球磨機(jī)是一種工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的物料粉磨設(shè)備,，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單,、操作方便,、效率高等特點(diǎn)。襯板是球磨機(jī)上的關(guān)鍵部件,，其質(zhì)量直接影響設(shè)備的正常運(yùn)行和粉磨成本,，提高其質(zhì)量一直是科技工作者追求的目標(biāo)。長(zhǎng)期以來(lái),，襯板主要用高錳鋼制造,。
高錳鋼是一種強(qiáng)韌性良好，并有優(yōu)良形變硬化能力的鋼種,，在三向擠壓狀態(tài)下高錳鋼的加工硬化非常明顯,，表面硬度可達(dá)910HV[1],。但用于球磨機(jī)襯板，加工硬化后,，500HV以上的硬化層深度不足0.2mm,，距表面1.8mm處的硬度為260HV，接近高錳鋼襯板的原始硬度240HV,，見(jiàn)圖1,。可見(jiàn)高錳鋼用于制造襯板,，加工硬化效果差,，耐磨性低。高鉻鑄鐵和鎳硬鑄鐵由于其組織中含有20％以上的共晶碳化物,，因而硬度高,、耐磨性好乜’3]，但脆性大,，若直接制造襯板,，使用中易出現(xiàn)斷裂，影響球磨機(jī)的正常運(yùn)行,。近年開(kāi)發(fā)的復(fù)合鑄造技術(shù)盡管可以提高白口鑄鐵的抗斷裂能力,，但操作復(fù)雜，實(shí)際生產(chǎn)中推廣使用進(jìn)展緩慢,。因此,，盡快研制生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低,、耐磨性好,、抗斷裂能力強(qiáng)的球磨機(jī)襯板，是粉料生產(chǎn)中亟待解決的課題,。
鎢合金白口鑄鐵是根據(jù)我國(guó)國(guó)情發(fā)展起來(lái)的一種新型抗磨材料,，具有硬度高、耐磨性好等特點(diǎn),，用于制作攪拌機(jī)葉片,、渣漿泵泵體，使用壽命已達(dá)到高鉻鑄鐵的水平,。鎢合金白口鑄鐵中,，鎢分布在基體和碳化物中。鎢能改變碳化物的形貌和分布,，當(dāng)叫（C）=2.7％～3.3％：∞（W）<6％時(shí),，碳化物呈M3C型，為連續(xù)網(wǎng)狀分布,；叫（W）≈20％時(shí),，碳化物呈MeC型,，還有些呈Mz3C6型及MC型，其形貌呈緊密結(jié)構(gòu)的孤立塊狀,，為奧氏體所包圍,；∞（w）=13％～15％時(shí)，碳化物以MeC型為主,，還有少量的M7C3型及M,。C型，其形貌呈斷網(wǎng)狀或孤立塊狀,?？梢?jiàn)高鎢合金白口鑄鐵中的碳化物形貌較好，但鎢價(jià)格高,，開(kāi)發(fā)高鎢合金白口鑄鐵不具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,。低鎢合金白口鑄鐵成本低，但其共晶碳化物呈連續(xù)網(wǎng)狀分布,，脆性大,，承受沖擊載荷工況的安全性差，故使用范圍受到嚴(yán)格限制,。為擴(kuò)大低鎢合金白口鑄鐵的使用范圍,，確保使用安全、可靠,，改善低鎢合金白口鑄鐵共晶碳化物形貌是必要的,。
使網(wǎng)狀共晶碳化物團(tuán)球化是冶金學(xué)上長(zhǎng)期為之奮斗的目標(biāo)之一。國(guó)內(nèi)外曾采用硼,、硅,、鋁、錸和鎂等元素對(duì)白口鑄鐵進(jìn)行變質(zhì)處理,，均未得到滿意效果,。采用高溫長(zhǎng)時(shí)間熱處理，可使碳化物團(tuán)球化,，但高溫下晶粒顯著長(zhǎng)大,，對(duì)改善機(jī)械性能不利。鍛造可使碳化物脆裂,，同時(shí)晶粒細(xì)化,，因而可大幅度提高機(jī)械性能,，但只限于簡(jiǎn)單的零件,。葉以富在研究低鉻白口鑄鐵時(shí)，曾用鉀鹽和鈉鹽作變質(zhì)劑,，發(fā)現(xiàn)它們均能促使低鉻鑄鐵的碳化物團(tuán)球化[4],。祖方遒等人的研究也表明,，鉀、鈉有促使稀土鑄鐵中的石墨成球的作用[5],。我們研究了鉀,、鈉對(duì)低鎢合金白口鑄鐵碳化物形貌的影響，并對(duì)含鉀,、鈉變質(zhì)劑及其加入方法,、變質(zhì)機(jī)理進(jìn)行了深入研究。含鉀,、鈉的低鎢合金白口鑄鐵,，其共晶碳化物呈團(tuán)塊狀、部分呈團(tuán)球狀分布,，機(jī)械性能明顯提高,，生產(chǎn)成本較低，有較好的應(yīng)用前景,。
含鉀,、鈉變質(zhì)劑的研究純的鉀、鈉價(jià)格昂貴,，熔點(diǎn)低,，易氧化，難于直接加入金屬液體中,。因此只能用鉀或鈉通過(guò)適當(dāng)?shù)倪€原劑來(lái)制成合金或化合物,。由金屬活動(dòng)性順序表可知，鉀,、鈉是和氧結(jié)合力最強(qiáng)的兩種元素,。活動(dòng)性大的金屬?gòu)钠潲}類中被一種活動(dòng)性小的金屬所置換,，看來(lái)與兩種金屬的氧化勢(shì)相矛盾,，但文獻(xiàn)[73指出，在許多情況下可實(shí)現(xiàn)這種置換,，這是由于兩種金屬在較高溫度下?lián)]發(fā)度的差別使平衡轉(zhuǎn)移所致,。銣和銫能從它們的鹽類中被鐵置換，實(shí)現(xiàn)這種置換所需的溫度視所用的鹽類而定,。由此可見(jiàn),，用金屬熱還原法制取含鉀、鈉的合金是可能的,。碳,、硅、碳化鈣均可用作還原劑，由此推論鋁,、鎂和稀土也可應(yīng)用,，效果可能更好，這是制取含鉀,、鈉合金的依據(jù),。我們用包頭”1稀土作載體，制成含鉀,、鈉的合金,。這種合金加入金屬液體時(shí)很平穩(wěn)，其中鉀,、鈉含量可達(dá)6％～15％,，在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的效果。
試樣的熔煉鑄造和熱處理鐵水在容量為20kg中頻感應(yīng)電爐中熔化,。用鉑銠一鉑熱電偶和XT一204型自動(dòng)記錄儀測(cè)量并記錄鐵水溫度,。當(dāng)鐵水溫度達(dá)1450℃時(shí)出爐。變質(zhì)處理采用包內(nèi)沖人法,，試樣編號(hào)及變質(zhì)劑加入量見(jiàn)表1,。1350℃時(shí)鐵水澆入干砂型，每次澆注6根22mm×22mm×115mm的無(wú)缺口沖擊試樣,。試樣分鑄態(tài)和熱處理態(tài)兩組,。試樣熱處理工藝是：950℃×1.5h，風(fēng)冷+300℃×2h,，空冷,。試樣加工好后測(cè)其硬度、沖擊韌性,，在沖斷后的試樣上用線切割機(jī)加工出10mm×10mm×30mm的磨損試樣,。磨損試驗(yàn)在MLD一10型動(dòng)載沖擊磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。
組織表明,，未經(jīng)變質(zhì)處理的鎢合金白口鑄鐵,，其鑄態(tài)組織中碳化物粗大，呈網(wǎng)狀分布,。加入適量的鉀,、鈉后，鑄態(tài)組織中碳化物出現(xiàn)團(tuán)塊狀,，網(wǎng)狀分布基本消失,，孤立化程度明顯改善，碳化物也明顯細(xì)化,。
鎢合金白口鑄鐵熱處理后的組織為共晶碳化物+二次碳化物+馬氏體十殘留奧氏體,。未經(jīng)變質(zhì)處理的鎢合金白口鑄鐵熱處理后,，雖然碳化物形貌稍有改善，但仍保持粗大的網(wǎng)狀,、斷網(wǎng)狀分布的特征。
含鉀,、鈉的鎢合金自口鑄鐵熱處理后,，碳化物尖角基本消失，碳化物趨于呈團(tuán)球狀分布,，碳化物表面的圓滑度增加,。
出現(xiàn)上述結(jié)果的原因可解釋如下：根據(jù)結(jié)晶學(xué)理論和熱力學(xué)計(jì)算可知，白口鑄鐵中的碳化物和奧氏體在共晶生長(zhǎng)過(guò)程中,，屬于粗糙一光滑面偶合生長(zhǎng)方式,。理論和實(shí)踐均證明，該類合金能借助變質(zhì)處理改善組織形態(tài),，這是低鎢合金白口鑄鐵變質(zhì)處理的理論基礎(chǔ),。
熱分析曲線表明，用經(jīng)鉀,、鈉變質(zhì)處理的鎢合金白口鑄鐵與未經(jīng)變質(zhì)處理的鎢合金白口鑄鐵對(duì)比發(fā)現(xiàn),，鎢合金白口鑄鐵經(jīng)變質(zhì)處理后，初晶結(jié)晶溫度降低8～20℃,，共晶結(jié)晶溫度降低8～15℃,。初晶結(jié)晶溫度和共晶結(jié)晶溫度的降低，說(shuō)明變質(zhì)處理后鐵水在液相線和共晶區(qū)已過(guò)冷,。結(jié)晶學(xué)原理指出,，合金的結(jié)晶過(guò)冷度增大，會(huì)使形核率增加,。因此鉀,、鈉使初晶奧氏體晶核增多，初晶奧氏體得以細(xì)化,。初晶奧氏體的細(xì)化導(dǎo)致共晶反應(yīng)時(shí)殘留鐵液相互被隔開(kāi)的趨勢(shì)增強(qiáng),。共晶階段共晶奧氏體優(yōu)先在狹窄通道兩側(cè)的初晶奧氏體上以“離異”方式結(jié)晶，促使殘留金屬液進(jìn)一步被分隔,，最后導(dǎo)致共晶碳化物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)斷開(kāi)而孤立化,。對(duì)鉀、鈉的電子探針掃描表明,，鉀,、鈉在共晶結(jié)晶時(shí)選擇性地吸附在共晶碳化物擇優(yōu)生長(zhǎng)方向的表面上，形成吸附薄膜,，阻礙鐵水中的鐵,、碳、鎢等原子長(zhǎng)人共晶碳化物晶體，降低了共晶碳化物[010]擇優(yōu)方向的長(zhǎng)大速度,，導(dǎo)致[010]方向長(zhǎng)大速度減慢,，而[001]、[100]方向長(zhǎng)大速度加快,，形成不規(guī)則的團(tuán)塊狀碳化物,。表面活性元素鉀、鈉不僅吸附在碳化物擇優(yōu)長(zhǎng)大方向的表面上,，阻礙碳化物在該方向的生長(zhǎng),，而且易促進(jìn)碳化物的孿晶形成，導(dǎo)致碳化物形貌的團(tuán)塊化,。熱處理后共晶碳化物由表面自由能高的團(tuán)塊狀向團(tuán)球狀轉(zhuǎn)化,，這是熱力學(xué)過(guò)程發(fā)展的必然趨勢(shì)。熱處理前的共晶碳化物越細(xì)小,、分布越均勻,，這種轉(zhuǎn)化越易實(shí)現(xiàn)，完成這種轉(zhuǎn)化的加熱溫度也越低,，時(shí)間也越短,。因此在950℃保溫1.5h的情況下，未經(jīng)變質(zhì)處理的鎢合金白口鑄鐵,，其共晶碳化物呈網(wǎng)狀,、斷網(wǎng)狀分布；而經(jīng)鉀,、鈉變質(zhì)處理的鎢合金白口鑄鐵,，其共晶碳化物呈較均勻的團(tuán)塊狀甚至團(tuán)球狀分布。
鉀,、鈉對(duì)鎢合金白口鑄鐵性能的影響在不同變質(zhì)處理工藝條件下,，各試樣的硬度、沖擊韌性和耐磨性分別見(jiàn)圖2,、圖3和圖4,。從圖2可知，無(wú)論是鑄態(tài)還是熱處理態(tài),，經(jīng)鉀,、鈉變質(zhì)處理后，硬度值變化不大,。
鎢合金自口鑄鐵經(jīng)鉀,、鈉變質(zhì)處理后，其沖擊韌性明顯提高,。圖3表明,，熱處理態(tài)的沖擊韌性比鑄態(tài)還可提高20％～30％,。
鎢合金白口鑄鐵經(jīng)鉀、鈉變質(zhì)處理后,，抗沖擊磨損性能改善,，與未經(jīng)變質(zhì)處理的鎢合金白口鑄鐵（W。）相比,，試樣磨損減少了21.1％～9％（質(zhì)量計(jì)）,。
對(duì)于上述結(jié)果可作如下解釋：斷裂力學(xué)理論指出，脆性斷裂包括裂紋的萌生與傳播[8],，對(duì)于白口鑄鐵,，后者主要受控于組織中碳化物的數(shù)量,、形貌,、分布及尺寸。變質(zhì)處理能提高韌性的原因在于對(duì)碳化物形貌,、分布,、尺寸的改善，使裂紋傳播的路徑受到基體的阻礙,。低鎢合金白口鑄鐵,，其共晶碳化物粗大且呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，裂紋易于沿著網(wǎng)狀碳化物傳播,，因此韌性較低,；經(jīng)鉀、鈉變質(zhì)處理后,，其共晶碳化物分布均勻,，網(wǎng)狀分布趨于消失，團(tuán)球化趨勢(shì)明顯,，因此,，裂紋不易傳播，韌性相應(yīng)提高,。碳化物由網(wǎng)狀變成團(tuán)球狀后,，碳化物間平均自由程減小，與磨料平均直徑之比值變小,，因而碳化物可將磨料托住,，以自身的高硬度，一方面起抗磨作用,，另一方面保護(hù)基體不易被磨損[9],。因此，白口鑄鐵共晶碳化物團(tuán)球化后,，耐磨性大幅度提高,。白口鑄鐵的硬度主要與基體和碳化物的種類,、數(shù)量有關(guān)，而形貌和分布對(duì)硬度影響不大,，而變質(zhì)處理僅僅改變碳化物的形貌和分布,，因此對(duì)鎢合金白口鑄鐵的硬度影響不明顯。
經(jīng)變質(zhì)處理的鎢合金白口鑄鐵的應(yīng)用經(jīng)變質(zhì)處理的鎢合金白口鑄鐵襯板已經(jīng)在多臺(tái)直徑2.1m以下的球磨機(jī)上進(jìn)行了裝機(jī)運(yùn)行試驗(yàn),，結(jié)果如下：與高錳鋼襯板相比,，用于研磨水泥，使用壽命提高3～5倍}用于研磨煤粉,，使用壽命提高2～4倍,；用于研磨磷礦等化學(xué)礦物，使用壽命提高2～3倍,。使用經(jīng)變質(zhì)處理的鎢合金白口鑄鐵襯板可提高球磨機(jī)產(chǎn)量2％～4％,，使用安全可靠，使用中從未發(fā)生斷裂和剝落事故,，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益,。
結(jié)論1、用鉀鹽,、鈉鹽通過(guò)熱還原法,，以稀土硅鐵作載體，制成含鉀,、鈉的變質(zhì)劑,，用于對(duì)鎢合金白口鑄鐵進(jìn)行變質(zhì)處理，可改善其碳化物形貌,，使之團(tuán)塊化甚至團(tuán)球化,，碳化物明顯細(xì)化且分布均勻化。
2,、經(jīng)變質(zhì)處理的鎢合金白口鑄鐵,，其沖擊韌性明顯提高，熱處理后,，沖擊韌性比鑄態(tài)最高可提高41.5％,。
3、經(jīng)變質(zhì)處理的鎢合金白口鑄鐵,，其抗沖擊磨損性能改善,，與未經(jīng)變質(zhì)處理的鎢合金白口鑄鐵相比，試樣磨損減少21.1％～49％（質(zhì)量計(jì)）,。
4,、經(jīng)變質(zhì)處理的鎢合金白口鑄鐵襯板用于球磨機(jī)研磨粉料，使用安全可靠,，使用壽命比高錳鋼襯板提高2倍以上,。
