1、·· 沖蝕磨損是目前工業生產中普遍存在的失效形式,是許多機器設備,零件損壞報廢的重要原因,影響沖蝕磨損特性的因素有材料本身的化學成分、力學性能、過流部分的形狀、尺寸、流體的速度、流態的介質的溫度、固體顆粒硬度等。在工程實際中,渣漿泵、水輪機、泥漿泵、固/液體廢料的運輸管道等,最突出的要求就是耐高壓、耐磨損、抗腐蝕,其次是配合尺寸精度較高,但該類過流部件受到泥漿沖蝕磨損非常嚴重1-2,工業生產中大量使用的金屬耐磨材料,如高錳鋼、不銹鋼和高鉻鑄鐵等不能滿足長期服役的要求3-6。液/固雙相流用耐磨材料的選擇非常重要,選擇具有更優異性能的材料來取代泵類過流部件用傳統的金屬材料,即開

2、發研制一種能在復合磨損工況下使用、壽命長的新材質,對提高泵的工作效率,降低生產成本具有重要的經濟意義和工程應用價值。目前,先進陶瓷材料如氮化硅、碳化硅、氧化鋁和氧化鋯等在很多工業生產的應用中已經表現出了非常優異的性能(耐腐蝕、高強度、高硬度、高韌性、高耐磨性等,鮑崇高1,潘繼勇2(1.西安交通大學金屬材料國家重點實驗室,陜西西安710049;2.沈陽鑄造研究所,遼寧沈陽110022摘要:針對液/固雙相流沖蝕磨損工況,選用不同硬度的SiO 2、Al 2O 3、SiC 沖蝕磨粒,對ZTA (ZrO 2增韌Al 2O 3結構陶瓷和Cr15Mo3高鉻鑄鐵進行了沖蝕磨損性能對比試驗,并對試驗材料磨損機理

3、和微觀失效表面形貌進行了分析和討論。結果表明:對于同一種硬度的沖蝕磨粒,沖蝕磨損過程中Cr15Mo3高鉻鑄鐵材料的沖蝕磨損多,ZTA 陶瓷的沖蝕磨損少;沖蝕磨損過程中漿料固體顆粒硬度越高,試驗材料的磨損越多,同時ZTA 陶瓷抗沖蝕磨損性能越明顯,對應于不同硬度的SiO 2、Al 2O 3、SiC 沖蝕磨粒,ZTA 陶瓷抗沖蝕磨損性能分別為Cr15Mo3高鉻鑄鐵的5.8、7.0和8.2倍;沖蝕磨損過程中Cr15Mo3材料失效有明顯的方向性和腐蝕痕跡,材料的磨損以微切削、梨溝、沖蝕坑為主,“W ”型失效形貌明顯,材料組織中高硬度的碳化物有保護基體的作用,隨著磨粒硬度的增加,材料表面切削、梨溝、沖蝕

4、坑失效程度增加,ZTA 陶瓷材料在沖蝕磨損后無明顯的沖蝕方向性,材料磨損是晶界粘結相磨失、晶粒裸露為主,細小顆粒ZrO 2的存在及增韌作用使陶瓷相中氣孔數量少,并減少因疲勞裂紋擴展引起的材料破壞。關鍵詞:ZTA 結構陶瓷;Cr15Mo3高鉻鑄鐵;磨粒硬度;沖蝕磨損中圖分類號:TG174.1文獻標識碼:A 文章編號:1001-4977(200910-1012-04BAO Chong-gao 1,PAN Ji-yong 2(1.State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials,Xi'an Jiaotong Universit

5、y,Xi'an 710049,Shaanxi,China;2.Shenyang Research Institute of Foundry,Shenyang 110022,Liaoning,China Abstract :The two-phase flow of liquid and solid erosion-corrosion test was carried out to simulate different erosion-corrosion conditions.The effect of different abrasive particle hardness on th

6、e erosion-wear resistant performance of Cr15Mo3high-Cr cast iron and ZTA structure ceramics were studied,and the erosion-wear micro-failure behavior of test materials was analyzed also.The results show that the slurry erosion volume of Cr15Mo3high-Cr cast iron is bigger than that of ZTA ceramic on e

7、rosion-wear,and the erosion-wear resistance of ZTA ceramics is 5.8,7.0and 8.2times higher than that of Cr15Mo3high-Cr cast iron when the erosive abrasive particle is SiO 2,Al 2O 3and SiC,respectively.The wear amount of test materials eroded by particle with bigger hardness is also larger than that b

8、y particle with smaller hardness.It has been observed by SEM that there exists more corrosive and erosive pit morphology on the worn surface for Cr15Mo3iron,and some of surface shows clearly “W ”characteristic for Cr15Mo3iron,compared to smooth worn surface of ZTA ceramics.The reason for better wear

9、 resistance of ZTA is because of the finer ZrO 2grain and less pore compared with Cr15Mo3iron.Key words :ZTA structure ceramics;Cr15Mo3high-Cr cast iron;abrasive particle hardness;erosion-wear 不同磨粒對ZTA 結構陶瓷沖蝕磨損性能的影響Effect of Different Abrasive Particle Hardness on ErosionResistant Performance of ZTA

10、 Structure Ceramics基金項目:國家自然科學基金資助項目(50572087;中國博士后科學基金項目資助(中博字2003(03。收稿日期:2009-08-25。作者簡介:鮑崇高(1966-,男,江蘇泰州人,副教授,主要從事耐磨合金、陶瓷及復合材料研究。E-mail :cgbaoOct.2009Vol.58No.10鑄造FOUNDRY1012·· 國內有許多學者已經開始探索陶瓷材料的過流部件,近十多年來在國家相關部門支持下已經取得了飛躍的發展7-8。系統研究材料內在因素和不同的環境條件對先進陶瓷材料沖蝕磨損性能的影響規律,對不同工況條件下耐沖蝕陶瓷材料的選擇和進

11、一步開發研究具有積極的指導作用和經濟應用價值,本課題選擇常用的工業泵材料Cr15Mo3高鉻鑄鐵為對比材料,研究了硬度不同的磨粒對ZrO 2增韌Al 2O 3(ZTA 結構陶瓷沖蝕磨損性能的影響規律和沖蝕磨損微觀失效機制。1試驗材料國內外研究和開發的耐磨材料種類很多,但作為液/固雙相流過流部件所用材料主要還是白口鑄鐵、高鉻白口鑄鐵,由于耐磨、耐蝕性較好因而應用較多,Cr15Mo3高鉻鑄鐵是目前該工況下應用最多的典型材料,見表1。該材料加工后的熱處理工藝為:980,保溫4h ,空冷,240260回火。顯微組織為:彌散分布的細針狀M 7C 3型碳化物+馬氏體;密度7.76g/cm 3。淬火態Cr15

12、Mo3硬度測試平均值為HRC 64.7。圖1是本試驗中淬火態Cr15Mo3的顯微組織。 Al 2O 3陶瓷硬度高,耐磨性優越于金屬材料,但脆性大、韌性低,ZrO 2增韌陶瓷在室溫下使用可最大限度發揮其優點,在Al 2O 3中添加一定量的ZrO 2進行增韌處理后,強度和斷裂韌性都會有較大提高,基本達到低韌性金屬材料的程度9。圖2為ZTA 陶瓷材料的顯微組織,熱腐蝕制度:室溫1450,4h 。本試驗用ZTA 陶瓷材料物質組成、成形工藝及物理性能為:物質組成(質量分數:80%Al 2O 3+20%ZrO 2;冷等靜壓1500atm 下成形,在空氣中無壓燒結1600;用排水法測得ZTA 陶瓷的密度為4

13、.08g/cm 3,相對密度98%;晶粒尺寸為2.03.0m ;抗彎強度600MPa ;斷裂韌性K IC 為5MPa ·m 1/2;硬度為HV 214.5GPa 。用作沖蝕磨損試驗的磨料有很多種,常見的有石英砂(SiO 2、碳化硅(SiC 、棕剛玉(Al 2O 3和莫來石等。考慮到試驗和數據分析條件的限制,選用石英砂(SiO 2、碳化硅(SiC 、棕剛玉(Al 2O 3作為磨料。由于實際中的液/固雙相漿料固體顆粒粒徑絕大部分處于50目到500目之間,本試驗中選取粗顆粒粒徑(50-75目的三種磨料進行試驗。表2列出了本試驗選用的磨料化學成分及其物理性能。2試驗設備與試驗參數試驗所用的轉

14、盤式液/固雙相流沖蝕磨損試驗機由西安交通大學設計、濟南試驗機總廠生產,試驗裝置及結構組成見文獻10,圖3是該試驗機沖蝕磨損摩擦學系統工作原理示意圖。當試樣盤以圖示箭頭方向高速旋轉(轉速為N 時,在試樣盤側面置放的試樣失效面處平面同時以一定的線速度(數值為V 作圓周運動,N 與V 的關系為:V =N ×2/60×R ,式中R 表示試樣失效表1Cr15Mo3的化學成分Table 1Chemical composition of Cr15Mo3w B /%Si 0.24材料Cr15Mo3C 2.91Mo 2.76Cr 15.2Mn 0.92S 0.67P 0.08圖1淬火態Cr1

15、5Mo3顯微組織Fig.1As-quenched microstructure of Cr15Mo3圖2ZTA 陶瓷材料的顯微組織Fig.2Microstructure of ZTA ceramic圖3沖蝕磨損試驗機摩擦學系統及試樣尺寸Fig.3Tribology system and sample size of erosion-wear testing machine表2沖蝕磨料的化學組成及其物理性能Table 2Chemical composition and physical properties oferosion abrasive磨料碳化硅棕剛玉石英砂化學組成w B /%物理性能硬

16、度HV320034001600180012001300密度/(g ·cm -3>3.21>3.95>3.90SiC99.00TiO 20.50Fe 2O 30.20SiO 294.50FeC 0.20Al 2O 398.50鑄造鮑崇高等:不同磨粒對ZTA 結構陶瓷沖蝕磨損性能的影響1013··面至試樣盤中心的距離。本次試驗中沖蝕面至試樣圓盤中心距離為90mm ,選擇試樣線速度為10m/s ,用上述公式計算得到試驗機主軸轉速N 為1062r/min 。試樣準備:為消除試樣表面粗糙度對試驗結果的影響,對試樣的試驗表面用600#砂紙打磨,用丙酮清洗去除

17、表面污染物,烘干吹涼后在感量為0.1mg 的光電天平上稱量試樣原始質量W 0。漿料配制:試驗按質量比11.6(磨料水的比例來配置漿料。根據漿料罐容積,試驗前稱量粒度為55-75目的SiO 2、Al 2O 3、SiC 三種磨料各2.5kg ,分別與4L 水配制漿料。試驗參數:試驗時間24h ;試樣線速度10m/s ;沖蝕角度0°。本試驗中用沖蝕磨損體積損失V (mm 3·m -2·h -1來反映試驗材料的抗沖蝕磨損性能。V =(W 0-W t /(S ×t ×,式中:為試驗材料密度;W 0為試樣原重;W t 為沖蝕磨損試驗后試樣的質量,均取3個相

18、近值的平均值;S 為試樣沖蝕磨損面的面積;t 為試驗時間;是試驗材料密度。3試驗結果與分析圖4是不同硬度的SiO 2、Al 2O 3、SiC 磨粒對Cr15Mo3和ZTA 陶瓷材料的抗沖蝕性能的試驗結果比較,可以看到:對于同一種硬度的沖蝕磨粒,沖蝕磨損過程中Cr15Mo3高鉻鑄鐵材料的沖蝕磨損體積失去多,ZTA 陶瓷沖蝕磨損體積失去少;隨著漿料中沖蝕磨料硬度的提高,兩種試驗材料的沖蝕磨損量增大,Cr15Mo3沖蝕磨損體積失去分別是Cr15Mo3高鉻鑄鐵材料的5.8倍、7.0倍和8.2倍。金屬合金材料以離子鍵或金屬鍵為主,沖蝕磨損時是液/固流體以一定角度和沖擊能量對材料表面沖擊時使材料產生失效,

19、表現為切削磨損、沖擊坑、腐蝕斑點等,嚴重時會產生薄片屑形式剝落和裂紋,沖 蝕形貌有方向性。陶瓷材料以共價鍵、離子鍵為主,與金屬材料相比,兩者的缺陷、位錯和相變等各有其特性,陶瓷具有比金屬高得多的硬度和彈性模量,金屬中位錯的滑移系統比陶瓷多,因此金屬的韌性比陶瓷好得多。陶瓷材料受沖蝕時陶瓷材料的耗能方式主要靠徑向裂紋和橫向裂紋的斷裂表面能。雖然陶瓷材料的脆性較大,但其沖蝕最初也發生一定量的彈塑性變形,然后引起表面裂紋的形成與疲勞擴散。圖5、圖6、圖7分別是Cr15Mo3和ZTA 陶瓷材料的的試驗材料表面沖蝕失效SEM 形貌,可以看到:同一固體磨粒沖蝕磨損條件下,兩種試驗材料失效形貌有明顯區別,C

20、r15Mo3的腐蝕痕跡明顯(腐蝕坑多,雖然碳化物突出,但基體材料沖刷失去多,沖蝕坑多,且“W ”型失效形貌明顯;ZTA 陶瓷因主晶相陶瓷顆粒細小、硬度高,其沖蝕磨損后材料失去主要是晶界粘結相磨失多,晶粒裸露,失效表面呈“U ”型孤立的撞擊坑,晶粒無破碎和裂紋產生。ZTA 陶瓷材料組成中由于有增韌作用的細小顆粒的ZrO 2的存在,因此陶瓷相中氣孔數量很少,可以減輕有用疲勞裂紋擴展引起的破壞,這也是ZTA 陶瓷抗沖蝕磨損性能優越于Cr15Mo3材料的原因之一。隨著漿料中磨料硬度的提高,試驗材料的沖蝕磨損失效形貌也有區別,沖蝕磨料粒徑越大,沖擊材料表面能量越大,對圖4不同磨粒硬度對試驗材料的抗沖蝕性

21、能的影響Fig.4Effect of different abrasive particle hardness on anti-erosion propertyof test materials圖5SiO 2為沖蝕固體磨粒時試驗材料表面沖蝕磨損SEM 形貌Fig.5SEM morphologies of samples with SiO 2as erosion abrasive(a Cr15Mo3(b ZTA圖6棕剛玉(Al 2O 3為沖蝕固體磨粒時試驗材料表面沖蝕磨損SEM 形貌Fig.6SEM morphologies of samples with corundum as erosion

22、 abrasive(a Cr15Mo3(b ZTA 圖7SiC 為沖蝕固體磨粒時試驗材料表面沖蝕磨損SEM 形貌Fig.7SEM morphologies of samples with SiC as erosion abrasive(a Cr15Mo3(b ZTA FOUNDRY Oct.2009Vol.58No.101014··(上接第1011頁幅下降,尤其是樹脂表層。故樹脂粘連是因為樹脂表層發生了玻璃化轉變,出現粘性流動變形,顆粒間的空隙率逐漸變小,最后完全消失,使顆粒從分散狀變成整體塊狀即出現粘連現象。(2樹脂在粘連后的含水量急劇增加,且樹脂的T g隨含水量的增加而

23、降低,說明正是樹脂含水量的增加導致T g的降低;樹脂的抗粘連性能隨樹脂吸濕能力的增加而降低。(3樹脂的粘連溫度隨著樹脂軟化點的增加而增加。因為軟化點不僅提高樹脂的T g,且能減少裸露在外的親水基團,減少樹脂的吸濕性。參考文獻:1李榮啟.高性能殼法用酚醛樹脂的合成及其信息管理系統的開發D.武漢:華中科技大學,2005.2Harrod A.Complex castings from the shell processJ.Foundry TradeJournal,2003,177(3606:11-12,14.3Knopp A,Pilate L A.Phenolic resinM.Berlin:Spr

24、inger-Verlag,1985:28-29.4康明,伍玉林,王文清,等.熱塑性酚醛樹脂的熱態流變特性對覆膜砂性能的影響J.現代鑄鐵,1998,70(2:11-13.5黃發榮,焦楊生.酚醛樹脂及應用M.北京:北京工業出版社.2003.6熊建民,李遠才,陳潔.殼法用酚醛樹脂粘連現象的研究J.鑄造,2007,56(1:71-74.7何曼君.高分子物理M.上海:復旦大學出版社,1990.8劉鳳岐,湯心頤.高分子物理M.北京:高等教育出版社,1995.9趙得祿,過梅麗.高分子物理M.北京:北京航空航天大學出版社,2005.10過梅麗.高聚物與復合材料的動態力學熱分析M.北京:化學工業出版社,2002

25、.11劉卓.非晶高聚物粉體玻璃化轉變特性及分散穩定性D.大連:大連理工大學,2005.12Roos Y,Karel M.Applying state diagrams to food processing anddevelopmentJ.Food Technology,1991,12:66-71.13Roos Y H,Karel M.Glass transitions in low moisture and frozen foodsJ.Progress in Food and Nutrition Science,1999,16(2:322-328.(編輯:劉冬梅,ldm材料表面沖刷磨損越嚴重,

26、因此材料磨損越多。對于Cr15Mo3材料沖蝕坑多,失效明顯;而對ZTA材料,沖蝕磨粒粒徑越大,“U”型撞擊坑直徑大,數量多,粘結相磨失越多,晶粒暴露也越多。4結論試驗研究了不同硬度的SiO2、Al2O3、SiC沖蝕磨粒對Cr15Mo3和ZTA陶瓷材料的抗沖蝕性能的影響,分析了試驗材料沖蝕磨損表面微觀失效機制,得到如下結論:(1對于同一種硬度的沖蝕磨粒,沖蝕磨損過程中Cr15Mo3高鉻鑄鐵沖蝕磨損多,ZTA陶瓷沖蝕磨損少。(2沖蝕磨損過程中漿料固體顆粒硬度越高,試驗材料磨損越多,同時ZTA陶瓷抗沖蝕磨損性能越明顯,對應于不同硬度的SiO2、Al2O3、SiC沖蝕磨粒, ZTA陶瓷抗沖蝕磨損性能分別為Cr15Mo3高鉻鑄鐵的5.8倍、7.0倍和8.2倍。(3沖蝕磨損過程中Cr15Mo3材料失效有明顯的方向性和腐