薛瑞斌，陳勇，南萍

1 引言

錘式破碎機(jī)是水泥、陶瓷、礦山和電力等行業(yè)廣泛使用的破碎機(jī)械，錘頭是其主要的易磨損件，在工作過程中經(jīng)受沖擊磨損。由于錘頭在高速旋轉(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)效益，具有重要的意義。

圖1 1號試樣分析

目前制造破碎機(jī)錘頭應(yīng)用較多的是高錳ZGMn13，這種材料在破碎機(jī)械中應(yīng)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(fā)揮得越好。而對強(qiáng)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(wěn)定性提高其加工硬化的能力。本文通過設(shè)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(jī)，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(shù)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(jīng)過硝酸酒精（4%硝酸+96%酒精）溶液侵蝕后，在金相顯微鏡下進(jìn)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(jìn)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(shù)據(jù)的平均值作為最終的結(jié)果。

2.3 力學(xué)性能的測試

對應(yīng)用于錘式破碎機(jī)錘頭的材料，最重要的兩個技術(shù)參數(shù)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(jī)做沖擊磨損，樣品經(jīng)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(shù)據(jù)的平均值作為最終的結(jié)果。以石英砂為磨料，流量為50g/min，試驗機(jī)的沖擊頻率為150次/min，每塊試樣的沖擊次數(shù)為4500，用時30min。每塊試樣都在磨損試驗前后進(jìn)行超聲波清洗。

3 試驗結(jié)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(xì)小，在2～3μm左右，形狀為不規(guī)則的四邊形。碳化鈦的硬度高達(dá)HV2850～3200，其摩擦系數(shù)也比較低[1]。因此，在沖擊磨損的過程中可以有效抵抗硬質(zhì)粒子的切削，有效保護(hù)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(jié)構(gòu)的奧氏體形成共格或半共格關(guān)系。晶體在沖擊過程中能隨著基體發(fā)生塑性變形，因此相比其他復(fù)雜晶格的碳化物，碳化鈦與基體組織結(jié)合處的抗裂紋能力更強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(qiáng)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(xiàn)象，硬度有不同程度的提高，1號試樣均表現(xiàn)出比中錳鋼和高錳鋼更優(yōu)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(qiáng)，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(jù)E.Robinowicz的磨損理論[3]，在一定的磨料條件下，單位滑動距離內(nèi)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(dá)到較高的加工硬化值前就已經(jīng)剝落。

（2）1號試樣含有細(xì)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(jī)理主要是奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，通過碳化鐵強(qiáng)化的1號試樣，其耐磨性優(yōu)于以馬氏體相強(qiáng)化的2號和3號試樣。

4 結(jié)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(zhì)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(dá)到HRC55左右，碳化鈦因其硬度高，能夠有效地強(qiáng)化基體。

（3）將1號試樣用于錘頭材料，還應(yīng)進(jìn)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(jī)械工業(yè)出版社,2003,105.

[3]周平安,等.材料的磨料磨損[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1990,10.■.