錘式破碎機(jī)錘頭在工作時受力復(fù)雜，工況條件惡劣，要受到?jīng)_擊、擠壓、剪切及接觸疲勞應(yīng)力的反復(fù)作用，磨損嚴(yán)重，因此選用材料必須能夠耐沖擊，同時又具有較高的耐磨性能。為了有效防止使用中斷裂，同時又賦予產(chǎn)品高的抗磨性，人們很早就提出了雙金屬復(fù)合鑄造的方法生產(chǎn)抗磨制品，以實現(xiàn)材料性能與服役要求的良好匹配。所謂雙金屬復(fù)合，就是通過將材料的性能特點(diǎn)與工件不同部位的服役要求進(jìn)行恰當(dāng)?shù)钠ヅ洌瑏斫鉀Q單一材料同時具有高硬度和高韌性的困難。
雙金屬復(fù)合錘頭制造中的關(guān)鍵技術(shù)是雙金屬復(fù)合鑄造工藝。廣義的雙金屬復(fù)合工藝方法可以根據(jù)材料狀態(tài)分為固／固、固／液、液／液復(fù)合三大類，具體成形工藝方法有軋制、焊接、鑄造等多種。由于破碎機(jī)錘頭形狀復(fù)雜，軋制復(fù)合法無法應(yīng)用，只有焊接復(fù)合法和鑄造復(fù)合法兩大類。具體包括鑲鑄法、包覆鑄造法、復(fù)合鑄造法和焊接法4種。近年來，這4種方法的研究和應(yīng)用都取得了較大進(jìn)展。本研究圍繞破碎機(jī)錘頭雙金屬復(fù)合鑄造工藝技術(shù)進(jìn)行綜合分析后，提出了技術(shù)關(guān)鍵和今后的發(fā)展趨勢。
1、鑲鑄復(fù)合法及其進(jìn)展
所謂鑲鑄復(fù)合是一種雙金屬液／固復(fù)合方法，包括分散鑲鑄和集中鑲鑄兩種，如圖1所示。分散鑲鑄就是將設(shè)計合理的抗磨鑲件分散開來，預(yù)制成一定形狀的框架多孔2結(jié)構(gòu)，經(jīng)過預(yù)熱后置入鑄造型腔，隨后澆入另一種金屬液（稱為基體），將抗磨鑲件牢固地鑲嵌于其中，在高溫作用下實現(xiàn)抗磨鑲件與基體金屬之間的良好結(jié)合。這種鑲鑄方法中，抗磨鑲件在鑄造上相當(dāng)于內(nèi)冷鐵，見圖l(a)。
集中鑲鑄與分散鑲鑄的區(qū)別在于抗磨體的尺寸和分布上。集中鑲鑄中將抗磨體集中為一兩個較大的條塊，鑲鑄在基體材料之中。鑲件數(shù)量少，分布簡單，見圖l(b)。
鑲鑄鑄鋼／高鉻鑄鐵和高錳鋼／低合金鋼復(fù)合錘頭在實際生產(chǎn)中取得了良好的效果，分別比單一高錳鋼錘頭和低合金錘頭提高3—4倍，證明鑲鑄復(fù)合錘頭具有實際應(yīng)用價值。但是，鑲鑄法制備雙金屬復(fù)合材料是靠外層材料澆入時帶入的過熱熱量來獲得界面結(jié)合的，其關(guān)鍵參數(shù)是外層材料與芯材之間的體積比（稱為鑲鑄比），只有在合理的鑲鑄比條件下，才可能獲得良好的界面結(jié)合。在小鑲鑄比條件下，由于外層材料帶人熱量較少，液固作用時間較短，無法獲得良好的界面結(jié)合。提高鑲鑄比有利于界面結(jié)合，但同時降低了復(fù)合材料的整體韌性和經(jīng)濟(jì)性，這與目前對雙金屬復(fù)合材料的整體強(qiáng)韌性能和經(jīng)濟(jì)性要求不相適應(yīng)。因而控制液固作用時間以及控制液態(tài)金屬的溫度是鑲鑄法制備雙金屬復(fù)合錘頭的關(guān)鍵。劉耀輝利用改進(jìn)鑲鑄法，在可控條件下，提高了液固相互作用時間，制備了高碳高釩系高速鋼/45號鋼雙金屬復(fù)合材料，研究了雙金屬復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)及其影響因素，為復(fù)合錘頭的制備提供了重要參考。
此外，進(jìn)行抗磨體形狀和尺寸的合理設(shè)計以及其合理布局和數(shù)量設(shè)計是鑲鑄復(fù)合中的另一個關(guān)鍵。遺憾的是，目前這些設(shè)計原則還不明確，有待深入細(xì)致地研究。將計算機(jī)模擬技術(shù)用于鑲鑄過程的傳熱與凝固計算，可望建立起抗磨體的設(shè)計準(zhǔn)則。所以，鑲鑄復(fù)合法制備破碎機(jī)錘頭是一條可行的技術(shù)路線，今后的研究重點(diǎn)是借助計算機(jī)模擬技術(shù)，針對一定的鑲鑄比進(jìn)行復(fù)合工藝設(shè)計，形成鑲鑄工藝設(shè)計準(zhǔn)則。
2、包覆鑄造復(fù)合法及其進(jìn)展
該方法與鑲鑄法類似，不同的是錘頭柄部為預(yù)制件，而端部抗磨材料為液態(tài)，通過澆注抗磨材料實現(xiàn)端部對柄部的包覆連接。這種方法得到的整個錘頭由錘柄和端部兩部分組成，兩者通過澆注過程結(jié)合為一個整體，屬于液／固復(fù)合的范疇，但其鑲件并不被基體完全包覆。為提高結(jié)合力，常在錘柄被包覆部位，預(yù)制一長園形孔，如圖2所示。這樣當(dāng)鐵水充入鑄型時，同時充入該孔內(nèi)，端部鐵水冷卻后該園孔內(nèi)的金屬就充當(dāng)一機(jī)械連接銷，可有效防止錘頭工作過程中端部和錘柄之間出現(xiàn)松動和脫落。這種方法簡單易行，實際應(yīng)用顯示了較好的效果
該方法的主要問題是因被包覆部分與包覆金屬之間的體積比（稱為包覆比）較小，界面結(jié)合狀態(tài)難以達(dá)到良好的冶金結(jié)合，盡管輔助鋸齒狀或銷釘結(jié)構(gòu)實現(xiàn)機(jī)械結(jié)合，但包覆部位的外層金屬容易出現(xiàn)開裂，導(dǎo)致使用中發(fā)生剝落和崩塊。
為了強(qiáng)化包覆鑄造中的冶金結(jié)合，采用傾斜澆注工藝，并在錘端放置壓冒口，見圖3。
這樣鐵水在充型過程中首先接觸錘柄被包覆起來，然后逐漸充滿錘端整個型腔，最后充入壓邊冒口。傾斜澆注主要是為了保證充型的平穩(wěn)，并便于渣氣的排除。壓邊冒口可保證渣氣的順利排除，并對錘頭端部進(jìn)行一定的補(bǔ)縮，特別是由于壓邊冒口的設(shè)置，增加了鐵水沖刷錘柄的時間，可有效地增加錘頭和錘柄之間的冶金結(jié)合，并可有效地防止氣孔、砂眼、裂紋的發(fā)生。利用這種方法研制的高鉻鑄鐵／鑄鋼雙金屬復(fù)合錘頭，其中錘柄采用ZG35，錘端采用高鉻鑄鐵，在某焦化廠碎煤車間試用發(fā)現(xiàn)，不出現(xiàn)異常斷裂，磨損量只有高錳鋼錘頭的1/4。
在包覆鑄造方面，張軍等人的研究值得借鑒。錘端采用高鉻鑄鐵，錘柄采用ZC270 - 550。圖
4、為錘頭的鑄造工藝圖。
每箱放置8個錘頭，呈圓周方向均勻分布。錘端、澆口窩和內(nèi)澆道采用消失模型，冒口、冒口頸和直澆道采用木模模型。造型時將預(yù)先制作出的錘柄，清除復(fù)合部位表面雜物，涂附保護(hù)劑，套上錘端消失模放人砂型直接造型。復(fù)合前將整個砂型放人中頻感應(yīng)線圈內(nèi)，通過中頻感應(yīng)對錘柄進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱過程中泡沫塑料模型受熱汽化。當(dāng)錘柄達(dá)到需要的溫度（800℃左右）時，開始澆注金屬液，邊澆注邊加熱。當(dāng)錘端型腔充滿金屬液時，停止加熱，繼續(xù)澆注直到充滿整個冒口。待金屬液冷卻凝固后，吊出砂型，打箱。在砂型復(fù)合鑄造條件下，提高外材高鉻鑄鐵的澆注溫度、液固體積比和芯材的預(yù)熱溫度均可提高雙金屬復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度。采用淬火+回火的熱處理工藝。錘頭加熱到960℃，保溫4h，出爐強(qiáng)制風(fēng)冷淬火�；鼗饻囟�250℃，保溫2h，出爐空冷。由于復(fù)合部分材質(zhì)不同，升溫速率不同，易產(chǎn)生溫差造成復(fù)合層開裂。因此，加熱速率應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)(<100℃/h)。采用這種工藝，復(fù)合錘頭的使用壽命為高錳鋼錘頭的5倍左右。
錘頭的包覆復(fù)合鑄造法應(yīng)用受到材料熱處理工藝匹配性的限制，一旦兩種材料的熱物理性能差距顯著，在成形和熱處理環(huán)節(jié)復(fù)合界面或整體就可能出現(xiàn)裂紋。所以，這種方法的前景并不樂觀。針對這一問題，今后的研究重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)放在材料匹配性和界面相容性的研究方面。
3、雙液鑄造復(fù)合法
雙液鑄造復(fù)合法也叫雙金屬復(fù)合鑄造工藝。它屬于液／液復(fù)合的范疇，在軋輥／管件生產(chǎn)中早有應(yīng)用。這種復(fù)合方法的成敗關(guān)鍵在于兩種金屬的界面熔合優(yōu)劣和接合強(qiáng)度的高低。利用這種方法生產(chǎn)高鉻鑄鐵/ZG35雙金屬破碎機(jī)錘頭也獲得了成功。
雙液鑄造復(fù)合法基本要求是首先在不使其混合的情況下，使兩種金屬熔為一體，其次要有盡可能大的接合面積。為此，采取了如下措施：接合面取在最大截面A處；底部設(shè)置U形冷鐵，以保證ZG35由下而上的凝固順序；設(shè)溢流口B，確保接合面的位置不變；為防止在澆注高鉻鑄鐵時，ZG35被沖混，高鉻鑄鐵澆口設(shè)在C，D處，以求水頭平穩(wěn)。
雙液復(fù)合法制備復(fù)合錘頭磨損速度均勻整齊，壽命大概是包覆鑄造錘頭的2倍，適合多種型號錘頭采用，是提高錘頭壽命的有效工藝措施。但是，這種工藝控制困難，特別是澆注量及界面組織結(jié)構(gòu)的控制有一定難度。要解決這個問題，需要研制專業(yè)設(shè)備。
總體上看，破碎機(jī)錘頭屬于小型零件，零件越小，雙液復(fù)合的工藝控制難度越大。所以，雙液復(fù)合法在錘頭生產(chǎn)中并不易發(fā)揮優(yōu)勢。
4、焊接復(fù)合法
廣義的焊接復(fù)合法中最為有效的是爆炸焊，但爆炸焊無法用于錘頭生產(chǎn)。在焊接復(fù)合錘頭中，主要的做法是將抗磨材料焊接在抗磨性要求高的部位，而其他部位則是一般材料。郭長慶[IO]的研究證明，高錳鋼與硬質(zhì)合金焊接復(fù)合錘頭的使用壽命是超高錳鋼錘頭的1.5倍。
這種方法的難點(diǎn)是異種材料的焊接，需要針對具體的材料匹配探索具體的焊接工藝。目前的焊接質(zhì)量難以穩(wěn)定，使用中時有開焊脫落現(xiàn)象，應(yīng)用越來越少。但是，將這一思路用于錘頭的修復(fù)正在深入研究，以取得不斷進(jìn)展。
除了上述4種復(fù)合方法外，北京交通大學(xué)半固態(tài)成形研究中心將半固態(tài)擠壓鑄造技術(shù)用于復(fù)合錘頭的制造，其技術(shù)關(guān)鍵是在壓力作用下實現(xiàn)鑲鑄或包覆鑄造，以此來改善界面結(jié)合狀態(tài)，取得了較好的效果。這種方法簡稱流變復(fù)合，它既保留了鑲鑄復(fù)合的靈活性，又發(fā)揮了壓力成形產(chǎn)品致密的優(yōu)勢，不僅生產(chǎn)成本低，而且性能好，是破碎機(jī)錘頭復(fù)合鑄造的一個新的發(fā)展方向。
5、值得關(guān)注的問題
在破碎機(jī)錘頭研究與應(yīng)用中，盡管已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，但錘頭仍然是壽命最短、消耗量最大的抗磨制品之一，雙金屬復(fù)合是解決這一問題的有效途徑。但真正取得突破性進(jìn)展，必須關(guān)注材質(zhì)相容性、界面控制和復(fù)合準(zhǔn)則3個關(guān)鍵問題。
(1)材質(zhì)相容性。無論那種復(fù)合方法，都存在兩種或兩種以上的材料。這些材料之間的結(jié)合以及使用功能上的合理分工與協(xié)調(diào)是成功設(shè)計復(fù)合錘頭的關(guān)鍵，這就是所謂的材料相容性，包括功能相容性、工藝相容性和性能相容性三大方面。目前的材質(zhì)匹配模式基本上是錘柄為韌性良好的中低碳鋼或低合金鋼，而端部是高硬度和抗磨性的硬質(zhì)合金、高鉻鑄鐵、超高錳鋼、高硼鑄鐵等。但這種匹配的相容性還有待系統(tǒng)研究。
(2)界面控制。復(fù)合錘頭中兩種材料的界面結(jié)合狀態(tài)是復(fù)合成敗的關(guān)鍵，一般都追求冶金結(jié)合。如何評定界面結(jié)合狀態(tài)目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
習(xí)慣上將界面結(jié)合狀態(tài)分為機(jī)械結(jié)合和冶金結(jié)合兩大類，但很多情況都是冶金結(jié)合與機(jī)械結(jié)合共存。界面結(jié)合狀態(tài)可以考慮用冶金結(jié)合率來表達(dá)，即用發(fā)生冶金結(jié)合的界面面積占總界面面積的百分?jǐn)?shù)來表征結(jié)合狀態(tài)。只要冶金結(jié)合率大于一個臨界值，就可以認(rèn)為結(jié)合良好。這種結(jié)合狀態(tài)的判斷帶有很多主觀性和專業(yè)性，如何簡易直觀地定量表征界面結(jié)合狀態(tài)還需要進(jìn)行深入細(xì)致的研究。
除了結(jié)合狀態(tài)的表征外，結(jié)合狀態(tài)的控制也是一個值得研究的界面問題。
(3)復(fù)合準(zhǔn)則的研究。強(qiáng)化相的尺寸、數(shù)量和分布是復(fù)合材料設(shè)計、制備以及性能評價中的一個關(guān)鍵問題。對于復(fù)合錘頭也是如此。但對于錘頭這樣的大尺度增強(qiáng)體復(fù)合材料而言，復(fù)合準(zhǔn)則又將如何表示是值得研究的一個重要課題。這里，以抗磨性或硬度H為性能指標(biāo)，以抗磨體占復(fù)合錘頭的體積分?jǐn)?shù)為f、以及各組分的硬度H為自變量，其復(fù)合準(zhǔn)則的通式表示為
初步研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從復(fù)合效果角度考慮，存在一個臨界體積分?jǐn)?shù)。但從性能來說，是否也存在一個最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)，這兩個最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)一般來說是不一致的，如何協(xié)調(diào)這種不一致也是需要研究的。
6、結(jié)論
提高破碎機(jī)錘頭使用壽命的有效途徑是采用雙金屬復(fù)合鑄造技術(shù)。分散鑲鑄和流變復(fù)合可以獲得冶金結(jié)合的界面并起到節(jié)約材料、顯著提高壽命的作用，代表了雙金屬復(fù)合錘頭制造技術(shù)的發(fā)展方向。復(fù)合準(zhǔn)則、材質(zhì)相容性和界面結(jié)合狀態(tài)的研究是今后的研究重點(diǎn)。
相關(guān)礦山機(jī)械設(shè)備：
1、
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2、
雷蒙磨粉機(jī)
3、
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