luò)中，這大大促進了裂紋的擴展。由于碳化物網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性質(zhì)的減少，半鋼熱處理可以略微提高沖擊韌性。</p><p>　　濕磨測試結(jié)果如圖9所示。質(zhì)量損失的斜度與研磨時間是不同類型磨球磨損率指標(biāo)。一般來說，磨球類型在高磨損率的磨損試驗中展示出低硬度值（圖10），不能表現(xiàn)出較高沖擊值（圖11），碳含量影

24、響（圖12）反應(yīng)耐磨性的顯微結(jié)構(gòu)成分的轉(zhuǎn)變（表2）。然而，共析鋼磨球與具有相同組織結(jié)構(gòu)的鑄造球相比，具有稍高的強度，和相當(dāng)高的磨損率，這是熱處理中的特殊情況。軟研磨介質(zhì)有時可能被研磨材料包裹，成為鑲嵌在磨球中的軟基質(zhì)。這有效地降低了磨球與其他磨料的相互作用。在目前的記錄工作中，尚未研究中鉻鑄鐵在鑄態(tài)下的磨損性能。按以往經(jīng)驗，材料僅僅用于熱處理的磨損操作中。</p><p>　　Fig. 7. Effect of

25、carbon content of grinding media type on hardness.</p><p>　　Fig. 8. Effect of carbon content of grinding media type on toughness</p><p>　　(as indicated by the drop count number).</p><

26、p>　　礦石研磨中，磨球以金屬顆粒的形式從表面去除。如預(yù)期所示，磨球材料的微觀成分的分布及特征，成為確定耐磨性的主導(dǎo)因素。有時應(yīng)用熱處理（在研磨介質(zhì)成本增加）具有生產(chǎn)所需的微觀組織的作用。已經(jīng)確定，硬質(zhì)碳化物能夠大大提高耐磨性很大程度的決定于基質(zhì)的特征，碳化物負責(zé)適當(dāng)提高耐磨性。</p><p>　　Fig. 9. Variation of mass loss of grinding media type

27、with milling time.</p><p>　　Fig. 10. Correlationship between wear rate and hardness of selected grinding media.</p><p>　　一般來說，可以通過熱處理工藝提高材料的耐磨性，但又消耗了額外的成本。通過加入足夠的碳，使結(jié)構(gòu)中形成大量的初生碳化物，硬度和耐磨性都不需要進行任何熱

28、處理就能夠得到提高。磨損率從鑄態(tài)共析鋼的0.51g/h降低到非合金白口鑄鐵的0.46g/h，但這常常很大的減少了沖擊韌性。</p><p>　　考慮到經(jīng)濟上的問題，似乎使用非合金白口鐵作為研磨材料優(yōu)于結(jié)合功參數(shù)為13~18kWh/t粗糙礦石，與非合金鑄鐵相比更易用。然而由于沖擊磨損性能較</p><p>　　Fig. 11. Correlationship between wear rat

29、e and toughness of grinding media</p><p>　　(as indicated by the drop count number).</p><p>　　Fig. 12. Effect of carbon content of the grinding media type on the wear rate.</p><p>　　

30、弱，其在中小直徑磨球的應(yīng)用受到限制。熱處理后的半鋼看起來可以替代非合金白口鐵，但由于在生產(chǎn)過程中熱處理和碳含量的控制造成的額外費用使它們更昂貴。由于其較高的成本，盡管在軟礦石磨損中有利，耐磨實驗中實驗結(jié)果最好的中鉻鑄鐵也不可取。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　A．研究表明，從鋼到鑄鐵，研磨介質(zhì)的硬度和耐磨性隨碳含量的增加而增加。磨損試驗

31、中磨球類型性能如下： </p><p>　　熱處理中鉻鑄鐵＞熱處理半鋼≥非合金鑄鐵＞低合金鋼＞鑄態(tài)半鋼＞鑄態(tài)共析鋼＞熱處理共析鋼</p><p>　　B．純珠光體結(jié)構(gòu)鋼具有良好的沖擊韌性，但是硬度低。在詳細的研究條件下，它們的耐磨性能非常好。當(dāng)采用硬質(zhì)裝載材料時，尤其是大的磨球機，證明這些鋼可能是非常有用的。</p><p>　　C．通過提高碳含量生產(chǎn)鑄鐵，硬度和