锤式破碎机锤头工作时速度高,冲击力大,磨损十分严重。高锰钢是锤头传统材质,由于在物料破碎 过程中高锰钢的加工硬化程度不够,使用寿命较短<1>。采用中低碳合金钢,尽管通过热处理可 得到马氏体组织,由于组织中没有硬质相,耐磨性也较差<2>。镍硬铸铁和高铬白口铸铁硬度高 、耐磨性好,其组织中含有一定数量的共晶碳化物,且基体是高碳脆性马氏体,材料的强度和韧性 低,在破碎冲击力的作用下易产生断裂<3-4>。采用机械组装、粘结复合和冶金复合等方法生 产的铸铁复合锤头使用效果较好<5>,但存在工艺复杂的不足,开发高强韧性的抗磨锤头将具有 重要意义。在普通铸钢中,增加硼含量,将会形成硬度高、热稳定性好的硼化物<6>,有利于改 善铸钢的耐磨性。在前期对铸造Fe-B-C合金组织和性能进行了大量基础研究后<6>,将高 硼铸钢用于制造破碎机锤头,发现高硼铸钢锤头具有优异的淬透性、淬硬性、强韧性和耐磨性,在 实际使用中取得了良好的效果。1.1锤头失效分析锤式破碎机工作频率高,运行速度快,但冲击 力不大,锤式破碎机锤头磨损是低冲击型的磨料磨损。从锤头与物料的相互作用情况看,锤头工作 期间并不是整个锤面全部用于破碎物料,只有靠近边缘的区域进行破碎,称之为工作区,随着锤头 不断磨损,工作区不断发生变化。锤头工作初期,锤头工作区与物料是以撞击形式相接触的,撞击 为主要受力方式。随着物料对锤面的多次撞击便形成了疲劳裂纹,裂纹的延长交割形成磨屑,磨屑 在物料的冲击下脱离锤面造成了材料的磨损。而当锤头被磨损到一定程度时,工作区不再是只与物 料发生撞击,而是在撞击的同时物料还将沿锤头工作区产生滑动,造成物料对锤面的冲刷。1锤头 失效分析和成分设计当锤头磨损到一定程度,破碎效率降低很多时,必须倒换锤面或更换锤头。因 此冲刷磨损是锤头磨损失效的主要机制,在提高锤头硬度基础上,改善锤头韧性是提高锤头使用寿 命的重要途径。1.2高硼铸钢锤头成分设计硼是高硼铸钢中的主要合金元素,其作用是为了获得 高硬度的硼化物,部分硼溶入基体,有利于改善高硼铸钢的淬透性和淬硬性。硼加入量过多,形成 的硼化物数量太多,会使铸钢的强度和韧性大幅度降低,因此,硼含量应控制在1.5%～3.0 %。碳是高硼铸钢中的重要元素,主要作用是提高淬硬性和淬透性,碳含量过高,淬火组织中会出 现大量脆性的高碳马氏体,降低高硼铸钢的强度和韧性,将碳含量控制在0.10%～0.50% 。加入适量的锰、铜和铬等,主要是为了改善高硼铸钢淬透性。加入少量稀土,主要是为了细化晶 粒、净化晶界、去除有害夹杂,提高高硼铸钢的强度和韧性。在此基础上,还加入了少量钒、氮合 金,其主要目的是为了细化晶粒;钒、氮合金在钢水中生成的高熔点细小氮化钒颗粒,可以作为F e2B化合物的生核核心,促进Fe2B的细化,还有利于促进Fe2B在高温下呈孤立分布,明 显改善高硼铸钢的强度和韧性。高硼铸钢锤头成分见表1。2.1高硼铸钢锤头的熔炼和热处理将 普通废钢、生铁、铬铁和铜板在500kg中频感应电炉内混合加热熔化,钢液熔清后加入锰铁和 硼铁。炉前调整成分合格后将温度升至1580～1620℃,加入占钢液质量0.10%～0.30%的铝进行脱氧,而后出炉。浇包内预先加入一定量的稀土、钒、氮合金,其粒度小于10mm,采用包内冲入法对高硼铸钢进行微合金化处理。搅拌、扒渣,静置3～5m in后直接浇入金属铸型,钢液浇注温度1450～1470℃。钢液流动性和充型性能好,铸件缩 尺约1.75%。锤头冷却时间超过3h后开箱清理铸件。直接从锤头本体上用线切割机切取试样 ,用于测试高硼铸钢的淬透性和力学性能。将切取的试样在箱式电阻炉内进行热处理,试样淬火加 热温度为1020℃,冷却方式分别采用空冷和水冷;试样回火温度250℃,然后空冷。2.2力学性能试验在一次摆锤式冲击试验机上进行冲击韧性试验,冲击载荷147N,跨距70mm,试样尺寸20m m×20m m×110m m。在M TS N ew810试验机上进行断裂韧性试验,并在该试验机上预制裂纹,试样尺寸15m m×30m m×140m m。切取Φ30m m×340m m试样,在万能材料试验机上测试抗弯强度。所有强度和韧性的试验数据均为3个试样的平均值。在冲击试块上用线切割机加工出15m m×15m m×6m m的试片,用洛氏硬度计测量硬度,硬度取7点的平均值。3.1高硼铸钢凝固组织研究高硼铸钢的 凝固组织见图1,其基体组织主要是珠光体,以及少量马氏体和铁素体;在基体上分布着一定数量 的硼化物,铸造组织细小,硼化物分布均匀。与普通高硼铸钢中硼化物粗大且呈连续网状分布所不 同的是,含稀土、钒、氮的高硼铸钢,硼化物不仅细小,而且部分呈断网状分布。这是由于氮和钒具有较强的形成高熔点VN的能力,而V N与γ相的错配度为3.9%。根据Turnbull等人<7>提出的错配度理论,在合金凝固过 程中,当两相错配度小于12%,高熔点的化合物相能作为非自发核心,促进形核,使铸态组织细 化;而且,错配度越小,效果越明显。氮化钒与高温γ晶格具有很低的错配度,同时又具有很高的 熔点,能够强烈地促进形核,可成为结晶核心,使铸态晶粒细化,沿初生γ相生长的硼化物也变得 细小,且生长成不连续网状。3.2热处理对高硼铸钢组织的影响图2是高硼铸钢1020℃空冷 处理后组织。空冷条件下,高硼铸钢淬透性较差,淬火组织中仍含有较多表1高硼铸钢锤头化学成分Table1Chem icalcom position ofhigh boron caststeelham m er wB(%)元素CBM nCuCrV含量0.10￣0.501.5￣3.0适量适量适量少量含量少量少量<1.5<0 .08<0.06元素NRESiPS2试验方法3试验结果及分析图1高硼铸钢的铸态组织Fig.1As-castm icrostructure ofhigh boron caststeel的珠光体和铁素体,不利于改善高硼铸钢的耐磨性。这是由于高硼铸钢中加入的 提高淬透性元素铬、铜和锰含量较少的缘故。尽管高硼铸钢中的硼含量高,但硼化物稳定性好,在 高温热处理过程中不易分解,而且硼在基体中的固溶量很低,因此淬透性低,在普通空冷条件下无 法淬透。高硼铸钢锤头仅用空冷淬火是无法满足使用要求的。图3是高硼铸钢1020℃水冷处理 后的组织,其基体组织变成了单一的马氏体组织,且硼化物已全部变成了断网状分布,部分变成了 团块状和颗粒状。由于高硼铸钢中碳含量较少,基体塑性好,而且高温加热后网状硼化物消失,因 此,高硼铸钢水冷淬火处理时不会产生裂纹。高硼铸钢1020℃水冷淬火、250℃回火后的组 织见图4,基体组织全部转变成了回火马氏体,硼化物以断网状、团快状和颗粒状等形式镶嵌在马 氏体基体上,硼化物分布均匀,将会明显改善材料的力学性能。3.3高硼铸钢锤头的性能和应用 为了确保高硼铸钢锤头在服役期间具有良好的使用性能,首先测试了高硼铸钢锤头的淬透性,结果见图5。高硼铸钢锤头经1020℃加热后,在水冷淬火条件下具有优异的淬透性和淬硬性,离冷却端40mm以内的硬度仍维持在H R C58以上。高硼铸钢锤头的力学性能见表2,为了对比,还测试了现场使用高锰钢锤头、中铬合金 铸钢锤头和镍硬I号铸铁锤头的力学性能。高硼铸钢锤头不仅硬度和强度高,而且韧性好,主要原 因是组织细小,且硼化物呈断网状、团快状和颗粒状分布,有利于改善锤头使用性能。目前,高硼耐磨铸钢锤头已在锤式破碎机上进行了装机运行试验,用于将50～200mm粒度的白云石破碎至小于10m m粒度。不同锤头材质的消耗见表3,高硼铸钢锤头由于硬度高且韧性好,不仅具有良好的抗图2高硼铸钢1020℃空冷处理后的组织Fig.2The m icrostructure of high boron cast steel after aircooling at1020℃图3高硼铸钢1020℃水冷处理后的组织Fig.3Them icrostructureofhigh boron caststeelafterw atercooling at1020℃图4高硼铸钢250℃回火处理后的组织Fig.4Them icrostructure ofhigh boron caststeelaftertem peringat250℃图5水冷条件下高硼铸钢锤头的淬透性Fig.5H ardenability ofhigh boron caststeelham m eratthew atercooling表2锤头力学性能对比Table2C ontrastofthe m echanicalproperties ofham m ers锤头材质硬度(H RC)高硼铸钢镍硬I号铸铁中铬合金铸钢高锰钢63.764.358.1197H B冲击韧性/(kJ·m-2)21461137-断裂韧性/(M Pa·m-1/2)37.8---抗弯强度/M Pa1336---切削磨损能力,还具有良好的抗冲刷磨损能力,表现出优异的耐磨性,锤头单耗 仅为4.3g/t。高硼铸钢锤头使用安全、可靠,无剥落、断裂等现象发生,使用寿命达到高锰 钢锤头的4倍以上,比中铬合金铸钢锤头和镍硬I号铸铁锤头寿命分别提高55.8%和41.9 %。高硼铸钢锤头合金加入少,铸造和热处理工艺与普通合金锤头相类似,不含镍、钼等价格昂贵 的合金元素,生产成本与高锰钢相当,比中铬合金铸钢和镍硬I号铸铁降低40%以上。使用高硼 铸钢锤头,使材料消耗降低,减少了更换次数,提高了破碎机生产作业率,具有很好的经济效益。 (1)锤式破碎机锤头磨损失效为冲击引起的疲劳磨损以及切削和冲刷磨损的组合,锤头材质要求 具有高硬度和良好的抗冲击断裂性能。(2)高硼铸钢经稀土、钒、氮微合金化处理后,铸态组织明显细化,热处理后获得
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