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，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，見圖1?？梢姼咤i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?？梢姼哝u合金白口鑄鐵中的碳化物形貌較好，但鎢價(jià)格高，開發(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適當(dāng)?shù)倪€原劑來制成合金或化合物。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?；顒?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，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)劑加入量見表1。1350℃時(shí)鐵水澆入干砂型，每次澆注6根22mm×22mm×115mm的無缺口沖擊試樣。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，說明變質(zhì)處理后鐵水在液相線和共晶區(qū)已過冷。結(jié)晶學(xué)原理指出，合金的結(jié)晶過冷度增大，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圖2、圖3和圖4。從圖2可知，無論是鑄態(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。
