新型合金铸钢锤头的研制和应用

新型合金铸钢锤头的研制和应用新型合金铸钢锤头的研制和应用 摘要 摘要 针对破碎机锤头工况条件和主要失效方式 研制了一种新型合金铸钢锤头 锤头 硬度 HRC 48 55 工业性生产试验表明 该材料的锤头使用寿命是高锰钢锤头的1 5倍 提高了破碎机的生产能力和效率 关键词关键词 合金铸钢 锤头 高锰钢 淬火 前言 前言 锤式破碎机是水泥 石墨 矿山 电力等行业广泛使用的破碎生产设备 而锤头是 消耗量很大的易磨损件 锤式破碎机破碎物料时主要是利用高速旋转的锤头 与高处落 下的物料撞击 使物料破碎 锤头在工作时 锤头的工作表面并不是整个锤面全部作用 于破碎物料 而是在区域进行破碎 因此其边缘很快被磨损由此使部分物料打击锤面 造成冲刷磨损 通过对锤头表面微观形貌分析 1 锤头的磨损过程属于变形和冲刷磨损 综合作用的结果 这是由于锤头表面的高速运转 锤头的运动惯性对物料进行打击和挤 压破碎 在相对运动的过程中这些物料与锤头表面相互作用 当物料的硬度超过锤头材 料的硬度物料的棱角将刺入锤头表面 锤头发生塑变沟槽 锤头材料变形到一定程度 物料被压碎 目前传统锤头多采用高锰钢制造 高锰钢优异的耐磨性是建立在加工硬化的基础上 的 需在高应力条件下服役才能充分加工硬化 由于锤式破碎机工作时锤头受到高应力 不足 绝大部分都是在中低应力状态下工作 因而高锰钢不易被加工硬化 高的抗磨性 未被发挥 故其磨损较快不耐磨 使用寿命短 而频繁停机更换 由此造成大量的材料 消耗 降低了设备运转率 另外一种锤头是空淬低合金钢锤头 加入贵重金属 Mo V Ti B 等 锤头价格 比较贵 其次是高铬铸铁锤头 该锤头抗磨性能比较好 是广泛使用的耐磨材料之一 实践中发现 该锤头虽然具有优异的耐磨性 但因其合金元素含量高 加工工艺复杂 成本高 用户很少使用 因此 开发生产工艺简单 成本低 强韧性好 使用寿命长的 合金铸钢锤头 会给社会 企业带来良好的经济效益 具有十分重要的意义 1 1 化学成分设计 化学成分设计 对化学成份的选定 既要考虑到提高强度及耐磨性 又要尽可能满足生产成本的要 求 锤式破碎机工作时锤头的磨损为撞击磨损和冲刷磨损 但主要以冲刷磨损为主 要 求锤头既具备良好的冲击韧性和又要有优良的耐磨性 为此锤头材质采用合金铸钢 新 型合金铸钢的化学成分如表 1 所示 1 碳 碳含量对低合金铸钢组织和性能影响较大 随着钢中含碳量增加 强度和硬度增加 但塑性和韧性降低 恶化钢的使用性能 所以 可控制在 0 35 0 45 2 硅 由于 Si 能溶于 Fe3C 使渗碳体不稳定 阻碍渗碳体的析出和聚集 因而提高钢的 淬透性和回火抗力 大部分 Si 溶于渗碳体中 强化作用很大 能显著提高钢的屈服强 度 硬度和耐磨性 所以 硅含量控制在 0 8 1 2 3 铬 铬是加入的主要合金元素之一 与钢中的碳和铁形成合金渗碳体 FCr 3C 和合金 碳化物 FCr 7C3 能部分溶入固溶体中 强化基体 提高钢的淬透性 尤其与锰 硅 合理搭配 能大大提高淬透性 但如果铬含量太高 会导致淬火 回火组织中残余奥氏 体量增加 因此 铬含量可控制在 0 8 1 2 4 锰 锰是主要的强化元素 大部分溶于铁素体 强化基体 其余锰量生成 Mn3C 它与 Mn3C 能相互溶解 在钢中生成 FeMn 3C 型碳化物 Mn 是过热敏感性元素 淬火时加热 温度过高 会引起晶粒粗大 Mn 量过高 会出现大量网状铁素体 增加钢的回火脆性倾 向 导致淬火组织中残留奥氏体量增加 所以 锰含量一般控制在 1 0 1 5 5 钼 钼能够有效地细化铸态组织 热处理时 能强烈抑制奥氏体向珠光体转变 稳定热 处理组织 在低合金钢中 加入钼能提高钢的淬透性和断面均匀性 防止回火脆性的发 生 提高钢的回火稳定性 改善冲击韧性 增加钢的抗热疲劳性能 钼的含量控制在 0 2 0 5 表 1 新型合金铸钢的化学成分 化学成分 质量分数 CCrMnSiMoSP 0 35 0 450 8 1 21 0 1 50 8 1 20 2 0 5 0 045 0 045 2 2 试验过程试验过程 2 12 1 试验钢的熔炼及变质处理试验钢的熔炼及变质处理 试验钢在 150kg 酸性炉衬的中频感应电炉内熔炼 合金炉料为 废钢 中 低碳 铬铁 硅铁 锰铁及钼铁 出钢前插铝进行终脱氧 在终脱氧后用 Re 进行变质处理 可以有效细化铸态组织 净化晶界 改善碳化物和夹杂物的形态分布 提高钢的抗疲劳 性及抗疲劳剥落性 并且使钢保持足够的韧性 2 22 2 试样的制备及热处理试样的制备及热处理 采用水玻璃砂干型浇注标准 Y 形试块 取 Y 形试块的下部用于冲击试样和磨损试验 及硬度测试 冲击试样和磨损试样的热处理工艺为 880 1h 正火 880 1h 聚乙烯醇溶液淬火 经 220 2h 低温回火处理 2 32 3 试样组织及性能试验试样组织及性能试验 将经过热处理的试样 在光学显微镜上观察其淬火组织 冲击韧性试验在 JB30A 型 摆锤式冲击试验机上测定 试样尺寸为 10 10 55mm 试样无缺口 耐磨磨损试验在 MMS 2B 型摩擦磨损试验机上进行 3 3 试验结果及分析试验结果及分析 3 13 1 金相组织金相组织 用聚乙烯醇溶液淬火剂淬火后得到的组织 通过金相观察发现经 880 正火 880 淬火 220 回火后 其显微组织为板条马氏体以及针状马氏体 为典型的中碳马氏体 由于是低温回火 还有残余奥氏体 这样的显微组织有利于钢的强度 硬度及耐磨性的 提高 金相组织如图 1 所示 图 1 金相组织图 400 3 23 2 力学性能力学性能 由于试验钢的组织以马氏体为主 因而具有较高的硬度 通过测定其硬度为 HRC48 55 冲击韧性试验结果为 ak 20J c 这是因为试验钢的组织较细 并且含有韧性 较好的残余奥氏体的存在 使得其具有较高的冲击韧性 另外 由于试验中向钢液中加 入了稀土进行变质 进一步改善钢的冲击韧性 3 33 3 耐磨性能耐磨性能 本试验利用 MMS 2B 型摩擦磨损试验机对试样的磨损性能进行测试 采用环 块滑动 干摩擦方式 本试验采用磨损失重作为评定材料的耐磨性能的指标 称量采用电子分析 天平 试样在每次称重前均用丙酮清洗干净并烘干 淬火后的试验钢与高锰钢的磨损量 如表 2 所示 表 2 摩擦磨损试验磨损量 试样类型磨损量 g 转速 r min 载荷 N 时间 min 聚乙烯醇淬火剂 0 0102320010030 高锰钢 0 2395320010030 可见 试验钢的耐磨性高于高锰钢 4 4 锤头的生产工艺及工业性试验锤头的生产工艺及工业性试验 4 14 1 试验锤头的铸造试验锤头的铸造 为确保锤头的产品质量 既要考虑锤头的材料 又要考虑锤头的铸造工艺 通过对 锤头的失效分析 采用水玻璃砂表面干型工艺铸造 考虑钢中含有较低的合金元素 凝 固收缩较大 采用顺序凝固 一箱放 2 个锤头 中间用大浇口 既作浇口 又作冒口 110 100 220 35 50 48 48 220 100 锤锤头头结结构构 以锤头工作区部位致密的铸态组织 获得优质 健全的锤头 锤头结构及铸造工艺如图 2 图 2 锤头结构及铸造工艺简图 锤头的熔炼在 0 5t 中频感应电炉中进行 采用酸性坩埚 严格按配料单准备好原 材料 并按加料顺序要求装料 大部分炉料熔清后 加入 15 碎玻璃造渣 扒渣取样 炉前化验 C Cr Mn Si 含量 不合格应进行调整成分 待钢水温度达到 1650 左右时 用远红外线测温仪测得 用 0 1 铝进行终脱氧 在烘烤后 600 的钢包中放入 加入量为 0 2 0 3 稀土合金后 扒渣取样 再进行浇注 4 24 2 试验锤头的热处理工艺试验锤头的热处理工艺 为了获得最佳综合机械性能 锤头的热处理采用分段式热处理 用 RJX 45 箱式电阻 炉以及 35KW 井式炉处理 根据锤头的使用情况 考虑锤头头部要有一定的硬度 锤柄 既有强度又有韧性 对试验锤头采用正火 锤头头部局部淬火 低温回火热处理工艺 用 聚乙烯醇溶液淬火剂淬火 锤头淬火方式如图 3 所示 锤头热处理工艺曲线如图 所示 支 架 淬 火 槽 锤 头 淬 火 液 图 锤头淬火方式 正火阶段 880 C 保温 120min 空冷 细化晶粒 提高韧性 局部淬火阶段 880 C 保温 100min 锤头头部局部淬火 淬火介质聚乙烯醇溶液淬火剂 回火阶段 220 C 保温 120min 空冷 调整性能 在保证硬度的同时 获得要求的冲击韧性 min 100min 120min 880 880 220 时间 温度 空 冷 淬 火 空 冷 120min 图 4 热处理曲线图 4 34 3 装机试验装机试验 为了考察新型锤头在实际工况下的工作性能 对试验锤头与高锰钢锤头一起进行现 场装机对比试验 在黑龙江省莲花水泥厂进行试验 即将四个新型锤头 锤头单重 7kg 和四个高锰钢锤头相间装在同一破碎机上进行对比试验 破碎机的物料是石灰石 共运行了 168 小时 破碎矿石 933 吨 将试验锤头取下称量 得出两种锤头的失重量 如表 4 所示 可见装机的 4 个新型锤头的磨损量均小于高锰钢锤头 而且经过 168 小时 运行后试验锤头无明显变形 试验锤头的平均耐磨性为高锰钢的 1 5 倍 试验结果对比 见表 4 表 4 试验锤头的装机试验结果 各试验锤头的磨损量 g 破碎机规格 mm 类型 1 2 3 4 平均 相对耐磨性 800 600 试验锤头 465 532 577 7351 5 800 600 高锰钢 697 825 808 1161 1 5 5 结语 结语 5 15 1 用适量 Cr Mn Si Mo 为主加元素的新型合金铸钢锤头 经适当的热处理 得到显 微组织为板条马氏体以及针状马氏体 残余奥氏体 冲击韧性为 ak 20J c 硬度为 HRC48 55 具有良好的韧性与硬度相结合的性能 5 经现场装机 试验证明 所研制的新型合金铸钢锤头的耐磨性高于高锰钢 为高锰 钢锤头的 1 5 倍 使用寿命显著提高 新型合金