引言
顎式破碎機(jī)破碎礦石主要是借助于動板周期地靠近或離開固定齒板，使進(jìn)入破碎腔中的物料受到擠壓，劈裂和彎曲，礦石在剪應(yīng)力作用下，被碾壓而沿其解理面折斷。因而，要求鄂版材質(zhì)應(yīng)滿足既有較高的初始硬度，以抵抗磨料對它的壓入、剪切作用；還應(yīng)有足夠的韌性，以通過區(qū)域變形來松弛裂紋附近的局部應(yīng)力，從而減緩裂紋的形成和擴(kuò)展。長期以來，國內(nèi)外大多都還是采用高錳鋼材質(zhì)，由于高錳鋼起始硬度較低，盡管其具有加工硬化的特性，但在工作時因其表面的良好塑性變形而形成犁皺，易使顎板過早磨損失效，一副高錳鋼顎板的使用壽命只有200～300小時。
本文針對顎式破碎機(jī)工作原理及實際應(yīng)用現(xiàn)狀，研制了一種雙液雙金屬復(fù)合鑄造顎板，工作面采用合金鋼鐵，襯層采用鑄造碳鋼，充分發(fā)揮各種材料的特長，即提高了工作層的硬度和耐磨材性，又保證了鄂板的整體強(qiáng)度；同時特殊的澆注系統(tǒng)與鑄造工藝，確保了復(fù)合材料界面的均勻和完整，產(chǎn)品工藝出品率達(dá)到950/以上，使用壽命比國內(nèi)其它材質(zhì)的同類產(chǎn)品提高2倍以上；較好的解決了硬度與韌性的矛盾，降低了生產(chǎn)成本，為先進(jìn)抗磨復(fù)合材料的工業(yè)化、實用化提供理論依據(jù)和實用技術(shù)，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和學(xué)術(shù)價值。
1、試驗材料及研究方法
1.1材料的成分設(shè)計
根據(jù)合金元素的作用，通過正交實驗設(shè)計，采用極差分析方法，綜合考慮材料的力學(xué)性能，確定工作面化學(xué)成分為：C: 0.85%，Si: 1.2%，Mn: 1.75%，Cr: 3.50%，非工作面為低碳鋼；材質(zhì)的最終組織設(shè)計為：貝氏體+奧氏體+馬氏體，其相對含量可以根據(jù)不同零件工況，通過熱處理工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
1.2試樣制備
實驗鋼采用150Kg和250Kg中頻感應(yīng)電爐熔煉，澆注溫度1550℃，濕砂型鑄造，與裝機(jī)顎板同時澆注。先澆注低碳鋼，凝固到工藝所需要的厚度后，快速澆入高碳低合金鋼。沖擊試樣為l0mmxl0mmx55mm無缺口；熱處理采用箱式電阻爐，等溫淬火采用硝酸鈉50%+亞硝酸鈉50%，奧氏體化溫度為860℃×60min;等溫淬火溫度為(260℃、290℃、320℃)x30min;為了保證具有完整的結(jié)合界面，采取不同的冷卻速度控制材料界面前沿凝固狀態(tài)，確保具有完整厚度的工作表面層。
1.3檢測方法
利用ZBC-300沖擊實驗機(jī)、HR-150A洛氏硬度計測試力學(xué)性能；Olympus GX71型金相顯微鏡、JSM-6360LV型掃描電鏡、PHILIPS CM12型TEM、 EDAX等儀器進(jìn)行組織與結(jié)構(gòu)分析；MLD-IO動載磨損試驗機(jī)進(jìn)行磨損實驗，對比材料為標(biāo)準(zhǔn)水淬的Mn13鋼。
2、試驗結(jié)果與分析
2.1等溫淬火溫度對材質(zhì)力學(xué)性能的影響
圖1是等溫淬火溫度對實驗鋼力學(xué)性能的影響。
260℃時，由于等溫溫度較低，碳原子的擴(kuò)散能力較弱，完成貝氏體轉(zhuǎn)變所需的擴(kuò)散時間較長，碳在奧氏體中的分布不均勻，不能形成穩(wěn)定的富碳奧氏體，在隨后的冷卻過程中，貧碳奧氏體轉(zhuǎn)變成為馬氏體，殘余奧氏體量很少，同時生成的貝氏體鐵素體板條細(xì)小，因而材料沖擊韌性較低。
隨著等溫溫度的提高，290℃時，碳原子的擴(kuò)散能力加強(qiáng)，貝氏體轉(zhuǎn)變的過冷度減少，新相和母相間的自由能差值減小，不足以使更多的奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，特別是難以使穩(wěn)定性高的高碳奧氏體轉(zhuǎn)變，因此條束狀貝氏體鐵素體數(shù)量減少，板條變寬，片間距變大，下貝氏體優(yōu)先于馬氏體從奧氏體中析出，將奧氏體分割成數(shù)部分，使隨后形成的馬氏體被限制在比較小的范圍之內(nèi)，從而細(xì)化了馬氏體組織。當(dāng)裂絞擴(kuò)展到馬氏體一貝氏體邊界上時，方向發(fā)生改變，從而擴(kuò)大了裂紋擴(kuò)展的阻力，消耗的能量增加，從而提高了鋼的韌性。
但當(dāng)?shù)葴販囟壤^續(xù)提高到320℃時，有細(xì)針狀下貝氏體存在，但是組織分布不均勻，這樣就會導(dǎo)致其沖擊韌性有所下降。
另一方面，隨著等溫溫度從260度升高到290度，組織獲得馬氏體組織的能力減弱，貝氏體轉(zhuǎn)變孕育期縮短，轉(zhuǎn)變速度加快，在相同時間內(nèi)能獲得更多數(shù)量的貝氏體；同時基體中存在一定量的馬氏體組織，馬氏體體積比奧氏體大，部分轉(zhuǎn)變的馬氏體分割了貝氏體的形核及長大，形成的各個物相區(qū)域相對較小，材料的加工變形阻力相對較大，加工硬化能力較強(qiáng)，易獲得較高的強(qiáng)韌性配合，因此混合組織中的下貝氏體的強(qiáng)度應(yīng)比純下貝氏體高。當(dāng)下貝氏體數(shù)量過多時，因下貝氏體增加而減小的強(qiáng)度抵消了上述作用時，就會出現(xiàn)下降趨勢，因而強(qiáng)、硬度出現(xiàn)峰值。但是隨著淬火溫度的進(jìn)一步升高到320℃，獲得貝氏體的能力增強(qiáng)，得到的馬氏體的數(shù)量進(jìn)一步減少，使其硬度有所下降。
圖2是復(fù)合材料的高碳鋼部分經(jīng)過2900Cx40min等溫淬火后的高碳鋼部分的透射電鏡組織照片。透射電鏡觀察表明，實驗鋼的組織為貝氏體鐵素體板條及其間分布的殘奧膜以及M-A島。在M-A島中不僅有殘奧，并且具有孿晶亞結(jié)構(gòu)的針狀馬氏體，使得材料的強(qiáng)度提高。這與290。C等溫淬火后的試樣有較高的硬度一致。
2.2結(jié)合面微觀組織分析
雙金屬復(fù)合鑄造方法生產(chǎn)的零件，結(jié)合面對材質(zhì)的使用壽命有著十分重要的影響。要獲得低碳鋼和高碳合金鋼結(jié)合良好的復(fù)合界面，復(fù)合層就必須產(chǎn)生有效的冶金結(jié)合。圖3是雙金屬復(fù)合材料結(jié)合處的微觀組織，可以看出，兩種金屬結(jié)合良好；由于在高碳鋼澆注時低碳鋼已經(jīng)結(jié)晶，在高溫鐵水作用下，低碳鋼只是表面熔化很薄的一層，屬固一液結(jié)合，所以在凝固的過程中，低碳鋼與高碳鋼有明顯的結(jié)合痕跡，界面組織致密，證實了中間結(jié)合面得到了有效的冶金結(jié)合，復(fù)合界面沒有發(fā)生沖混現(xiàn)象。
圖4是復(fù)合材料結(jié)合面不同部位所做的能譜分析。圖中a-c是沿著由高碳鋼往低碳鋼的方向移動。可以看出，界面區(qū)域形成時存在原子的擴(kuò)散，并且在界面區(qū)域內(nèi)呈梯度分布。由于擴(kuò)散的作用，高碳鋼的碳、鉻等元素向低濃度一側(cè)擴(kuò)散，所以圖4的界面結(jié)合區(qū)中的碳、鉻等元素的濃度從右向左遞減。
由于后澆入的高碳合金鋼與低碳鋼的成份相差很大，在復(fù)合過程中這兩種材料發(fā)生短距離擴(kuò)散和滲透。在掃描電鏡下觀察時，可以看到界面區(qū)域的寬度很小，見圖4，過渡區(qū)一般只有幾十個微米寬，形狀平直，從高碳合金鋼到低碳鋼，合金元素的變化幾乎都是在結(jié)合區(qū)內(nèi)的幾十個微米的范圍內(nèi)完成的。這是由于采用了特殊的雙液雙金屬復(fù)合鑄造工藝，把第二層高碳鋼的澆注時間，放在第一層低碳鋼基本上凝固完畢時。此時高碳鋼的溫度很高，既能均勻熔化一小薄層低碳鋼，又能使低碳鋼液在一定時間內(nèi)保持液態(tài)，防止雙金屬結(jié)合部位處的鋼層表面在高溫下氧化。隨溫度的下降，熔融的薄層和高碳鋼在低碳鋼表面依次形核、結(jié)晶、長大，繼而完成整個復(fù)合過程。
2.3等溫淬火溫度對耐磨性的影響
表1是實驗鋼與高錳鋼的磨損對比實驗結(jié)果。經(jīng)過相同的磨損時間，等溫淬火溫度為290℃鋼的動載磨損失重量最小。隨著等溫淬火溫度的升高，鋼的磨損量先下降后上升。并且經(jīng)熱處理后的實驗鋼的磨損失重量均是高錳鋼的一半。
等溫淬火溫度為260℃時，材質(zhì)具有較高的硬度，但韌性相對較低，因此材料表面在外力的反復(fù)作用下會出現(xiàn)大量的疲勞裂紋，使材料產(chǎn)生剝落；等溫淬火溫度為290 0C時，材質(zhì)具有較好的組織和綜合力學(xué)性能，因此，在磨損過程中既可以抵抗石英砂磨粒的切削，又可以減少表面金屬的剝落，表現(xiàn)出較佳的耐磨性。等溫淬火溫度為320℃的鋼具有較好的塑韌性及較高硬度，而且其中彌散分布的碳化物有較高的硬度，它分布于基體中可以起支撐作用，阻礙磨粒的刺入或切削；因此在磨損過程中當(dāng)石英砂顆粒和基體金屬相互作用時，犁削作用不明顯，故材料損失相對也較少。
3、裝機(jī)實驗
雙金屬復(fù)合鑄造顎板裝機(jī)實驗是在PE-750×1060破碎機(jī)上進(jìn)行的，在不同的研磨物料中均顯示出較高的耐磨性，比同類高錳碳鋼材質(zhì)產(chǎn)品的使用壽命提高50～150%。
4、結(jié)論
(1)高碳低合金鋼／普通碳鋼雙液雙金屬復(fù)合鑄造顎板結(jié)合區(qū)界面沒有沖混現(xiàn)象，過渡區(qū)只有幾十個微米寬，呈良好的冶金結(jié)合狀態(tài)。
(2)高碳低合金鋼／普通碳鋼雙液雙金屬復(fù)合鑄造顎板的力學(xué)性能，可根據(jù)研磨物料的具體現(xiàn)況，通過材料的合金成分及熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，一般可以達(dá)到HRC>55，沖擊韌性ak>10J/cm2，
(3)高碳低合金鋼／普通碳鋼雙液雙金屬復(fù)合鑄造顎板使用壽命在同類研磨介質(zhì)中，比高錳鋼材質(zhì)顎板提高50～150%。
相關(guān)破碎機(jī)產(chǎn)品：
1、
顎式破碎機(jī)
2、
圓錐破碎機(jī)
3、
雷蒙磨粉機(jī)
