高锰钢和高铬铸铁的冲击腐蚀磨损行为及交互作用研究

论文摘要

在矿山湿式球磨机中,衬板等材料的损耗同时受到磨损因素和腐蚀因素的影响。但人们通常认为湿磨工况下材料损耗是以磨损为主,将其工况简化为单纯的磨损环境,而对其腐蚀作用的研究却较少。因此,探索材料在湿磨工况下的腐蚀、磨损规律及其交互作用机制,将有助于针对实际工况合理选择和开发耐磨蚀材料,提高材料在腐蚀和磨损复合工况下的使用寿命,因此具有重要的理论及现实意义。本文针对湿磨工况中的腐蚀磨损现象,使用自行研制的腐蚀磨损试验装置,利用失重法、电化学方法、扫描电子显微镜(SEM)、能谱(EDS)及X射线衍射(XRD)等测试手段,以高锰钢和高铬铸铁两种典型耐磨材料为研究对象,较为系统地探讨了它们在锡矿湿磨体系下的腐蚀磨损行为。本文的主要研究内容和获得的主要结论如下：本文自行研制的腐蚀磨损试验装置能较好地模拟湿磨工况条件,进行多种加载形式的腐蚀磨损试验,还可测定和控制试样的电化学参数。该装置改进了以往腐蚀磨损研究中失重和电化学测试独立分开进行而无法实时测控电化学参数的不足,能同时完成失重和电化学试验,从而实现腐蚀磨损的定量研究。试验装置能连续稳定运转,其试验数据重现性好。将动态腐蚀磨损过程分解为搅拌和冲击两个部分进行研究。在研究充氧和搅拌的基础上,进一步分析冲击作用的影响。研究表明,高锰钢和高铬铸铁在充氧和搅拌条件下的电化学行为有较大差异。充氧和搅拌促进了氧在高锰钢表面的传质过程,使腐蚀率较静态分别增加了1.05和2.04倍。充氧能促进高铬铸铁表面钝化膜的形成和再生,使腐蚀率较静态降低了17%；搅拌作用一方面促进高铬铸铁表面钝化膜的形成和再生,另一方面又减薄乃至破坏钝化膜,使腐蚀率较静态时增加了3.78倍。冲击功对腐蚀磨损行为的影响研究表明,冲击磨料磨损使奥氏体高锰钢产生强烈的塑性变形,促进阳极溶解以及加速氧的传质过程,加速腐蚀电化学反应的阴极和阳极过程,使动态腐蚀率随着冲击功的增大而增大,冲击功为1J、2J、3J、4J时,高锰钢的动态腐蚀率较静态分别增加了15.76、22.00、23.39和26.54倍。冲击磨料磨损破坏高铬铸铁表面的钝化膜,加速碳化物与基体的相间腐蚀,极大促进了腐蚀电化学反应的阳极过程,使动态腐蚀率随着冲击功的增大而增大。冲击功为1J、2J、3J时,高铬铸铁的动态腐蚀率分别较静态增加了45.97、57.55和63.86倍,其增幅较高锰钢大得多,表明钝化膜对腐蚀动力学过程的影响较塑性变形更为显著。高锰钢在低冲击功下的冲击腐蚀磨损机制以凿削、犁皱为主,在高冲击功下的冲击腐蚀磨损机制主要是浅层疲劳剥落。高铬铸铁在低冲击功下的冲击腐蚀磨损机制以微切削、犁沟为主,高冲击功下的冲击腐蚀磨损机制主要是冲击裂纹扩展而导致材料局部脆性断裂及脱落。极化电位对腐蚀磨损行为的影响研究表明,高锰钢与高铬铸铁的腐蚀磨损率均随极化电位的升高而增大。阳极极化增强高锰钢的阳极活性溶解,腐蚀作用的增强促进磨损的进行；阳极极化加速高铬铸铁表面膜形成及再生速度,但其承载能力差易被破坏,促进相间腐蚀作用从而加速磨损。阴极保护能有效抑制高锰钢和高铬铸铁在锡矿浆中的腐蚀及其交互作用,降低材料腐蚀磨损率,因而,在充分阴极保护条件下的材料失重率可视为纯磨损率。由于本文实验条件属于强磨损弱腐蚀工况,矿浆对两种材料的纯腐蚀作用较小,但在力学因素影响下,腐蚀的破坏性大大增强。高锰钢腐蚀磨损交互作用随着冲击功的增大而增大,冲击功为1J、2J、3J、4J时的交互作用在总腐蚀磨损中所占比例分别为12.08%、19.50%、23.11%和26.70%。在低冲击功1J时,交互作用主要是塑性变形加速腐蚀过程,以磨损促进腐蚀为主；在冲击功为2J、3J、4J时,交互作用主要是腐蚀恶化高锰钢耐磨性,以腐蚀促进磨损为主。高铬铸铁的交互作用也随着冲击功的增大而增大,冲击功为1J、2J、3J时的交互作用在总腐蚀磨损中所占比例分别为26.65%、27.17%和36.50%,在冲击功为1J和2J时,交互作用主要是磨损破坏钝化膜及促进相间腐蚀,以磨损促进腐蚀为主；在冲击功为3J时,交互作用主要是相间腐蚀破坏高铬铸铁相间结合强度,以腐蚀促进磨损为主。根据试验及分析结果,本文提出了高锰钢和高铬铸铁腐蚀磨损交互作用的物理模型：冲击磨料磨损使高锰钢表层形成高活性区,并造成硫化矿等高电位磨料嵌入,产生电偶腐蚀,被磨损增强的腐蚀作用进一步降低高锰钢耐磨性；冲击磨料磨损不断去除高铬铸铁表面的钝化膜,促进相间腐蚀而降低碳化物与基体的结合强度,降低其抗磨料磨损性能。上述腐蚀磨损过程交替进行,导致腐蚀与磨损形成相互促进的恶性循环。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外球磨机耐磨材料的研究现状
• 1.2.1 湿式磨矿的工况分析
• 1.2.2 湿磨工况对磨球及衬板的性能要求
• 1.2.3 国内外球磨机耐磨材料的应用现状
• 1.3 国内外腐蚀磨损的研究现状
• 1.3.1 腐蚀磨损的影响因素
• 1.3.2 腐蚀磨损的交互作用
• 1.4 国内外腐蚀磨损试验机研究现状
• 1.4.1 冲击加载的腐蚀磨损试验机
• 1.4.2 平稳加载的腐蚀磨损试验机
• 1.5 主要研究内容
• 第二章 试验装置的研制
• 2.1 试验机研制思路
• 2.2 试验机主要结构
• 2.2.1 机械加载系统
• 2.2.2 电化学测试系统
• 2.3 评估试验机可靠性
• 2.3.1 数据重现性标准
• 2.3.2 失重率重现性试验
• 2.4 本章小结
• 第三章 试验研究方法
• 3.1 试验材料
• 3.2 试验介质
• 3.3 电化学研究方法
• 3.3.1 自腐蚀电位监测
• 3.3.2 动电位扫描极化曲线
• 3.3.3 腐蚀率测试及计算方法
• 3.4 失重率研究方法
• 3.4.1 总腐蚀磨损率的测定
• 3.4.2 纯磨损率的测定
• 3.5 交互作用定量计算方法
• 3.6 本章小结
• 第四章 高锰钢的腐蚀磨损行为及交互作用机理
• 4.1 冲击对高锰钢腐蚀磨损行为及机理的影响
• 4.1.1 试验条件
• 4.1.2 充氧与搅拌对腐蚀电化学行为的影响
• 4.1.3 冲击对高锰钢电化学行为的影响
• 4.1.4 冲击功对高锰钢冲击腐蚀磨损机理的影响
• 4.2 外加电位对高锰钢腐蚀磨损行为及机理的影响
• 4.2.1 试验条件
• 4.2.2 试验结果
• 4.2.3 外加电位对高锰钢腐蚀磨损行为的影响
• 4.2.4 阴极保护对腐蚀的抑制
• 4.3 腐蚀磨损交互作用的定量及机理
• 4.3.1 交互作用结果与分析
• 4.3.2 冲击功对腐蚀磨损交互作用机理的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 高铬铸铁的腐蚀磨损行为及交互作用机理
• 5.1 冲击对高铬铸铁腐蚀磨损行为及机理的影响
• 5.1.1 试验条件
• 5.1.2 充氧搅拌对腐蚀电化学行为的影响
• 5.1.3 冲击对高铬铸铁电化学行为的影响
• 5.1.4 冲击功对高铬铸铁冲击腐蚀磨损机理的影响
• 5.2 外加电位对高铬铸铁冲击腐蚀磨损行为及机理的影响
• 5.2.1 试验条件
• 5.2.2 试验结果
• 5.2.3 外加电位对高铬铸铁冲击腐蚀磨损行为的影响
• 5.2.4 阴极保护与阳极保护的比较
• 5.3 腐蚀磨损交互作用的定量及机理
• 5.3.1 交互作用结果与分析
• 5.3.2 冲击功对交互作用机理的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 高锰钢和高铬铸铁交互作用机理的比较
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文