錘式破碎機(jī)錘頭耐磨新材料的研制

　　1 引言

　　錘式破碎機(jī)的錘頭是破碎機(jī)的主要易損件,每年要消耗大量的金屬材料。目前國內(nèi)的破碎機(jī)錘頭大部分使用高錳鋼材質(zhì),使用壽命非常短,而且出機(jī)物料由于錘頭的磨損過快造成篦條和錘頭的間隙過大而粒度不均勻,影響下一步的粉磨過程,同時頻繁停機(jī)更換錘頭增加了維修工作量,影響正常生產(chǎn)。如果錘頭的硬度過高,在大塊物料的打擊下很容易造成錘頭的斷裂,不及時停機(jī)會造成設(shè)備事故。因此,研制出一種高強(qiáng)韌材質(zhì)制作錘頭具有十分重要的意義。

　　2 破碎機(jī)錘頭的失效分析及對耐磨材料的性能要求

　　2.1 錘頭的失效分析

　　錘式破碎機(jī)的工作簡圖見圖1,物料從喂料口落下進(jìn)入破碎腔,與高速旋轉(zhuǎn)的錘頭相撞擊而被破碎。破碎后的物料落在有一定間隙的篦條上。這時錘頭除了在破碎腔上部與繼續(xù)落下的物料相撞擊外,還要對破碎腔底部堆積在篦條上的物料施以撞擊、碾壓,迫使被破碎后符合要求的細(xì)小物料通過篦條卸出。在上述過程中,錘頭除受到撞擊外,還受到物料的沖刷。隨著上述過程的不斷重復(fù),久而久之,錘頭的原工作面遭到破壞,其表面形狀發(fā)生了變化,原來的棱角磨削為光滑的圓弧面,見圖2。從圖2我們可以看到,作用在錘頭磨面的力F分解為兩個力,一是垂直于磨面的法向力F法;另一是平行于磨面的切向力F切。前者對錘頭磨面產(chǎn)生撞擊作用;后者對錘頭磨面造成切削、沖刷。

　　

 

　　圖1 破碎機(jī)簡圖

　　

 

　　圖2 錘頭磨損前、后示意圖

　　由錘頭工作示意圖和掃描電鏡分析可知,破碎機(jī)錘頭在工作中受到幾種形式的磨損。在錘頭工作初期其表面形狀未發(fā)生改變時,錘頭主要受到撞擊磨損,物料以正向力撞擊金屬表面產(chǎn)生塑性變形和撞擊坑。

　　當(dāng)錘頭的工作面磨損為弧面后,其表面的受力發(fā)生了變化,物料以一定的沖擊角撞擊工作面。此時錘頭除了受到物料以正向力F法的撞擊磨損外,還受到物料對它的沖刷造成的犁削。當(dāng)材料硬度較低時物料刺入其表面,在水平分力F切的作用下將材料推至兩側(cè),造成堆積和隆起,形成犁溝;而材料硬度較高時,磨損過程則以切削材料為主。被切削的材料一部分呈磨屑流失,另一部分尚與母體連接的磨屑經(jīng)再次切削和沖擊后終還是斷裂脫落。同時在物料的反復(fù)多次沖擊下,沖擊坑的翻邊和犁溝降起的兩側(cè)因多次變形脆化而產(chǎn)生裂紋。裂紋經(jīng)連接和擴(kuò)展后產(chǎn)生了疲勞剝落。由于高錳鋼錘頭硬度低,不能有效地抵抗物料的刺入和刻劃,因而造成嚴(yán)重的犁溝和犁削,使其表面磨損加速。盡管物料的撞擊可產(chǎn)生一定量的加工硬化,但沖擊力還不足以使錘頭的工作面形成堅(jiān)固的硬化層,造成錘頭的耐磨性不夠,終導(dǎo)致短期失效。因此提高錘頭材質(zhì)的硬度必然有助于其耐磨性的提高,可使物料對金屬表面的犁削現(xiàn)象減輕。提高材質(zhì)的韌性可以抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展,有助于減少疲勞剝落的形成,從而提高耐磨性。

　　2.2 錘頭材質(zhì)應(yīng)具備的性能要求

　　材料的硬度是影響其耐磨性的一個重要因素。物料與耐磨材料的硬度比值Ha/Hm對磨損率有很大影響。當(dāng)0.7≤Ha/Hm≤1.3時,磨損率開始上升,耐磨性降低,如圖3所示。

　　

 

　　圖3 相對磨損、相對耐磨性與Ha/Hm的關(guān)系

　　這時如物料硬度不變,設(shè)法提高金屬材料的硬度以使其耐磨性顯著提高。水泥生產(chǎn)中硬的物料為水泥熟料,其硬度在HB480左右。因此在破碎熟料時要想得到較低的磨損率,就必須將錘頭的硬度提高到HB460(HRC49)以上。這是確保破碎機(jī)錘頭工作時具有高耐磨性的根本條件。高錳鋼的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上述值。對從現(xiàn)場取回的高錳鋼錘頭殘體進(jìn)行了多次測試,其結(jié)果表面硬度只有HB230～350(HRC21～38)。說明預(yù)期的加工硬化效果沒有達(dá)到,從而硬度很低。這個硬度值對于破碎水泥熟料屬于硬磨料磨損,因而工件磨損嚴(yán)重而早期失效。

　　當(dāng)然一味地提高材料的硬度并不一定就能提高材料的耐磨性。金屬材料的耐磨性是個綜合因素指標(biāo),與材料的硬度和韌性都有密切的關(guān)系,韌性對提高材料的耐磨性有著不可忽視的作用,韌性是材料本身吸收外部能量大小的標(biāo)志,這對于在有沖擊載荷的磨損工況下顯得十分重要。高鉻鑄鐵是一種的耐磨材料,但是用它制作破碎機(jī)錘頭的欠缺處就是韌性偏低,易發(fā)生斷裂。生產(chǎn)實(shí)踐證明了材料硬度相同,而沖擊韌性不同的錘頭,其耐磨性是隨沖擊韌性值升高而增加的,即αk值高,使用壽命長。同時實(shí)踐證明,制造破碎機(jī)錘頭的材質(zhì)其沖擊韌性應(yīng)大于10J/cm2。

　　3 材質(zhì)化學(xué)成分的確定

　　高碳可以獲得較高硬度基體,同時產(chǎn)生一定數(shù)量的碳化物硬相來抵抗硬質(zhì)物料磨損。鉻、鎳、鉬元素的配合加入強(qiáng)烈地提高鋼的淬透性,使工件在空冷狀況下也能淬成馬氏體。這對生產(chǎn)中熱處理工藝的制定具有較大的實(shí)際意義,而鎳同時可使鋼的韌性—脆性轉(zhuǎn)變溫度降低,提高鋼的韌性,有益于在實(shí)際工況中受沖擊載荷的工件。少量的鈦和稀土元素可細(xì)化晶粒,凈化晶界,提高鋼的強(qiáng)度,見表1。

　　4 試驗(yàn)方法

　　4.1 試樣制備

　　采用30kg堿性中頻爐熔煉澆注成梅花試樣,按標(biāo)準(zhǔn)加工成各項(xiàng)試驗(yàn)所需尺寸,沖擊為10mm×10mm×55mm無缺口試樣。

　　4.2 試驗(yàn)設(shè)備、儀器

　　硬度測試采用HR—150A洛氏硬度計;沖擊韌性試驗(yàn)采用F—30B重擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī);拉伸試驗(yàn)在WE—60材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。磨損試驗(yàn)在MLD—10動載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)參數(shù)為:沖擊功1J、3J;沖擊頻率100次/min;磨料為5～10目石英砂;磨料流量為30kg/h;沖擊時間0.5h。

　　4.3 顯微組織分析

　　用XJG—05型臥式光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn);高倍分析在CAMEBAX—MICRO大型電子擺針上進(jìn)行,以獲得研究材料的高倍電子掃描圖像及各元素的分布情況。

　　5 試驗(yàn)結(jié)果分析

　　5.1 硬度和韌性對耐磨材料的影響

　　為了使試驗(yàn)鋼有一個沖擊韌性與硬度的佳配合,我們設(shè)計了900℃、940℃、980℃三種淬火溫度和五種回火溫度,以尋求合理的熱處理工藝(見表2)。

　　圖4顯示了淬火溫度與硬度的關(guān)系?？梢婋S著淬火溫度的提高,硬度不斷提高。在930℃和950℃之間硬度出現(xiàn)峰值,之后溫度再提高,硬度趨于下降。比較表2中試驗(yàn)鋼在各熱處理狀態(tài)下的性能,可以看出在940℃淬火時鋼的綜合機(jī)械性能優(yōu)于900℃、980℃淬火時的機(jī)械性能。圖5顯示了回火溫度對試驗(yàn)鋼的硬度、強(qiáng)度和沖擊韌性的影響。隨著回火溫度的提高,硬度緩慢下降,當(dāng)回火溫度至400℃時,由于合金元素的沉淀硬化,硬度略有回升,在450℃上下保持有較高的硬度。繼續(xù)提高回火溫度,馬氏體中碳的過飽和度降低,使得硬度降低。但回火溫度在500℃時仍能保持在HRC50以上,說明此鋼有較好的回火穩(wěn)定性。由于淬火鋼中有較大的殘余應(yīng)力,故淬火態(tài)的強(qiáng)度低。隨著回火溫度的升高,殘余應(yīng)力逐漸消除而使強(qiáng)度上升,升至300℃左右出現(xiàn)峰值,繼續(xù)提高回火溫度,強(qiáng)度開始下降。沖擊韌性的變化是隨著回火溫度的提高沖擊值呈上升的趨勢,在280℃沖擊值開始降低,出現(xiàn)了回火脆性,繼續(xù)提高回火溫度至400℃以后,沖擊值又恢復(fù)上升。

　　表2 試驗(yàn)鋼的熱處理和性能

　　編號熱處理狀態(tài)(皆為空淬)HRCαk(J/cm2)組織

　　1900℃淬火，不回火54.49.3M+K+A′

　　2900℃淬，280℃回52.615.2M回+K+A′

　　3900℃淬，350℃回52.112.9M回+K+A′

　　4900℃淬，420℃回52.913.5M回+K+A′

　　5900℃淬，480℃回51.816.8M回+T回+K

　　6900℃淬，540℃回48.721.7T回+K

　　7940℃淬火，不回火57.58.9M+K+A′

　　8940℃淬，280℃回53.415.9M回+K+A′

　　9940℃淬，350℃回53.012.4M回+K+A′

　　10940℃淬，420℃回54.413.6M回+K+A′

　　11940℃淬，480℃回52.817.1M回+T回+A′

　　12940℃淬，540℃回50.722.3T回+K

　　13980℃淬火，不回火56.29.8M+K+A′

　　14980℃淬，280℃回53.116.2M回+K+A′

　　15980℃淬，350℃回52.612.7M回+K+A′

　　16980℃淬，420℃回54.113.9M回+K+A′

　　17980℃淬，480℃回52.917.6M回+T回+K

　　18980℃淬，540℃回51.122.9T回+K

　　

 

　　圖4 淬火溫度與硬度的關(guān)系

　　

 

　　圖5 回火溫度與機(jī)械性能的關(guān)系

　　表3 磨損試驗(yàn)結(jié)果

　　沖擊功(J)編號失重(g/h)相對

　　耐磨性

　　第一次第二次第三次平均

　　1100.1650.1570.1610.1612.83

　　110.1670.1650.1700.1672.73

　　Mn130.4550.4610.4520.4561

　　3100.1680.1760.1730.1722.45

　　110.1640.1590.1600.1612.61

　　Mn130.4140.4230.4280.4211

　　表3得出了在不同沖擊功下高錳鋼和鉻鎳鋼的磨損試驗(yàn)結(jié)果。可見高錳鋼在較高的沖擊功下的磨損量比在低沖擊功時的磨損量小,耐磨性有所提高,這可能是加工硬化所致。而鉻鎳鋼硬度較高的10號試樣在低沖擊功下的磨損量小于硬度低而韌性稍高的11號試樣。在較高沖擊功下恰恰相反。這說明低沖擊應(yīng)力下的沖擊磨損耐磨性取決于硬度指標(biāo);而較高沖擊應(yīng)力下的沖擊磨損耐磨性取決于韌性和硬度的綜合指標(biāo)。

　　為了描述硬度、沖擊韌性和磨損量之間的關(guān)系,我們選取一些錘頭材質(zhì)試樣,測定其硬度、沖擊值,再做動載磨損試驗(yàn),測出其磨損失重,得出各種材質(zhì)的三個參數(shù)數(shù)據(jù)。磨損量、硬度和沖擊韌性之間存在的關(guān)系式為:

　　Y=b0+b1x1+b2x2 (1)

　　式中:Y——磨損量,g/h;

　　x1———沖擊韌性,J/cm2;

　　x2———硬度，HRC。

　　通過回歸分析得出回歸方程:

　　Y=1.19-0.035x1-0.018x2 (2)

　　利用以上回歸方程,繪出各種韌性條件下硬度與磨損量之間的關(guān)系,見圖6。

　　

 

　　圖6 磨損量與硬度、韌性的關(guān)系

　　圖6顯示高硬度、高韌性的材料磨損量少,但一般情況下材料的硬度和韌性密切相關(guān),韌性高時硬度較低,硬度高時韌性又較低(少數(shù)合金鋼除外)。因此必須考慮它們對磨損量的綜合影響。由于錘頭工作時承受沖擊載荷,為了避免沖擊斷裂選材時在有高硬度的前提下,盡可能的選擇沖擊韌性的大值。這樣既可避免沖擊斷裂,又可以使磨損量較小,從而提高錘頭的耐磨性。

　　5.2 顯微組織對耐磨性的影響

　　材料的耐磨性和其組織有著密切的關(guān)系。磨損試驗(yàn)表明材料的耐磨性首先取決于組織。硬度是材料抵抗物料壓入表面的能力,硬度高物料壓入材料表面的深度就淺,切削產(chǎn)生的磨屑體積小,即磨損小,耐磨性高。韌性高說明材料可吸收的能量大,裂紋不易形成和擴(kuò)展,材料承受反復(fù)變形能力大,不易形成疲勞剝落,即耐磨性高。試驗(yàn)表明,硬度相同的不同材料其耐磨性是有差異的。同樣,韌性相同的不同材料耐磨性也不相同。如淬火態(tài)的試樣和淬火+回火的試樣相比較,硬度可能相當(dāng),但由于韌性不同而造成耐磨性不同。其實(shí)質(zhì)是顯微組織的不同而造成的耐磨性不同。但如果鋼的顯微組織相同,可以以硬度的高低衡量耐磨性的高低。圖7反映了合金鋼基體組織和耐磨性的關(guān)系,可見回火馬氏體和貝氏體具有較高的耐磨性。試驗(yàn)的鉻鎳鉬鋼經(jīng)淬火、回火處理后,金相組織為:回火馬氏體+彌散分布的碳化物。其硬度為HRC54,沖擊韌性為16J/cm2,具有較高的綜合機(jī)械性能。

　　

 

　　圖7 鋼的組織與耐磨性的關(guān)系

　　6 生產(chǎn)試制及裝機(jī)試驗(yàn)

　　在實(shí)驗(yàn)室研制的基礎(chǔ)上我們在鑄造廠生產(chǎn)了部分鉻鎳錘頭產(chǎn)品,在水泥廠作進(jìn)一步裝機(jī)試驗(yàn)。熔煉在500kg中頻電爐中完成,熔煉溫度1530～1580℃,澆注溫度1420～1480℃。稀土合金沖包熔化,然后扒渣澆注。木模收縮率按2%,造型采用糖漿砂,表面烘干,型腔刷涂料,工作面加外冷鐵,以求獲得細(xì)晶粒、無砂眼、無氣孔的高質(zhì)量鑄件。鑄件澆冒口應(yīng)用錘敲下,盡可能不用氣割,以防裂紋產(chǎn)生。鑄件熱處理在臺車式電阻爐中完成,為防止加熱速度過快產(chǎn)生開裂,升溫速度控制在≤150℃/h,在750℃保溫2h,然后隨爐升溫至淬火溫度,保溫0.5h后風(fēng)冷,淬火后的錘頭堆積在一起自回火,再送入爐中回火,回火后出爐應(yīng)快冷,以防止回火脆性產(chǎn)生。

　　1993年10月～1995年7月鉻鎳鋼錘頭分別在江蘇省儀征水泥廠Φ800mm×600mm錘式破碎機(jī)、江蘇省金壇縣第二水泥廠Φ800mm×400mm錘式破碎機(jī)、安徽勝利水泥廠750—4型立軸式破碎機(jī)、山東省淄博淄川水泥廠Φ800mm×600mm錘式破碎機(jī)上裝機(jī)試驗(yàn),并同機(jī)裝入高錳鋼錘頭同時使用。試驗(yàn)結(jié)果表明:鉻鎳鋼錘頭使用壽命是高錳鋼錘頭的2.8至4.3倍,錘頭在使用過程中未發(fā)生過斷裂現(xiàn)象。

　　7 經(jīng)濟(jì)效益

　　鉻鎳鋼錘頭的價格雖是高錳鋼的1.29倍,而其耐磨性平均是高錳鋼的3倍。因此綜合計算,前者只是后者消耗量的0.43倍,即用鉻鎳鋼錘頭可節(jié)約資金57%。如鉻鎳鋼錘頭在100家水泥廠推廣使用,每年可節(jié)約資金300多萬元。