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1、河北工业大学硕士学位论文 i 复合金属型铸造复合金属型铸造铬系铬系磨球早期失效机理的研究磨球早期失效机理的研究 摘摘 要要 磨球是广泛用于冶金选矿、水泥制造、建材制粉等企业工况的主要研磨体之一，尤其在磨粉选矿方面，它的消耗量占据众多消耗材料首位，就磨球方面我国每年消耗百万吨以上。在众多磨球品种及生产工艺中，采用复合金属型铸造工艺铸造的磨球占整个磨球市场近 90%。但是在实际生产中，很多采用复合金属型铸造工艺生产的铬系白口铸铁磨球，在使用过程中发现磨球存在着早期失效的严重问题，严重影响磨机的研磨能力，影响企业经济效益，因此研究铬系白口铸铁磨球的早期失效机理具有深远的理论和实用价值。 深入企业调查
2、研究、分析磨球的工况条件，提取失效磨球样品，通过对失效磨球样品的全面剖析研究以及针对该类磨球的落球试验分析研究，在国内首先提出，复合金属型铬系磨球研磨成梨形而造成早期失圆的原因，不是因为砂型部位不耐磨，也不是因为工艺原因造成砂型部位凹陷致使磨球偏磨失圆的，而是磨球在服役过程中金属型与砂型边界处有剥落现象产生造成的。本文以复合金属型低铬磨球为例，通过铸造数值模拟软件 Flow-3D模拟研究了复合金属型铸造低铬磨球充型凝固特性和磨球缩松、缩孔的预测，并通过铸造数值模拟软件模拟了低铬磨球铸态下的残余应力分布情况，同时通过 X 射线衍射仪，测定了低温时效后磨球试样上的应力分布状态。研究结果表明，磨球金
3、属型部位先凝固，砂型部位后凝固，磨球内部组织致密、无缺陷，铸态下有大量的残余应力，低温时效后可以消除一定的铸造残余应力，但仍有大量残余应力存在。 通过落球试验对其剥落部位以及对磨球各部位的金相组织分析，探讨了磨球碰撞前后组织差异与磨球早期失效的关系，研究了磨球剥落失效成梨形的机理。研究结果表明，复合金属型铸造低铬磨球通过低温时效后金属型砂型交界处的残余应力仅有一定消除，但是仍存在着大量的残余应力，且该部位残余应力是拉应力状态，在此状态下受垂直于磨球球面的撞击力作用，极容易开裂，是造成其早期失效的主要原因；复合金属型低铬磨球金属型与砂型组织上的差异是造成其早期失效的原因之二。 关键词：关键词：早
4、期失效，低铬磨球，残余应力，落球试验 复合金属型铸造铬系磨球早期失效机理的研究 ii RESEARCH OF EARLY FAILURE MECHANISM OF CLAD METAL MOULD CHROME GRINDING BALL Abstract Along with development of heavy industry, millions of tons wearing products used in metallurgy and mining department to break and mill, such as grinding balls and lining b
5、oards, is consumed annually, and the consumption is increased year after year. While among numerous wear resistant materials, chrome-based white cast iron is accepted by most consumers for its excellent performance and the use ratio is enhanced continuously. But in practical production, there exists
6、 one serious problem in the use of grinding balls made of chrome-based white cast ironearly failure, which affects the grinding capability and economic performance badly. So the research of early failure mechanism has far-reaching theoretical and practical value. In this paper, the solidifying proce
7、ss of grinding balls produced by clad metal mould group casting and the prediction of shrinkage porosity and void are studied based on the casting numerical simulation software of Flow-3D. Also the distribution of residual stress of grinding balls in cast condition is simulated based on the software
8、 . The stress distribution after heat treating is determined by X-ray diffraction instrument. It is indicated that grinding balls in the metal mould solidified first and then in the sand mould, and the interior structures of grinding balls are sound and free of fault. There is a mass of residual str
9、ess in cast condition. Although a definite residual stress can be eliminated, an amount of stress still exists. Low-chrome grinding balls of clad metal mould were poured by in laboratory. The metallurgical structures in each part of grinding balls are researched through cut samples and the relation
10、between the structure difference and the early failure of grinding balls is discussed. Simultaneously, the pyriform failure mechanism of grinding balls is investigated through falling sphere tests. It is shown that the existence of a great deal of internal residual stress is the main reason for the
11、early failure of grinding balls and the structure difference is another important one. KEY WORDS: early failure, low-chrome grinding balls, residual stress, falling sphere test 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公 开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献
12、的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内 容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者 机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的 部分或全部内容用于学术活
13、动。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期： 导 师 签 名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 综述综述 失效分析的发展历程， 大体经历了简单手工生产基础相适应的古代失效分析、 以大机器工业为基础的近代失效分析和以系统理论为指导的现代失效分析三个重要的历史阶段。 磨损失效分析是现代材料科学与工程中的一个重要组成部分， 近些年， 国内的许多大专院校以及科研院所对抗磨材料的失效研究作了大量的工作，并初见成效1。 随着重工业的飞速发展，用于冶金、矿山、建材、电力等部门的破碎、制粉、排浆等设备的易损件如：磨球、衬板、锤头等，每年消耗在百万吨以上。而在众
14、多耐磨材料中铬系铸铁以其优质的性能被广大使用者所接受，尤其在铸造磨球方面，使用率呈现不断上升的趋势。但是在实际生产中，很多厂家生产的铬系白口铸铁磨球在使用过程中存在着早期失效的问题， 严重影响磨机的研磨能力， 影响企业经济效益，因此研究铬系磨球的早期失效机理具有深远的理论和实用价值。 1 1- -1 1 国内磨球材质及工艺国内磨球材质及工艺 随着我国磨球行业的迅猛发展，磨球的生产工艺日趋成熟，材质种类也趋于归类一致，下面就国内各磨球的材质、工艺发展现状、生产、使用情况作简要介绍。按磨球生产工艺划分，可分为铸造磨球、锻造磨球和其它耐磨球。其中铸造磨球又分为：铸态高铬白口铸铁磨球、高铬白口铸铁淬火
15、球、铸态中铬白口铸铁磨球、铸态低铬白口铸铁磨球、球墨铸铁磨球。 1 1- -1 1- -1 1 铸造磨球铸造磨球 1. 铬系白口铸铁磨球 近 20 年来，耐磨材料得到了广泛的发展和使用，据我国冶金、建材、电力以及汽车、拖拉机、工程机械行业的不完全统计， 我国金属耐磨材料年消耗量为 300 多万吨。 而通过铸造工艺生产的金属耐磨构件，如磨球和衬板是工业生产中消耗量最大的抗磨铸件2、3，仅在全国冶金、建材、电力、化工系统的年消耗量就达 100 多万吨，花费资金达 50 多亿元4。耐磨材料使用率的不断提高，要求对耐磨材料种类的研究也要不断深入。近年来，耐磨材料品种不断的增加，而铬系铸铁因基体上分布着
16、高硬度的碳化物，本身就是一种优良的自生复合材料，具有优越的抗磨性能在工业生产中得到广泛应用。 铬系白口铸铁起源于二十世纪初期，但其广泛应用却始于二次大战结束以后。半个多世纪以来，国内外铸造工作者对铬在铸铁中的作用进行了大量的研究试验， 使铬系铸铁的生产工艺逐渐成熟。 目前铬系铸铁磨球已取代了一些耐磨锻钢、中锰球铁和低合金钢等材质的磨球，在矿山、建材、冶金、火力发电等行业得到广泛应用，成为国内外公认的较好的抗磨材料5。 复合金属型铸造铬系磨球早期失效机理的研究 2 铬元素在铸铁中能促进碳元素生成，改变碳元素的结构、性能及形态，相变中铬固溶于奥氏体的性质，使其在抗磨、耐蚀铸铁领域成为不可缺少的元素35。近几十年来，我国的高、中、低铬铸铁磨球得到迅猛发展，其中高铬铸铁因其可大幅度节省磨球消耗，提高使用效率，减少停机次数，而被广泛使用6、7
