高锰钢焊接复合锤头的研制

作者：内蒙古科技大学 郭长庆 程军

欢迎访问e展厅 展厅 11 矿山机械展厅 给煤机, 采煤机, 除铁器, 浮选机/风选机, 磁选机, ... 摘要：介绍了通过在高锰钢锤头的打击部位焊接耐磨合金复合板制作PCKW-1618可逆反击式破碎机复合锤头的生产工艺、使用性能和生产成本。工业实验结果表明：新型高锰钢焊接复合锤头的使用寿命约是改性高锰钢Mn13Cr2RETi整体锤头的3倍，是超高锰钢Mnl8Cr2MoRE整体锤头的1．5倍，其生产成本介于上述两种锤头之间，但其性能价格比在这3种类型的锤头中是最佳的。 关键词：焊接；破碎机；复合锤头；高锰钢 PCKW-1618可逆反击式破碎机是上海路桥新研制成功的一种主要用于矿物原料，如：炼焦用煤、石膏、石灰石、铁矿石、自云石矿和花岗岩等细碎的高效破碎机[1]。该破碎配备有84个小锤头，每个锤头的重量约11 kg。PCKW-1618可逆反击式破碎机功率大(315 kw)，转子长1．8 In、直径1．6 In、转速高达650 r／min，因而生产效率很高。此外，该破碎机转子可以正转，也可以反转，即转子沿某一方向运行一段时间后，如果锤头的一侧工作面磨损严重，这时不必更换锤头，只需将转子的旋转方向换向即可，因而，使用十分便捷。 目前发现影响这种新型破碎机正常工作的主要因素是锤头的耐磨性能。PCKW一1618可逆反击式破碎机锤头目前采用的材质主要有超高锰钢和改性高锰钢Mn13Cr2RETi两种，其中，前者比后者应用的更为广泛一些，其主要原因是在锤头的工作过程中前者产生冲击硬化的效果比后者明显。然而既便如此，超高锰钢Mnl8Cr2MoRE锤头的使用寿命也不够理想，例如，在包头某白云石矿破碎白云石时，超高锰钢Mn18Cr2MoRE锤头的连续使用寿命仅在10天左右，而改性高锰钢Mn13Cr2RETi锤头的连续使用寿命只有4天左右。由于锤头更换频繁，不仅严重地影响破碎机的正常运行，而且也增大了工人的劳动强度和细碎矿石原料的生产成本。所以提高锤头的使用寿命已成为PCKW一1618可逆反击式破碎机亟待解决的一项关键技术问题。为此，作者进行了一系列试验以探索提高锤头使用寿命的方法。起初，尝试了使用强、韧性均较高和硬度也较高(48~52 HRC)的中碳稀土贝氏体铸钢和中铬铸钢代替高锰钢，但效果不理想。锤头的耐磨性非但没有明显的提高，反而由于中碳稀土贝氏体铸钢或中铬铸钢韧性储备不足，在使用过程中出现了锤头碎裂的现象。后来又试验了高锰钢和高铬铸铁复合锤头，即：锤柄采用高韧性的高锰钢Mn13Cr2RETi，锤头头部的打击部位采用高耐磨的高铬铸铁Cr20Mo2Cu，但试验仍以失败告终，究其原因是由于PCKW一1618可逆反击式破碎机锤头小，使得高锰钢和高铬铸铁可以复合的面积较小，结果锤头的复合强度低，出现了掉头现象；另外，PCKW-1618可反击式破碎机转子转速高，在使用过程中使得锤头与进入破碎机的矿物原料发生激烈碰撞，高铬铸铁为脆性材料，韧性较差，所以在使用过程中出现了高铬铸铁碎裂的现象。最近，作者采用了在高锰钢Mnl3Cr2RETi锤头端部的打击部位通过焊接耐磨合金复合板的方法解决了这一难题。经实际使用，焊接耐磨合金复合板的高锰钢Mn13Cr2RETi锤头的使用寿命是超高锰钢锤头Mn18Cr2M0RE的1．5倍，是改性高锰钢Mn13Cr2RETi锤头的3倍。 1 焊接复合锤头的设计思路 1．1 焊接复合锤头的设计原则 图1为PCKW-1618可逆反击式破碎机锤头的示意图。由图可见，该型破碎机的工作原理实际上与通常带轴孔的锤式破碎机是一样的。鉴于PCKW-1618可逆反击式破碎机锤头转速高，运行过程中受到的冲击力大，而目前采用单一耐磨材料制成的锤头和采用常规铸造工艺生产的复合锤头都难以满足要求，所以，新型PCKW一1618可逆反击式破碎机锤头决定采用焊接复合的方法。其基本思路是在单一具有高韧性材质锤头的打击部位通过焊接硬质合金材料来显著提高锤头的耐磨性能，这样既可以保证锤头的完整性、韧性和安全性，又能够充分发挥硬质合金优异的抗磨性能。在这样的设计思想指导下，要求制作锤头的材料不但应具有高韧性、一定的抗磨性，而且应具有良好的焊接性能，以避免在锤头使用过程中出现锤柄断裂、掉头和打击部位硬质合金脱落现像的发生。 1．2 焊接复合锤头基体材质的选择 根据焊接复合锤头的设计思路，中低碳钢、中低碳低合金高强度钢和高锰钢都有可能成为复合锤头的基体材料。其中，中低碳钢和中低碳低合金高强度钢具有韧性好、焊接性能优良等优点，但是，它们的不足之处是耐磨性差和铸造性能较差。如果选用它们作为PCKW一1618可逆反击式破碎机锤头的基体材质有可能在锤头的使用过程中由于激烈摩擦出现锤柄部位首先被磨损而导致断裂和掉头现象的发生，所以，中低碳钢和中低碳低合金高强度钢作为PCKW-1618可逆反击式破碎机锤柄的材质是不合适的；高锰钢Mn13具有韧性高、耐磨性能优良和铸造性能良好等特点，是制作PCKW-1618可逆反击式破碎机锤头比较理想的材质。倘若对高锰钢Mn13进行改性处理或合金化处理，则其耐磨性会进一步有所改善。所以，选择改性高锰钢Mn13Cr2RETi作为焊接复合锤头的材质是合适的，并且改性高锰钢Mn13Cr2RETi的生产成本相对较低；超高锰钢l8Cr2MoRE虽然耐磨性能优于改性高锰钢Mn13Cr2RETi，但其生产成本较高，．故不适合作为焊接复合锤头的材质。高锰钢作为焊接复合锤头材质的唯一不足是其含碳量高和合金含量高，故焊接性能差，但是高锰钢的这一不足之处如果通过采用合适的焊接工艺加以克服，则高锰钢就会成为一种理想的生产焊接复合锤头的基体材质。 1．3 焊接复合锤头打击部位硬质合金的选择 锤头打击部位的硬质合金拟采用新型耐磨合金复合板。新型耐磨合金复合板以25#低碳钢为基板，通过采用特殊的熔焊工艺在基板生成具有一定厚度的耐磨硬质合金层。25#低碳钢基板的厚度为5～11 mm，硬质耐磨合金层的厚度6～12 mm，硬度65～72 HRC，通常硬质耐磨合金层中的碳化物为MC和M7C3型两种，体积百分数为30 ～40 。用户可根据自己的要求选择基板的厚度、硬质耐磨合金层厚度和耐磨合金层中碳化物的类型。虽然目前世界上许多国家都可以生产耐磨合金复合板，但是，据称：澳大利亚的Alloy Steels公司生产的耐磨合金复合板的合金层厚度最大，质量最好，本文的焊接复合锤头所采用的耐磨合金复合板就是由澳大利亚Alloy Steels公司生产的基板厚度为9 mill，硬质耐磨合金层厚度为10 ram(硬度为65 HRC)的复合板。由于25#低碳钢具有优良的焊接性能，所以，原来设计的复合锤头打击部位高锰钢与硬质合金的焊接问题转变为高锰钢锤头本体与低碳钢之间焊接的问题，这样大大地降低了焊接的难度，提高了耐磨合金复合板与锤头的基体材料的结合强度。 1．4 焊接复合锤头的复合 使高锰钢锤头本体与耐磨合金复合板成功焊接结合需要解决两个方面的关键问题。第一是焊接强度，即使高锰钢锤头本体与耐磨合金复合板通过焊接连结必须具有足够高的强度，否则，锤头在使用过程中由于受到频繁的撞击会使耐磨复合合金板逐渐脱落。根据经验，通过选择适合于高锰钢Mnl3焊接的焊条、焊接工艺和在高锰钢锤头本体中预埋碳钢钢板以提高高锰钢锤头本体与耐磨合金复合板的焊接强度或结合强度等措施是可以解决这一问题的。其方法是在高锰钢基体一侧选用瑞士产SUPER2222或不锈钢焊条形成焊缝的过度层，而过度层和耐磨合金复合板之间的焊接可以采用普通的低碳钢焊条；预埋钢板采用与碳钢基板成分相近的A3钢板，厚度为10 mm；第二是高锰钢的焊接开裂。在焊接高热量和热应力的作用下，焊接部位及周边地区的高锰钢会发生组织转变而脆化使其开裂。所以在焊接时应予以及时冷却。 2 焊接复合锤头的生产工艺 实验用高锰钢Mnl3Cr2RETi锤头的生产在内蒙古科技大学冶金实验室250 kg中频感应电炉中进行。高锰钢Mnl3Cr2RETi锤头基体的铸造工艺与通常的高锰钢铸件铸造工艺完全相同。锤头的成型采用真空消失模。在制作泡沫塑料模型时，在模型锤头的打击面上预留出19 mm的合金板位置和约10 mm 焊缝的厚度，并且在与锤头的打击面相互垂直的泡沫塑料模型的中间部位插入两块经过除锈处理的10 mm X30 ITlmX 50 mm 的A3钢板作为与耐磨合金复合板焊接和连接用的加强筋。 铸件冷却到室温后，翻箱落砂，打掉浇冒口，将铸件加热到1 050℃保温3 h后投入到冷却水槽中进行水韧化处理。 在将高锰钢锤头基体与耐磨合金复合实施焊接前，清理打磨锤头本体，特别是焊接部位钢板的氧化铁皮。焊接时，先用SUPER2222或不锈钢焊条在高锰钢锤头本体焊接部位铺焊约10 mm厚的过渡层，然后采用256碳钢焊条将切割好的耐磨复合合金板与锤头本体焊接在一起。为了防止在焊接过程中高锰钢锤头本体焊接部位产生裂纹，锤头的非焊接部位始终置于水中进行冷却。最后，在焊缝上堆焊硬质合金以保护焊缝和耐磨复合合金板碳钢层不被快速磨损。 3 焊接复合锤头的使用性能及生产成本概算 焊接复合锤头的工业实验在包头某白云石矿PCKW-1618可逆反击式破碎机上进行。共实验了2套168只焊接复合锤头。表1给出了实验条件及实验结果，可见焊接复合锤头的耐磨性约是改性高锰钢Mn13Cr2RETi锤头的3倍，是超高锰钢Mn18Cr2MoRE锤头的1．5倍，并且在使用过程中焊接复合锤头无一出现掉头和耐磨合金复合板脱落的现象，表明所研制的焊接复合锤头的制作工艺是成功的。 表2给出了生产1吨焊接复合锤头、改性高锰钢Mnl3Cr2RETi锤头和超高锰钢Mnl8Cr2MoTiRE锤头的生产成本概算，可见高锰钢焊复合锤头的生产成本介于两者之间，但是其性能价格比在这三种类型的锤头中是最佳的。 4 结论 (1)高锰钢焊接复合锤头生产工艺简便、可靠、完全可以替代改性高锰钢Mnl3Cr2RETi锤头和超高锰钢Mn18Cr2MoRE锤头用于PCKW-1618可逆反击式破碎机。破碎白云石矿，其使用寿命分别是改性高锰钢Mnl3Cr2RETi和超高锰钢Mnl8Cr2MoRE锤头的3倍和1．5倍。 (2)高锰钢焊接复合锤头的生产成本介于改性高锰钢Mn13Cr2RETi锤头和超高锰钢Mn18cr2MoRE锤头之间，但其性能价格比在这3种类型的锤头中是最佳的。 参考文献 E13 上海建设路桥机械设备有限公司．PCKW一1618可逆反击式破碎机说明书[M]．上海：上海建设路桥机械设备有限公司，2004．(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/10/2010)