（材料加工工程专业论文）低合金耐磨钢破碎机衬板制造工艺及性能研究.pdf

1 1 。_ _ _ - 。 _ _ 。_ _ _ _ - 。1 1 。_ _ _ _ _ _ _ 。一 摘要 1iiii i i iiiiti l l liti i i1 1 1 1 1ui i iqlll y 17 8 9 5 0 5 中文摘要 材料磨损是机械零件失效的主要原因，由它造成的经济损失是巨大的，因此改善材 料的耐磨性，降低材料的磨损消耗具有重要意义。衬板是破碎机上的一个耐磨零件，其 耐磨性直接影响到整个机器的使用寿命和生产成本。 本文根据衬板的工况条件及性能要求，对衬板材料进行了成分设计，成功研制了一 种新型多元低合金高强度高韧性耐磨钢；开发了一种消失模铸造成型新技术；制定了合 理的热处理工艺。首先以m n 、s i 、c r 为主要合金元素，加入少量m o 、c u 、r e 进行微 合金化和复合变质处理，进行了衬板的化学成分设计，其主要成分( w ) 为：c ：0 4 2 0 4 8 ， c r ：1 9 2 4 ，m n ：1 0 1 3 ，s i ：0 9 1 4 ，m o ：0 1 o 3 ，c u ：0 3 0 6 ， r e ：0 4 4 - 0 6 ，p ，s o 0 3 ；铸造工艺采用铁砂造型的负压消失模铸造，热处理工艺为 9 1 0 淬火+ 2 5 0 回火。 试验结果表明，设计的低合金耐磨钢淬透性良好，强度和耐磨性达到了破碎机衬板 的要求。在8 9 0 , - - - , 9 2 0 。c 淬火+ 2 5 0 。c 回火后的综合力学性能达到最佳：硬度达到5 0 h r c 以上，冲击韧性a k 1 8j c m 2 。显微组织为回火板条马氏体+ 下贝氏体+ 残余奥氏体+ 弥散碳化物，该组织是耐磨钢与破碎机原衬板相比较，机械性能提高的主要原因。 本课题采用国内资源丰富的m n 、s i 、c r 为主要合金元素，合金用量少，且不含有 贵金属n i 、n 、v 等元素，大大降低了生产成本。按此工艺生产的衬板具有良好的耐磨 性和抗冲击性，延长了使用寿命，具有很好的经济效益和社会效益。 关键词：低合金耐磨钢衬板； 成分设计； 消失模铸造工艺；热处理工艺 低合金耐磨钢破碎机衬板制造l ：艺及性能研究 ( w ) i s ：c ：0 4 2 0 4 8 ；c r ：1 9 2 4 ；m n ：1 0 1 3 ；s i ：0 9 1 4 ；m o ：o 1 0 3 ：c u ：0 3 0 6 ；r e ：0 4 0 6a n dp 、s 茎0 0 3 i nt h ea s p e c to f t h ec a s t i n g p r o c e s s ，t h ei r o ns a n dn e g a t i v ep r e s s u r ee p cp r o c e s sw a sd e s i g n e d t h eh e a t t r e a t m e n tp r o c e s sw a sq u e n c h i n g a t9 1 0 。c + t e m p e r i n ga t2 5 0 。c t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h el o wa l l o yw e a rr e s i s t a n ts t e e ll i n e rh a s ag o o dh a r d e na b i l i t y t h es t r e n g t ha n dw e a rr e s i s t a n c er e a c h e dt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so f t h el i n e r a f t e rq u e n c h e da t8 9 0 9 2 0 * ( 2 a n dt e m p e r e da t2 5 0 ， t h eb e s tc o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a so b t a i n e d r o c k w e l lh a r d n e s s i sa b o v eh r c 5 0a n dt h ei m p a c tt o u g h n e s sa b o v e18 t h em i c r o s t r u c t u r e i s t e r n p e r e dm a r t e n s i t e + b a i n i t e + r e t a i n e da u s t e n i t e + c a r b i d ed i s p e r s i o n t h e m i c r o s t r u c t l l r ei st h em a i nr e a s o no ft h eg o o dc o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a ll i n e rp a a s ，t h e m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e h a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d t h em a i na l l o y i n ge l e m e n t su s e di nt h i sp r o j e c ti sm n 、s i 、c r , w h i c hi sa r i c hr e s o u r c ei no u rc o u n t r ya n dt h e r ei sn op r e c i o u sa l l o y i n ge l e m e n t ss u c ha s n i t ia n dvt h ep r o d u c t i o nc o s tw a sg r e a t l yr e d u c e d t h el i n e rp r o d u c e dw i t h t h i sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sh a sag o o dw e a rr e s i s t a n c ea n di m p a c tr e s i s t a n c e 低合金耐磨钢破碎机衬板制造i ：艺及性能研究 t h es e r v i c el i f eo ft h el i n e rw a se x t e n d e d ，a n do b v i o u se c o n o m i ca n ds o c i a l e f f i c i e n c yc a nb eo b t a i n e d k e yw o r d s ：l o wa l l o y w e a rr e s i s t a n tl i n e r ；c o m p o n e n td e s i g n ；e v a p o r a t i v e p a t t e mc a s t i n g ；h e a tt r e a t m e n tp r o c e s s 1 1 ：! 6 6 6 9 9 9 9 9 11 1l ：! l 2 2 第三章低合金耐磨钢破碎机衬板的制造工艺设计。2 3 3 1 低合金耐磨钢衬板的铸造工艺设计2 3 3 1 1 衬板的铸造工艺流程：2 3 3 1 2 塑料模型、造型材料和涂料的选用2 3 3 1 3 铸造工艺设计2 6 3 2 衬板的热处理工艺设计2 8 3 2 1临界转变温度确定2 8 3 2 2 热处理工艺2 9 3 3 本章小结3 2 第四章低合金耐磨钢破碎机衬板实验研究3 3 4 1 低合金耐磨钢衬板的试制3 3 4 2 实验方法简述3 3 4 2 1 硬度测试3 3 4 2 2 冲击韧性3 4 4 2 3 金相组织观察3 4 低合金耐磨钢破碎机衬极制造i ：艺及性能研究 4 3 实验设备及样品制备3 4 4 3 1 实验没备与仪器3 4 4 3 2 样品制备3 6 第五章低合金耐磨钢破碎机衬板试验结果与分析3 9 5 1 化学成分分析3 9 5 2 金相组织及力学性能分析4 0 5 2 1 显微组织分析4 0 5 2 。2 力学性能分析4 3 5 3 与破碎机原衬板的成分、组织及性能对比分析4 5 5 3 1 化学成分对比4 5 5 3 2 力学性能对比4 6 5 3 3 显微组织对比4 7 5 4 冲击形貌断口分析4 9 5 5 本章小结5 0 第六章结论5 1 参考 文献5 3 致谢5 7 攻读硕士学位期间发表的相关学术论文目录5 9 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 课题研究的背景及意义 矿产资源是人类赖以生存和社会发展的物质基础，是国民经济中的基础产业，对其 开发利用是推动国民经济发展的重要因素。矿物加工是矿业的一个重要环节，它不但为 其他领域提供原材料，而且还要为自身的可持续发展提供机遇，在社会经济体系中占有 举足轻重的地位。 粉碎是矿物加工中不可缺少的一种工艺过程，粉碎的任务是提供具有一定粒度、粒 度组成和充分解离而又不过分粉碎的加工原料，以便下一步的加工、处理和使用。粉碎 作业( 包括破碎和磨碎) 是当代飞速发展的工业技术中必不可少的一个环节。在各种金 属、非金属、化工矿物原料及建筑材料等的加工过程中，粉碎作业需要消耗大量的能源， 特别是随着低品味矿石开采量的增加和环保需要处理废弃物再生量的增加，能源消耗还 会逐渐增大。预计2 1 世纪初，用于粉碎过程的能源消耗可达到1 5 1 1 l 。随着社会的发 展，原材料的不断消耗，富矿资源同益枯竭，贫矿资源开采比例增加，特别是我国的贫 矿资源更多，以冶金矿山为例：全国丌采出铁矿石平均品位约3 1 、锰矿石的平均品位 约2 2 ，绝大多数原矿都需经选矿处理j 能成为炉料1 。破碎作业是选矿的龙头，也是 消耗能源、消耗金属材料较大的作业。因此，高效、节能、降耗的破碎机械将发挥越来 越重要的作用。在“多碎少磨”原则指引下，破碎机械正向大型化、高效化、节能化、 可靠化和自动化方向发展 3 1 。 衬板是破碎机上的一个耐磨件，在工作过程中要承受一定的冲击力和磨损。材料磨 损是两个以上的物体摩擦表面在法向力作用下，相对运动及有关介质、温度环境的作用 使其形状、尺寸、组织和性能发生变化的过程【4 l 。磨料磨损是在摩擦过程中，因硬质颗 粒或硬突起物与材料表面相互作用使表面材料产生迁移或脱落而造成的一种磨损1 5 - 6 1 。 磨损是由摩擦引起的，在国民经济的各个领域和r 常生活中常见的现象，也是造成材料 和能源损失的重要原因，像冶金矿山、建材工业、电力工业、机械工业、农业机械、国 防工业以及航空、航天等等。处处存在摩擦，处处都有磨损，一直以来，人们对摩擦的 研究较多，对摩擦的理解和理论研究也较透彻，而对磨损的理解和研究还远远不够，虽 然磨损是普遍存在的现象，但其成因和表现形式都非常复杂，所以人们对它的理解和研 究还远远不够。 破碎机衬板的失效主要由磨损引起的。磨损是造成机械零件失效的主要原因之一， 对机械零件的使用寿命、安全性和可靠性有极大的影响。由于磨损在生产生活中存在的 低合金耐磨钢破碎机衬极制造l ：艺及性能研究 广泛性，给国民经济带来的损失非常大。据不完全统计，能源的1 3 2 3 消耗于摩擦与 磨损，对材料来说，约8 0 的零件失效是磨损引起的，其中磨料磨损所造成的经济损失 占5 0 以上，如与土砂、矿石、岩石、水泥等物料相互作用的矿山机械、工程机械、 粉未设备中许多机械零件；耕作、收割、粮油加工等的农业机械；水利和火力发电设备 中许多机械零部件等。 磨损不仅消耗能源、浪费材料，造成经济上的巨大损失和社会资源的极大浪费，而 且由于磨损更换零部件时修理、停工所消耗的人力和物力以及劳动生产率的降低而造成 的损失更加严重。据不完全统计，由磨损造成的经济损失，德国约5 0 0 亿马克每年，美 国约1 2 0 0 亿美元每年；据2 0 0 0 年统计，我国每年消耗约3 0 0 力吨金属耐磨材料，其中 每年由球磨机磨球因磨损造成的消耗近1 8 0 万吨，轧辊消耗近5 0 万吨，细碎机、球磨 机及各种破碎机衬板消耗近3 0 万吨，各种工程挖掘机和装载机斗齿、各种破碎机锤头、 各种履带板、各种耐磨输送管道消耗也超过5 0 万吨1 7 8 】。 衬板是破碎机上的重要零件，其机械性能和使用寿命直接关系到破碎机设备的工作 效率、使用寿命和生产成本，成为各个用户最关心的技术经济指标之一，要求衬板具有 良好的耐磨性和一定的抗冲击性。 因此，针对破碎机设备上的一个衬板零件的使用情况，作耐磨材料的磨损机理分析， 失效形式的分析，研究衬板材料成分、力学性能、制造工艺，进一步改善抗磨材料性能， 降低衬板的磨损消耗，创造破碎机的最佳工作状态，是本文的研究目的。 1 2 国内外研究状况 耐磨材料的发展经历了从高锰钢、普通白口铸铁、镍硬铸铁到高铬铸铁的几个阶段， 目前已发展为耐磨钢、耐磨铸铁两大类，而耐磨钢已作为耐磨材料的重点研究对象。耐 磨钢除了传统的奥氏体锰钢及改性高锰钢以外，从其含碳量的不同可分为低碳、中碳、 中高碳、高碳合金耐磨钢；从合金元素的含量又可分为低合金、中合金以及高合金耐磨 钢；从组织的不同可分为奥氏体、贝氏体、马氏体耐磨钢【9 】。 高锰钢是历史最悠久的一种耐磨材料，1 9 8 2 年英国人哈德菲尔德发明的。其力学 性能见表1 1 。高锰钢的主要特征是屈服强度低，在使用中易变形，具有较高的耐冲击 性能，冲击值达1 9 6 0 - 2 9 4 0 k j m 2 ，显示出极高的韧性，在强烈冲击工况条件下产生 加工硬化后表面硬度可由2 0 0 h b 左右上升到5 0 0 h b ，而心部仍保持着良好的韧性，故 高锰钢工件经加：哪受化后形成表面硬而耐磨的外壳和高韧性抗断裂的心部，具有良好的 耐磨性。这一特性使其广泛应用于建材、冶会、矿山、能源、铁路等机械中的耐磨件。 2 第一章绪论 表1 1 高锰钢的力学性能1 1 0 】 t a b1 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh i g hm a n g a n e s es t e e l 近年来，由于对高锰钢的认识不清，许多厂家把它当作是“力能耐磨材料”。其实， 高锰钢作为一种优良的耐磨材料使用是有条件的，只有服役时受到足够冲击( 强力冲击、 强力挤压) 的条件下，高韧性的奥氏体组织会因变形产生冷作硬化，从而获得高的耐磨 性。当高锰钢工件服役于低冲击力条件下，由于受到的冲击力有限，表面硬度较低，表 现出耐磨性不佳，高锰钢的潜在能力不能得到充分发挥。例如，球磨机尤其是小直径球 磨机的衬板、小型锤头，在使用中所受冲击力小，因而高锰钢硬化不够 i o j l l 。同时高锰 钢的屈服极限( oo 2 ) 较低( 约为3 5 0 m p a 左右) ，在使用中，尤其是使用前期工件易发生塑 性变形，使得在低冲击力服役条件下，高锰钢工件在运转过程中尺寸变大，产生流变， 挠曲变形，拉断螺栓，产生跨仓以及隔仓板上槽孔变小，影响磨矿效率。因此高锰钢主 要应用在高冲击力负荷下的各种大型破碎机易损件，如破碎机颚板、大型破碎机锤头、 挖掘机铲齿、铁道辙叉等。 针对高锰钢存在的不足，国内外工作者对耐磨材料进行了大量研究。高锰钢的再合 金化处理，是提高高锰钢耐蘑袢丰口使用寿命的主要途径之一”2 。目的在于强化固溶体、 细化晶粒、改善铸态组织、改善夹杂物和碳化物形状、性质和分布。2 0 世纪6 0 年代， 我国的材料科学工作者着手高锰钢z g m n l 3 基础上有目的地添加其他合金元素改善其 性能。如加入铬、钒、钨、铜和硼等合金元素，对奥氏体进一步实现固溶强化；加入钒、 钛、铬、钼等元素，在奥氏体基体上弥散析出细小碳化物，以实现第二相强化。这种碳 化物的分布形态对高锰钢的韧性影响不大，并能阻止位错运动，从而大幅度提高高锰钢 的加工硬化能力。研究和实践表明，添加一种以上的合金元素比添加单一的合金元素， 在改善性能上起的作用更大。衡阳冶金机械修造厂试制了含c r 的高锰钢( z g m n l 3 c r ) ”；铬元素能降低奥氏体的稳定性，提高高锰钢的屈服强度，稀土、钛元素能细化高锰 钢品粒，改善冶金质量，形成高硬度的t i c 化合物增加高锰钢的抗磨性，包头机械总厂 试制了含r e 、t i 的高锰钢( z g m n l 3 r e t i ) ”“。几种高锰合会化钢的成分和应用如表 1 2 所示。 为弥补高锰钢工件在中：低应力工况下不耐磨的不知，我国于2 0 世纪7 0 年代丌始 了中锰钢的研制。中锰钢通常含m n 为6 - 9 ，c 为0 7 1 0 ，通过降低m n 含量而降 3 低合金耐磨钢破碎机衬板制造! j j 艺及性能研究 低锰钢奥氏体的稳定性，加速了在中低应力条件下的加工硬化能力，促进抗磨性的提高。 最初是美国的c l i m a x 公司的6 1 合会( 6 m n 1 m o ) ，该合金抗刨削磨损能力超过常规的 h a d f i e l d 钢，抗磨损性能优于c r - m o 珠光体钢而接近高碳马氏体钢，但因在铸造及焊接 过程中的开裂敏感性而难于推广使用。试验偶然发现低碳的抗磨损性能反而高，这是由 于降低碳含量导致m 。点提高，y 失稳所致，在此基础上研制的7 1 合金( 7 m n 一1 m o ) 解决 了焊接丌裂问题。该合金广泛用于球磨机村板、格子板、反击式破碎机衬板及锤头等”“。 进入2 0 世纪8 0 年代，在中锰钢中加入c r 、n b 、t i 、r e 等合金元素相继出现。合 金元素的加入进一步改善了中锰钢的性能，拓宽了中锰钢的应用范围。例如，秦皂岛港 输煤机械中耐磨部件采用m n6 中锰钢，并以r e m g s i f e 合金和t i f e 合金对其进行 变质处理，提高了耐磨性1 1 6 1 。 表1 2 儿种高锰合金化钢的成分( ) 和应用 t a b1 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n da p p l i c a t i o no f s e v e r a lh i g h m a n g a n e s ea l l o ys t e e l 为使厚大铸件的中心部位也全是奥氏体组织，提高加工硬化能力，发展了超高锰钢 ( m n l 5 、m n l 7 、m n 2 0 、m n 2 5 ) 。增加锰量，进一步扩大y 相区，增大了奥氏体固溶碳 和。等元素的能力，从而提高了钢的加工硬化能力和耐磨性。高锰钢铸件的热处理一 般为缓慢上升( 5 0 - - - - 8 0 h ) 至6 5 0 ，保温l 小时后以1 0 0 1 2 0 * c h ，升温到1 0 5 0 ， 保温2 - - 一3 小时后水韧处理。对于合金化高锰钢、超高锰钢淬火温度一般提高到1 0 8 0 11 2 0 ，保温时间延长到3 4 小时；近年来许多单位采取先在9 5 0o c 保温2 小时正火预 热处理，均匀化学成分，细化组织，冷至3 0 0 后再淬火的工艺，使耐磨性得到提高0 7 , 1 s j 。 4 第一章绪论 表1 3c r - m o 系列低合金耐磨钢”引 t a bl 一3c 卜m ol o wa l l o yw e a r - r e s i s t a n ts t e e l 尽管采用加入某些合金元素的高锰钢、中锰钢比普通高锰钢的抗磨性有很大提高， 但是，这些材料因含有大量的c r 、n i 、m o 等贵重金属而使成本增加，并且在生产和使 用过程容易产生裂纹，甚至破碎。针对这些缺点，中、低合金耐磨钢因所用合金量少， 成本低而成为很具有发展前途的一类耐磨材料。 在国外，中、低合金钢多为c r 、m o 或c r 、n i 、m o 系合会钢，并加入少量其它合 金元素，含碳量在低碳( 0 1 5 - - 0 3 0 ) 、中碳( 0 3 0 - - 一0 4 5 ) 和高碳( 0 4 5 - - , 1 o o ) 都有广泛的应用。表1 3 为c r m o 系列低合会耐磨钢及化学成分。我国则着力开发符合 我国合金资源情况的s i 、m n 系列合会钢，其典型钢种是3 0 s i 2 m n 。合金系统由成分简 单的单一锰系、铬系、铬锰系到成分复杂的铬锰硅钼其他微量的多元复合系。衬板、 锤头、齿板等多采用多元复合的c r - m n s i m o 其他微量元素”。广西大学以m n s i c r m o 系合金钢为基础，研制了一种化学成分为c ，0 4 0 6 、c r ，1 2 2 5 、m n ，1 3 - - 1 8 、 s i ，0 9 1 2 、m o 、c u 、t i 、r e 微量中碳低合金耐磨钢，经热处理后洛氏硬度为5 7 5 9 h r c ，冲击韧性吼为1 4 1 9 j c m 2 ，耐磨性较好，用于湿式球磨机衬板寿命是高锰 钢衬板的2 倍“。北京科技大学研制了一种低合金耐磨钢，化学成分为( ) ：c ，0 4 0 - - 0 6 0 、c r ，1 9 0 2 3 0 、m o ，0 2 5 0 3 5 、n i ，0 2 5 0 3 5 、s i ，1 6 1 9 、c u ，0 3 0 1 o 、 v ，0 0 7 o 3 0 ，r e ，o 1 5 o 2 0 ，作为大型推土机铲齿耐磨材料具有优良的综合力学性 能，使用寿命为原用高锰钢的1 5 2 0 倍【2 3 1 。河北某学校以m n - s i 系合金钢为基础， 研制了一种低合金钢，用于破碎机板锤，其硬度h r c 5 0 ，冲击韧性 3 0 ，c m 2 ，与高 铬铸铁、高锰钢等抗磨材料相比，具有生产成本低的特点，具有明显的经济效益和社会 效益1 2 4 1 。潘洛铁矿研制了一种以c r 为主，s i 、m n 为辅的多元低合金耐磨钢，用作锥 式破碎机锤头材料，在生产上产生了较客观的经济效益，年创效益超过2 6 万1 2 5 1 。清华 5 低合金耐磨钢破碎机衬极制造f ：艺及性能研究 大学采用多元合会化及变质处理设计了一种低合金耐磨钢，经8 8 0 , - - 9 2 0 。c 回火后，获得 回火板条马氏体组织，使合金钢具有高强度、高韧性和高耐磨性1 2 6 1 。湖北某单位所研 制的z g 4 0 c r 3 c u m o r e 耐磨钢经淬火和低温回火后，硬度达5 8 h r c 以上，冲击韧性a 。 2 2 ，c m 2 以上，用于球磨机衬板，耐磨性是相同工况下的高锰钢衬板的2 1 倍 2 7 1 。 中、低合金钢衬板在质量及其稳定性方面还存在着一定问题，在合金化、冶炼、铸 造、热处理工艺上还有许多工作要做1 2 。驯。据有关统计数据，从衬板的整体寿命上，我 国的矿山情况为0 2 5 k g t ，而美国为o 0 5 k g t ”。虽然，衬板的磨损受到矿浆浓度、硬 度、矿石的大小、磨机的结构及转速、介质的p h 值等众多因素的影响，但不可否认， 国内的衬板材质本身与国外还存在着较大的差距。 1 。3 课题研究内容及研究方法 1 3 1 研究内容 随着重工业的发展，对破碎设备上的耐磨部件提出了更高的要求，因此不断提高这 些破碎设备中易损零件的耐磨性和延长使用寿命有着非常重要的意义。该课题针对破碎 机衬板的工况条件，在原低合金耐磨钢衬板的基础上，通过多元微合金化、复合变质处 理，研制了一种新型的多元低合金高强度高韧性耐磨材料，设计了一种新型消失模铸造 成型技术，并优化了热处理工艺，使衬板耐磨性和力学性能得到很大程度改善。 本课题研究内容如下： ( 1 ) 系统分析了多元微合金化、复合变质处理机理及其合金元素对组织和性能的 影响，提出了多元低合金耐磨衬板的化学成分设计。 ( 2 ) 研究开发出一种新型消失模铸造成型技术，用于多元低合金耐磨钢衬板的制 造。 ( 3 ) 在材料化学成分、铸造工艺确定的前提下，对其热处理工艺进行研究分析， 确定最佳的热处理强化工艺。 ( 4 ) 经过大量试验研究确定衬板的制造工艺，然后对衬板试样进行性能测试，包 括材料的化学成分、微观组织、机械性能，并与破碎机原衬板的各项性能指标作对比， 修正相关参数，使衬板的耐磨性、抗冲击性及使用寿命进一步提高。 1 3 2 研究方法 本课题以原衬板材料为基础进行成分设计，研制一种新型高强度高韧性耐磨材料， 再对新材料的衬板进行铸造工艺和热处理工艺进行设计研究，以提高衬板零件的机械性 能、耐磨性和抗冲击性。并对衬板进行现场试制后进行试验和性能研究，其实验研究方 法如下： 6 第一章绪论 ( 1 ) 采用1 0 0 0 k g 碱性中频感应炉熔炼低合金耐磨钢； ( 2 ) 利用型号为d k 7 7 4 0 的数控线切割机床对生产出来的衬板切取所需要的试样进 行试验研究； ( 3 ) 运用p d a 7 0 0 0 a 型光谱分析仪对衬板试样进行化学成分分析； ( 4 ) 用数码显微镜v e x 6 0 0 e 对试样进行显微组织分析，用j e m 1 0 0 c x 型扫描电 子显微镜对冲击试样的断口进行扫描分析； ( 5 ) 用j b 3 0 0 b 摆锤式冲击韧性实验机和h r 一1 5 0 a 洛氏硬度计分别进行冲击韧性 和洛氏硬度的测试。 本课题研究技术路线如图1 1 所示： 图1 1 研究技术路线 f i gi - 1p l a no f t h i st a s k 7 低合金耐磨钢破碎机衬极制造l ：艺及性能研究 8 第二章低合金耐磨钢破碎机衬板的化学成分设计 第二章低合金耐磨钢破碎机衬板的化学成分设计 2 1 成分设计原则与方法 2 1 1 设计原则 在对破碎机衬板的成分设计及选择时，通常应遵循的原则有： ( 1 ) 是否能够满足破碎机衬板所需的功能要求。对于一个破碎机衬板结构件，必 须考虑它在承载工作中所引起的各种力学性能要求，如强度、冲击韧性、抗拉强度、屈 服强度、疲劳强度、耐磨性和抗腐蚀性等。这些力学性能是破碎机衬板化学成分设计的 关键。若能满足各种力学性能要求，则所设计的合金成分就是合理可取的。 ( 2 ) 是否满足制造工艺性能要求。对已满足所需功能要求的材料，还需进一步考 虑材料的工艺性能，如加工性能、是否容易成形、内在质量的优劣、所需加工费用是否 经济合理等。 ( 3 ) 在已满足破碎机衬板零件功能要求和制造工艺性能要求的情况下，则要考虑 经济指标，以使衬板的生产成本达到最低，具有一定的经济和社会效益。 ( 4 ) 实际生产试制确定合理的化学成分。 2 1 2 设计方法 破碎机衬板成分设计的主要指标是衬板强度、硬度和冲击韧性。在满足衬板机械性 能和耐磨性的同时，还需考虑抗腐蚀性。衬板的强韧性主要取决于内在组织，而每一种 钢在奥氏体化后的冷却转变产物与钢的淬透性密切相关，因此衬板的化学成分是影响其 淬透性最重要的因素。 淬透性是钢在给定的冷却条件下，在一定的硬化层深度内，过冷奥氏体转变成一定 百分比马氏体的能力。它是钢在淬火时决定其组织和硬度分布的内在特性，是钢得到马 氏体的难易程度。 淬透性与化学成分的关系早在1 9 世纪4 0 年代初已经开始探寻，从定性描述发展到 定量计算的途径。已提出的不少计算公式应用范围逐步扩大，合理性和精确性也不断提 高，并已成功应用于计算机领域。计算机的应用加快了这一研究领域的进展。计算预测 端淬曲线的方法大致可以分为：理想临界直径换算法，回归方程计算法，非线性方程计 算法【2 6 1 。 2 2 合金元素在耐磨钢中的作用 合金元素在耐磨钢中的作用主要有：强化铁素体，增加和细化珠光体，改善耐磨钢 的低温韧性，提高耐磨钢的耐磨性等1 3 4 1 。充分发挥这些合金元素对材料基体组织及淬 9 低合金耐磨钢破碎机衬板制造i ：艺及性能研究 透性的强烈影响，可使材料具有较好的抵抗磨损能力。 ( 1 ) 强化铁素体1 3 5 1 固溶于铁素体中的合金元素均能在不同程度上提高耐磨钢的屈服强度、抗拉强度和 硬度。其中大多数合金元素在提高强度的同时使塑性降低1 3 6 1 ，因此对耐磨钢的冲击韧 度也会带来不同影响，常见合金元素对耐磨钢强度、硬度、韧性和塑性的影响如图2 11 3 7 、 图2 2 1 3 7 1 所示。由图可得到，p 、s i 、m n 强烈提高铁素体的强度和硬度，而c r 、m o 、v 、 w 则较弱；s i 、m n 强烈降低铁素体的塑性和冲击韧性，但少量的m n 、c r 、n i 能使塑 性和冲击韧性稍有提高。 宙 刨 髫 ，l5 g t n ，一 ，。 ， ，一r ji ， h i 。 ， |。 jf ， |。夕2 夕 么 夕 024681 01 2 1 41 61 82 0 2 2 ( i ) ( 台金元素) ( ) 幽2 1 合金元素对铁素体硬度的影响1 1 7 1 f i g2 1a l l o y i n ge l e m e n t so nt h eh a r d n e s so ff e r r i t e 3 5 0 3 0 0 2 5 0 g2 0 0 o 1 5 0 案 1 0 0 5 0 ，。 、 丝1 n i 。 氛 | n峙n c r f | aj t t w 、 一 、1 01234567 r u ( 合金元素) ( ) i d o 图2 - 2 合金元素对铁素体冲击韧性的影响1 3 7 1 f i g2 - 2a l l o y i n ge l e m e n t so nf e n d t ei m p a c tt o u g h n e s s ( 2 ) 增加和细化珠光体1 3 8 1 多数合金元素使共析碳含量降低，促进珠光体含量增加。一些合金元素( 如m n 、 n i ) 使共析温度降低，珠光体分散度增加，细化珠光体，有利于提高钢强度。某些合金 1 0 狮 渤嬲 瑚 蚴蛳 坳 瑚 第二章低合金耐磨钢破碎机衬板的化学成分设计 元素的碳化物或氮化物能在钢液凝固过程中成为非均质晶核，促进晶粒细化，使钢的强 韧度提高。 ( 3 ) 改善低温韧性1 3 7 1 ： 凡是能细化晶粒、细化组织的合金元素都能使钢的冲击吸收功提高，使钢的临界韧 性脆性转变温度降低，低温韧性提高m 1 。m n 、n i 虽对晶粒度影响不大，甚至有粗化现 象，但加入m n 、n i ，使珠光体组织得以细化，低温韧性明显提高，从而改善了钢的低 温韧性。 ( 4 ) 提高耐磨性3 9 】 作为抗磨用途的耐磨钢需要较高的硬度和冲击韧性，以抵抗材料的磨损。 2 3 化学成分设计 2 3 1 合金元素的选用 低合会耐磨钢根据c 含量的不同有：低碳多元低合金耐磨钢，高碳多元低合金耐磨 钢和中碳多元低合金耐磨钢。低碳多元低合金耐磨钢硬度较低，韧性较高，易产生切削 和犁沟，故低碳时主要以切割磨损为主，耐磨性较低；高碳多元低合金耐磨钢，其硬度 较高，塑性较差，可抵抗磨料的刺入与切削，但不能承受磨料的凿削以及磨料凿削时引 起的反复塑性变形，磨损以疲劳塑变磨损为主，其耐磨性也不太高；中碳多元低合金耐 磨钢有较高的硬度，又具有良好的韧性，可以抵抗磨料的嵌入与切削以及磨料冲击引起 的反复塑性变形，因而其耐磨性较高。综合考虑破碎机衬板的磨损机制一切削磨损、冲 击磨损( 塑变磨损和疲劳磨损) ，选用中碳多元低合金耐磨钢。 2 3 1 1 衬板的磨损机理及性能要求 磨损是一个广泛的领域，可以说每一种磨损都有几种性质不同、互不相关的机理同 时存在，因此分类上也常出现混论现象。其中根据磨损的破坏机理进行分类有利于对磨 损现象的j 下确理解和深入研究，目前比较通用的磨损分类方法是j t b u r w e l l 和 c d s t r a n g 按照磨损机理提出的分类方法，将磨损分为：磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨 损、冲蚀磨损、腐蚀磨损及微动磨损等。磨料磨损更是占金属总磨损量的5 0 ，是材料 的主要磨损方式。 ( 1 ) 磨损机理分析 破碎机衬板的磨损主要为磨料磨损，其磨损机理一般可分为：微观切削磨损机理、 多次塑变磨损机理、微观脆性断裂磨损和疲劳磨损机理。一般在磨损过程中，几种机理 同时存在。磨料磨损是在摩擦过程中，因硬质颗粒或硬突起物与材料表面相互作用使表 面材料产生迁移或脱落而造成的一种磨损1 4 - 5 1 。 1 1 低合金耐磨钭j 破碎机衬极制造l ：艺及性能研究 1 微观切削磨损机理 如图2 3 所示，磨料在材料表面的作用力可分为法向力和切向力两种，法向力使磨 粒压入表面，切向力使磨料向前推进，当磨料的形状与方向适当时，磨粒就像刀具一样 在表面进行切削而形成切屑，随后切屑脱离表面。因这种切削的宽度和深度都很小，因 此切屑也很小，所以称为微观切削。在显微镜下可以明显观察到这些切削，一般较长， 且较宽，具有机床切削的特点，切削一面较光滑，另一面出现滑移台阶，有些还有卷曲 现象。 l ；i 聪 图2 3 微观切削机理 f i g2 - 3m i c r o - c u t t i n gm e c h a n i s m 微观切削磨损是经常见到的一种磨损，特别是在固定磨料磨损和凿削式磨损中，它 是材料表面磨损的主要机理。 2 多次塑变磨损机理 如图2 4 所示，当磨料滑过表面时，除切i 与, l j b ，大部分把材料推向两旁或前缘， 形成犁沟，这些材料的塑性变形很大，但却没能脱离母体，在沟底或沟槽附近的材料也 有较大的变形。犁沟是一部分材料被切削而形成切屑，而一部分未被切削，塑变后被推 向两侧和前缘。若犁沟时全部沟槽中的体积都被推在两旁或前缘而不产生切屑，则形成 犁皱。犁沟或犁皱后堆积在两旁或前缘的材料以及沟槽中的材料在受到随后的磨粒作用 下，可能把堆积的材料重新压平，也可能使己变形的沟底材料遭遇到再次犁皱变形，如 此反复的塑性变形导致材料产生d n - r 硬化或其他强化作用最终剥落而成为磨屑。 这种形式的磨料磨损在球磨机的磨球和衬板、颚式破碎机的齿板以及圆锥式破碎机 的壁上所造成的磨损更具有典型性。当磨粒的硬度超过零件表面材料的硬度时，在冲击 力的作用下，磨料压入材料表面，使材料发生塑性流动，形成凹坑以及周围的凸缘。当 第二颗磨粒再压入凹坑及周围的凸缘时，又重复发生塑性流动，如此反复塑性变形和冷 1 2 不破坏其 收能量所 于应力增 图2 4 微观犁皱机理 f i g2 - 4m e c h a n i s mo fm i c r o p l o w 3 微观脆性断裂磨损 如图2 5 所示，磨损时由于磨料压入材料表面而具有静水压力的应力状态，所以大 多数材料都会发生塑性变形。但是有些材料尤其是脆性材料，脆性断裂机理可能占主要 地位。当断裂发生时，压痕周围的材料都要被磨损剥落，磨损要比塑性材料大。脆性材 料的压痕断裂，外部条件取决于载荷的大小、磨粒的形状与尺寸、材料的硬度，断裂韧 性以及周围环境等；内部条件主要取决于材料的硬度和断裂韧性等。在进行磨损试验中， 若用球形压头，在弹性接触下，伸向材料内部的锥形裂纹会造成断裂；若用小曲率半径 的压头，常会变成弹塑性变形；若压头是尖锐的，则压痕未达到临界尺寸前不会发生 断裂，且这个临界尺寸随着材料硬度的降低和断裂韧性的提高而增大。 对于脆性材料来说，压痕带有明显的表面裂纹，这些裂纹从压痕的四周出发向材料 内部伸展，裂纹平面垂直于材料表面而呈辐射状者为中线裂纹，压痕附近还有横向的无 出口裂纹。裂纹长度随压痕大小而可概略计算，而且断裂韧性低的材料裂纹较长。对磨 料磨损来说，当横向裂纹互相交叉或扩散到表面时，就造成微观脆性断裂机理的材料磨 损。 实际上脆性材料的体积磨损决定于断裂机理、微观切削机理和塑性变形机理所产生 1 3 低合金耐磨钢破碎机衬板制造l ：艺及性能研究 的磨损。这种有关材料磨损的各种机理的平衡，取决于平均压痕深度和产生断裂的临界 压痕深度。尖锐的压头在压入材料表面时，压入深度随着载荷增大而逐渐增加，在达到 临界压痕深度时，因压入而产生的拉伸应力使裂纹萌生并围绕压入的塑性区扩展。在滑 动时，产生裂纹的临界压入深度比静态压入者要浅的多，这大概是由于滑动作用而使拉 伸应力提高所致。 图2 - 5 微观裂纹机理 f i g2 - 5c r a c k i n gm e c h a n i c sm i c r o s c o p i cv i e w 4 疲劳磨损机理1 7 】 克拉盖尔斯提出：“疲劳磨损机理在一般磨料磨损中起主导作用”。疲劳是由作用应 力一直循环而引起的一种特殊破坏形式，这种应力循环的应力幅不超过材料的弹性极 限。疲劳磨损是表层微观组织受到周期性载荷的作用而产生的一种磨损形式。 标准的疲劳过程有发展的潜伏期。在潜伏期内，表面不出现任何破坏层，材料外部 发生硬化而不发生亚微观破坏。当进一步发展时，在合金表面出现硬化的滑移塑变层和 裂纹。疲劳形成的表层破坏源于离表面不远的距离，例如在最大应力接触处，疲劳破坏 为局部破坏，具有较深或较圆的坑。 ( 2 ) 破碎机衬板磨损形式及失效形式 磨损、断裂和腐蚀是金属材料的三大失效形式。破碎机衬板的失效由磨料磨损引起 的。磨料磨损很少是由一种机制所引起的，破碎机衬板在磨料磨损条件下工作时，其失 效形式是十分复杂的，磨损、断裂和变形是主要失效形式1 3 7 - 3 8 1 。 1 磨损失效 在磨料磨损工况下，磨损是最主要的失效方式，因磨料等工况因素的强烈影响，工 件材料逐渐流失而最终失效。磨料磨损工况条件下工件因磨损而导致材料去除有塑变和 断裂两种机制，主要有因塑性变形机制引起的材料去除过程，断裂机制引起材料去除过 1 4 第二章低合金耐磨钢破碎机衬板的化学成分设计 程，脆性相剥落，宏观剥落，整体变形等过程。 2 宏观断裂 断裂是工件的又一主要失效方式。工件在运行过程中，由于自身材质韧性不足、 内部应力过大、结构不合理、缺陷过多或所受外力冲击过大，造成宏观断裂。这一失效 瞬间完成，其损失不可估量。在设计磨料磨损工况条件下的耐磨零件时，这是首先需要 考虑的因素，即应使耐磨工件具有足够的安全性，防止宏观断裂的发生。据有关资料有， 用作球磨机衬板的会属抗磨材料，其最低冲击韧性应在1 0 d c m 2 以上，而大型磨机的 衬板还要求得更高一些。 提高铸件的冲击韧度和断裂韧度，降低其裂纹扩展速率将有利于抗断裂。而提高铸 件内部质量，选择适宜的铸件结构，如尽量无或少有螺栓孔等，也是抗断裂的必要条件。 3 变形失效 变形失效是因工件屈服强度较低，以致在使用过程中受外力而发生严重的宏观塑性 变形，工件形状改变而失效。变形失效常见于屈服强度较低的耐磨工件，例如大冲击工 况下的球磨机衬板。 ( 3 ) 破碎机衬板的材质要求及性能要求 衬板是破碎机设备中的关键零部件，也是其主要的磨损件，材质要求具有较高的硬 度、强度，良好的耐磨性，防止衬板的断裂失效，且具有抗冲击能力。 1 组织要求 材料的性能通过组织来实现，因此对于磨料磨损工况条件下工作的破碎机衬板，要 求具有良好的组织来获得所要求的性能。根据破碎机衬板的工况条件，显微组织要求为 马氏体+ 少量贝氏体组织，力