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變質處理鎢合金白口鑄鐵球磨機襯板的研究和應

2014/06/05 09:13
導讀: 球磨機是一種工業生產中應用廣泛的物料粉磨設備,具有構造簡單、操作方便、效率高等特點。襯板是球磨機上的關鍵部件,其質量直接影響設備的正常運行和粉磨成本,提高其質量一直是科技
  球磨機是一種工業生產中應用廣泛的物料粉磨設備,具有構造簡單、操作方便、效率高等特點。襯板是球磨機上的關鍵部件,其質量直接影響設備的正常運行和粉磨成本,提高其質量一直是科技工作者追求的目標。長期以來,襯板主要用高錳鋼制造。
  高錳鋼是一種強韌性良好,并有優良形變硬化能力的鋼種,在三向擠壓狀態下高錳鋼的加工硬化非常明顯,表面硬度可達910HV[1]。但用于球磨機襯板,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,使用中易出現斷裂,影響球磨機的正常運行。近年開發的復合鑄造技術盡管可以提高白口鑄鐵的抗斷裂能力,但操作復雜,實際生產中推廣使用進展緩慢。因此,盡快研制生產工藝簡單、成本低、耐磨性好、抗斷裂能力強的球磨機襯板,是粉料生產中亟待解決的課題。
  鎢合金白口鑄鐵是根據我國國情發展起來的一種新型抗磨材料,具有硬度高、耐磨性好等特點,用于制作攪拌機葉片、渣漿泵泵體,使用壽命已達到高鉻鑄鐵的水平。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,當叫(C)=2.7%~3.3%:∞(W)<6%時,碳化物呈M3C型,為連續網狀分布;叫(W)≈20%時,碳化物呈MeC型,還有些呈Mz3C6型及MC型,其形貌呈緊密結構的孤立塊狀,為奧氏體所包圍;∞(w)=13%~15%時,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,但鎢價格高,開發高鎢合金白口鑄鐵不具備市場競爭力。低鎢合金白口鑄鐵成本低,但其共晶碳化物呈連續網狀分布,脆性大,承受沖擊載荷工況的安全性差,故使用范圍受到嚴格限制。為擴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。
  使網狀共晶碳化物團球化是冶金學上長期為之奮斗的目標之一。國內外曾采用硼、硅、鋁、錸和鎂等元素對白口鑄鐵進行變質處理,均未得到滿意效果。采用高溫長時間熱處理,可使碳化物團球化,但高溫下晶粒顯著長大,對改善機械性能不利。鍛造可使碳化物脆裂,同時晶粒細化,因而可大幅度提高機械性能,但只限于簡單的零件。葉以富在研究低鉻白口鑄鐵時,曾用鉀鹽和鈉鹽作變質劑,發現它們均能促使低鉻鑄鐵的碳化物團球化[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、鈉對低鎢合金白口鑄鐵碳化物形貌的影響,并對含鉀、鈉變質劑及其加入方法、變質機理進行了深入研究。含鉀、鈉的低鎢合金白口鑄鐵,其共晶碳化物呈團塊狀、部分呈團球狀分布,機械性能明顯提高,生產成本較低,有較好的應用前景。
  含鉀、鈉變質劑的研究純的鉀、鈉價格昂貴,熔點低,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的還原劑來制成合金或化合物。由金屬活動性順序表可知,鉀、鈉是和氧結合力最強的兩種元素?;顒有源蟮慕饘購钠潲}類中被一種活動性小的金屬所置換,看來與兩種金屬的氧化勢相矛盾,但文獻[73指出,在許多情況下可實現這種置換,這是由于兩種金屬在較高溫度下揮發度的差別使平衡轉移所致。銣和銫能從它們的鹽類中被鐵置換,實現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、鎂和稀土也可應用,效果可能更好,這是制取含鉀、鈉合金的依據。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很平穩,其中鉀、鈉含量可達6%~15%,在實際應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中頻感應電爐中熔化。用鉑銠一鉑熱電偶和XT一204型自動記錄儀測量并記錄鐵水溫度。當鐵水溫度達1450℃時出爐。變質處理采用包內沖人法,試樣編號及變質劑加入量見表1。1350℃時鐵水澆入干砂型,每次澆注6根22mm×22mm×115mm的無缺口沖擊試樣。試樣分鑄態和熱處理態兩組。試樣熱處理工藝是:950℃×1.5h,風冷+300℃×2h,空冷。試樣加工好后測其硬度、沖擊韌性,在沖斷后的試樣上用線切割機加工出10mm×10mm×30mm的磨損試樣。磨損試驗在MLD一10型動載沖擊磨損試驗機上進行。
  組織表明,未經變質處理的鎢合金白口鑄鐵,其鑄態組織中碳化物粗大,呈網狀分布。加入適量的鉀、鈉后,鑄態組織中碳化物出現團塊狀,網狀分布基本消失,孤立化程度明顯改善,碳化物也明顯細化。
  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。未經變質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,但仍保持粗大的網狀、斷網狀分布的特征。
  含鉀、鈉的鎢合金自口鑄鐵熱處理后,碳化物尖角基本消失,碳化物趨于呈團球狀分布,碳化物表面的圓滑度增加。
  出現上述結果的原因可解釋如下:根據結晶學理論和熱力學計算可知,白口鑄鐵中的碳化物和奧氏體在共晶生長過程中,屬于粗糙一光滑面偶合生長方式。理論和實踐均證明,該類合金能借助變質處理改善組織形態,這是低鎢合金白口鑄鐵變質處理的理論基礎。
  熱分析曲線表明,用經鉀、鈉變質處理的鎢合金白口鑄鐵與未經變質處理的鎢合金白口鑄鐵對比發現,鎢合金白口鑄鐵經變質處理后,初晶結晶溫度降低8~20℃,共晶結晶溫度降低8~15℃。初晶結晶溫度和共晶結晶溫度的降低,說明變質處理后鐵水在液相線和共晶區已過冷。結晶學原理指出,合金的結晶過冷度增大,會使形核率增加。因此鉀、鈉使初晶奧氏體晶核增多,初晶奧氏體得以細化。初晶奧氏體的細化導致共晶反應時殘留鐵液相互被隔開的趨勢增強。共晶階段共晶奧氏體優先在狹窄通道兩側的初晶奧氏體上以“離異”方式結晶,促使殘留金屬液進一步被分隔,最后導致共晶碳化物網狀結構斷開而孤立化。對鉀、鈉的電子探針掃描表明,鉀、鈉在共晶結晶時選擇性地吸附在共晶碳化物擇優生長方向的表面上,形成吸附薄膜,阻礙鐵水中的鐵、碳、鎢等原子長人共晶碳化物晶體,降低了共晶碳化物[010]擇優方向的長大速度,導致[010]方向長大速度減慢,而[001]、[100]方向長大速度加快,形成不規則的團塊狀碳化物。表面活性元素鉀、鈉不僅吸附在碳化物擇優長大方向的表面上,阻礙碳化物在該方向的生長,而且易促進碳化物的孿晶形成,導致碳化物形貌的團塊化。熱處理后共晶碳化物由表面自由能高的團塊狀向團球狀轉化,這是熱力學過程發展的必然趨勢。熱處理前的共晶碳化物越細小、分布越均勻,這種轉化越易實現,完成這種轉化的加熱溫度也越低,時間也越短。因此在950℃保溫1.5h的情況下,未經變質處理的鎢合金白口鑄鐵,其共晶碳化物呈網狀、斷網狀分布;而經鉀、鈉變質處理的鎢合金白口鑄鐵,其共晶碳化物呈較均勻的團塊狀甚至團球狀分布。
  鉀、鈉對鎢合金白口鑄鐵性能的影響在不同變質處理工藝條件下,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,無論是鑄態還是熱處理態,經鉀、鈉變質處理后,硬度值變化不大。
  鎢合金自口鑄鐵經鉀、鈉變質處理后,其沖擊韌性明顯提高。圖3表明,熱處理態的沖擊韌性比鑄態還可提高20%~30%。
  鎢合金白口鑄鐵經鉀、鈉變質處理后,抗沖擊磨損性能改善,與未經變質處理的鎢合金白口鑄鐵(W。)相比,試樣磨損減少了21.1%~9%(質量計)。
  對于上述結果可作如下解釋:斷裂力學理論指出,脆性斷裂包括裂紋的萌生與傳播[8],對于白口鑄鐵,后者主要受控于組織中碳化物的數量、形貌、分布及尺寸。變質處理能提高韌性的原因在于對碳化物形貌、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網狀分布,裂紋易于沿著網狀碳化物傳播,因此韌性較低;經鉀、鈉變質處理后,其共晶碳化物分布均勻,網狀分布趨于消失,團球化趨勢明顯,因此,裂紋不易傳播,韌性相應提高。碳化物由網狀變成團球狀后,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,另一方面保護基體不易被磨損[9]。因此,白口鑄鐵共晶碳化物團球化后,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、數量有關,而形貌和分布對硬度影響不大,而變質處理僅僅改變碳化物的形貌和分布,因此對鎢合金白口鑄鐵的硬度影響不明顯。
  經變質處理的鎢合金白口鑄鐵的應用經變質處理的鎢合金白口鑄鐵襯板已經在多臺直徑2.1m以下的球磨機上進行了裝機運行試驗,結果如下: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礦物,使用壽命提高2~3倍。使用經變質處理的鎢合金白口鑄鐵襯板可提高球磨機產量2%~4%,使用安全可靠,使用中從未發生斷裂和剝落事故,具有較好的經濟效益。
  結論1、用鉀鹽、鈉鹽通過熱還原法,以稀土硅鐵作載體,制成含鉀、鈉的變質劑,用于對鎢合金白口鑄鐵進行變質處理,可改善其碳化物形貌,使之團塊化甚至團球化,碳化物明顯細化且分布均勻化。
  2、經變質處理的鎢合金白口鑄鐵,其沖擊韌性明顯提高,熱處理后,沖擊韌性比鑄態最高可提高41.5%。
  3、經變質處理的鎢合金白口鑄鐵,其抗沖擊磨損性能改善,與未經變質處理的鎢合金白口鑄鐵相比,試樣磨損減少21.1%~49%(質量計)。
  4、經變質處理的鎢合金白口鑄鐵襯板用于球磨機研磨粉料,使用安全可靠,使用壽命比高錳鋼襯板提高2倍以上。
標簽: 球磨機襯板
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