（机械工程专业论文）小型锤式硫碎机锤头的失效分析及材质研究.pdf

abs tract t h e ma t e r i a l s o f h a mme r a n d t h e s t r u c t u r e o f h a mme r - c r u s h e r h a s b e e n s y n t h e s i z e a n a l y s i s e d , i n t h e m e a n i n g t i m e t h e m e c h a n i s m o f a b r a s i o n i n v a l i d a t i o n h a s b e e n d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r . t h e a u t h o r s n e w o p i n i o n i s t h a t t h e m a t e r i a l s o f h a m m e r m u s t h a v e n o t o n l y h i g h h a r d n e s s a n d h i g h t o u g h n e s s b u t a l s o h i g h f u l l h a r d e n a n d h i g h h o t h a r d n e s s . a c c o r d i n g t h i s n e w o p i n i o n , t h e r e s e a r c h e s w h i c h i m p r o v e f u l l h a r d e n w i t h m a n g a n e s e a n d i m p r o v e h o t h a r d n e s s w i t h t u n g s t e n h a s b e e n f ini s h e d . a n e w we a r - r e s i s t a n t c a s t s t e e l wa s ma k e o u t a n d a n e w h a m m e r m a d e b y t h i s n e w m a t e r i a l h a v e g o o d e ff e c t . t h i s c a s t s t e e l h a v e t h e b e s t i n t e g r a t e p e r f o r m a n c e a f t e r h e a t - t r e a d e d b y 6 8 0 0c a n n e a l i n g , , 9 4 0 c a i r q u e n c h i n g a n d 2 0 0 0c t e m p e r i n g( a 、 : 8 3 7 m p a , h b : 5 1 2 , a k : 7 . 5 j / c m 2 ) . t h e f u l l h a r d e n i n g d i a m e t e r m a y a b o v e 6 0 m m i n a i r q u e n c h i n g . t h e h a r d n e s s i s 5 7 9 h b a f t e r 4 5 0 c t e m p e r i n g . t h e s e r v i c e l i f e o f t h i s n e w m a t e r i a l h a m m e r i s 2 . 4 t i m e s a s l o n g a s t h a t o f z g m n 1 3 i n (b 8 0 0 x 6 0 0 h a m m e r - c r u s h e r . k e y w o r d s :h a m m e r一c r u s h e r , h a m m e r , f a i l u r e a n a l y s i s w e a r - r e s i s t a n t m a t e r i a l , 第一章前言 1 . 1 (d 8 0 0 x 6 0 0 锤式破碎机的结构及优缺点 1 . 1 . 1 锤式破碎机基本结构及工作原理 锤式破碎机是破碎中、 低硬度矿石的中碎及细碎设备， 在化工、 建材、矿山、碳煤、冶金、电力等工业中用途较广。其基本结构如 图 ( 图 1 一1 )所示。 图1 -1锤式破碎机的基本结构 1 一机架2 一 转子3 一 锤头4 一 破碎板5 - 蓖条 锤式破碎机由机架及转子体两大部份组成，机架分上下两体， 用螺栓联接而成整体。转子体由主轴、锤盘、锤、间隔套、锤轴及 轴承座、皮带轮及飞轮等主要部件组成。电动机通过皮带轮驱动主 轴， 从而带 动锤绕主轴轴心线作旋转运动2 1 锤式破碎机是通过物料与锤及破碎板、衬板的碰撞冲击，来完 成破碎作业过程的。由进料口送入的物料，首先受到高速旋转的锤 的打击，被破碎成较小块度，由于锤的打击，比较小的块度的物料 获得很大的动能， 飞向破碎板与衬板，被进一步破碎，并且在整个过 程中，物料不断地被碰撞，物料在此多重作用下，运动到底部筛条 部位，达到合格要求的物料，由 筛条间隙排出，由机外的设备输送 到指定地点。未达到合格要求的物料，在锤与筛条的碾磨，挤压作 用下，被完全破碎成合格的物料。 1 . 1 .2 锤式破碎机的优缺点 锤式破碎机的结构简单、工作可靠且破碎比大;但是锤式破碎 机功率消 耗大、 破 碎效 率低， 特别是备 件消耗大问 。 1 .锤式破碎机优点 由于锤式破碎机的破碎是在冲击力的作用下物料沿着自 然裂 隙、节理面、层理面等分子结合力较弱处破裂，这比挤压、剪切、 研磨破碎更有效，破碎比大，产品多呈立方体，并且这种冲击破碎 具有选择破碎的功能， 起到单体分离物料的作用，因而得以广泛的 应 用， 通常 用 来 破 碎抗 压强 度小 于2 2 0 n / m m 2 、 石 英 含 量 低的 脆性 物料， 在水泥、电力和化工行业中用来破碎石灰石、 煤等物料具有 更大的优越性。 锤式破碎机的结构相对于反击式破碎机、园锥破碎机等设备要 简单得多，安装时占 地面积小，使用方便，投资也较少，这也是锤 式破碎机获得广泛应用 ( 特别是对一些中小企业)的原因。 另外，由于锤式破碎机的锤头是以铰接的方式固定在圆盘上， 在 破碎 矿块时， 锤头会向 后 偏倒， 从 而避免了 转子主 轴受强 力 冲击 1 1 己 有 研究表明 3 _ 5 1 ， 当 锤头打击点 正处于本身的 打击中 心时， 可以 完 全消除对转子主轴和锤头销轴的瞬时冲击，从而可以大大减慢销孔 与销轴表面之间的磨损，这是极为有利的，也是锤式破碎机的一大 优点。 2 . 锤式破碎机缺点 锤式破碎机的功率消耗大， 破碎效率低。 锤式破碎机备件消耗大， 文献6 1指出， 某选矿厂使用的。 8 0 0 x 8 0 0锤式破碎机所用锤子一套 重3 8 4 k g , 锤头双向 换向 使 用， 寿命仅为1 2 - 1 6 小时， 一台 破碎机 每年消耗高 锰钢锤子2 0 0 多吨， 数 量惊人。 文献8 1 指出 ， 高锰 钢锤头 数天就需要换，每年约有 1 1 - 2 0万吨锤材消耗。水泥工业，1 9 9 4 年全国水泥产量 4 .0 5亿吨， 球磨机衬板类、破碎机类损耗金属约 3 0 0 - 3 5 0 克/ 吨水泥:研磨介质 ( 球、段)为5 0 0 克/ 吨水泥，这 样1 9 9 4 年仅水泥工业就消耗衬板类金属1 2 万吨， 研磨体2 0 多万吨。 据有关资料统计， 黑色、 有色矿山消耗金属更多， 全国消耗破碎机、 球磨机衬板金属约5 0 万吨， 研磨介质金属约 1 3 0 万吨，总价值 8 0 亿元闭 。 3 . 锤式破碎机的发展概述 锤式破碎机最早是 1 8 9 5年由m. .f .b e d m s o n首先申请锤式破碎 机的专利，随着高速重型轴承和高强度耐磨材料的 研制成功， 锤式破 碎 机的 发 展具 有以 下 几 个 特点 il ” 气 ( 1 ) 对锤式破碎机的设计进行改造。 针对原有的锤式破碎机进料 小、出料细、粒状不好、片状较多、生产效率低等缺点，对锤式破 碎机的结构形式或局部的尺寸进行改造。 ( 2 ) 各种原理的综合化，目 前锤式破碎机的破碎方法大都由过去 单一的破碎方法发展为综合性的方法，将各种形式破碎机的优点吸 收到锤式破碎机中来， 提高了生产率和破碎能力，同时降低了能耗。 如丹麦的s m i d t h 公司生产的e v型锤式破碎机和联邦德国o如果锤头的使用寿命只有几个小时，破碎机几乎 无法运作，无法生产，因此，提高锤头的使用寿命，可有效地提高 锤式破碎机的生产效率。 ( ) 减少 经济浪费。 如果 频繁 地更换锤头， 对使用单 位是一个很 重的经济负担，除了要支付锤头的费用外，还要支付更换费用;同 时，由于锤头使用寿命短，使用单位不得不储备更多备件，造成资 金的更大积压。 ( 3 ) 减少 材料( 资 源) 的 浪费。 如前所述， 由 于材料的 使用寿命 短，每年要消耗大量钢材，这也是国家资源的重大浪费。在人类面 临严重资源危机的今天， 减少金属材料的消耗将有非常重大的意义。 ( 4 )良 好的社会效益。 频繁地更换锤头， 破碎机不能正常工作， 水泥厂不能正常破碎石灰石，影响水泥产量，也就影响到使用水泥 的单位，影响房子的建造，影响桥梁的建造等等。因此，提高 锤头的使用寿命，对社会有良 好效益。 1 . 3国内外锤头用材综述 1 . 3 . 1 高锰钢 一、高锰钢的发展概况 高锰钢是历史最悠久的一种耐磨材料，是由英国的 r o b e r t h a d f i e l d 于1 8 8 2 年发明的，故亦称h a d f i e l d 钢。 现在， 作为耐磨 材料的高锰钢的化学成分大致为:( w t . %) c 0 . 9 - 1 . 5 ; m n 1 0 - 1 5 ; s i 0 . 3 - 1 . 0 ; s 0 . 0 5 ; p 0 . 1 0 高锰钢的使用组织为奥氏 体， 有良 好的加工硬化性能。 在工件经 受强烈冲击或重力挤压的工况条件下， 其表面迅速硬化， 硬度可以从 h b 1 7 0 - 2 2 5 提高到 b b 5 0 0 - v 8 0 0 ， 而心部依旧 保持原有的硬度和良 好 的韧性。由于高锰钢这一卓越性能，因而广泛用于制造抗冲击磨损 的 i 件 29- 311 国内又有报道，安徽电力修造厂曾用下列成分的超高锰钢 ( w t . %):c 1 . 5 3 ; s i 0 . 5 5 ; m n 1 8 . 2 ; c r 2 . 6 5 ; t i 0 . 2 2 ; r e 0 . 3 5 ; p 0 . 0 6 ; s 0 . 0 5 。 制 作 风 扇 磨 冲 击 板， 寿 命比 原 来 提 高 近 一 倍。 文章又介绍了m . c . u u x a l e l 研制了 在寒冷条件下用的含m n 1 7 - 2 0 %的超高锰钢， 能提高冷脆抗力。也提到了苏联北方用的铁路辙岔 改用m n l 8以 后， 其寿命经原用的m n 1 3 提高2 0 -2 5 %。又说，挪威 某公司开发了一种含 1 5 2 3 % m n的超高锰钢， 其初始硬度提高了 h b 8 0 -1 5 0 ， 加工硬化能力明显增强3 2 1 文献3 3 1 报道，该厂接受外商订购的轧臼 壁、衬套等部件， 所用 材料的成分为钾 t . 幼:c 1 . 0 5 1 . 3 5 ; m n 1 7 - 1 9 ; s i ,1 . 0 ; p 毛0 . 0 5 5 ; s 0 . 0 5 5 ; c r 0 . 5 0 。该文认为， c . m n均用得高，其中 碳量高有利于钢的耐磨性;锰量高则有利于提高冲击韧性。 文献3 4 1 将传统的1 . 2 c - 1 3 m n - c r 高锰 钢成分改 为1 . 5 c - 1 8 m n - c r o 其所以如此改变成分，是基于冲击磨损试验。在不同碳量高锰钢的 冲击磨损试验中， 发现冲击磨损量随碳量增加而下降， 在1 . 5 % c 时， 冲击磨损量较小。 而在不同锰量( c = 1 . 5 %) 的冲击磨损试验中， 看到 m n = 1 8 %时，冲击磨损量出现极小值，所以该文选择了 1 . 5 %c和 1 8 % m n 。 该文还认为，当碳量增加时，。 、 、s 、a 、 均下降，特别是当 碳超过1 . 6 % 时， 碳己 超过溶解极限， 在水韧后仍不能消除碳化物。 因 此，该文认为应提高锰量以消除碳量高时造成的碳化物，从而提高 韧性。 最近作者在日 本的一份定单中看到有一种锰含量在 3 1 -3 3 w t . %的高锰钢锤头， 其它成分是: c 1 . 5 5 - 1 . 6 3 w t . %; s i 0 . 1 5 0 . 2 5 w t . %; p -0 . 1 1 w t . %; s 5 8 h r cp c li 0 0 0 - 3 妇0 0 % 6 0 0 1 3 的 x1 6 0 0 立式玻碎机 吸遣白口掩性 铸谊余热处理白口铁 5 5 - 6 0 hrc i 6-6 1 hrc 煤 石料 旗石 石灰石 煤砰石 水泥熟料 水泥生料 石灰石 石英岩 长石 页岩i帖土 低合金钢锤头的典型显微组织为回火马氏体十二次碳化物+少 量残余奥氏体。回火马氏体具有良 好的综合机械性能和优异的抗磨 .9 料磨损性能;二次碳化物可作为抵抗磨料磨损的硬质颗粒， 对耐磨 有利， 但不宜太多，因为过量的二次碳化物会使材料变脆，导致锤 头断裂;残余奥氏体是热处理过程中不可避免的，有人认为一定量 的 残余奥氏 体 有利于 提高材料的 塑性16 4 1 ， 但笔者认为， 残余奥氏 体 含量应尽可能低， 原因是残余奥氏体在锤头使用过程中会发生转变， 即会转变成马氏体，在转变过程中伴随体积的膨胀，在晶界处产生 微裂纹，从而导致锤头的疲劳剥落。依成分和热处理的不同， 有些 低合金钢锤头的显微组织中会出 现贝氏体。甚至会出 现珠光体。文 献4 9 1 研究了 铸态奥氏 体一贝氏 体耐磨钢后 指出， 奥一贝 钢具有极 好 的综合性能， 不但冲击磨损性能比高锰钢优异，而且硬度高，韧性 好，使用寿命比高锰钢锤头提高一倍以上。 二、 低合金锻钢 钱振 伦u g l 指出 : 德国o美国e s -c o公司发展 了 一种用 1 2 s材料做的锻钢锤头。以 上三种不同牌号的钢种均为含 铬、铝元素的合金结构钢。 北京重型机器厂引进o 锤头表面获得马氏 体组织，心部获得具有 一定韧性的混合组织 ( b +p 十f ) ，从而提高材料的强度和韧性;同 时可降低生产费用。但低合金锻钢锤头到目 前为止，尚未获得广泛 地应用。 1 .3 .3其它用材 一 、 复合材料 高铬铸铁是一种耐磨合金的白口铁，其性能特点是高硬度 ( h r c 6 0 -6 5 ) ;而且具有一定韧性，较高的抗腐蚀性，其组织特 点是高显微硬度的板块状 ( c r , f e ) 7 c 3 ， 孤立地分布在马氏体基体 上，因而对裂纹扩展有良 好的抵抗能力。因而这种材料在国外被认 为是具有最好抗磨性能兼有较好韧性的材料。但用它制造锤式破碎 机锤头， 韧性较低， 易发生脆性断裂。 为使高铬铸铁锤头安全运行， 国内、外不少学者对高铬铸铁复合锤头进行研究开发。比利时 m a g o tt e o u x 公司生产一种复合铸造的高铬铸铁锤头 1 s 。 它是在合金 结构锻造锤柄上复合浇铸上高铬铸铁的打击锤头。使锤柄具有足够 的强度和塑性，锤头具有极高的硬度和耐磨性，它们的化学成分见 表 2 -4 . 表2 -4 复合锤头化学成分 零件部件化学成分 ( %) cs im nc rm 0ni 锤头 3 40 . 4 22 . . 51 7 . 11 . 0 锤柄 0 . 20 . 5 40 . 4 42 . 0 6 0 . 2 7 0 . 0 4 美国e s c o公司 研制了一组组合式能快速更换的锤头， 如图 ( 图 2 - 2 ) 所示。 操作者不必拆装销轴即 可快速更换锤头。 左图是用于不 可逆的锤式破碎机，右图用于可逆式锤式破碎机。 销 轴 一 图2 -2 可快速更换的组合锤头 据介绍， 在锤柄必须报废时， 它可能已 经更换了1 0 - 5 0 付锤头。 每次更换锤头时真正扔掉的金属仅占整个锤头重量的2 5 %， 可见是 相当 经济的。 文献6 3 指出， 工作部分采用高铬铸铁， 而锤柄部分采 用碳钢。 使锤头头部具有高硬度和高耐磨性， 而锤柄部具有高韧性， 满足了 使 用 性能 要 求。 在 水 泥 厂破 碎水 泥 熟 料， 复 合 锤 头的 使 用 寿 命比高锰钢提高2 倍以上，破碎水泥生料、石灰石和白云石可提高 5 倍以上: 而在立式破碎机上破碎硅石时可提高1 0 倍以上。 高铬铸 铁复合锤头，虽具有较高的使用寿命，但其镶铸工艺复杂，要求较 严格，同时严禁铁块进入破碎机，一般要求在喂料前端有二级吸铁 装置。 而文献tfi 9 l 则指出， 锤头的 锤柄采用 z g 4 5 ， 而锤端采用高铬 铸铁( c % 1 . 8 - 2 .4 ; c r %1 2 1 4 %) ， 用镶铸方法制造破碎机锤头， 镶铸技术生产方法并不复杂，生产成本低， 产品质量易于控制。 使 用后反映复合锤头造成的 停机更换锤头次数减少5 0 %。文 献 0 - 72 1 用类似的 方法研制了复合锤头， 锤柄材料选用 z g 3 5 ,锤端选用高 铬铸铁 ( c % 2 .0 2 .9 ; c r %1 2 1 9 %; mo %0 .3 1 .5 ; c u %0 .3 - 1 .5 ) ，铸造方法采用包覆铸造法或 ， 液一 液复合铸造工艺 ( 造型 后， 在砂型型腔中锤头头部放置一a 3 隔板， 从而将型腔分成各自 封 闭的两个部分，向两个型腔分别浇注高铬铸铁铁水和 3 5 #碳钢钢 水) 。 现场应用结果表明， 复合锤头的使用寿命与高锰相比 提高2 - 1 0 倍 不 等。 文 献 73 1 则 研究了 高 锰 钢 锤头 端 镶 铸 硬 质合 金的 锤 头， 且 指出，高锰钢基硬质合金和高锰钢镶铸的界面是冶金结合，两者之 间有互扩展产生;镶铸工艺简单，易于掌握，寿命为高锰钢锤头的 3 倍以上，而成本只提高3 0 %. 总之，由于破碎机锤头主要磨损部位是锤端，而锤柄不受磨损 但要求有高的韧性以保证在使用过程中不断裂。因而锤端采用具有 高抗磨性的高铬铸铁而锤柄则用高韧性的铸钢材料，采用复合铸造 的方法制造锤头是可行的。但由于不同材料成分的选择和制造、热 处理方法的差异以及使用工况的区别，从而造成使用寿命有较大的 差距。同时，如何提高复合界面的结合强度，如何避免高铬铸铁脆 裂， 从而进一步提高复合高铬铸铁锤头的使用安全性和使用寿命， 有待于进一步研究。 二、马氏 体球铁 文 献 7 4 1研究了 马氏 体 球 铁锤 头， 且 指出 ， q t 6 0 一马氏 体 球 铁 锤 头的使用寿命是含锰白口 铸铁锤头的2 . 5 倍， 尤为突出的是冲击韧性 值大大优于含锰白口 铸铁锤头。 在生产q t 6 0 - 2 马氏 体球铁锤头时， 采用铸造余热进行淬火加低温回火热处理是行之有效的工艺，它既 可降低产品成本，又可节约能源。采用油淬 ( 或温水淬)均可获得 q t 6 0 - 2 马氏 体球 墨 铸铁锤头， 但用温水淬时， 必 须淬后立即 进行 较 长时间的低温回火， 不然铸件会产生裂纹，甚至开裂， 使铸件报废。 三、高铬合金钢 ( z g c r 1 3 ) 文 献 7 5 1指出 ， 化 学 成 份: c : 1 .31 .6 % , c r : 1 1 - 1 4 % , m n : 0 .30 .5 % . mo ,l %, n i ,0 .? %. p -:- 0 .0 5 %, s 0 .2 8 % 时 才明显地出 现， 且随含 碳量增加而提高。 当 含碳量超过0 . 4 % 时， 虽对材质的抗磨粒磨损能力提高十分有利， 但是降低塑韧性， 裂纹敏感性增强。为获得综合性能良 好的马氏体组织，尽量避免铸 件产生开裂现象， 碳含量选定通常为0 .3 -0 .6 %。 ( 2 )铬含量的选择 铬在钢中显著地增加淬透性，提高强度和硬度，铬与碳能形成 多种类型的碳化物， 对钢的性能有显著影响，特别使耐磨性大为提 高。综合考虑铬在钢中的作用和经济性，铬含量选为0 .8 - 2 .5 %. ( 3 )锰含量的选择 锰是作为提高钢的淬透性和固定硫而加入的， 锰含量在1 .5 %以 下时，几乎不降低钢的塑韧性， 甚至对韧性还稍有提高。当超过 1 .5 %时，在强化的同时其塑、韧性下降，有使晶粒粗化的倾向，并增 加回火脆性敏感，这是所不希望的。选定锰含量为0 . 8 -2 .5 %. 4 ) 硅含量的选择 硅显著提高钢的强度和抗腐蚀能力，起固溶强化作用。加入一 定量的 硅能使从 到 q( 渗碳体) 的碳化物反应移向 高温侧， 从而 避免低温回火脆性。 硅含量增至0 . 9 %以 上， 可以 显著提高马氏 体硬 度。 硅含量提高到1 .2 % 可改善钢的断裂韧性和提高强度， 这对性能 是有利的。但过高的硅量使钢的导热性能变坏， 促使钢的裂纹敏感 性和钢中碳石墨化。因此， 水淬马氏 体钢硅含量选为0 .8 -1 . 6 %. ( 5 ) 铝含量的 选择 钥是低合金耐磨钢中起辅助作用的元素，具有提高淬透性、抗 回火软化等综合优点。铝的含量通常是根据抑制高温回火脆性所需 的量来确定，并随淬火组织而异。 铝含量上限是从实用的角度确定的。由 于冲击负荷不大的耐磨 钢对韧性值要求较低，可以选择较低回火温度避开脆性区，没有必 要把含钥量提高到 0 .4 0 %以上来进一步抑制高温回火脆性。 而且铝 加入过多也不利，由 于 m0 2 c的析出，回火脆性会重新增加，因之 确定铝含量为0 .2 0 -0 . 5 0 %。 0 . 2 0 % 以 上，由 于 夹杂总量增多， 而且 集聚成群，使a k 值明显下降。因此，稀土含量选为0 .0 5 -0 .2 5 %. ( 7 ) 镍含量的选择 镍是奥氏体形成元素， 镍的加入增加钢的韧性，同时考虑经济 性， 所以镍含量选为0 .2 -0 . 5 %. ( 8 ) 钒和钦的选择 适量钒和钦的加入可有效地细化低合金钢铸态组织，净化晶 界，改善碳化物的形态和分布， 提高材料的抗破裂性及抗疲劳剥落 性 65 - 6 7 1 ( 9 )硼的选择 硼可提高淬透性， 在含量0 .0 0 1 - 0 .0 0 5 % 之间有明显作用。 硼对 淬透性影响和钢中碳含量有关， 碳增加， 硼作用减弱， b r e e n 和w a l t e r 指出 对碳钢硼的 淬透性因 子可用公 式 1 - f 1 . 7 6 ( 0 . 7 6 - c ) 确定。 硼 的 作用还与合金系统、 元素含量有关6 8 1 ， 在8 6 0 0 型 ( 含0 .5 % c r , 0 .5 % n i , 0 .2 5 % mo ) 钢中， 硼起作用的临界碳量为0 . 5 3%， 0 .5 3 % c , 硼不起作用。 在合金总量 约4%的c r - mn 系合金中得出: 在0 .3 5 -0 . 5 5 % c范围内， 硼的作 用不显著。 尽管如此， 用低合金制造的锤头， 往往由于热处理过程中不可避 免会产生残余奥氏体，使用过程中的相变会导致裂纹产生，影响材 料的使用寿命，或者由于不同工况的选材不合理，造成使用寿命不 理想。 其它的锤头材料， 如低合金锻钢、 复合材料、 马氏体球铁和高铬 合金钢，虽然也获得一定的应用，但只是在某些特定的工况或特定 的锤头结构下得到应用，而且这些材料的工艺性能也不如高锰钢和 低合金铸钢好。因此，它们的应用也很不成熟，很不广泛。 2 .4 锤头的用材应具备的性能 为了保证锤头的正常使用， 用于制造锤头材料应具备如下性能: 1 、高的冲击韧性 锤式破碎机中的物料破碎时，锤头受到物料的反冲击作用，反 冲击功的大小与物料受到的冲击功相等。假设锤头与物料垂直正击 并为弹性碰撞，锤头材质均匀无冶金缺陷，物料为球体 ( 锤头安装 在转子上) ，则当锤头的线速度v = n n d ，料块的质量m = 1 / 6 二 d p时，物料受到的冲击功，即锤头所受的反冲击功可表示为 e = 1 / 2 m v = 1 / 1 2 x二 3 n d d p 2 2 锤头的 最小横截面 在 转子的 边缘上如 如图( 图1 -3 ) 所示。 一 .一 二 . 尹 二 衬一 厂 一一 ， / 1 ， 、 又 尸 一 i i 一 . 私 一一一一司 ，. i s 价认日 图1 -3锤式破碎机转子和锤头形状 其面积s = 2 r a ，该横截面上弯矩也最大，现场锤头即断在此处。 因此，锤头单位截面上所受的冲击功a : 为: a k = e / s = 1 / 2 4 r a 二 n 2 d z d p ( j / m 2 ) 式中:r -锤头截面长度的一半， m a 一锤头截面宽， ， n 一转子速度，r / m i n 一 转子直径， m 企 一 料块直径，m p 一料块密度， k g / m 2 欲使锤头在使用中不产生冲击破碎，锤头材料的冲击韧性a k o 必须不小于a k 值仁， 了 ， 即: “ 。 )a : . . . ( 1 5 ) 由 式 ( 1 5 ) 知，a k 与r , a 成反比，即横截面积大的锤头a 值 小，耐冲击能力强，不易破碎;a : 又与于 、p 成正比，即物料密度 大、块度大，锤头受到的反冲击功就大，易被冲击破碎;转子的直 径和转速越大，则a ; 值越大，锤头也易被冲击破碎。但是，实际情 况是复杂的，锤材有各种冶金缺陷，物料又非球体，碰撞也不是完 全弹性的， 锤头的破碎也并非一次冲击造成， 而是累次冲击的结果， 因此式 ( 1 5 )有一定的误差，应在生产实践中不断积累经验，加以 修正。 2 、高的硬度 为了更好地说明锤头用材对高硬度的要求，我们对磨料磨损过 程中磨屑的形成过程作一分析，磨屑的形成过程是一个动态过程， 作用在磨损表面上的磨粒是大量的，磨粒的位向、形状、大小又各 不相同，它们给予磨面的力随时都在变化，因此磨屑往往是在磨粒 反复作用下而形成的2 61 。 从几种典型抗磨件磨损形貌特征不难看出， 在通常情况下机械作用是主要的。磨屑形成分两个阶段:第一阶段 是磨粒在外力作用下压入受磨表面而引起的最初变形，所压入的程 度取决于磨粒作用于磨面正压力的大小和材料的硬度;第二阶段是 磨粒施于水平切应力作用下发生物料的迁移。根据磨面所受切应力 大小，可能存在三种情况:即磨面的所承受的切应力t 小于材料的 屈服极限下 7 :切应力 下 大于屈服极限t : 而小于材料的切断强度 t k ; 切应力大于切断强度t 当t 下 t 时，磨屑是以 疲劳剥落的方式脱离 母体，其形成过程是受磨的表面在硬质磨粒切应力反复作用下，局 部地区产生不均匀的滑移而成为疲劳裂纹的核心，特别是在晶界、 非金属夹杂物、有铸造缺陷的地方，由于滑移受阻而产生高应力区。 材料在疲劳磨损机制下，材料的磨损率: w f = k( ， h ) -2f n 2 81 . . . . . . ( 1 6 ) 式中:1i f应变疲劳机制磨损率; e f 断裂应变; h - - 材料硬度; f n -载荷。 由 式 ( 1 6 )可知，磨损率 w f 与材料的硬度成反比，即材料硬度 愈高，磨损率愈低，则材料的寿命愈长。 当下 : 0 . 1 )时，形成f e 2 p 在晶粒周界析出，降低钢的塑性和韧性 如图( 图3 - 4 ) 所示。 矛:势olx姗心侧.佗* 次详，娜.，心粉琳址 口r， ! 笼 户 笋 一1 尹产 卜 尹 尸 j 沪 二 二 匕 二洲 产 尹 护爪 . ./【 j 产尸产 l r . . .d盆)，七侧娜.巨.侧娜幻招 图3 一 4 磷对碳钢力学性能的影响 因此， p 尽可能控制在低含量，但考虑原材料中含有p ，所以， 控制在簇0 . 04%。 2 、硫 ( 5 )的控制 硫在钢中以fes 或f es一fe共晶体存在于钢的晶粒周界， 降低钢 的 力学 性能， 一 般限 制 含硫量在0 . 04叹 卜 0 06% 以 下s0l。 同样考虑原材料中的硫， 加上冶炼过程中脱硫的能力， 因此， 控 制在 住 0 4 %以下。 第四章锰钨钦耐磨铸钢的机械性能 4 . 1锰钨钦铸钥试样的制备 一、试块的成分及熔炼 试样化学成分如表4 -1 所示。 试块的熔炼是在5 0 0 公斤中频感 应电炉中进行，主要炉料有碳素锰铁、钨铁、废钢和钦板，所有试 样同一炉熔炼，出炉前，加铝脱氧。 表4 -1锰钨铁铸钥试样的化学成分 ( w t .%) 化学成分控制成分实际成分 c0 . 4 5 0 . 5 00 . 4 6 mh2 . 6 0 3 . 2 02 . 6 3 w1 . 8 0 2 . 2 01 . 8 2 t i0 . 0 6 0 . 1 20 . 0 7 s i0 . 0 3 0 . 6 00 . 5 7 p蕊0 . 0 40 . 0 3 5 s,0 . 0 40 . 0 1 3 f e 余余 二、 试块的形状和铸造 试块的 形状和尺寸如图 ( 图4 -1 ) 所示， y型铸造试块， 用同 一 炉钢水浇注1 2 个试块， 湿砂型铸造。 皿 a 祥 w 1* 4 丁琶上 图4 -1 试样的形状和尺寸 三、试块的热处理 试块浇注开箱后， 把全部试块 ( 共1 2 个) 装入7 5 k w箱式电阻 炉进行退火处理和淬火处理如图( 图4 -2 ) 所示。 黔 尸 p 4 ,p c 卜3 h 、剔 飞 琅 欠 痒 犬 im闷、 .卜 时) 图4 -2试块的热处理 试块的回火处理是在1 5 k w的箱式电阻炉中进行。 工艺如图 ( 图4 -3 ) 所示 ，回火温度见表4 - 2 . 社 几 矛 工 井九 10 -w l 室 温 w甸( 小 时) 图4 - 3试块的回火热处理 表4 -2 试块的回火温度和数量 试块编号 0123456 回火温度 ( ) 2 0 03 0 0 4 0 04 5 0 5 0 0 5 5 06 0 0 试块数量 ( 个) 4111111 四、试样的制备 机械性能和金相试样 在试块的小头一侧切取如图 ( 图4 -1 ) 所示， 切取方法采用线切割。 每个试块只切取一根e 2 0 x 2 1 0 的拉伸试样 ( 然后按要求加工成 标 准拉伸 试样) 或3 根1 0 . 5 x 1 0 .5 x 5 5 的 冲击试样( 然 后经 磨 床磨屑 后 做 冲 击 韧 性 试 样 ) , 1 o x 1 0 x 5 5 m m 3 o 第五章锰钨钦铸钢的显微组织及分析 5 . 1锰钨钦铸钢光学显微组织及分析 一、铸钢的组织 图 5 一1 至图5 -7 给出不同回火温度条件下材料的光学显微组 织。由图可见，材料的组织由基体和碳化物组成， 不同的回火温度， 材料的 基体组 织不同 ， 低温回 火仅 0 0 - 3 0 0 0c ) 时 ， 基体组 织为回 火马氏 体， 图5 -1 和图5 - 2 可明显看到材料基体为板条状的回火马氏体， 经测定， 材料经2 0 0 回火后， 基体的显微硬度 ( h v l o o 3t =5 2 3 ) 。 组 织中可看到白 色相为钨或钦的碳化物 ( w2 c或t i c ) ， 经测定，白 色 相的显微硬度 ( h v l o o % =1 4 2 5 ) ， 这些白 色相是由 于材料中含有强碳 化物形成元素 ( w和t i ) ， 在回火过程中， 这些元素必然易与碳形成 碳化物在基体中析出，称为二次析出碳化物。组织中还可看到一些 小黑点，可能是析出碳化物在抛光过程中脱落造成的坑。( 图 5 -8 a )和图5 -9 ( a ) ) 材料经 3 0 05 0 0 回火后， 基体组织为回火屈氏体，组织中白 色 相较低温回火大， 这是由 于温度越高， w和t i 在基体中的扩散速度 愈大， 碳化物愈易长大的原因。 随 着回 火 温度的 升高 ( 5 0 0 -c - 6 0 0 -c ) ， 材料的 基体组织转变为回 火索氏体，而且组织中有更大量的白色相，这也是温度升高元素扩 散速度增大的原因。 第六章锰钨钦耐磨铸钢的应用 6 . 1 锰钨钦耐磨铸钢的经济效益分析 锰钨钦耐磨铸钢制造锤式破碎机锤头， 与使用最普遍的高锰钢 ( z g m n l 3 c r 2 ) 相比。 有显著的经济效益， 表6 -1 列出了两种材料 原材料配比及价格。 表6 -1 两种材料原材料配比及价格 锰钨钦铸钢 ( 1 0 0 0公斤) 高锰钢 ( z g m n 1 3 c r 2 ) ( 1 0 0 0 公斤) 原材料 单价 ( 元/ 吨) 价值 ( 元) 原材料 单价 ( 元/ 吨) 价值 ( 元) 锰铁 ( 4 2 公斤) 4 6 0 01 9 3 锰铁 ( 1 8 0 公斤) 4 6 0 08 2 8 钨铁 ( 2 8 公斤) 3 6 0 0 01 0 0 8 废钢 ( 8 2 0 公斤) 1 2 5 01 0 2 5 废钦钢 ( 1 公斤) 5 0 0 0 05 0 废钢 ( 9 2 9 公斤) 1 2 5 01 1 6 1 1 0 0 0 公斤 2 4 1 2 1 0 0 0 公斤 1 8 5 3 由 表可知， 锰钨钦铸钢的原材料价值 ( 2 4 1 2 元/ 吨) 是z g m n 1 3 ( 1 8 5 3 元/ 吨) 的1 .3 0 倍， 其它的费用， 比如电费、 工资、 管理费 等基本一样。 从初步应用可知， 锰钨钦锤头的售价是高锰钢锤头的2 倍左右，因此，生产厂可获得显著的经济效益。 6 . 2 锰钨钦铸钥锤头的应用 用锰钨钦耐磨铸钢制造的o 8 0 0 x 6 0 0 锤式破碎机锤头在水泥厂 试用， 破碎物料为水泥烧结熟料、荧石、铁矿石、煤研石的混合料。 实验数据见表6 - 2 0 表 6 - 2 两种材质锤头的试数据对比 材质使用时间 破碎物料数量备注 吨一吨 z g mn l 3 锤头 1 0 6 7 2 6 4 4 使用寿命倍数 1 锰钨钦铸钢锤头 2. 4 8 无断锤 无断锤 试验结果表明: 锰钨钦耐磨铸钢锤头的强韧性适合于破碎水泥 熟料，其使用寿命在同等工况条件下达到z g mn 1 3 的2 .4 8 倍。 综合表6 - 1 及6 - 2的数据，可见锰钨钦耐磨铸钢的材料费用仅 比高锰钢高3 0 %， 使用寿命却可以提高 1 4 8 %， 具有明显的将低垂头 使用费用的作用，可创造良 好的经济效益和社会效益。 第七章结论 一、 结论 1 .通过锤式破碎机结构分析、锤头工作条件分析、锤头用材分析、 锤头磨损失效机理分析， 本文提出锤式破碎机小型锤头用材不仅 应具有高韧性、高硬度，而且还应具有较高的淬透性及热硬性。 2 .锰钨钦耐磨铸钢经 9 4 0 空冷淬火及 2 0 0 空冷回火后，材料的 抗 拉强 度为8 3 7 m p a ， 冲 击 韧 性a k 为7 .5 j / c m 2 ， 硬度为5 1 2 h b o 并且具有良 好的淬透性及热硬性，6 0 m m壁厚的铸件其中心与表 层硬度一致， 4 5 0 回火时硬度仍可达到5 1 2 b b以上。 3 .现场实验证实， 锰钨钦耐磨铸钢用于制造。8 0 0 x 6 0 0 的锤式破碎 机锤头， 使用寿命可达到z g m n 1 3