錘式破碎機是水泥、陶瓷、礦山和電力等行業(yè)廣泛使用的破碎機械, 錘頭是其主要的易磨損件, 經(jīng)受沖刷磨損, 長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。近年來, 我國鑄冶工作者根據(jù)錘頭使用的工況條件, 提出了錘頭應滿足: (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, 即要具有較好的強韌性?；谝陨险J識, 近年來我國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合鑄造工藝, 在實際使用中, 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板條狀馬氏體, 可以較好地抵抗磨損時裂紋的擴展, 因此該材料具有優(yōu)異的機械性能和耐磨性。

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)變過程中強烈抑制碳化物析出的特點, 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, 同時可以與硅配合, 提高鑄態(tài)下材質(zhì)的強度、 硬度, 使其保持較高的沖擊韌性, 使形成的貝氏體為細條狀, 奧氏體為薄膜狀。選擇合理的化學成分也是獲得奧- 貝組織的重要方面。如化學成分為 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)實驗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成分中通過加入鈦或硼通過變質(zhì)處理和適當熱處理來獲得, 如化學成分為: 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多元復合變質(zhì)劑進行變質(zhì)處理,加上淬火+ 回火熱處理, 可以獲得貝氏體+ 馬氏體復合組織; 第三種工藝是通過以廉價的Si、 Mn來合金化,通過控制冷卻來獲得。其化學成分為: 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度得到大幅度提高的同時, 仍保持高韌性。超強高錳鋼成分如表 2, 力學性能為: 230~ 320HB, s= 420~ 480 MPa, b= 710~ 795 MPa, ak= 100~150 J/ cm2。本鋼適合于高沖擊、高應力的惡劣工況條件下工作的 100 kg級大錘頭, 耐磨性是普通高錳鋼的2~ 3倍。

超強高錳鋼錘頭成分

　　高碳錳合金鋼是通過加入 Cr的強化高錳鋼, 用其生產(chǎn)的錘頭在破碎鐵礦石時, 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, 同時增加 Cr、Mo 等元素, 提高其屈服強度和初始硬度等性能, 在實際生產(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一步改善, 鈦、稀土的加入可細化晶粒, 凈化晶界, 提高鋼的強度。材料硬度 52~ 58HRC, a k= 14~ 20 J/ cm2,在水泥廠現(xiàn)場工業(yè)應用, 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 70年代問世了等溫淬火奧氏體- 貝氏體球墨鑄鐵, 簡稱奧- 貝球鐵, 由于其具有高強度、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)破碎機錘頭。奧- 貝球鐵錘頭的化學成分見表 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, 在應力的誘發(fā)下會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體, 因此工作時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, 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] 保溫一段時間后, 降至 Ms點以上, 放入硝酸鉀-亞硝酸鈉的混合溶液中, 此時發(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是含釩高達 11%~ 15% , 其化學成分見表 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, 化學成分見表 4。采用正火預處理+ 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)試驗表明, 破碎熟料每副錘頭使用壽命達到 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等均屬于強細化晶粒的元素, 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。化學成分見表 4。

WMnNbTa 合金化學成分

2. 2. 4 低鉻硼耐磨鑄鐵

　　低鉻硼耐磨鑄鐵的化學成分為: 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與高錳鋼對比試驗, 其錘頭壽命較高錳鋼錘頭提高 1. 27~ 2. 8倍。

3 現(xiàn)代復合錘頭鑄造工藝

　　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械性能, 需要具有一定的強度和韌性, 而錘頭磨損的主要部位是錘端部, 因此要求錘端具有強的耐磨性能。對于高錳鋼材質(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)孔無法進行加工。對于高鉻鑄鐵生產(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。針對存在的問題, 冶鑄工作者近年來開發(fā)了多種錘頭復合鑄造生產(chǎn)工藝, 主要包括鑲鑄和雙金屬復合鑄造。

3. 1 鑲鑄復合錘頭

　　鑲鑄復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。首先用一種材料預制錘柄或錘端, 然后將預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。預制錘頭的一部分, 然后澆注形成錘頭的另一部分。預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 雙液雙金屬復合鑄造錘頭

　　雙液雙金屬復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, 同時澆入熔融的高溫保護劑,以防止結(jié)合部位的高溫氧化, 在一定時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不被熔穿, 先澆高鉻鑄鐵然后澆高錳鋼。此工藝生產(chǎn)的復合錘頭,破碎煤時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, 將型腔隔成兩個各自封閉的兩部分, 隔板厚度為 1 mm, 隔板在使用前要進行除銹等凈化處理,設置兩套澆注系統(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。