高铬铸铁在立轴式冲击破碎机转子体耐磨衬板上的运用.docx

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高铬铸铁在立轴式冲击破碎机转子体耐磨衬板上的运用

科技论

坛

高铬铸铁在立轴式冲击破碎机转子体耐磨

衬板上的运用

丁杰泽

蒲果刘晓博

（中国人民武装警察部队水电三总队九支队,616200

1概况

随着国内建筑市场的持续增温及国家对河沙滥采的有效控制,国内对人工砂的需求也大大增多,立轴冲击式破碎机（制砂机

从而得到越来越广泛的运用。

据文献[1]介绍,国产制砂机除了在技术上与国外设备存在巨大差距外,其关键配件的使用寿命严重制约着该类设备发展。

类似国外设备的配件供应不及时外,价格太高,如何在国内有限的材质下,采用合理的铸造工艺,最大限度的提高关键耐磨配件的使用寿命,进而提高其经济性,已成为制砂机制造商及用户首要解决的问

题。

目前耐磨材料的种类很多,主要有高锰

钢、

中锰球铁、低合金白口铁等。

低合金白口铁虽然能够适应低载荷下的冲击,但使用寿命极短不是理想的材质。

高锰钢属于奥氏

体组织的钢种,在高冲击下易产生加工硬化,因而具有一定的耐磨性能,但对于中低应力下的冲击则不能发挥出良好的耐磨性,高铬铸铁是继高锰钢之后的第三代耐磨材料,由于其组织中含有理想的M7C3型共晶碳化物,而且容易得到马氏体组织,与其它耐磨材料相比则显示出较大的优越性,因此得到广泛的应用。

但高铬铸铁较脆,在制砂机高速高冲击下容易断裂、破碎,而且在实际生产中很难把握其形成机理,得到理想状态下的基体组织。

针对这种情况,我们在常规工艺的基础上,进行改进并经过相应的热处理,提高其耐磨性和使用寿命,从而达到良好的经济效

益。

2国产某型制砂机耐磨件的主要失效

形式

转子体是国产某型制砂机的关键部件,它

大多是由Q345（16Mn低合金结构钢钢板经焊

接构成一空心圆柱体,安装在主轴装置上部轴

端,用圆锥内、

外套和键连接,从而传递高速重载大扭矩（其装配图见图1。

其耐磨件衬板

主要由1、

上保护圈2、分料盘3、抛料头、4、下保护圈5、分料板6、上导流板7、反击板8、下导

流板9、

铁砧等组成。

其中上保护圈、抛料头、下保护圈等为焊接件,不予讨论。

制砂机工作时物料由转子上端的中心落

料环进入转子内腔中心,由转子中心的耐磨分

料盘将物料均匀地分配到转子的各个加速通

道,在通道终端安装有特殊合金材料的耐磨抛

料头。

转子在加速通道中将物料快速加速到

65~80米/秒的线速度,先撞击高强度抛料头并

沿切线方向抛射出去,冲击到涡动破碎腔中的

物料垫层、铁砧或折返回来的物料上,产生强烈

的自粉碎和撞击粉碎。

经研究,转子体耐磨衬板的受力主要来自随转子体高速旋转的砂石料的摩擦冲蚀及惯性力冲击,砂石料的摩擦属于中低载荷,惯性力冲击随物料的质量大小而增大。

如果耐磨衬板表面硬度较低,在砂石料的冲蚀下,工作面与砂石料间的摩擦力很大,且长时间作用于衬板表面,加之二者发生相对滑动,使衬板表面出现沟槽,并在相邻区域出现塑性变形,导致叶片表面产生断裂应变,最终形成裂纹而破碎,使衬板报废。

由此可知,

在低载荷冲击下硬度对耐磨性的影响占主导地位,我们正是利用高铬铸铁高硬度的特点,对铸造工艺及热处理工艺加以改进,从而满足其工况条件下的使用要求。

3高铬铸铁衬板的组成成分的优化3.1高锰铸铁的共晶体高铬铸铁是以铬为主要合金元素,辅以一定量的其它合金元素而组成的抗磨材料,通常含铬量在12%~35%之间,

若含铬量过大基体中会形成很多硬的碳化物,虽然具有优良的耐磨

性能但机械性能特别是延伸性能较差,不宜作

为对抗拉强度有一定要求的转字体衬板材料。

因此,

铬含量应适中。

大多数高铬铸铁是属于亚共晶成分,它们凝固时会先形成奥氏体树枝晶,

接着在一定温度范围内同时析出奥氏体和

M7C3型碳化物组成的共晶体,

这种M7C3型碳化物的硬度可达HV1300~1800,

足可以抵抗石英（HV900~1280的磨损。

其次这种碳化物分布

连续性较差,呈厚片状,（见图2对基体的削弱作用小,因而能够使铸铁保持较高的韧性,所以

我们在工艺优化的过程中应力争在高铬铸铁中

得到以马氏体为基体,分布有M7C3型碳化物

的组织。

3.2碳、铬比例的优化

一般说来,碳量决定碳化物的数量,同时

还直接影响着材质的机械性能,为保证硬度和

强度的配合,碳量不宜取过高值。

根据文献[2]

在满足Cr/C比在4~8之间的条件下,取Cr为摘

要:

分析国产立轴式冲击破碎机转子体的分料盘、反击板、上下导流板等耐磨衬板的失效形式,针对主要工况,对其成分、加工工艺等进行

分析改进,来提高其耐磨性和使用寿命,从而达到良好的经济效益。

关键词:

高铬铸铁;立轴式冲击破碎机转子体;耐磨性能

CSiCrMnMoCu2.5-3.00.8-1.013-182.0-3.00.4-0.60.8-1.2

表1组成成分（%图1转子体装配图图2M7C3型碳化物共晶体1-浇注系统2-冷铁3-铸件4-砂型

图3砂箱装配图

图4

科技论坛

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3改进方法及措施

3.1FMECA与FTA综合的分析方法（FTF

FMECA虽是有效的可靠性分析方法,但并非万能。

它们不能代替其它可靠性分析工作。

特别应注意,FMECA一般是静态的单一因素分析方法,在动态分析方面还不充善。

若对系统实施全面的分析还应与其他分析方法相结合。

FMECA是一种归纳的方法,它从元素的初始故障出发研究其影响（结果;FTA是一种演绎的方法,它设想一种特定的系统故障（或子系统、组件故障追究其作为原因的初始故障。

前者称为自下而上方式,后者称为自上而下方式。

两者进行的方向恰好相反。

将FMECA和FTA结合起来的FTF方法,可以采用先对系统进行FMECA,再进行FTA的正向FTF方法,也可以采用先对系统进行FTA,然后进行FMECA的逆向FTF方法。

正向FTF方法的具体步骤为:

定义系统→填FMEA表→填CA表→按FMEA结果选择顶事件→建故障树→按CA结果进行FTA的失效概率

分析计算→结论→提出改进措施。

正向FTF方法

既考虑了系统中每一个组成单元的潜在故障模式

的故障影响,又考虑了硬件、软件、人为和环境等

各种因素和多重故障的综合影响,是一种比较全

面的分析方法。

逆向FTF方法是根据系统的功能

要求和故障定义,首先选择一个或几个系统中最

不希望发生的故障模式作为顶事件,将其进行

FTA分析,建造故障树,进而对其进行定性的分析

评估,列出重要的底事件清单,然后采用FMECA

方法对重要底事件进行分析评估,并根据FMECA

的结果再对故障树进行深入的定性分析和定量分

析计算。

3.2QFD与FMECA的结合应用

质量功能展开（qualityfunctiondevelopment,

简称QFD就是将项目的质量要求、客户意见转化

成项目技术要求的专业方法。

QFD作为品质设计

的强力工具,在大多数企业的研发部得到广泛地

应用,而FMEA作为产品可靠性工具之一,在产品

的可靠性工具分析上扮演着不可或缺的角色。

但

是QFD在进行多因素分解和展开分析过程中,专

家进行重要度、相关性打分时往往主要是根据工

程经验,一些不确定因素没有分析透彻,致使打分

可能存在比较大的盲目性和主观性。

应用FMECA

时,因为缺乏对项目系统的分析,且FMECA表格

结构局限不便进行共因故障和共模故障的分析,

各子系统间的FMECA不便建立系统性联系。

将

QFD与FMECA结合达到两者的局限性互补,有

效提高研发工程师的综合研发素质,促进其设计

出具有一流品质低缺陷低成本的产品。

QFD与

FMECA的综合应用有着良好的推广应用前景,在

各大城市纷纷开展了相关的培训课程,如中国质

量协会在长春举办“QFD和FMEA培训”活动、北

京培训易中心进行的“产品开发标准工具与方法

-QFD与FMEA应用实战研修班”、德信诚培训中

心开展的“QFD+FMEA质量设计课程”等等。

4结论

虽然FMECA已得到广泛应用,但为了有效

提高产品设计的可靠性,工作人员决不能对

FMECA中的概念认识上存在模糊不清,更不能有

错误的想法,分析过程中要充分发挥团队协作精

神,对分析对象要有整体意识,全面准确的找出可

能导致产品故障的一切原因。

有效利用多种方法

的结合,弥补其缺陷促进高品质产品的设计,最大

程度降低损失。

参考文献

[1]王海波,王俊华等,提高FMECA实施效果的探索

[J].质量与可靠性,2006

[2]GJB1391-92.故障模式、影响及危害性分析的要

求和程序.

[3]杜晋亮,浅谈故障模式影响危害性分析（FME-

CA在产品设计制造中的意义

[4]李光辉.论舰船总体故障模式影响及危害性分析

（FMECA技术[J].舰船标准化工程师,2004.

作者简介:

杨兰清（1979~,男,四川宜宾县,

助理工程师,本科。

现主要从事系统集成研究。

13%~18%,则C取2.5%~3%。

在这种情况下,可得到连续韧性基体上均匀分布M7C3,即高铬铸铁衬板具有较高的耐磨性,同时具备很好的韧性。

3.3锰、钼比例的优化

高铬铸铁在中低冲击工况条件下的理想抗磨组织为马氏体基体上分布着孤立的杆状碳化物,而想要获得马氏体的基体组织除需要此种材质具有良好的淬透性外,最好是在铸态下得到奥氏体组织钼对于提高淬透性作用很大,但它的价格比较昂贵,所以采用以锰代钼。

根据文献[2]对于壁厚60mm左右的工件Mn含量在3%左右,Mo含量在0.5%左右时,即可完全抑制珠光体,获得单一的奥氏体组织,从而获得较高的淬透性。

3.4其他合金元素的优化

铜能提高淬透性,当钼与铜配合使用时提高淬透性的作用更大,但铜在奥氏体中的溶解度有限,故Cu选择0.8%-1.2%。

硅降低淬透性,但同时它又可提高Ms点,所以当Mn含量高时,可适当提高Si的含量,取0.8%~1.0%。

硫降低流动性,与锰的亲合力较大,会消耗一部分锰。

磷则形成磷共晶体,降低铸件的韧性,所以铸铁件中应尽量降低其含量。

故S<0.06%,P<0.1%。

综上所述,高铬铸铁衬板的组成成分的优化见表1:

4铸造工艺及热处理工艺的优化

4.1炉料的熔炼工艺

用0.25t中频感应电炉熔化铁液,为降低

生产成本和保证铁液质量,在熔炼过程中主要

采取以下措施:

4.1.1采用酸性炉衬熔炼。

采用

此种方式不仅硅砂价格低廉,而且熔化过程中

炉衬不易开裂,热稳定性好。

同时电阻率比镁砂

相对要小,有利于熔化效率的提高。

4.1.2配料

时一定要控制炉料成分保证炉料的质量。

4.1.3

采用合理的加料顺序。

先加少量的铬铁及全部

的钼铁,再依次加入其它炉料,但必须保证炉料

的紧实,这样有利于导电和导磁。

4.1.4熔化开

始应以小功率送电,然后逐步将功率增大,并随

炉料的熔化经常捣料。

4.1.5在铁液浇注前,应

将铁液过热到1480℃左右,以不使铁液出现沸

腾的“驼峰”现象为准,这有利于铁合金的充分

反应而不会卷入大量的氧化性气体。

4.1.6应在

出炉前10~15min用锰铁来预脱氧处理;7~8min

用0.25%的硅铁进行初脱氧;2~3min用0.05%

的铝进行终脱氧或在浇注过程中加入少量的稀

土硅进行变质处理。

4.2浇注工艺

用事先准备好的砂箱进行手工造型,但应

注意浇注系统的合理开设及冷铁的使用,严格

按工艺图进行。

合箱前应仔细检查型腔是否畅

通,以保证铁液充型,其合箱形式如图3。

浇

注时应遵循高温出炉低温浇注的原则,如果浇

注温度过高,不但容易烧坏冷铁,而且铁液收缩

率较大,易产生铸造缺陷,所以浇注温度不宜

过高,一般选在1380~1420℃之间。

浇注后应及

时打开砂箱,这样有利于获得细小晶料的铸态

组织。

4.3热处理工艺

转子体衬板除需要高的硬度外,还需一定的

韧性相配合,否则会被高速旋转转子的惯性力折

断,所以还要进行淬火加回火来提高其综合性能。

热处理温度的确定应以获得均匀而细小的奥氏体

晶粒为原则,以便淬火后得到细小的马氏体组织。

奥氏体晶粒的长大与淬火温度成正比,所以选择的

温度不宜过高,而且淬火后还应及时对工件进行回

火处理,这样不仅可以消除淬火时产生的应力,还

可以得到一定数量的回火马氏体。

因此既保证了

基体的高硬度,同时又提高了衬板的韧性。

具体工

艺如图4所示。

5结论

合理的对高铬铸铁的组成成分进行优化,

并采用科学的熔炼、浇注、热处理工艺,实现了

铸件的顺序凝固,在叶片表面产生了致密而均

匀的细小的耐磨晶粒组织,使得耐磨衬板的综

合性能得以显著的发挥。

在立轴式冲击破碎机

转子体上应用后,平均寿命可达500小时以上,

充分降低了制砂成本,大大弥补了国产制砂机

的不足。

参考文献

[1]李本仁.浅谈立轴冲击式破碎机[J].矿山机械,

2004,1.

[2]郝宝文,郝宝民.高铬耐磨铸铁在抛丸机叶片

上的应用[J].中国电子学术,2003,4.

责任编辑:

李墨洋

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