湿式弱碱性介质下的半自磨机衬板腐蚀磨损分析

 陈胜迁1，2  郑开宏1  王海艳1

 （1．广东省材料加工研究所；2．张家界航空工业职业技术学院）

摘要针对钒钛磁铁矿湿磨工况下，半自磨机衬板的失效行为进行了研究。采用OM.SEM.EDS.硬度仪等分析手段分析了失效衬板组织的形貌特征，讨论了衬板材料在弱碱性工况下的腐蚀磨损机理。结果表明，失效衬板表面主要以切削犁沟、腐蚀坑和裂纹为主，材料表面硬度低、加工硬化效果不明显以及腐蚀磨损的交互作用是导致衬板失效的主要原因。

 关键词  衬板；弱碱性；腐蚀磨损

 中图分类号  TD453；TH117 DOI：10. 15980/j．tzzz．2016. 06. 005

 腐蚀环境中摩擦表面出现的材料流失现象称为腐蚀磨损，简称为磨蚀。我国每年因腐蚀磨损造成的经济损失十分惊人，引起人们的广泛关注。而湿态腐蚀磨损工况下，衬板既承受矿浆的腐蚀磨损，又受到磨球和矿石的冲击磨损，服役工况非常恶劣，造成衬板的寿命大幅度降低，一般不到半年就需要更换，成本较高。因此，分析衬板在湿磨工况下的失效机理，对湿式半自磨机衬板材料的改善或替代具有重要的意义，但目前有关钢铁耐磨材料在湿式腐蚀磨损工况下的耐磨耐蚀性研究报道很少。

 攀枝花钒钛磁铁矿厂采用湿磨工艺，半自磨机衬板在湿式弱碱性矿浆介质中工作，受到高应力冲击磨损、磨料磨损以及矿浆的腐蚀磨损，使用环境极其恶劣。矿石中主要金属矿物为钒钛磁铁矿、钛铁矿、铁的硫化物，另有少量赤褐铁矿、硅酸铁等，硬度在摩氏硬度6～8之间，矿浆pH值为8.6～8.8。原矿的多元素分析见表1半自磨机规格及衬板服役工况见表2。

 本课题针对攀枝花钒钛磁铁矿的半自磨机衬板，分析了衬板腐蚀磨损微观形貌，研究了湿式弱碱性介质下材料腐蚀与冲击磨损的交互作用，以期为提高衬板的使用寿命及合理选材提供参考。

1  试验材料及方法

 将刚拆卸的磨损衬板，用自来水冲洗干净，然后从磨损衬板的表面切割200 mm×200 mm的大块试样，表面涂敷黄油保护，再通过线切割加工成10 mm×10mm×30 mm的试样，试样用超声波清洗后，再分别用直读光谱、布氏硬度计、DMI3000M金相显微镜和JXA-8100型扫描电镜等设备对试样进行成分分析、硬度测试、微观组织分析和表面形貌分析。

2  试验结果与分析

2.1衬板的化学成分、组织及力学性能

 衬板的材质是5Cr2NiMo合金钢，其化学成分和力学性能见表3、表4。用布氏显微硬度仪测量衬板厚度方向的亚表层硬度(HV)为439～452，而远离表层的(5mm以上)为395～414。硬度分布相差不大，湿磨工况下浆料对磨球的缓冲作用使衬板处于低冲击载荷状态，衬板表面加工硬化作用未能进一步发挥，材料的耐磨性未得到大幅度提升。

 图1是衬板的微观组织照片，图2为XRD图谱。可以看出，微观组织主要由马氏体和残余奥氏体组成。

2.2衬板的腐蚀磨损形貌与分析

 图3是衬板表面的微观形貌。可以看到，材料的表面有大量的划痕和切削犁沟；整个工作表面上还可观察到许多细小的、成片生长的凹坑，这些凹坑的形貌与犁沟不同，主要以半球状为主，内部较为光滑，未观察到塑性变形特征，为典型的腐蚀坑，见图3。

 图4是切削犁沟的微观形貌图。可以看出，材料的表面发生塑性流动并犁出一条沟槽，沟槽两侧有凸起的塑性变形金属，底部有腐蚀坑。这是由于衬板的硬度低、韧性好，磨料的粗糙峰在外部应力作用下嵌入金属表面，在滑动中推挤金属，使材料发生塑性流动被推移到磨料运动路径的两侧或前方并呈层状分布，这些材料易在其他磨料的作用下被磨掉，而层状分布的材料造成金属表面电化学性质不均匀，大大加速了腐蚀磨损条件下的腐蚀过程，从而在沟槽的不同区域产生腐蚀坑。

 图5是腐蚀剥落坑的微观形貌，其中可观察到腐蚀剥落坑周边有大量的腐蚀坑和磨损痕迹，底部微观形貌与纯腐蚀的形貌相同，有腐蚀坑和小的颗粒嵌入物，无显著塑性变形痕迹。腐蚀剥落坑与疲劳剥落坑不同，分析认为疲劳剥落坑是在循环加载过程中局部塑性变形积累和亚表面裂纹形成与扩展、合并，直至材料分离所产生；腐蚀剥落坑是在腐蚀与磨损的相互促进过程中形成的，兼有磨料磨损、腐蚀磨损等多种磨损特征。

 图6是衬板冲击腐蚀磨损的腐蚀坑的微观形貌，可以看出腐蚀比较严重，腐蚀坑成片生长呈蜂窝状分布，大的腐蚀坑深处和周边，还存有大量细小的腐蚀坑，表面出现明显变形、磨损。表明在自磨机工作过程中，材料表面在矿石和磨球的剪切力作用下产生局部塑性变形，从而造成塑性变形区电化学性质不均匀，形成电位差，变形区阳极的电化学腐蚀速度大于均匀腐蚀从而产生腐蚀坑，并进一步造成腐蚀坑的面积和深度增大，同时产生大量新的腐蚀小坑。对衬板的腐蚀坑表面进行了EDS元素分析，其取点位置见图7，成分分析见表5。由表5可见，腐蚀较轻区C与Fe的摩尔比远高于基体，表明C在谱图3区域发生了富集，其原因可能是碳化物在基体上的均匀弥散析出，这可提高钢的耐腐蚀性。

 循环往复的冲击加载，使衬板表面发生塑性变形并累积到一定极限，在腐蚀与磨损的交互作用下材料表面及表层形成裂纹，进而扩展导致材料发生大量剥落。图8是衬板450斜切面上裂纹的微观形貌。可以看出，裂纹的扩展与冲击轴线成一角度，其周边未观察到明显的腐蚀产物，裂纹呈连续状，无分叉。结合表6开裂处EDS分析结果可知，裂纹形成区域与基体成分不同，其C含量远高于基体并伴有局部氧化反应，表明钢中富集的碳化物会给材料的塑性带来一定的负面效应。

2.3讨论

 从衬板的微观形貌来看，衬板失效的主要原因是矿浆腐蚀与磨球和磨料的冲击磨损交互作用。一方面受腐蚀的影响，大量的蚀坑造成了材料流失，削弱了材料的力学性能，使其表面冲击硬度不足，在磨料的切削作用下衬板表面很容易被去除而形成二次磨损，即腐蚀促进了磨损的进行；另一方面衬板在磨损的作用下，衬板裸露出新鲜表面而直接与腐蚀介质发生电化学反应，腐蚀速度加快。另外磨料的磨损作用在金属表面产生不均匀的塑性变形使强应变区处于高能区．强烈变形区将成为阳极而其余部位作为阴极构成“应变差异腐蚀电池”，使腐蚀磨损条件下的腐蚀过程大大加速，即磨损促进腐蚀。腐蚀磨损过程循环往复进行，导致腐蚀与磨损形成相互促进的恶性循环。与应力腐蚀开裂不同，衬板表面裂纹属于腐蚀疲劳开裂。崔约贤等认为应力腐蚀开裂只在一定的材料与介质组合条件下才能发生，拉应力是产生应力腐蚀破裂的必要条件，而衬板在安装和使用过程中未受到外加拉应力，磨球对衬板的冲击则使衬板表面形成压应力。因此，衬板的表面裂纹是在交变应力作用下发生局部腐蚀，产生应力集中进而形成的裂纹，而不是应力腐蚀造成的。

3  结  论

 钛磁铁矿湿磨工况下，合金钢衬板承受的是低冲击载荷，加工硬化效果难以发挥，故其耐磨性差。衬板材料的失效是矿浆腐蚀和冲击磨料磨损的交互作用造成的，切削犁沟：腐蚀剥落坑、蜂窝状的腐蚀坑和裂纹是衬板的主要失效形式。磨球和磨料对衬板的冲击作用，使衬板表面形成压应力，抑制了应力腐蚀开裂。