錘式破碎機(jī)是水泥、陶瓷、礦山和電力等行業(yè)廣泛使用的破碎機(jī)械, 錘頭是其主要的易磨損件, 經(jīng)受沖刷磨損, 長(zhǎng)期以來多采用高錳鋼制造。但由于破碎某些物料受到的沖擊并不強(qiáng)烈, 高錳鋼具有的加工硬化性能不能充分得以發(fā)揮, 因此高錳鋼錘頭表現(xiàn)出磨損快、 使用壽命短的弱點(diǎn)。近年來, 我國(guó)鑄冶工作者根據(jù)錘頭使用的工況條件, 提出了錘頭應(yīng)滿足: (1) 合適的硬度, 以抵抗物料的磨損; (2) 具有一定的韌性, 以抵抗疲勞剝落和防止裂斷, 即要具有較好的強(qiáng)韌性?；谝陨险J(rèn)識(shí), 近年來我國(guó)冶鑄工作者研究開發(fā)出了許多錘頭用的新型抗磨鑄鋼和鑄鐵材料和復(fù)合鑄造工藝, 在實(shí)際使用中, 這些錘頭表現(xiàn)出了較高錳鋼錘頭優(yōu)良的使用性能。

1 新型抗磨鑄鋼

1. 1 低合金鋼

　　低合金鋼由于具有較好的強(qiáng)韌性, 通過調(diào)整成分與熱處理工藝, 可以在較大范圍內(nèi)控制硬度和韌性的合理匹配, 因此近年來研制和開發(fā)了多種多元低合金耐磨鋼, 通過在錘頭上應(yīng)用收到了較好的效果。如果按組織劃分新型低合金耐磨鋼主要包括三類, 即馬氏體、奧氏體- 貝氏體和貝氏體- 馬氏體基體組織。

1. 1. 1 馬氏體低合金耐磨鋼

　　馬氏體低合金耐磨鋼的應(yīng)用最廣泛, 表1為幾種新型的低合金馬氏體鋼錘頭的成分和性能。馬氏體低合金耐磨鋼主要是采用 Cr、 Ni和 Mo 等元素合金化,然后通過淬火與低溫回火熱處理, 獲得回火馬氏體組織, 由于低合金馬氏體鋼中存在的高位錯(cuò)板條狀馬氏體, 可以較好地抵抗磨損時(shí)裂紋的擴(kuò)展, 因此該材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能和耐磨性。

1. 1. 2 奧氏體- 貝氏體低合金耐磨鋼

　　要獲得奧- 貝組織的關(guān)鍵是利用硅在貝氏體轉(zhuǎn)變過程中強(qiáng)烈抑制碳化物析出的特點(diǎn), 使貝氏體組織中不析出碳化物; 錳增加淬透性和斷面均勻性, 是保證鑄態(tài)自硬化的主要元素, 同時(shí)可以與硅配合, 提高鑄態(tài)下材質(zhì)的強(qiáng)度、 硬度, 使其保持較高的沖擊韌性, 使形成的貝氏體為細(xì)條狀, 奧氏體為薄膜狀。選擇合理的化學(xué)成分也是獲得奧- 貝組織的重要方面。如化學(xué)成分為 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,可以直接獲得鑄態(tài)奧氏體- 貝氏體。用奧- 貝組織生產(chǎn)的錘頭, 工業(yè)實(shí)驗(yàn)的使用壽命是高錳鋼的 2倍。

1. 1. 3 貝氏體- 馬氏體低合金耐磨鋼

　　貝氏體- 馬氏體雙相復(fù)合組織可以通過多種工藝方法獲得。一種是可以采用加入硅錳通過正火處理來獲得, 如化學(xué)成分為: C: 0. 43 , Si: 1. 3, Mn: 1. 2, Cr: 1. 8, Mo:0. 25, B、RE少量, 后期通過采用中斷正火處理工藝獲得; 另一種方法是在其化學(xué)成分中通過加入鈦或硼通過變質(zhì)處理和適當(dāng)熱處理來獲得, 如化學(xué)成分為: 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多元復(fù)合變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理,加上淬火+ 回火熱處理, 可以獲得貝氏體+ 馬氏體復(fù)合組織; 第三種工藝是通過以廉價(jià)的Si、 Mn來合金化,通過控制冷卻來獲得。其化學(xué)成分為: C : 0. 35~ 0. 70 , Si:1. 0~ 2. 5, Mn: 2. 0~ 4. 0。然后通過采用控制冷卻技術(shù),在鑄件 900 [1] 奧氏體化后, 利用噴射 ( 冷卻速度大) 使工件在冷卻過程中, 躲開珠光體區(qū), 快速冷卻到貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū), 終止噴射冷卻, 然后采用相應(yīng)保溫措施, 利用鑄件余熱, 創(chuàng)造類似等溫淬火的外部條件, 以完成貝氏體轉(zhuǎn)變。貝氏體- 馬氏體耐磨鋼生產(chǎn)的錘頭使用壽命比高錳鋼錘頭提高 1倍以上。

1. 2 中錳抗磨鑄鋼

　　我國(guó)冶鑄工作者近年來通過調(diào)整錳含量, 研制出了新型中錳抗磨鑄鋼, 化學(xué)成分為: C: 0. 9~ 1. 1, Mn: 6. 0~9. 0, Cr: 1. 0~ 1. 2, Si: 0 . 5~ 0. 8, 另外要加入適量的微量元素, 可以獲得奧氏體+ 馬氏體+ 屈氏體+ 碳化物的鑄態(tài)組織, 經(jīng)過水韌處理后, 獲得單一的奧氏體或奧氏體+ 顆粒狀碳化物, 性能為 200~ 215HB, a k  50 J/ cm2。 鑄態(tài)中錳鋼錘頭壽命比高錳鋼提高 60%。

幾種新型的低合金馬氏體銅錘頭的成分或性能

1. 3 新型高錳鋼

　　在普通高錳鋼的基礎(chǔ)上, 通過采取多元化處理如加入一定量的鉻、鉬及微量釩、鈦合金元素, 使其初始硬度和屈服強(qiáng)度得到大幅度提高的同時(shí), 仍保持高韌性。超強(qiáng)高錳鋼成分如表 2, 力學(xué)性能為: 230~ 320HB, s= 420~ 480 MPa, b= 710~ 795 MPa, ak= 100~150 J/ cm2。本鋼適合于高沖擊、高應(yīng)力的惡劣工況條件下工作的 100 kg級(jí)大錘頭, 耐磨性是普通高錳鋼的2~ 3倍。

超強(qiáng)高錳鋼錘頭成分

　　高碳錳合金鋼是通過加入 Cr的強(qiáng)化高錳鋼, 用其生產(chǎn)的錘頭在破碎鐵礦石時(shí), 使用壽命比普通高錳鋼提高 50%。另外也可采用含錳量為 17% ~ 19%的超高錳鋼, 同時(shí)增加 Cr、Mo 等元素, 提高其屈服強(qiáng)度和初始硬度等性能, 在實(shí)際生產(chǎn)中也得到了較好的使用效果。

1. 4 高碳鉻鎳鉬合金鋼

　　高碳鉻鎳鉬合金鋼的化學(xué)成分見表 3, 采用較高的含碳量, 是為了獲得高硬度基體及一定數(shù)量的碳化物硬質(zhì)相, 以抵抗硬物料鑿削磨粒磨損; 而鉻、鎳、鉬等合金元素配合加入, 大幅度提高其淬透性, 使錘頭在空冷條件下也能淬成馬氏體。鎳的加入使鋼的韌性進(jìn)一步改善, 鈦、稀土的加入可細(xì)化晶粒, 凈化晶界, 提高鋼的強(qiáng)度。材料硬度 52~ 58HRC, a k= 14~ 20 J/ cm2,在水泥廠現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)應(yīng)用, 其耐磨性是高錳鋼的 2. 8~ 4. 7倍。

高碳鉻鎳鉬合金鋼錘頭的化學(xué)成分

2 新型抗磨鑄鐵材料

2. 1 球鐵

2. 1. 1 奧- 貝球鐵

　　上世紀(jì) 70年代問世了等溫淬火奧氏體- 貝氏體球墨鑄鐵, 簡(jiǎn)稱奧- 貝球鐵, 由于其具有高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、良好的疲勞性能和耐磨性能, 因此非常適宜用來生產(chǎn)破碎機(jī)錘頭。奧- 貝球鐵錘頭的化學(xué)成分見表 4。 通過 910[1] ∀ 60 min+ 360[1] ∀ 120 min的熱處理,可以獲得板條狀上貝氏體+ 下貝氏體+ 約 25%殘余奧素氏體的組織。由于殘余奧氏體不穩(wěn)定, 在應(yīng)力的誘發(fā)下會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體, 因此工作時(shí)錘頭的表面由于沖撞, 使奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而使硬度和耐磨性提高, 而錘頭心部殘余奧氏體沒有發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變?nèi)跃哂休^高的韌性。奧- 貝球鐵錘頭通過在破碎云粉礦石試驗(yàn), 其使用壽命是高錳鋼錘頭的 1. 3倍以上。

2. 1. 2 馬- 貝球鐵

　　馬- 貝球鐵是在球鐵中加入 Cr、 Cu、 Mo、 B等合金元促進(jìn)馬氏體和貝氏體生成, 改善球鐵的綜合性能, 特別是沖擊韌性。采用如下熱處理工藝: 加熱到 880~920[1] 保溫一段時(shí)間后, 降至 Ms點(diǎn)以上, 放入硝酸鉀-亞硝酸鈉的混合溶液中, 此時(shí)發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變, 而后放入水中冷卻至室溫, 這樣就得到了馬氏體- 貝氏體的球鐵。使用壽命較高錳鋼提高 1倍以上。

2. 2 合金鑄鐵

2. 2. 1 高釩高耐磨合金鑄鐵

　　高釩高耐磨合金鑄鐵的成分特點(diǎn)是含釩高達(dá) 11%~ 15% , 其化學(xué)成分見表 4。釩在高釩高耐磨合金鑄鐵中可以形成高耐磨的碳化物VC, 其顯微硬度在 2 600 HV 左右, 比 M7 C3的硬度還要高很多, 而且 VC呈近似球狀且高度彌散分布, 不易被擊碎, 可以很好地保護(hù)基體, 充分發(fā)揮碳化物的作用。另外加釩可以改變碳化物的形態(tài), 增加耐磨合金的韌性。高釩高耐磨合金鑄鐵采用空淬+ 回火的熱處理工藝, 可以獲得M回 +VC+ M7 C3+ A ( 少量) 的組織, 其生產(chǎn)的錘頭的耐磨性是高鉻鑄鐵的 3. 28倍。

2. 2. 2 高鉻鉬鎳合金鑄鐵

　　高鉻鉬鎳合金鑄鐵錘頭在普通高鉻鉬鑄鐵的基礎(chǔ)上加入鎳、銅、釩合金元素, 化學(xué)成分見表 4。采用正火預(yù)處理+ 淬火+ 中或高溫回火熱處理工藝, 獲得回火馬氏體+ 塊狀共晶碳化物+ 二次碳化物+ 屈氏體及少量殘余奧氏體組織, 在水泥廠工業(yè)試驗(yàn)表明, 破碎熟料每副錘頭使用壽命達(dá)到 800 h以上, 可以破碎 14萬 t 熟料。

2. 2. 3 WMnNbTa抗磨鑄鐵

　　WMnNbTa 合金是從鎢冶煉渣中提煉出來的一種中間合金, 由于合金中的 W、Nb、Ta等均屬于強(qiáng)細(xì)化晶粒的元素, 一方面使共晶碳化物、硬質(zhì)相、二次析出相的晶粒細(xì)化, 另一方面可以改善碳化物、硬質(zhì)相的分布形態(tài)和形狀, 使細(xì)小的、硬度很高的碳化物硬質(zhì)相呈彌散狀均勻分布在基體上, 可以改善合金的組織結(jié)構(gòu), 增強(qiáng)韌性和耐磨性?？鼓ヨT鐵經(jīng)過淬火和回火熱處理, 其耐磨性能較高錳鋼錘頭提高約 2倍?；瘜W(xué)成分見表 4。

WMnNbTa 合金化學(xué)成分

2. 2. 4 低鉻硼耐磨鑄鐵

　　低鉻硼耐磨鑄鐵的化學(xué)成分為: 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。鑄態(tài)組織為: 珠光體+ 網(wǎng)狀、斷網(wǎng)狀及粒塊狀碳化物+ 少量馬氏體+ 殘余奧氏體。采用淬火+ 回火的熱處理工藝獲得回火馬氏體+斷網(wǎng)狀及粒塊狀碳化物組織。斷網(wǎng)狀碳化物是 M3 C型碳化物, 而粒塊狀碳化物為 M7 C3和M23 C4型含硼碳化物。用其生產(chǎn)的錘頭在水泥廠裝機(jī)與高錳鋼對(duì)比試驗(yàn), 其錘頭壽命較高錳鋼錘頭提高 1. 27~ 2. 8倍。

3 現(xiàn)代復(fù)合錘頭鑄造工藝

　　錘頭整體根據(jù)工作性質(zhì)不同可以劃分為錘柄與錘端兩部分, 不同部位要求具有不同的使用性能。錘柄要求具有綜合的機(jī)械性能, 需要具有一定的強(qiáng)度和韌性, 而錘頭磨損的主要部位是錘端部, 因此要求錘端具有強(qiáng)的耐磨性能。對(duì)于高錳鋼材質(zhì)錘頭, 使用單一高錳鋼耐磨材料制造, 一是高錳鋼材料消耗大, 生產(chǎn)成本高; 二是錘柄加工性能差, 特別是連結(jié)孔無法進(jìn)行加工。對(duì)于高鉻鑄鐵生產(chǎn)的錘頭, 由于高鉻鑄鐵韌性差, 單一材料生產(chǎn)的高鉻鑄鐵錘頭, 同樣具有容易斷裂和加工困難的缺點(diǎn)。針對(duì)存在的問題, 冶鑄工作者近年來開發(fā)了多種錘頭復(fù)合鑄造生產(chǎn)工藝, 主要包括鑲鑄和雙金屬?gòu)?fù)合鑄造。

3. 1 鑲鑄復(fù)合錘頭

　　鑲鑄復(fù)合錘頭就是將錘頭整體分成兩部分即錘柄和錘端。錘柄和錘端分別采用不同的材料制造。首先用一種材料預(yù)制錘柄或錘端, 然后將預(yù)先制造的錘柄或錘端放入鑄型內(nèi)澆注另一種液體金屬鑄造成型。預(yù)制錘頭的一部分, 然后澆注形成錘頭的另一部分。預(yù)制錘柄一般選用碳鋼, 常選用的碳鋼為 ZG35、ZG45, 也可以使用鋼筋型材直接彎制成型錘柄, 然后澆注成型錘端, 錘端材料一般選用高鉻鑄鐵。另一種方法是預(yù)制錘端, 后鑄造錘柄。錘柄與錘端的材質(zhì)選擇, 一種組合是錘柄的材料選擇普通碳鋼如 ZG25、 ZG45, 錘端選用高鉻鑄鐵; 另一種組合是錘柄為高錳鋼, 錘端為高錳鋼母體鑲嵌硬質(zhì)合金塊。

3. 2 雙液雙金屬?gòu)?fù)合鑄造錘頭

　　雙液雙金屬?gòu)?fù)合鑄造方法就是首先向鑄型中澆入一定厚度第一種金屬液, 同時(shí)澆入熔融的高溫保護(hù)劑,以防止結(jié)合部位的高溫氧化, 在一定時(shí)間間隔后再澆入第二種金屬液。

3. 2. 1 高鉻鑄鐵+ 高錳鋼

　　采用整體消失模真空吸鑄工藝, 在制得的 EPS模樣中放置經(jīng)過稀鹽酸清洗烘干的鋼結(jié)構(gòu), 材質(zhì)為 Q235A, 形狀為箱形結(jié)構(gòu), 一端開口, 要求澆注高鉻鑄鐵時(shí)不被熔穿, 先澆高鉻鑄鐵然后澆高錳鋼。此工藝生產(chǎn)的復(fù)合錘頭,破碎煤時(shí)較高錳鋼錘頭壽命提高 3倍以上。

3. 2. 2 高鉻鑄鐵+ 碳鋼

　　工藝為: 造型后在型腔中錘頭頭部放置一燕尾槽狀材質(zhì)為 A3鋼板, 將型腔隔成兩個(gè)各自封閉的兩部分, 隔板厚度為 1 mm, 隔板在使用前要進(jìn)行除銹等凈化處理,設(shè)置兩套澆注系統(tǒng), 分別注入兩種金屬液。在破碎石灰石物料上比較, 較高錳鋼錘頭壽命提高 2倍以上。