港口耐磨衬板技术报告

项目技术报告港口耐磨衬板选型与采购标准制定项目技术报告一、试验结果从衬板厚度、显微组织与成分分析、硬度、磨粒磨损和冲蚀磨损等角度，重点对邀请测评厂家的衬板进行分析。1.1衬板及其耐磨层厚度用游标卡尺及三维坐标仪对耐磨衬板的厚度及其堆焊层厚度进行测量，结果如表1衬板及其耐磨层厚度所示。从表1可以看出，各厂家提供的衬板厚度不尽相同。衬板耐磨层的厚度是决定其耐磨性的重要指标。在耐磨衬板选型采购过程中，应对耐磨衬板的厚度进行严格要求，保证衬板的服役周期。本项目将结合其他试验结果，在试验室条件下根据耐磨衬板的厚度和类型预测耐磨衬板的使用寿命。为了保证衬板的服役寿命，应保证其厚度在采购标准要求范围内误差控制在±0.5mm。表1衬板及其耐磨层厚度样品10#11#12#13#14#总厚度15.3314.7215.813.8716.38堆焊层厚//8.70/6.80样品15#16#17#18#20#总厚度14.6516.3315.1816.19-19.82堆焊层厚7.508.60///注：/表示不含此项。1.2显微组织及成分测定对衬板试样的显微组织观察，图1为金相显微组织图片，图为各试样能谱谱线图。从图中可以看出，试样12#、14#、15#、16#为典型的高碳高铬合金，其显微组织主要有块状或棒状的M7C3碳化物及马氏体基体组成。通过查阅文献，这种M7C3碳化物有初生碳化物和共晶碳化物两类，其硬度约为1800HV，能够作为强化相，很好的抵御磨粒磨损。然而，这种高碳高铬合金的碳当量非常高，在加工成型过程中极易出现裂纹等缺陷。通过传统的铸造和轧制工艺几乎无法实现对该类材料的热加工成型。因此，高碳高铬合金通常采用堆焊的手段进行。目前常用的堆焊手段主要有明弧堆焊和埋弧堆焊两类。明弧堆焊对材料的成分要求更高，因为其要在高碳高铬合金药芯焊丝中加入一定的脱氧剂和造气剂以保证堆焊过程中焊道在高温时不被氧化。相比之下，尽管埋弧堆焊焊丝的成本要略低于明弧堆焊，但在使用过程中，需要额外添加焊剂以实现保护，工艺略复杂。然而，仅凭衬板是通过明弧堆焊还是埋弧堆焊进行加工的并不能对其耐磨性优异与否产生根本性影响，其服役寿命还需根据其成分、显微组织、硬度及耐磨性而决定。试样10#、11#和13#试样为轧制和铸造的耐磨板。从显微组织可以看出，其微观结构主要有马氏体、残余奥氏体和部分贝氏体组织组成。在该类耐磨板中，马氏体对其耐磨性的贡献最为明显，而残余奥氏体主要为保证耐磨板具有一定的韧性。贝氏体是一种兼具高强度、高韧性和良好韧性的一种组织结构。通过查阅文献，国内外铸造类和轧制类的耐磨板显微结构均属于这一类。然而，微晶衬板、熔瓷衬板和陶瓷衬板没有与金属衬板类似的组织结构，无法通过腐蚀观察其组织特征。故在本部分内容中没有体现。10#11#12#13#14#15#16#图1各试样金相显微组织图由图2各试样的能谱谱线图中元素成分所占质量百分比的高低可知，耐磨衬板的主要化学元素主要有Fe、Cr、C、Mn、Si等元素组成。然而，各试样中元素含量有一定差别。峰值高的为占比大的元素，峰值低的为占比小的元素。非金属衬板的性能不能通过成分进行表征，因此，成分测定未对非金属衬板进行测试。10#11#12#13#14#15#16#图2各试样能谱谱线图通过对各试样的成分分析得出，各类衬板试样中所含其它元素的百分比含量，如表2、表3和表4所示。表2堆焊试样主元素含量表（%）元素CSiCrMnFe12#（堆焊）5.051.0827.112.09Bal.14#（堆焊）5.121.1633.712.52Bal.15#（堆焊）4.660.324.88-Bal.16#(堆焊)5.940.8427.12.31Bal.注：-表示试样不含此项元素表3轧制试样主元素含量表（%）元素CSiCrMnFe10#0.461.551.241.59Bal.表4铸造试样主元素含量表（%）元素CSiCrMnFe11#1.062.111.31.75Bal.13#2.661.342.351.00Bal.通过对比上述成分，确定采购的衬板化学成分应不低于表5中数值。表5耐磨衬板化学成份建议值（%）元素CSiCrMnFe堆焊3.0-5.50.5-1.523.0-30.01.5-2.5Bal.轧制0.4-0.61.5-2.01.0-1.51.5-2.5Bal.铸造0.5-0.81.8-2.11.5-4.51.5-2.5Bal.1.3硬度测定分别对金属耐磨衬板试样的洛氏硬度进行测定，表6为各试样的宏观洛式硬度图。从图中可以看出，堆焊衬板、铸造衬板和轧制衬板均保持了较高的硬度，其硬度值在HRC52.5到HRC61.92之间。高的硬度是耐磨性的有效保障，从硬度结果可以看出，马氏体和M7C3碳化物均能使耐磨衬板保持高硬度特征。然而，对微晶、陶瓷和熔瓷衬板的硬度测试结果表明，其硬度值超过硬度计的量程，因此，无法测得和显示这几类衬板的准确硬度值。综合对比不同类型耐磨衬板的硬度，建议衬板的洛氏硬度应不低于HRC54。表6衬板洛氏硬度统计结果试样10#11#12#13#14#15#16#17#18#20#洛氏硬度（HRC）61.9261.1457.8852.554.3457.2858.44///1.4磨粒磨损试验试样经磨粒磨损试验机评价后结果如图所示。为进行对比，采用市售高锰钢衬板作为比对试样，标号为19。从试验结果可以看出，经过一段时间的磨粒磨损，铸造试样和堆焊试样磨损面均呈现出不同程度的缺陷。铸造试样主要体现在气孔和沙眼曲线，堆焊试样主要体现在宏观裂纹。然而，仔细分析可以看出，上述缺陷的出现没有引起磨损过程中材料的额外剥落。这也就是说，材料缺陷在磨粒磨损过程中没有起到恶化材料磨损损伤的作用，对耐磨衬板的磨粒磨损性能影响并不显著。图3磨粒磨损后试样表面形貌为了方便对不同类型的衬板进行比较，将衬板分组，同类型衬板为一组进行比较，衬板的磨粒磨损结果如表7-表10所示。从表7可以看出，堆焊衬板中12#和15#衬板的磨粒磨损性能相当，且较16#衬板弱，较15#衬板强，16#衬板的磨粒磨损性能最好。表7堆焊衬板纵评表厂商磨粒磨损失重（g/h）磨粒磨损失高（mm/h）12#唐山润兴0.0330.0414#雷发科技0.0410.0715#博腾商贸0.0380.0516#堆焊衬板0.0320.03从表8可以看出，轧制、铸造衬板中10#衬板的磨粒磨损性能最好。13#衬板的磨粒磨损性能最差。表8轧制、铸造衬板纵评表厂商磨粒磨损失重（g/h）磨粒磨损失高（mm/h）10#渤海燕大（轧）0.2380.1511#渤海燕大（铸）0.2810.1813#天茅三维（铸）0.5370.39从表9可以看出，相比之下，熔瓷、陶瓷衬板中20#陶瓷衬板的磨粒磨损性能优于18#熔瓷衬板的磨粒磨损性能，总体和堆焊衬板磨粒磨损性能相当。表9熔瓷、陶瓷衬板纵评表厂商磨粒磨损失重（g/h）磨粒磨损失高（mm/h）18#熔瓷0.0230.0320#陶瓷0.0230.02分别采用干摩擦和水润滑环境下对微晶衬板进行评价，结果表明，干摩擦环境下，由于磨损温升导致微晶衬板磨损剧烈，而在水润滑条件下，水可以实时对衬板进行降温，大大提高微晶衬板的磨损性能。也就是说，微晶衬板对磨损环境的要求较高，在保证磨损温升变化不大的环境中，其耐磨性可以得到保证。从表10可以看出，在控制磨损温升的情况下微晶衬板磨粒磨损性能较为优异。表10微晶衬板纵评表厂商干摩擦环境水润滑环境磨粒磨损失重（g/h）磨粒磨损失高（mm/h）磨粒磨损失重（g/h）磨粒磨损失高（mm/h）17#派浮商贸0.0920.210.0430.08通过观察研究上述衬板的磨粒磨损性能与失重的结果，我们能验证出各个试样摩擦磨损性能的相对优劣。通过对比耐磨衬板在磨粒磨损工况的单位失高与单位失重，我们认为，采用磨损失高作为其磨粒磨损性能的评价指标与真实工况较为类似。1.5冲蚀磨损试验评价在对耐磨衬板进行磨粒磨损评价的基础上，对耐磨衬板的冲蚀磨损进行评价。前期的工艺摸索试验表明，试验衬板受冲蚀的部位形成倒锥形凹坑。因此，可通过对试验衬板的失重、凹坑最深点所在截面轮廓进行分析，对衬板的抗冲蚀磨损性能进行评定，堆焊衬板、结果如表11-表14所示。从表11可以看出，堆焊衬板中14#和15#衬板的冲蚀磨损性能相当，其冲蚀磨损性能略低于12#和16#衬板。相比之下，16#衬板的冲蚀磨损性能最好。表11堆焊衬板纵评表厂商冲蚀磨损失重（g/h）冲蚀磨损失面积（mm2/h）12#唐山润兴11.40100.9914#雷发科技11.88120.8615#博腾商贸11.88108.8816#堆焊衬板9.0067.47从表12可以看出，轧制、铸造衬板中10#衬板的冲蚀磨损性能较强，11#和13#衬板的冲蚀磨损性能相对较弱，11#冲蚀磨损性能最弱，其冲蚀磨损失重指标较好主要是由于衬板中有气孔等铸造缺陷，因此经过相同时间的磨损，其失重量保持在较为优秀的等级。与堆焊衬板相比，轧制、铸造衬板的硬度更高，然而，在冲蚀磨损工况比较恶劣的场合，其高硬度的优越性并不能带来其冲蚀磨损性能的明显提高。表12轧制、铸造衬板纵评表厂商冲蚀磨损失重（g/h）冲蚀磨损失面积（mm2/h）10#渤海燕大（轧）12.9692.7311#渤海燕大（铸）11.1698.5713#天茅三维（铸）12.84101.66表13可以看出，熔瓷、陶瓷衬板中18#熔瓷衬板冲蚀磨损性能优异，20#陶瓷衬板冲蚀磨损性能弱。由于熔瓷衬板内有陶瓷柱作为增强相，其耐冲蚀磨损性能表现出较高的水平，同时陶瓷衬板脆性大也降低了陶瓷衬板的冲蚀磨损性能。表13熔瓷、陶瓷衬板纵评表厂商冲蚀磨损失重（g/h）冲蚀磨损失面积（mm2/h）18#熔瓷8.2877.1820#陶瓷5.28100.17从表14可以看出，在干摩擦环境中，微晶衬板的冲蚀磨损性能较堆焊类、轧制铸造类、熔瓷陶瓷类衬板冲蚀磨损性能要差，且差距较大。然而，由于试验设备的局限性，无法在水润滑降温环境中对微晶衬板进行有效评价。表14微晶衬板纵评表厂商冲蚀磨损失重（g/h）冲蚀磨损失面积（mm2/h）17#派浮商贸88.201159.691.6抗冲击性能试验评价试样经120°锥形金刚石压头，采用1471N加载力对各个试样进行加载压入，保压10s后，在三维表面测量仪（GFM）上观测结果如图4和图5所示。通过比较压痕我们从图中可以看出，微晶衬板的3处压痕呈完全崩裂非韧性压痕（打到第4或第5处时衬板将完全崩裂），而陶瓷衬板的5处压痕全部呈现出不完全崩裂式的非韧性压痕即在压痕处产生裂纹，而考虑到熔瓷衬板是由熔瓷部分与基体部分组成，为此按照相对比例制造压痕，在熔瓷部分处压痕大小虽然不大但均属于非韧性压痕而基体部分压痕均属于内陷式韧性压痕，堆焊衬板由于在焊层处常常出现应力集中的现象所以切割出来的衬板往往有裂纹出现，当外力作用在裂纹出时将会出现完全崩裂的非韧性压痕而在堆焊衬板的其余部分压痕全部为内陷式韧性压痕，轧制衬板与铸造衬板的压痕全都为内陷式韧性压痕。1号轧制衬板2号堆焊衬板3号铸造衬板4号堆焊衬板5号轧制衬板6号堆焊衬板7号堆焊衬板8号堆焊衬板9号堆焊衬板10号轧制11号铸造12号堆焊13号铸造14号堆焊15号堆焊16号堆焊17号微晶18号熔瓷18号熔瓷基体20号陶瓷图4压痕宏观形貌1号轧制2号堆焊3号铸造4号堆焊5轧制6号堆焊7号堆焊8号堆焊9号堆焊10号轧制11号铸造12号堆焊13号铸造14号堆焊15号堆焊16号堆焊17号微晶18号熔瓷18号熔瓷基体20号陶瓷图5压痕全息高度图通过图5压痕全息高度图亦可以得到类似的结果。相比之下，陶瓷衬板和微晶衬板的抗冲击性较差。对上述结果进行综合整理，分类归纳统计各类型衬板的核心性能指标，得到以下采购建议，如错误!未找到引用源。-错误!未找到引用源。所示。表15磨粒磨损性能分级对照表级别磨粒磨损失高（mm/h）符合要求衬板编号（#）占比（%）堆焊轧制铸造陶瓷熔瓷微晶A1≦0.02205%A2≦0.0316481820%A3≦0.0412910%A4≦0.05152715%A5≦0