冶金矿山湿式球磨机衬板使用工况恶劣，不仅有钢球的冲击磨损，又有矿浆的腐蚀磨损。高锰钢( ZGMn13)在此种条件下，加工硬化不足，因此不能满足要求。为此我们研制了一种低碳高合金钢衬板，其使用寿命是高锰钢的二倍以上。为了进一步研究此钢的性能，在低冲击功下研究了新型衬板钢的冲击腐蚀磨损性能，并对它的腐蚀磨损行为进行了研究。
1、试验材料和方法
1.1试验材料
所用的低碳高合金钢用ZMJL001-40-4型中频感应熔炼炉熔炼，其设计成分如表1所示。所用的热处理工艺为950℃x2.5 h均匀化退火，然后淬火回火(550℃x1h预热，1 050℃x0.5 h加热后油淬，250℃x2h回火)。
1.2实验方法
冲击腐蚀磨损试验在改进的MLD-10型冲击腐蚀磨损试验机上进行，冲击频率为200次/min。上试样即为待测材料，用线切割方法加工成10 mmx10 mmx30 mm的条块，安装在冲锤上，试验时随冲锤作上下往复运动，冲击下试样，这是对实际工况中冲击因素的模拟。下试样为淬火处理过的GCr15钢。磨料为铁矿石，其粒度为6～10目，硬度f=10～15，所用料浆的pH值为3～5。考虑到试验中矿石的破碎和粒度变化以及酸度的减弱，可能使材料的磨损行为发生很大变化，因此每隔30 min更新料浆一次。
试验中的冲击功由冲锤的质量和下落高度共同决定，由于冲锤整体质量一定，因此可以通过改变落差来调整冲击功大小。所选用的冲击功分别为0.7、1.2、1.7 J。
用Hitachi-X-650扫描电镜观察清洗干净的冲击腐蚀磨损表面的SEM形貌，用OlympusPME型光镜观察垂直于磨面的表层及亚表层的状态变化。
2、试验结果与讨论
2.1 0.7J时低碳高合金钢的冲击腐蚀磨损机理
从图1(a)可看出，0.7J冲击功下，低碳高合金钢冲击腐蚀磨损8h后，其磨损形貌较为简单，并且表面也比较平整，只有大量的划痕及极少数的压痕。这同材料的性能是分不开的。由于低碳高合金钢具有较高的硬度，而该条件下的冲击功又较小，铁矿石在受到较小正应力的作用下，不能压入材料基体，只能在切应力的作用下沿材料表面滑移，从而在材料表面形成了划痕。材料在冲击功及高硬度铁矿石的作用下，只发生了程度较低的挤压塑性变形，由于不能有效地压人材料表面，因此只能产生少量的压痕。
低碳高合金钢冲击腐蚀磨损16 h的磨损形貌（图1b）和8h的磨损形貌极为相似，只是划痕数量大大增加，此外还出现了少量的压坑和挤出棱。这些现象的出现同冲击磨损时间的延长有密切关系。随着冲击磨损时间的延长，磨粒在切应力的作用下发生滑动的几率大大增加，因此划痕数量大大增加。而压坑和挤出棱则是在正应力的反复作用下出现的。
以上这些现象可以用微观切削理论来解释。该理论认为：磨粒在材料表面的作用力可分为法向力和切向力，法向力使磨粒压入表面，在表面形成压痕；切向力使磨粒向前推进。当磨粒的形状与方向适当时，磨粒如同刀具一样，在表面进行切削而形成切屑。由于切削的宽度和深度都很小，切屑也很小，故称之为微观切削。该条件下材料受到的冲击力较小，材料的硬度又比较高，所形成的犁沟很浅，切屑非常细小。
由于材料所受到的“破坏”程度较轻，同时低碳高合金钢具有优良的耐腐蚀性能，所以，该冲击功条件下两种时长的试验中均没有发现材料的腐蚀现象。
综上所述，低碳高合金钢在此条件下的冲击腐蚀磨损机理是轻微的呈微切削。
2.2 1.2J冲击功时两种钢的冲击腐蚀磨损机理
1.2 J冲击功条件下，试样经不同时间冲击腐蚀磨损试验的表面SEM形貌如图2所示。比较0.7 J和1.2 J两种冲击功试验，可以看到，冲击磨损8h后，1.2J冲击功条件下，不仅材料表面的压坑、犁沟的数量比0.7 J冲击功条件下的多，并且深度也要更深一些。另外，在图2(b)中可以看到，犁沟的边缘有非常细小的塑变脊。虽然该条件下冲击功有所增大，但由于低碳高合金钢的高硬度和较高的冲击韧度，磨粒滑过材料时仍很难形成磨屑，只形成塑变楔和塑变脊。但由于形成的塑变楔和塑变脊非常细小，同时在形成过程中已受到很大的塑性损伤，因此很容易在其它磨粒的作用下被“磨掉”，所以在磨损形貌的SEM照片中很难发现塑变楔和塑变脊或者由它们因受到冲击力的作用而形成的突起的材料堆积。
当冲击磨损时间达16 h，犁沟的数量有所增加，在局部区域也发现了突起的材料堆积。在磨损过程中，塑变脊、塑变楔及所形成的突起的材料堆积，遇到磨粒二次作用时，就会脱落形成磨屑，造成材料的损耗。
两种时长条件下材料的磨损形貌SEM照片中仍未发现腐蚀坑，说明该条件下，材料的腐蚀磨损仍不明显，同时也证明了低碳高合金钢具有优良的耐腐蚀磨损性能。
由以上的分析我们可以知道，该条件下低碳高合金钢的冲击腐蚀磨损机理为轻微的微观犁皱和二次显微切削。
2.3 1.7J时低碳高合金钢的冲击腐蚀磨损机理
冲击功为1.7 J时低碳高合金钢的冲击腐蚀磨损形貌与0.7 J和1.2 J时的磨损形貌相比，有了明显的不同。
当冲击磨损时间为8h时，材料表面出现了大量的挤出棱及浅层压坑，同时还出现一些较小的片状或条棱状浅层剥落痕迹，这与冲击功的增大有密切的关系。当冲击功增大，在试验条件下材料更容易形成凹坑和挤出棱，如图3(a)所示，挤出棱处的加工硬化程度增强，导致金属棱的脆性增大，其根部硬化区与非硬化区的交界处易萌生微裂纹，从而在冲击功及磨料的作用下，在局部区域出现挤出棱的脆性沿根断裂。此外，材料中的腐蚀现象仍然不很明显。这是由于低碳高合金钢中高的含铬量及合适的含钼量决定了其良好的耐腐蚀性能。当冲击磨损时间达到16 h后，材料表面的凹坑深度增加，在图中显示为暗黑色。剥落块的面积也随冲击磨损时间的延长而增大，但剥层深度仍然较浅。此外，还发现了少量的浅小腐蚀坑。在该冲击功条件下，随着冲击磨损时间的延长，材料的塑性变形程度增加，所以凹坑深度增加。在图中出现的剥落除了由挤出棱的低周疲劳沿根断裂产生外，还由材料的浅层疲劳剥落引起。
综上所述，低碳高合金钢在该条件下的冲击腐蚀磨损机理为：短时间内以挤出棱的低周疲劳沿根断裂为主，长时间后兼有少量的加工硬化层浅层疲劳剥落和轻微的腐蚀磨损。
从图4(a)～(f)的亚表层的照片来看，0.7 J下材料亚表层没有发生明显的塑性变化，也看不到腐蚀坑的存在。1.2 J下材料只是在表面出现了凹凸不平的形变，见图4(c)、(d)，但是表面凹坑的数量和深度都比0.7 J冲击功条件下的明显增加。随着冲击磨损时间的延长，材料局部区域的塑性变形随之增大，材料表面凹凸不平的形变变得强烈（图4d），但表层组织依然清晰，流变不明显，表明加工硬化程度仍然不高。1.7 J下材料的亚表层组织如图4(e)、(f)所示，在材料的亚表层发现与磨损面成450的微裂纹，随着冲击功增大，材料的亚表层必然产生变形层，变形层内必然会产生大量位错增殖及滑移运动，这些高密度位错必然产生塞积或互相交割而缠结致使材料表面硬化，从而在硬化层和非硬化层的交界处形成裂纹，裂纹扩展至表面便形成剥落。根据Suh和YangYY等的分层剥离理论，磨损失重的过程就是磨损接触亚表层萌生裂纹和空洞并与表面近似平行地扩展，然后在最薄弱的地方回到表面，从而导致表层剥落的过程。在挤出棱、剥层剥落后，材料露出了新鲜表面，材料的腐蚀电位负移，耐腐蚀性能降低，同时电位负移程度随着载荷的增大而增大，因此在16 h后的磨损形貌中发现了腐蚀坑。
从以上的分析可知，在低冲击功下，低碳高合金钢具有优良的耐冲击腐蚀磨损性能，是一种优良的冶金矿山用湿式球磨机衬板用钢。
3、结论
(1)冲击功对材料的冲击腐蚀磨损机理有重要的影响。不同冲击功条件下，相同材料的冲击腐蚀磨损机理互不相同。
(2)在模拟实际工况条件下，当冲击功为0.7j时，低碳高合金钢的冲击腐蚀磨损机理为轻微的显微切削：当冲击功为1.2 J时，冲击腐蚀磨损机理为轻微的微观犁皱和二次显微切削：当冲击功为1.7 J时，冲击腐蚀磨损机理为挤出棱的低周疲劳沿根断裂，长时间后则兼有少量的加工硬化层的浅层疲劳剥落和轻微的腐蚀磨损。
(3)在低冲击功下，低碳高合金钢具有优良的耐冲击腐蚀磨损性能，是一种优良的冶金矿山用湿式球磨机衬板用钢。
三门峡富通新能源生产销售雷蒙磨粉机、球磨机等机械设备。
