０ 引 言磨球、衬板、齿板等铸件均是矿山、冶金、建材、交通等部门常用的易损件，近年来，国 内外同行均采用了多种方法来提高其寿命。单从材质方面看，这些抗磨易损件大致经历过低Ｃｒ铸 铁、高Ｃｒ铸铁和低合金钢三个发展阶段，其中低Ｃｒ铸铁由于无法从根本上改变Ｍ３Ｃ型碳化物 沿晶界呈网状分布的形态，铸件脆性问题难以从根本上解决，高Ｃｒ铸铁具有一定的韧性和优良的 抗磨性，但价格较贵，生产工艺复杂，应用仍受到一定限制，而钢球虽韧性较好，但沿铸件断面硬 度变化较大，特别是抗磨性远不及高Ｃｒ磨球。由此可见，三类铸造磨球材质中还未能找到一种较 理想的铸造磨球。我们经过几年研究，终于找到了一种耐磨性能好的钨渣合金耐磨球。该磨球材质 耐磨、价廉，生产工艺简单，工艺出品高，但如何改变碳化物的性质、形态及分布以克服该类铸球 脆性比较大的弊病是个关键。本文拟采用多元合金化进行复合变质加上热处理的综合处理技术以期 改变其内部组织结构，从而达到提高韧性和使用寿命的目的。１ 变质剂作用机理１－１ 各变质 剂对碳化物形貌的影响对试样进行金相观察后发现，变质处理前的碳化物为粗大、连续网状分布， 蜂窝状体非常明显，即使经热处理后，碳化物的这种形貌也没有多大改观（图１）。图１ 变质处 理前的碳化物的形貌 在试验中，我们先后选用１０多种变质剂，进行了几十炉次的试验，得到 了几百个试验数据，经整理分析，其结果表明：应用在变质过程中，既有强烈吸附能力、细化晶粒 ，又具强烈净化（脱硫，脱气）能力的变质剂能明显地改善铸态碳化物的形态和分布（见图２）。 由图２可知，变质处理后，在铸态条件下碳化物网部断开，尺寸减少。而热处理后，碳化物形貌进 一步得到改善。总之，变质处理对碳化物形貌的影响为：晶粒明显细化，均匀分布，连续性网状大 为减轻。１－２ 复合变质处理从试验中发现各变质剂单独处理时，试件的综合性能指标不够理想 ，各性能指标提高不大。为此，我们试图用几种变质剂综合处理，以期进一步改善铸铁的组织和性 能。对钨渣我们研究得比较多，最佳加入量以５％为宜，按照表Ｌ９（３４）进行正交试验，测定 出几十种性能数据，现只列出有代表性的几个数据，如表１。图２ 变质处理后对碳化物形貌的影 响表１ 正交试验结果因素与水平铸态性能热处理后性能№Ｖ／％ＲＥ／％Ｂ／％ａｋ／（Ｊ／ｃ ｍ２）ＨＲＣａｋ／（Ｊ／ｃｍ２）ＨＲＣ０———３－８５０４－０４２１０－１５０－２００ －３６－４５０６－５４８２０－２５０－１５０－１５－８４９５－９５０３０－２００－２５ ０－２７－５５３９－０５２４０－３００－３００－２５－８５４８－１５４ 对试验结果进 行综合分析发现，最佳变质剂组合分别为钨渣铁合金量５％，Ｖ为０－２％，ＲＥ为０－２５％， Ｂ为０－２％，即第三号试样，其性能指标均超过了单独变质处理的最高值。１－３ 变质剂作用 分析到目前为止，变质剂的变质机理虽然还没有全部弄清，但其变质结果基本达到了预期目的。试 验所用的几种变质剂的作用如下。ａ－钒。钒是强碳化物形成元素，经常形成ＶＣ和ＶＮ，它们起 异质晶核作用；ＶＣ非常稳定，硬度最高，亦最为耐磨；钒能降低奥氏体中的含碳量使Ｍｓ上升， 降低了奥氏体的稳定性，从而有利于形成马氏体；钒在热处理中能机械地阻碍奥氏体晶粒长大，故 能细化晶粒。ｂ－ＲＥ。大量试验证实，ＲＥ和Ｂ具有较强的脱硫、脱氧、净化金属液的能力，而 脱硫去氧形成的夹杂又可作为初晶ｒ的形核基底，使之核心数量增加，晶粒细化，因此使ｒ枝晶间 产生的Ｍ３Ｃ共晶碳化物随之细化。另外，ＲＥ熔点低，原子半径较大，在Ｆｅ－Ｃ合金中，是强 过冷元素，同时又是非碳化物形成元素。因此，在凝固过程中，就会通过溶质再分配而富集在碳化 物结晶前沿，造成离异共晶的生产条件，使ｒ相生长超前，碳化物生长成弧立状。ｃ－Ｂ。Ｂ能净 化晶界，减少夹杂物的有害作用，Ｂ和Ｖ一样既能细化晶粒又能强化固溶体。ｄ－钨渣铁合金。钨 渣铁合金是炼钨后的渣提炼出的合金，具体成分如表２所示。其中Ｗ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｃｒ与 Ｃ亲和力较大，常与Ｃ结合形成相应碳化物，它们熔点均很高，Ｗ２Ｃ为２７５０℃，ＷＣ为２６ ００℃，ＮｂＣ为３６０８℃，Ｃｒ２Ｃ３为２８００℃，ＴａＣ为４１５０℃，在铁水结晶过程 中，这些高熔点的碳化物起外来结晶核心作用，常能细化一次结晶组织，而通常磨球、衬板等耐磨 件是在干摩擦条件下工作，其主要失效形式是磨料磨损。抵抗这种磨损的根本途径是提高材料自身 的硬度，并使之具备足够强度和韧性。因此，用这几种变质剂，对碳化物的形核热力学及生长动力 学均有一定影响，用其进行综合处理，更能有效地发挥其变质作用。表２ 钨渣合金成分（％）批 号ＦｅＷＭｎＮｂＴａＴｉＣＳｉ１６９－２３５－９４１６－６９０－４６９０－１６６－１７ ６－５０－２７２－７６４－８８１４－２４０－６１００－１７２０－１２５－５８０－１２３ ６９－９９５－３５１６－５３０－５９４０－０７９０－１６６－１７０－４５１－４ 变质与 热处理的综合作用试验结果表明，变质处理后再经热处理，碳化物的形貌及韧性得到了进一步改善 ，如图２。用３号样和０号样比较（３号复合变质处理，０号样单一变质处理），铸态下冲击韧性 提高不到１倍，热处理后，冲击韧性提高１倍以上，金相检测表明，热处理后碳化物更趋孤立化和 细化。分析认为，这是由于复合变质处理后，碳化物变为断网状，促进了高温ｒ化时碳化物尖角部 的溶解和分离，在曲率半径大的地方沉积，从而加速碳化物孤立化和团块化，这说明可以通过变质 和热处理进行综合控制，获得钨渣低铬耐磨铸铁理想的组织形貌和力学性能，其热处理工艺是：加 热９００℃～９５０℃，保温后，在特殊喷雾空冷的介质中进行淬火后再进行３５０℃回火３ｈ， 以消除应力。２ 性能检测结果２－１ 力学性能检测如表３所示。 表３ 力学性能试验试样编号抗弯强度／（σｐ／ＭＰａ）挠度ｆ／ｍｍ冲击 韧性ａｋ（Ｊ／ｃｍ２）洛氏强度／ＨＲＣ备 注１７０８１－９８６－８８５０～５５σｐ采 用３０ｍｍ×３５０ｍｍ砂型铸造试棒２７６０２－４２６－９０５２～５６Ａｋ采样１０ｍｍ ×１０ｍｍ×５５ｍｍ砂型试块３６３８１－８２７－０９５０～５５４６２４１－７６６－９０ ４８～５４在磨球上切取试块２－２ 室内磨损试验在磨球实体上取１５ｍｍ×１５ｍｍ×１０ｍ ｍ的试块，置于表４ 磨损试验值试样号原质量／ｇ磨损后质量／ｇ失去质量／ｇ硬度／ＨＲＣ高 铬球１４１－１８４０１４０－８８５２－０－２９８８５１试验球１＃１４０－５９８９１４０ －３５０１－０－２４８８５３试验球２＃１４０－３０１６１４０－０４４４－０－２５７２５ ２ＭＬＳ１２橡胶轮磨损试验机中进行试验。试验条件：石英砂７０～１４０目，１９５ｋｇ，水 １－２２ｋｇ，加载荷７ｋｇ，磨损时间７ｍｉｎ，对试验钨渣合金球和高铬球分别进行试验，结 果列于表４。２－３ 显微组织检测从磨球实体上切取金相试块，在光学显微镜和电子显微镜下观 察，其组织为屈氏体＋块状Ｍ７Ｃ３共晶碳化物，如图３ａ，ｂ所示。图３ 金属的内部结构组织 ３ 工业应用试验为真实地考核磨球的使用性能，验证工艺的稳定性和生产技术水平，先后在几家 用户进行了整仓装机试验，这些厂对使用后的磨球均作了精确测试。工业试验是在生产实地进行， 用高Ｃｒ球和钨渣合金耐磨球对同样品种矿石进行破碎。使用结果如表５。表５ 工业应用试验数 据表装机单位磨机规格（×Ｌ）／ｍ原装质量／ｔ运转时间／ｈ消耗量／（ｇ／ｔ）碎球率磨球 材质泡颈山铅锌矿１－６０×５－７０４－８１６８８６５基本未碎高Ｃｒ磨球泡颈山铅锌矿１－ ８３×６－１２７－５４６１９５０基本未碎钨渣磨球香花岭锡矿１－８３×６－４０６－５１１ １１６８基本未碎钨渣磨球香花岭锡矿１－８３×６－４０６－５１１００７０基本未碎高Ｃｒ磨 球 实际应用表明，金属型铸造６０ｍｍ～１００ｍｍ磨球硬度均匀，耐磨性高。经３００ ０ｈ运行而不变形。如６０ｍｍ磨球的直径虽已减至５０ｍｍ，但球面圆整，可继续使用。而 用砂型铸造的５０ｍｍ磨球，磨损严重且变形大，不能继续使用。因此，对这种材料采用金属型 铸造，能显著提高磨球组织的致密程度和使用寿命。４ 经济效益和效益分析获得良好的经济效益 与社会效益是我们进行产品设计的出发点，钨渣磨球采用的主要是低廉的钨渣铁合金，简化了生产 工艺和设备，降低了生产成本。试验磨球与目前广泛使用的高Ｃｒ球在配方上的主要区别是：一个 使用钨渣铁合金，加入为５％左右，而高Ｃｒ球含Ｃｒ量为１３％左右，试验球内也有少量钒、硼 和稀土，因此，加了５％的钨渣铁合金，即相当于高Ｃｒ磨球中加入１０％的Ｃｒ，钨渣铁合金每 吨售价为３０００元，１ｔ试验磨球加入钨渣铁合金的成本为１５０元，而１ｔ高Ｃｒ球的成本为 １０２０元，仅这一项，每吨试验球成本要比高Ｃｒ球低８７０元，若加上热处理节省的能量、时 间，每吨试验球成本要比高Ｃｒ球低１０００元。此外，我们还对使用钨渣磨球的用户进行了考查 ，用户仅在节约磨球费用、提高机器运转率、增加台时产量方面计算，平均每消耗１ｔ试验磨球， 可节省开支５０００元左右，钨渣原材料来源广泛，使渣变废为宝，社会效益显著。５ 结 论ａ －钨渣合金磨球，能延长耐磨件的使用寿命，已达到高Ｃｒ球的水平，是一种很有前途的新型耐磨 材料。ｂ－Ｖ，ＲＥ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｂ，Ｔａ等元素能细化组织，改善碳化物的形态分布， 从而提高韧性，改善抗磨性和使用寿命。ｃ－用钨渣合金为主的合金化磨球，为综合利用钨渣资源开辟了一条新途径。ｄ－钨渣合金化思路新，生产工艺简便，成本低，经济效益和社会效益显著。钨渣合金铸铁生产耐磨件的研究@蔡岳洪$岳阳大学!湖南岳阳414000@胡晖$湖南大学!长沙410082@雷泽英$湖南大学!长沙410082磨球;;耐磨性;;合金化;;熔铸工
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