錘式破碎機錘頭堆焊藥芯焊絲研究

薛瑞斌，陳勇，南萍

1 引言

錘式破碎機是水泥、陶瓷、礦山和電力等行業廣泛使用的破碎機械，錘頭是其主要的易磨損件，在工作過程中經受沖擊磨損。由于錘頭在高速旋轉中受到被破碎物料的沖擊與磨損，消耗量較大，因此如何提高錘頭的使用壽命，減少錘頭材料的消耗，提高經濟效益，具有重要的意義。

圖1 1號試樣分析

目前制造破碎機錘頭應用較多的是高錳ZGMn13，這種材料在破碎機械中應用最廣，其特點是沖擊硬化錘頭壽命會有顯著提高，受沖擊越激烈，其抗磨能力發揮得越好。而對強度較低的石灰石、白云石以及熟料破碎用該材料制成的錘頭，由于材料冷作硬化不明顯，其耐磨性較差。另外有人對中錳鋼作了一些研究，旨在通過降低奧氏體的穩定性提高其加工硬化的能力。本文通過設計三種藥芯焊絲，為錘頭成分的拓展提供了一種思路。

2 試驗材料和試驗步驟

2.1 試樣制備

用拉拔剪絲機，低碳鋼鋼帶，制備成?3.0mm藥芯焊絲。采用埋弧堆焊工藝，堆焊了3層，3種焊絲的成分如表1所示。其中1號選用焊劑為HJ107，2號和3號選用HJ260，焊接工藝參數為35～42V，焊接電流為350～400A，焊接速度為11m/s。

2.2 顯微組織和觀察分析

樣品經過硝酸酒精（4%硝酸+96%酒精）溶液侵蝕后，在金相顯微鏡下進行組織觀察和分析。用維氏顯微硬度計對不同成分合金的典型顯微組織進行了顯微硬度的測定。每個顯微硬度值都是以三個以上實測數據的平均值作為最終的結果。

2.3 力學性能的測試

對應用于錘式破碎機錘頭的材料，最重要的兩個技術參數為硬度和沖擊韌性。為了模擬錘頭的工況，選用MlS-10型動載試驗機做沖擊磨損，樣品經鉬絲線切割，切成10mm×10mm×30mm的無缺口沖擊磨損試樣。用于硬度測定的試樣表面磨平后，在洛氏硬度計上測定，三個以上實測數據的平均值作為最終的結果。以石英砂為磨料，流量為50g/min，試驗機的沖擊頻率為150次/min，每塊試樣的沖擊次數為4500，用時30min。每塊試樣都在磨損試驗前后進行超聲波清洗。

3 試驗結果和分析

3.1 顯微組織觀察、能譜分析和硬度的測定

由圖1中a和d可見，基體組織比較均勻，為低碳的馬氏體加上少量的殘余奧氏體。通過SEM面掃描可以看出，碳化鈦顆粒均勻地分布在基體組織上，尺寸比較細小，在2～3μm左右，形狀為不規則的四邊形。碳化鈦的硬度高達HV2850～3200，其摩擦系數也比較低[1]。因此，在沖擊磨損的過程中可以有效抵抗硬質粒子的切削，有效保護基體組織，提高錘頭的使用壽命。通常情況下，第二相粒子的加入會割裂基體組織，成為裂紋開始的源泉，但碳化鈦因具有面心立方晶格，可以和面心立方結構的奧氏體形成共格或半共格關系。晶體在沖擊過程中能隨著基體發生塑性變形，因此相比其他復雜晶格的碳化物，碳化鈦與基體組織結合處的抗裂紋能力更強一些。

圖2為典型的中錳鋼奧氏體+碳化物+珠光體組織，從圖中可以看出奧氏體的晶粒尺寸比較大。加入鉻的目的主要是為了替換面心立方奧氏體結構中鐵原子的位置，形成置換固熔體，減少晶界碳化物，阻止位錯運動，從而提高基體組織的耐磨性和強度[2]。

表2 三種試樣沖擊磨損前后硬度對比表

圖2 2號中錳鋼金相組織

圖3 3號高錳鋼金相組織

圖4 三種試樣沖擊磨損失重圖

圖3為低碳高鉻高錳鋼的顯微組織照片，其基體組織為奧氏體。從圖中可以看出，奧氏體晶界明顯，其晶粒尺寸比中錳鋼的還要粗大。另外因含碳量比較低，其初始硬度也比較低。

3.2 沖擊韌性與加工硬化性能比較

圖4為三種材料的沖擊磨損試驗失重對比圖。從圖4中可以看出，在每平方厘米的面積上分別施加2J、3J、4J三種沖擊功，3種試樣均有冷作硬化現象，硬度有不同程度的提高，1號試樣均表現出比中錳鋼和高錳鋼更優良的抗沖擊磨損能力，失重均為最小，可以看出，1號試樣磨損前后的宏觀硬度值均為最大。

試驗表明，1號試樣抗沖擊磨損能力最強，有兩點原因：

（1）1號沖擊磨損前的硬度值比其他兩種材料高。通過表2和圖4可以看出，隨著初始硬度的降低，1號、2號、3號試樣的失重相繼增大。這是因為，根據E.Robinowicz的磨損理論[3]，在一定的磨料條件下，單位滑動距離內磨損的體積與施加的載荷成正比，與材料的硬度成反比。若材料的初始硬度較低，則犁溝作用會引起摩擦表面較大的塑性變形，這部分材料在沒有達到較高的加工硬化值前就已經剝落。

（2）1號試樣含有細小彌散的碳化鈦，在沖擊磨損硬化的過程中，起到了釘扎位錯的作用，阻礙了位錯的移動，使材料基體組織硬度能夠迅速提高。而2號和3號的硬化機理主要是奧氏體向馬氏體轉變，通過碳化鐵強化的1號試樣，其耐磨性優于以馬氏體相強化的2號和3號試樣。

4 結語

（1）沖擊磨損前，1號試樣的基體組織硬度最大，能夠有效抵抗硬質顆粒的切削作用。

（2）沖擊磨損的過程中，1號試樣由于第二相粒子的作用，基體加工硬化后硬度值能夠達到HRC55左右，碳化鈦因其硬度高，能夠有效地強化基體。

（3）將1號試樣用于錘頭材料，還應進一步研究碳化鈦顆粒的尺寸及基體組織中殘余奧氏體的含量，確定合理的配比。

[1]Ravi Menon.New Developments in Hardfacing Alloys[J].Welding Journal.1996,(2):43～49.

[2]謝敬佩,等.耐磨鑄鋼及熔煉[M].北京：機械工業出版社,2003,105.

[3]周平安,等.材料的磨料磨損[M].北京：機械工業出版社,1990,10.■.