球磨机衬板材料液态模锻及其组织性能研究

摘要

本文针对当前砂型铸造球磨机衬板存在收缩缺陷、组织粗大、使用寿命较短的问题，提出了以液态模锻工艺制造衬板的技术思路，研究了典型衬板材料组织性能特点，并设计了成套液锻衬板技术方案。首先，选取球磨机衬板的两种典型材料中低合金耐磨钢ZG60Cr4MnMoCu和高锰钢改进材料ZGMn13Cr2，利用SEM、EDS、XRD、MLD-10B冲击磨料磨损试验机及其他检测设备，研究了液态模锻球磨机衬板材料的组织、耐磨性及其他力学性能的特点，得到了比压对液态模锻球磨机衬板材料组织与性能的影响规律，分析了与砂型、金属型重力铸造相比，液态模锻球磨机衬板的极大优越性。其次，进行了球磨机衬板液态模锻工艺方案设计，得到了成套液锻球磨机衬板工艺，设计了一套专用液锻模具、一台液态模锻机以及液锻球磨机衬板生产所需相关附属设备。最后，利用PROCAST对液锻球磨机衬板工艺进行了数值模拟和虚拟正交试验，利用ANSYS对液锻球磨机衬板模具进行了校核和优化。
　　得到的主要结论如下:
　　(1)液态模锻ZG60Cr4MnMoCu的冲击磨料磨损耐磨性明显优于金属型重力铸造，其磨损速率仅为金属型铸造的74％。液态模锻ZG60Cr4MnMoCu的耐磨性随比压的增大呈非线性规律增加，当比压较低时，随着比压增大，抗磨性显著提高;当比压高于130MPa后，再提高比压，抗磨性提高不明显;
　　(2)液态模锻ZG60Cr4MnMoCu磨损机理为一开始以粘着磨损、磨料磨损为主，然后逐渐发展成只有磨料磨损为主，最后发展成磨料磨损和表面疲劳磨损共同存在、相互促进的过程;
　　(3)铸态时，液态模锻ZGMn13Cr2试样耐磨性比砂型铸造试样提高14.8％，比金属型铸造试样提高15.3％;经热处理后，液态模锻试样耐磨性比砂型铸造试样提高8％，比金属型铸造试样提高14.8％;
　　(4)比压对于改善ZGMn13Cr2晶粒尺寸有显著作用。比压越大，晶粒越细，但是随着比压增大，细化作用将逐渐减弱，当比压增大到228MPa时，继续增大比压将不会继续细化晶粒;
　　(5)比压对于碳化物析出有抑制作用，比压越大，析出碳化物越细越少。比压能够改变析出碳化物类型，当比压增大到140MPa后，M3C碳化物将不再出现，此时只出现M7C3碳化物，主要分布在晶界;
　　(6)球磨机衬板液态模锻的浇注方案为有挡渣功能的翻转包+流槽过滤网+圆形缓冲浇注室，加压方案为主缸加压锁模+下缸和补压缸局部增压补缩，出件方案为下压头带动顶杆快速出件;
　　(7)经过虚拟正交试验得出，球磨机衬板液态模锻生产最优工艺参数为补压压头比压230MPa，充型速度46.167mm/s，浇注温度1500℃，模具预热温度600℃。
　　通过对两种典型的球磨机衬板材料的组织性能研究，证明了用液态模锻工艺制造球磨机衬板在提高其耐磨性和减少凝固缺陷、延长使用寿命方面的巨大优势。同时通过对球磨机衬板的工艺方案设计和数值模拟分析，明确了球磨机衬板液态模锻技术方案是切实可行的，扩大了液态模锻工艺在黑色金属产品的应用范围，对于推广液态模锻在工业生产中的运用起到了一定的积极作用。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 引言

1．2 球磨机衬板材质的研究现状

1．2．1 普通金属衬板

1．2．2 其他类型衬板

1．3 球磨机衬板成型技术研究现状

1．4 液态模锻技术及其研究现状

1．5 课题研究内容及方案

1．5．1 研究内容和目标

1．5．2 研究路线

2 液态模锻ZG60Cr4MnMoCu组织及耐磨性研究

2．1 实验过程和方法

2．1．1 合金冶炼

2．1．2 试样制备

2．1．3 实验方法

2．2 金属型重力铸造与液态模锻ZG60Cr4MnMoCu组织对比

2．3 比压对液态模锻ZG60Cr4MnMoCu组织的影响

2．4 ZG60Cr4MnMoCu冲击磨料磨损试验结果分析

2．4．1 金属型铸造与液态模锻ZG60Cr4MnMoCu耐磨性对比

2．4．2 比压对液态模锻ZG60Cr4MnMoCu耐磨性的影响

2．5 ZG60Cr4MnMoCu的常规力学性能试验结果分析

2．6 液态模锻ZG60Cr4MnMoCu耐磨机理研究

2．7 本章小结

3 液态模锻ZGMn13Cr2组织性能研究

3．1 实验过程和方法

3．1．1 合金冶炼

3．1．2 试样制备

3．1．3 热处理工艺

3．1．4 试样检测方法

3．2 不同工艺方法铸造ZGMn13Cr2铸态组织对比

3．3 不同工艺方法铸造ZGMn13Cr2热处理态组织对比

3．4 不同工艺方法铸造ZGMn13Cr2性能分析

3．4．1 不同工艺方法铸造ZGMn13Cr2冲击韧性分析

3．4．2 不同工艺方法铸造ZGMn13Cr2硬度分析

3．4．3 不同工艺方法铸造ZGMn13Cr2耐磨性分析

3．5 比压对液态模锻ZGMn13Cr2组织的影响

3．5．1 比压对ZGMn13Cr2晶粒尺寸的影响规律

3．5．2 比压对ZGMn13Cr2析出碳化物的影响

3．6 本章小结

4 球磨机衬板液态模锻技术方案设计

4．1 液态模锻球磨机衬板工艺方案设计

4．1．1 分型面与成形位置的选择

4．1．2 浇注方案

4．1．3 加压方案

4．1．4 出件方案

4．1．5 液态模锻球磨机衬板生产工作流程

4．2 液态模锻球磨机衬板模具设计

4．2．1 模具总体结构及设计说明

4．2．2 关键参数设计计算

4．2．3 模具关键结构及零件设计

4．3 液态模锻球磨机衬板液锻机设计

4．3．1 液压缸吨位设计

4．3．2 液压缸行程设计

4．4 本章小结

5 球磨机衬板液态模锻过程数值模拟

5．1 球磨机衬板液态模锻PROCAST数值模拟

5．1．1 几何模型的建立与网格划分

5．1．2 初始条件设置

5．1．3 充型过程模拟与分析

5．1．4 凝固过程模拟分析

5．1．5 内部缺陷预测

5．2 液锻工艺的计算机模拟试验

5．3 液态模锻模具的有限元分析及优化

5．3．1 加压结构热-应力耦合分析

5．3．2 顶杆和下压头热-稳定性耦合分析

5．3．3 支撑结构静应力分析

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士／博士学位期间取得的研究成果

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