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多元低合金贝氏体铸钢在破碎机备件上的应用
发布时间：2013-10-02 09:15 来源：未知
常用的破碎设备是颚式破碎机和锤式破碎机，齿板和锤头是破碎机上的关键备件，其质量直接影响设备的正常运转和破碎加工成本。长期以来，齿板和锤头主要用高锰钢制造。高锰钢是一种韧性良好，并有优良形变硬化能力的钢种，在三向挤压状态下高锰钢的加工硬化非常明显，表面硬度可达910HVm。但用于破碎机齿板，加工硬化后，表面硬度为HV550，HV500以上的硬化层深度不足0.5mm，距表面2mm处的硬度为HV280，接近高锰钢齿板的原始硬度(HV240)：用于破碎机锤头，加工硬化还不如齿板�？杉呙谈钟糜谥圃斐莅搴痛竿芳庸び不Ч�，使用寿命短。高铬铸铁和镍硬铸铁由于其组织中含有20%以上的共晶碳化物，硬度高，耐磨性好，但其脆性大，直接制造齿板和锤头，使用中极易出现断裂，影响破碎设备的正常运行。近来开发的复合铸造技术尽管可以提高白口铸铁抗断裂能力，但操作复杂，在实际生产中推广使用进展缓慢。因此，尽快研制生产工艺简便、成本低、耐磨性好、抗断裂能力强的破碎机齿板和锤头，是物料破碎领域亟待解决的课题。
1、合金成分设计
合金成分见表1，其设计原则是保证有较高的硬度和韧性，使金属基体组织以贝氏体为主。贝氏体组织的内应力一般低于马氏体组织。在外加负荷和相对运动的磨粒磨损过程中，组织中残余内应力越大，裂纹越易扩展，促使磨损加速。因此在硬度相当时，贝氏体组织的耐磨性优于马氏体组织。
2、试验结果及分析
2.1多元低合金贝氏体铸钢的熔炼和铸造
多元低合金贝氏体铸钢用500kg中频感应电炉熔炼。用生铁、A3废钢、碳素铬铁、硅铁、锰铁、钼铁配料，温度升至1580～1620℃，经铝脱氧后出炉。浇包内预先放置有钡铁、钛铁、硼铁和钇基稀土，用冲入法对钢水进行合金化和变质处理。用干模铸型直接铸出衬板和锤头，浇注温度1440～1480℃。用同包钢水还浇注了Y型试块，进行性能测试。
2.2热处理工艺研究
为了提高低合金贝氏体铸钢的机械性能和耐磨性，需要进行热处理。我们研究了冷却方式对低合金贝氏体铸钢组织与性能的影响，见图1。多元低合金贝氏体铸钢因含有较多提高淬透性元素，具有良好的淬透性，在空冷条件下即可淬硬。
淬火温度对低合金贝氏体铸钢硬度和冲击韧性的影响见图2。温度低于920℃时，随着淬火温度升高，硬度升高，之后随淬火温度升高，硬度反而下降，但在860～950℃，低合金贝氏体铸钢具有很高的淬硬性能。这是因为淬火温度较低时，溶于高温奥氏体中的合金元素少，淬火组织中除了出现贝氏体、马氏体组织外，还有少量珠光体组织出现；淬火温度过高，溶入高温奥氏体中的合金元素增多，奥氏体稳定性增强，淬火组织中有部分残留奥氏体存在，因此硬度反而下降。随着淬火温度升高，低合金贝氏体铸钢晶粒不断长大，冲击韧性下降。
回火温度对低合金贝氏体铸钢硬度和冲击韧性的影响见图3，回火温度低于400℃时，硬度值变化不大，表明这种钢具有良好的抗回火稳定性�；鼗鹞露雀哂�400℃时，随着回火温度升高，硬度降低�；鼗鹞露鹊陀�350℃时，随着回火温度升高，冲击韧性提高；超过350℃后，随着回火温度升高，冲击韧性降低，在450℃左右达到最低值；超过450℃，冲击韧性随回火温度升高而增大。
出现上述结果的主要原因是：在较低温度回火时，在贝氏体／马氏体复相组织中析出均匀弥散并和基体保持共格关系的￡碳化物，降低贝氏体／马氏体复相组织的含碳量，从而增加钢的韧性，另外钢在低温回火时残余应力的消除也有利于提高钢的冲击韧性。当回火温度升高到350℃时，钢中￡碳化物含量逐渐减少，而残留奥氏体逐渐分解，同时析出与基体非共格的脆性渗碳体，导致钢的冲击韧性值降低。随后，大量渗碳体从贝氏体／马氏体复相组织中析出，明显降低贝氏体／马氏体含碳量，虽然渗碳体的含量也进一步增加，但是此时钢中贝氏体／马氏体的含碳量较低，基体具有很高的韧性，因此回火温度高于450℃后，钢的整体韧性开始回升。多元低合金贝氏体铸钢回火温度选择在330～380℃是较合理的。
2.3耐磨性研究
在MLD-10型动载冲击磨损试验机上进行磨损试验，试样尺寸lOmmxlOmmx30mm，冲击功分别为1.0J和3.5J，磨料为1～2mm的精制石英砂，流量450mL/min，用磨损失重的倒数表示耐磨性，回火温度对低合金贝氏体铸钢耐磨性的影响见图4。可见回火温度低于350。C时，随着回火温度升高，低合金贝氏体铸钢耐磨性增大，回火温度高于350。C时，随着回火温度升高，低合金贝氏体铸钢耐磨性降低。这是因为材料承受冲击磨料磨损时，磨损率由两部分组成，一部分为切削机制引起的磨损，它主要取决于材料的硬度。另一部分为疲劳机制引起的磨损，反映材料的塑性，因此疲劳磨损与材料的硬度和塑性两个因素有关。而贝氏体铸钢在350℃左右回火时具有较优异的综合力学性能，因此耐磨性最佳。
3、多元低合金贝氏体铸钢的应用
在实验室工作的基础上，在现场进行了新型多元低合金贝氏体铸钢破碎机齿板和锤头的生产试验，产品组织主要为贝氏体、一定量的马氏体、少于5%的奥氏体和少于2%的碳化物。在齿板和锤头实物上用线切割机切取10mmxl0mmx55mm的无缺口试样，进行了冲击韧性和硬度测量，结果表明，其硬度值均在HRC53以上，冲击韧性均大于11J／cm2。低合金贝氏体铸钢齿板和锤头先后在国内多家采石厂和水泥厂进行了装机试用，结果表明，它们使用安全，使用中从未出现断裂，使用寿命比高锰钢提高3～8倍，设备运转率提高3%~5%。低合金贝氏体铸钢成本为8000元／t，高锰钢成本为5000元／t，前者是高锰钢的1.6倍，因此可采用低合金贝氏体铸钢齿板和锤头，物料破碎成本降低8%以上，具有较好的经济效益。
4、结论
(1)以Si、Mn、Cr为主要合金元素，加入适量Mo、V、Ti、B、Y的多元低合金铸钢，空冷后可获得以贝氏体为主的组织，具有硬度和韧性高、耐磨性好等特点。
(2)空冷贝氏体钢具有良好的抗回火稳定性，回火温度高于400℃时，随着回火温度升高，硬度降低�；鼗鹞露鹊陀�350℃时，随着回火温度升高，冲击韧性提高；超过350℃后，随着回火温度升高，冲击韧性降低，在450℃左右达到最低值。
(3)用低合金贝氏体铸钢代替高锰钢制造破碎机齿板和锤头，具有良好的经济效益。
