详解破碎机锤头生产工艺发展现状

　　锤式破碎机是水泥、陶瓷、矿山和电力等行业广泛使用的破碎机械, 锤头是其主要的易磨损件, 经受冲刷磨损, 长期以来多采用高锰钢制造。但由于破碎某些物料受到的冲击并不强烈, 高锰钢具有的加工硬化性能不能充分得以发挥, 因此高锰钢锤头表现出磨损快、 使用寿命短的弱点。近年来, 我国铸冶工作者根据锤头使用的工况条件, 提出了锤头应满足: (1) 合适的硬度, 以抵抗物料的磨损; (2) 具有一定的韧性, 以抵抗疲劳剥落和防止裂断, 即要具有较好的强韧性。基于以上认识, 近年来我国冶铸工作者研究开发出了许多锤头用的新型抗磨铸钢和铸铁材料和复合铸造工艺, 在实际使用中, 这些锤头表现出了较高锰钢锤头优良的使用性能。

1 新型抗磨铸钢

1. 1 低合金钢

　　低合金钢由于具有较好的强韧性, 通过调整成分与热处理工艺, 可以在较大范围内控制硬度和韧性的合理匹配, 因此近年来研制和开发了多种多元低合金耐磨钢, 通过在锤头上应用收到了较好的效果。如果按组织划分新型低合金耐磨钢主要包括三类, 即马氏体、奥氏体- 贝氏体和贝氏体- 马氏体基体组织。

1. 1. 1 马氏体低合金耐磨钢

　　马氏体低合金耐磨钢的应用最广泛, 表1为几种新型的低合金马氏体钢锤头的成分和性能。马氏体低合金耐磨钢主要是采用 Cr、 Ni和 Mo 等元素合金化,然后通过淬火与低温回火热处理, 获得回火马氏体组织, 由于低合金马氏体钢中存在的高位错板条状马氏体, 可以较好地抵抗磨损时裂纹的扩展, 因此该材料具有优异的机械性能和耐磨性。

1. 1. 2 奥氏体- 贝氏体低合金耐磨钢

　　要获得奥- 贝组织的关键是利用硅在贝氏体转变过程中强烈抑制碳化物析出的特点, 使贝氏体组织中不析出碳化物; 锰增加淬透性和断面均匀性, 是保证铸态自硬化的主要元素, 同时可以与硅配合, 提高铸态下材质的强度、 硬度, 使其保持较高的冲击韧性, 使形成的贝氏体为细条状, 奥氏体为薄膜状。选择合理的化学成分也是获得奥- 贝组织的重要方面。如化学成分为 C:0. 3~ 0. 5, Si: 2. 0~ 3. 2, Mn: 1. 5~ 3. 0, Cr: 0. 5~ 1. 5, Mo:0~ 1. 5, 微量 V、 Ti、 B、 RE,可以直接获得铸态奥氏体- 贝氏体。用奥- 贝组织生产的锤头, 工业实验的使用寿命是高锰钢的 2倍。

1. 1. 3 贝氏体- 马氏体低合金耐磨钢

　　贝氏体- 马氏体双相复合组织可以通过多种工艺方法获得。一种是可以采用加入硅锰通过正火处理来获得, 如化学成分为: C: 0. 43 , Si: 1. 3, Mn: 1. 2, Cr: 1. 8, Mo:0. 25, B、RE少量, 后期通过采用中断正火处理工艺获得; 另一种方法是在其化学成分中通过加入钛或硼通过变质处理和适当热处理来获得, 如化学成分为: C: 0. 3~0. 45, Si: 0. 8~ 1. 8, Mn: 1. 0~ 1. 8, Cr: 0. 8~ 1. 8, Mo/ Cu:0. 1~ 0. 5, Ti/ B: 0. 001~ 0. 003, Re: 0. 02~ 0. 06。后期利用 Rz- Si- Ca- Ti- B多元复合变质剂进行变质处理,加上淬火+ 回火热处理, 可以获得贝氏体+ 马氏体复合组织; 第三种工艺是通过以廉价的Si、 Mn来合金化,通过控制冷却来获得。其化学成分为: C : 0. 35~ 0. 70 , Si:1. 0~ 2. 5, Mn: 2. 0~ 4. 0。然后通过采用控制冷却技术,在铸件 900 [1] 奥氏体化后, 利用喷射 ( 冷却速度大) 使工件在冷却过程中, 躲开珠光体区, 快速冷却到贝氏体转变区, 终止喷射冷却, 然后采用相应保温措施, 利用铸件余热, 创造类似等温淬火的外部条件, 以完成贝氏体转变。贝氏体- 马氏体耐磨钢生产的锤头使用寿命比高锰钢锤头提高 1倍以上。

1. 2 中锰抗磨铸钢

　　我国冶铸工作者近年来通过调整锰含量, 研制出了新型中锰抗磨铸钢, 化学成分为: C: 0. 9~ 1. 1, Mn: 6. 0~9. 0, Cr: 1. 0~ 1. 2, Si: 0 . 5~ 0. 8, 另外要加入适量的微量元素, 可以获得奥氏体+ 马氏体+ 屈氏体+ 碳化物的铸态组织, 经过水韧处理后, 获得单一的奥氏体或奥氏体+ 颗粒状碳化物, 性能为 200~ 215HB, a k  50 J/ cm2。 铸态中锰钢锤头寿命比高锰钢提高 60%。

几种新型的低合金马氏体铜锤头的成分或性能

1. 3 新型高锰钢

　　在普通高锰钢的基础上, 通过采取多元化处理如加入一定量的铬、钼及微量钒、钛合金元素, 使其初始硬度和屈服强度得到大幅度提高的同时, 仍保持高韧性。超强高锰钢成分如表 2, 力学性能为: 230~ 320HB, s= 420~ 480 MPa, b= 710~ 795 MPa, ak= 100~150 J/ cm2。本钢适合于高冲击、高应力的恶劣工况条件下工作的 100 kg级大锤头, 耐磨性是普通高锰钢的2~ 3倍。

超强高锰钢锤头成分

　　高碳锰合金钢是通过加入 Cr的强化高锰钢, 用其生产的锤头在破碎铁矿石时, 使用寿命比普通高锰钢提高 50%。另外也可采用含锰量为 17% ~ 19%的超高锰钢, 同时增加 Cr、Mo 等元素, 提高其屈服强度和初始硬度等性能, 在实际生产中也得到了较好的使用效果。

1. 4 高碳铬镍钼合金钢

　　高碳铬镍钼合金钢的化学成分见表 3, 采用较高的含碳量, 是为了获得高硬度基体及一定数量的碳化物硬质相, 以抵抗硬物料凿削磨粒磨损; 而铬、镍、钼等合金元素配合加入, 大幅度提高其淬透性, 使锤头在空冷条件下也能淬成马氏体。镍的加入使钢的韧性进一步改善, 钛、稀土的加入可细化晶粒, 净化晶界, 提高钢的强度。材料硬度 52~ 58HRC, a k= 14~ 20 J/ cm2,在水泥厂现场工业应用, 其耐磨性是高锰钢的 2. 8~ 4. 7倍。

高碳铬镍钼合金钢锤头的化学成分

2 新型抗磨铸铁材料

2. 1 球铁

2. 1. 1 奥- 贝球铁

　　上世纪 70年代问世了等温淬火奥氏体- 贝氏体球墨铸铁, 简称奥- 贝球铁, 由于其具有高强度、高硬度、高韧性、良好的疲劳性能和耐磨性能, 因此非常适宜用来生产破碎机锤头。奥- 贝球铁锤头的化学成分见表 4。 通过 910[1] ∀ 60 min+ 360[1] ∀ 120 min的热处理,可以获得板条状上贝氏体+ 下贝氏体+ 约 25%残余奥素氏体的组织。由于残余奥氏体不稳定, 在应力的诱发下会转变为马氏体, 因此工作时锤头的表面由于冲撞, 使奥氏体发生马氏体转变而使硬度和耐磨性提高, 而锤头心部残余奥氏体没有发生马氏体转变仍具有较高的韧性。奥- 贝球铁锤头通过在破碎云粉矿石试验, 其使用寿命是高锰钢锤头的 1. 3倍以上。

2. 1. 2 马- 贝球铁

　　马- 贝球铁是在球铁中加入 Cr、 Cu、 Mo、 B等合金元促进马氏体和贝氏体生成, 改善球铁的综合性能, 特别是冲击韧性。采用如下热处理工艺: 加热到 880~920[1] 保温一段时间后, 降至 Ms点以上, 放入硝酸钾-亚硝酸钠的混合溶液中, 此时发生贝氏体转变, 而后放入水中冷却至室温, 这样就得到了马氏体- 贝氏体的球铁。使用寿命较高锰钢提高 1倍以上。

2. 2 合金铸铁

2. 2. 1 高钒高耐磨合金铸铁

　　高钒高耐磨合金铸铁的成分特点是含钒高达 11%~ 15% , 其化学成分见表 4。钒在高钒高耐磨合金铸铁中可以形成高耐磨的碳化物VC, 其显微硬度在 2 600 HV 左右, 比 M7 C3的硬度还要高很多, 而且 VC呈近似球状且高度弥散分布, 不易被击碎, 可以很好地保护基体, 充分发挥碳化物的作用。另外加钒可以改变碳化物的形态, 增加耐磨合金的韧性。高钒高耐磨合金铸铁采用空淬+ 回火的热处理工艺, 可以获得M回 +VC+ M7 C3+ A ( 少量) 的组织, 其生产的锤头的耐磨性是高铬铸铁的 3. 28倍。

2. 2. 2 高铬钼镍合金铸铁

　　高铬钼镍合金铸铁锤头在普通高铬钼铸铁的基础上加入镍、铜、钒合金元素, 化学成分见表 4。采用正火预处理+ 淬火+ 中或高温回火热处理工艺, 获得回火马氏体+ 块状共晶碳化物+ 二次碳化物+ 屈氏体及少量残余奥氏体组织, 在水泥厂工业试验表明, 破碎熟料每副锤头使用寿命达到 800 h以上, 可以破碎 14万 t 熟料。

2. 2. 3 WMnNbTa抗磨铸铁

　　WMnNbTa 合金是从钨冶炼渣中提炼出来的一种中间合金, 由于合金中的 W、Nb、Ta等均属于强细化晶粒的元素, 一方面使共晶碳化物、硬质相、二次析出相的晶粒细化, 另一方面可以改善碳化物、硬质相的分布形态和形状, 使细小的、硬度很高的碳化物硬质相呈弥散状均匀分布在基体上, 可以改善合金的组织结构, 增强韧性和耐磨性。抗磨铸铁经过淬火和回火热处理, 其耐磨性能较高锰钢锤头提高约 2倍。化学成分见表 4。

WMnNbTa 合金化学成分

2. 2. 4 低铬硼耐磨铸铁

　　低铬硼耐磨铸铁的化学成分为: C: 1. 8~ 2. 5, Si< 1. 2, Mn< 0. 5, Cr: 2. 0~ 5. 0, B< 0. 2, Cu: 0. 5~ 1. 5,Mo: 0. 2~ 1. 0, Re< 0. 08。铸态组织为: 珠光体+ 网状、断网状及粒块状碳化物+ 少量马氏体+ 残余奥氏体。采用淬火+ 回火的热处理工艺获得回火马氏体+断网状及粒块状碳化物组织。断网状碳化物是 M3 C型碳化物, 而粒块状碳化物为 M7 C3和M23 C4型含硼碳化物。用其生产的锤头在水泥厂装机与高锰钢对比试验, 其锤头寿命较高锰钢锤头提高 1. 27~ 2. 8倍。

3 现代复合锤头铸造工艺

　　锤头整体根据工作性质不同可以划分为锤柄与锤端两部分, 不同部位要求具有不同的使用性能。锤柄要求具有综合的机械性能, 需要具有一定的强度和韧性, 而锤头磨损的主要部位是锤端部, 因此要求锤端具有强的耐磨性能。对于高锰钢材质锤头, 使用单一高锰钢耐磨材料制造, 一是高锰钢材料消耗大, 生产成本高; 二是锤柄加工性能差, 特别是连结孔无法进行加工。对于高铬铸铁生产的锤头, 由于高铬铸铁韧性差, 单一材料生产的高铬铸铁锤头, 同样具有容易断裂和加工困难的缺点。针对存在的问题, 冶铸工作者近年来开发了多种锤头复合铸造生产工艺, 主要包括镶铸和双金属复合铸造。

3. 1 镶铸复合锤头

　　镶铸复合锤头就是将锤头整体分成两部分即锤柄和锤端。锤柄和锤端分别采用不同的材料制造。首先用一种材料预制锤柄或锤端, 然后将预先制造的锤柄或锤端放入铸型内浇注另一种液体金属铸造成型。预制锤头的一部分, 然后浇注形成锤头的另一部分。预制锤柄一般选用碳钢, 常选用的碳钢为 ZG35、ZG45, 也可以使用钢筋型材直接弯制成型锤柄, 然后浇注成型锤端, 锤端材料一般选用高铬铸铁。另一种方法是预制锤端, 后铸造锤柄。锤柄与锤端的材质选择, 一种组合是锤柄的材料选择普通碳钢如 ZG25、 ZG45, 锤端选用高铬铸铁; 另一种组合是锤柄为高锰钢, 锤端为高锰钢母体镶嵌硬质合金块。

3. 2 双液双金属复合铸造锤头

　　双液双金属复合铸造方法就是首先向铸型中浇入一定厚度第一种金属液, 同时浇入熔融的高温保护剂,以防止结合部位的高温氧化, 在一定时间间隔后再浇入第二种金属液。

3. 2. 1 高铬铸铁+ 高锰钢

　　采用整体消失模真空吸铸工艺, 在制得的 EPS模样中放置经过稀盐酸清洗烘干的钢结构, 材质为 Q235A, 形状为箱形结构, 一端开口, 要求浇注高铬铸铁时不被熔穿, 先浇高铬铸铁然后浇高锰钢。此工艺生产的复合锤头,破碎煤时较高锰钢锤头寿命提高 3倍以上。

3. 2. 2 高铬铸铁+ 碳钢

　　工艺为: 造型后在型腔中锤头头部放置一燕尾槽状材质为 A3钢板, 将型腔隔成两个各自封闭的两部分, 隔板厚度为 1 mm, 隔板在使用前要进行除锈等净化处理,设置两套浇注系统, 分别注入两种金属液。在破碎石灰石物料上比较, 较高锰钢锤头寿命提高 2倍以上。