球磨机是一种工业生产中应用广泛的物料粉磨设备，具有构造简单、操作方便、效率高等特点。衬板是球磨机上的关键部件，其质量直接影响设备的正常运行和粉磨成本，提高其质量一直是科技工作者追求的目标。长期以来，衬板主要用高锰钢制造。

　　高锰钢是一种强韧性良好，并有优良形变硬化能力的钢种，在三向挤压状态下高锰钢的加工硬化非常明显，表面硬度可达910HV[1]。但用于球磨机衬板，加工硬化后，500HV以上的硬化层深度不足0.2mm，距表面1.8mm处的硬度为260HV，接近高锰钢衬板的原始硬度240HV，见图1。可见高锰钢用于制造衬板，加工硬化效果差，耐磨性低。高铬铸铁和镍硬铸铁由于其组织中含有20％以上的共晶碳化物，因而硬度高、耐磨性好乜’3]，但脆性大，若直接制造衬板，使用中易出现断裂，影响球磨机的正常运行。近年开发的复合铸造技术尽管可以提高白口铸铁的抗断裂能力，但操作复杂，实际生产中推广使用进展缓慢。因此，尽快研制生产工艺简单、成本低、耐磨性好、抗断裂能力强的球磨机衬板，是粉料生产中亟待解决的课题。

　　钨合金白口铸铁是根据我国国情发展起来的一种新型抗磨材料，具有硬度高、耐磨性好等特点，用于制作搅拌机叶片、渣浆泵泵体，使用寿命已达到高铬铸铁的水平。钨合金白口铸铁中，钨分布在基体和碳化物中。钨能改变碳化物的形貌和分布，当叫（C）=2.7％～3.3％：∞（W）<6％时，碳化物呈M3C型，为连续网状分布；叫（W）≈20％时，碳化物呈MeC型，还有些呈Mz3C6型及MC型，其形貌呈紧密结构的孤立块状，为奥氏体所包围；∞（w）=13％～15％时，碳化物以MeC型为主，还有少量的M7C3型及M。C型，其形貌呈断网状或孤立块状。可见高钨合金白口铸铁中的碳化物形貌较好，但钨价格高，开发高钨合金白口铸铁不具备市场竞争力。低钨合金白口铸铁成本低，但其共晶碳化物呈连续网状分布，脆性大，承受冲击载荷工况的安全性差，故使用范围受到严格限制。为扩大低钨合金白口铸铁的使用范围，确保使用安全、可靠，改善低钨合金白口铸铁共晶碳化物形貌是必要的。

　　使网状共晶碳化物团球化是冶金学上长期为之奋斗的目标之一。国内外曾采用硼、硅、铝、铼和镁等元素对白口铸铁进行变质处理，均未得到满意效果。采用高温长时间热处理，可使碳化物团球化，但高温下晶粒显著长大，对改善机械性能不利。锻造可使碳化物脆裂，同时晶粒细化，因而可大幅度提高机械性能，但只限于简单的零件。叶以富在研究低铬白口铸铁时，曾用钾盐和钠盐作变质剂，发现它们均能促使低铬铸铁的碳化物团球化[4]。祖方遒等人的研究也表明，钾、钠有促使稀土铸铁中的石墨成球的作用[5]。我们研究了钾、钠对低钨合金白口铸铁碳化物形貌的影响，并对含钾、钠变质剂及其加入方法、变质机理进行了深入研究。含钾、钠的低钨合金白口铸铁，其共晶碳化物呈团块状、部分呈团球状分布，机械性能明显提高，生产成本较低，有较好的应用前景。

　　含钾、钠变质剂的研究纯的钾、钠价格昂贵，熔点低，易氧化，难于直接加入金属液体中。因此只能用钾或钠通过适当的还原剂来制成合金或化合物。由金属活动性顺序表可知，钾、钠是和氧结合力最强的两种元素。活动性大的金属从其盐类中被一种活动性小的金属所置换，看来与两种金属的氧化势相矛盾，但文献[73指出，在许多情况下可实现这种置换，这是由于两种金属在较高温度下挥发度的差别使平衡转移所致。铷和铯能从它们的盐类中被铁置换，实现这种置换所需的温度视所用的盐类而定。由此可见，用金属热还原法制取含钾、钠的合金是可能的。碳、硅、碳化钙均可用作还原剂，由此推论铝、镁和稀土也可应用，效果可能更好，这是制取含钾、钠合金的依据。我们用包头”1稀土作载体，制成含钾、钠的合金。这种合金加入金属液体时很平稳，其中钾、钠含量可达6％～15％，在实际应用中具有较好的效果。

　　试样的熔炼铸造和热处理铁水在容量为20kg中频感应电炉中熔化。用铂铑一铂热电偶和XT一204型自动记录仪测量并记录铁水温度。当铁水温度达1450℃时出炉。变质处理采用包内冲人法，试样编号及变质剂加入量见表1。1350℃时铁水浇入干砂型，每次浇注6根22mm×22mm×115mm的无缺口冲击试样。试样分铸态和热处理态两组。试样热处理工艺是：950℃×1.5h，风冷+300℃×2h，空冷。试样加工好后测其硬度、冲击韧性，在冲断后的试样上用线切割机加工出10mm×10mm×30mm的磨损试样。磨损试验在MLD一10型动载冲击磨损试验机上进行。

　　组织表明，未经变质处理的钨合金白口铸铁，其铸态组织中碳化物粗大，呈网状分布。加入适量的钾、钠后，铸态组织中碳化物出现团块状，网状分布基本消失，孤立化程度明显改善，碳化物也明显细化。

　　钨合金白口铸铁热处理后的组织为共晶碳化物+二次碳化物+马氏体十残留奥氏体。未经变质处理的钨合金白口铸铁热处理后，虽然碳化物形貌稍有改善，但仍保持粗大的网状、断网状分布的特征。

　　含钾、钠的钨合金自口铸铁热处理后，碳化物尖角基本消失，碳化物趋于呈团球状分布，碳化物表面的圆滑度增加。

　　出现上述结果的原因可解释如下：根据结晶学理论和热力学计算可知，白口铸铁中的碳化物和奥氏体在共晶生长过程中，属于粗糙一光滑面偶合生长方式。理论和实践均证明，该类合金能借助变质处理改善组织形态，这是低钨合金白口铸铁变质处理的理论基础。

　　热分析曲线表明，用经钾、钠变质处理的钨合金白口铸铁与未经变质处理的钨合金白口铸铁对比发现，钨合金白口铸铁经变质处理后，初晶结晶温度降低8～20℃，共晶结晶温度降低8～15℃。初晶结晶温度和共晶结晶温度的降低，说明变质处理后铁水在液相线和共晶区已过冷。结晶学原理指出，合金的结晶过冷度增大，会使形核率增加。因此钾、钠使初晶奥氏体晶核增多，初晶奥氏体得以细化。初晶奥氏体的细化导致共晶反应时残留铁液相互被隔开的趋势增强。共晶阶段共晶奥氏体优先在狭窄通道两侧的初晶奥氏体上以“离异”方式结晶，促使残留金属液进一步被分隔，最后导致共晶碳化物网状结构断开而孤立化。对钾、钠的电子探针扫描表明，钾、钠在共晶结晶时选择性地吸附在共晶碳化物择优生长方向的表面上，形成吸附薄膜，阻碍铁水中的铁、碳、钨等原子长人共晶碳化物晶体，降低了共晶碳化物[010]择优方向的长大速度，导致[010]方向长大速度减慢，而[001]、[100]方向长大速度加快，形成不规则的团块状碳化物。表面活性元素钾、钠不仅吸附在碳化物择优长大方向的表面上，阻碍碳化物在该方向的生长，而且易促进碳化物的孪晶形成，导致碳化物形貌的团块化。热处理后共晶碳化物由表面自由能高的团块状向团球状转化，这是热力学过程发展的必然趋势。热处理前的共晶碳化物越细小、分布越均匀，这种转化越易实现，完成这种转化的加热温度也越低，时间也越短。因此在950℃保温1.5h的情况下，未经变质处理的钨合金白口铸铁，其共晶碳化物呈网状、断网状分布；而经钾、钠变质处理的钨合金白口铸铁，其共晶碳化物呈较均匀的团块状甚至团球状分布。

　　钾、钠对钨合金白口铸铁性能的影响在不同变质处理工艺条件下，各试样的硬度、冲击韧性和耐磨性分别见图2、图3和图4。从图2可知，无论是铸态还是热处理态，经钾、钠变质处理后，硬度值变化不大。

　　钨合金自口铸铁经钾、钠变质处理后，其冲击韧性明显提高。图3表明，热处理态的冲击韧性比铸态还可提高20％～30％。

　　钨合金白口铸铁经钾、钠变质处理后，抗冲击磨损性能改善，与未经变质处理的钨合金白口铸铁（W。）相比，试样磨损减少了21.1％～9％（质量计）。

　　对于上述结果可作如下解释：断裂力学理论指出，脆性断裂包括裂纹的萌生与传播[8]，对于白口铸铁，后者主要受控于组织中碳化物的数量、形貌、分布及尺寸。变质处理能提高韧性的原因在于对碳化物形貌、分布、尺寸的改善，使裂纹传播的路径受到基体的阻碍。低钨合金白口铸铁，其共晶碳化物粗大且呈连续网状分布，裂纹易于沿着网状碳化物传播，因此韧性较低；经钾、钠变质处理后，其共晶碳化物分布均匀，网状分布趋于消失，团球化趋势明显，因此，裂纹不易传播，韧性相应提高。碳化物由网状变成团球状后，碳化物间平均自由程减小，与磨料平均直径之比值变小，因而碳化物可将磨料托住，以自身的高硬度，一方面起抗磨作用，另一方面保护基体不易被磨损[9]。因此，白口铸铁共晶碳化物团球化后，耐磨性大幅度提高。白口铸铁的硬度主要与基体和碳化物的种类、数量有关，而形貌和分布对硬度影响不大，而变质处理仅仅改变碳化物的形貌和分布，因此对钨合金白口铸铁的硬度影响不明显。

　　经变质处理的钨合金白口铸铁的应用经变质处理的钨合金白口铸铁衬板已经在多台直径2.1m以下的球磨机上进行了装机运行试验，结果如下：与高锰钢衬板相比，用于研磨水泥，使用寿命提高3～5倍}用于研磨煤粉，使用寿命提高2～4倍；用于研磨磷矿等化学矿物，使用寿命提高2～3倍。使用经变质处理的钨合金白口铸铁衬板可提高球磨机产量2％～4％，使用安全可靠，使用中从未发生断裂和剥落事故，具有较好的经济效益。

　　结论1、用钾盐、钠盐通过热还原法，以稀土硅铁作载体，制成含钾、钠的变质剂，用于对钨合金白口铸铁进行变质处理，可改善其碳化物形貌，使之团块化甚至团球化，碳化物明显细化且分布均匀化。

　　2、经变质处理的钨合金白口铸铁，其冲击韧性明显提高，热处理后，冲击韧性比铸态最高可提高41.5％。

　　3、经变质处理的钨合金白口铸铁，其抗冲击磨损性能改善，与未经变质处理的钨合金白口铸铁相比，试样磨损减少21.1％～49％（质量计）。

　　4、经变质处理的钨合金白口铸铁衬板用于球磨机研磨粉料，使用安全可靠，使用寿命比高锰钢衬板提高2倍以上。