锤式破碎机锤头堆焊药芯焊丝研究

薛瑞斌，陈勇，南萍

1 引言

锤式破碎机是水泥、陶瓷、矿山和电力等行业广泛使用的破碎机械，锤头是其主要的易磨损件，在工作过程中经受冲击磨损。由于锤头在高速旋转中受到被破碎物料的冲击与磨损，消耗量较大，因此如何提高锤头的使用寿命，减少锤头材料的消耗，提高经济效益，具有重要的意义。

图1 1号试样分析

目前制造破碎机锤头应用较多的是高锰ZGMn13，这种材料在破碎机械中应用最广，其特点是冲击硬化锤头寿命会有显著提高，受冲击越激烈，其抗磨能力发挥得越好。而对强度较低的石灰石、白云石以及熟料破碎用该材料制成的锤头，由于材料冷作硬化不明显，其耐磨性较差。另外有人对中锰钢作了一些研究，旨在通过降低奥氏体的稳定性提高其加工硬化的能力。本文通过设计三种药芯焊丝，为锤头成分的拓展提供了一种思路。

2 试验材料和试验步骤

2.1 试样制备

用拉拔剪丝机，低碳钢钢带，制备成ϕ3.0mm药芯焊丝。采用埋弧堆焊工艺，堆焊了3层，3种焊丝的成分如表1所示。其中1号选用焊剂为HJ107，2号和3号选用HJ260，焊接工艺参数为35～42V，焊接电流为350～400A，焊接速度为11m/s。

2.2 显微组织和观察分析

样品经过硝酸酒精（4%硝酸+96%酒精）溶液侵蚀后，在金相显微镜下进行组织观察和分析。用维氏显微硬度计对不同成分合金的典型显微组织进行了显微硬度的测定。每个显微硬度值都是以三个以上实测数据的平均值作为最终的结果。

2.3 力学性能的测试

对应用于锤式破碎机锤头的材料，最重要的两个技术参数为硬度和冲击韧性。为了模拟锤头的工况，选用MlS-10型动载试验机做冲击磨损，样品经钼丝线切割，切成10mm×10mm×30mm的无缺口冲击磨损试样。用于硬度测定的试样表面磨平后，在洛氏硬度计上测定，三个以上实测数据的平均值作为最终的结果。以石英砂为磨料，流量为50g/min，试验机的冲击频率为150次/min，每块试样的冲击次数为4500，用时30min。每块试样都在磨损试验前后进行超声波清洗。

3 试验结果和分析

3.1 显微组织观察、能谱分析和硬度的测定

由图1中a和d可见，基体组织比较均匀，为低碳的马氏体加上少量的残余奥氏体。通过SEM面扫描可以看出，碳化钛颗粒均匀地分布在基体组织上，尺寸比较细小，在2～3μm左右，形状为不规则的四边形。碳化钛的硬度高达HV2850～3200，其摩擦系数也比较低[1]。因此，在冲击磨损的过程中可以有效抵抗硬质粒子的切削，有效保护基体组织，提高锤头的使用寿命。通常情况下，第二相粒子的加入会割裂基体组织，成为裂纹开始的源泉，但碳化钛因具有面心立方晶格，可以和面心立方结构的奥氏体形成共格或半共格关系。晶体在冲击过程中能随着基体发生塑性变形，因此相比其他复杂晶格的碳化物，碳化钛与基体组织结合处的抗裂纹能力更强一些。

图2为典型的中锰钢奥氏体+碳化物+珠光体组织，从图中可以看出奥氏体的晶粒尺寸比较大。加入铬的目的主要是为了替换面心立方奥氏体结构中铁原子的位置，形成置换固熔体，减少晶界碳化物，阻止位错运动，从而提高基体组织的耐磨性和强度[2]。

表2 三种试样冲击磨损前后硬度对比表

图2 2号中锰钢金相组织

图3 3号高锰钢金相组织

图4 三种试样冲击磨损失重图

图3为低碳高铬高锰钢的显微组织照片，其基体组织为奥氏体。从图中可以看出，奥氏体晶界明显，其晶粒尺寸比中锰钢的还要粗大。另外因含碳量比较低，其初始硬度也比较低。

3.2 冲击韧性与加工硬化性能比较

图4为三种材料的冲击磨损试验失重对比图。从图4中可以看出，在每平方厘米的面积上分别施加2J、3J、4J三种冲击功，3种试样均有冷作硬化现象，硬度有不同程度的提高，1号试样均表现出比中锰钢和高锰钢更优良的抗冲击磨损能力，失重均为最小，可以看出，1号试样磨损前后的宏观硬度值均为最大。

试验表明，1号试样抗冲击磨损能力最强，有两点原因：

（1）1号冲击磨损前的硬度值比其他两种材料高。通过表2和图4可以看出，随着初始硬度的降低，1号、2号、3号试样的失重相继增大。这是因为，根据E.Robinowicz的磨损理论[3]，在一定的磨料条件下，单位滑动距离内磨损的体积与施加的载荷成正比，与材料的硬度成反比。若材料的初始硬度较低，则犁沟作用会引起摩擦表面较大的塑性变形，这部分材料在没有达到较高的加工硬化值前就已经剥落。

（2）1号试样含有细小弥散的碳化钛，在冲击磨损硬化的过程中，起到了钉扎位错的作用，阻碍了位错的移动，使材料基体组织硬度能够迅速提高。而2号和3号的硬化机理主要是奥氏体向马氏体转变，通过碳化铁强化的1号试样，其耐磨性优于以马氏体相强化的2号和3号试样。

4 结语

（1）冲击磨损前，1号试样的基体组织硬度最大，能够有效抵抗硬质颗粒的切削作用。

（2）冲击磨损的过程中，1号试样由于第二相粒子的作用，基体加工硬化后硬度值能够达到HRC55左右，碳化钛因其硬度高，能够有效地强化基体。

（3）将1号试样用于锤头材料，还应进一步研究碳化钛颗粒的尺寸及基体组织中残余奥氏体的含量，确定合理的配比。

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

[2]谢敬佩,等.耐磨铸钢及熔炼[M].北京：机械工业出版社,2003,105.

[3]周平安,等.材料的磨料磨损[M].北京：机械工业出版社,1990,10.■.