德興銅礦是亞洲最大的銅礦，其大山和泗洲2座選廠共擁有各種類型的圓錐破碎機(jī)28臺，其中消耗量最大的易損件是破碎機(jī)襯板。由于負(fù)荷大，工作條件惡劣，襯板使用壽命較短，因此，研究提高圓錐破碎機(jī)襯板使用壽命就成為迫切需要解決的課題。
    提高圓錐破碎機(jī)的襯板使用壽命，首先必須了解造成磨損的原因，磨損失效分析就是解決這些問題的前提。同時(shí)，通過磨損失效分析，能夠進(jìn)一步弄清圓錐式破碎機(jī)襯板的磨損機(jī)理，從而為其合理選材及研制材料奠定基礎(chǔ)。
1、工況條件
1.1  礦石巖相特性
    德興銅礦礦區(qū)內(nèi)的礦石根據(jù)礦體巖石種類的不同，可分為斑巖型和千枚巖型礦石，礦量之比為1：3。礦區(qū)內(nèi)有氧化礦石、混合礦石和原生硫化礦石3種工業(yè)類型，以硫化礦石為主，約占質(zhì)量的99%以上，屬易選礦石。
1.2礦石硬度
    德興銅礦礦石硬度一般為廠=5～8之間，屬中硬礦石。干枚巖類型礦石的抗壓強(qiáng)度平均為84.8 MPa，花崗閃長斑巖類型礦石的抗壓強(qiáng)度平均為109.2 MPa。
2取樣
    磨損失效分析的關(guān)鍵一步是對磨損面進(jìn)行形貌分析，因此樣品必須取自磨損殘?bào)w新鮮的磨損表面。我們所采樣的動(dòng)錐體（襯板）是剛從圓錐破碎機(jī)上拆卸下來，并及時(shí)運(yùn)回。
失效的動(dòng)（錐體）襯板，經(jīng)過氧一乙炔焰切割成大塊試樣，從上至下取出4塊試樣。試樣的大小要保證取樣部位不受熱影響。再通過線切割加工在大塊試樣中心部位取出供掃描電鏡觀察磨損形貌的試樣。試樣尺寸約為10 mm×10 mm×10 mm，并取出1塊試樣測度由表面向內(nèi)的顯微硬度的變化。
    試樣的觀察在S - 2700型掃描電鏡上進(jìn)行。電鏡觀察前，試樣采用超聲波進(jìn)行清洗。
    動(dòng)錐體（襯板）的化學(xué)成分如表1所示。
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論
3.1  磨損形貌與磨損機(jī)制
    圓錐破碎機(jī)動(dòng)襯板、靜襯板與被磨礦石之間形成三體磨料磨損，襯板的表面處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。礦石在巨大的彈簧壓應(yīng)力作用下，對襯板局部表面產(chǎn)生巨大的壓應(yīng)力，同時(shí)動(dòng)錐體高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生巨大的切應(yīng)力，兩者同時(shí)作用，對襯板產(chǎn)生鑿削、切削和擠壓而形成沖擊抗，如圖1和圖2所示。
    從圖1的磨損形貌可見，圓錐破碎機(jī)動(dòng)襯板作偏心自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其偏轉(zhuǎn)至固定襯板時(shí)，給破碎的礦石巨大的沖擊載荷，使襯板受到擠壓而產(chǎn)生塑性變形。在多次反復(fù)塑性變形情況下，襯板形成眾多的擠壓（沖擊）坑，如圖2所示。
    同時(shí)，承受巨大載荷的礦石，又使襯板受到擠壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力。擠壓應(yīng)力使動(dòng)襯板產(chǎn)生塑性變形。在多次反復(fù)塑性變形情況下，襯板表面形成眾多的擠壓（沖擊）坑，如圖3所示，同時(shí)，在擠壓坑底部，經(jīng)過反復(fù)擠壓，產(chǎn)生形變強(qiáng)化，塑性耗盡而形成脆性斷裂，其形貌如圖4所示。
    進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，在巨大擠壓應(yīng)力作用下，礦石擠壓襯板表面。由于礦石的普氏硬度廠值較低，而廠值實(shí)際反映了礦石的耐壓強(qiáng)度，R為耐壓強(qiáng)度），因此礦石耐壓強(qiáng)度低，斷裂強(qiáng)度也低，容易斷裂。礦石斷裂后，由于襯板硬度較低，而被擠壓于坑底部，如圖5所示。
    同時(shí)，在動(dòng)錐體旋轉(zhuǎn)時(shí)，礦石與襯板之間相互產(chǎn)生剪切應(yīng)力。滑動(dòng)的礦石及被擠壓于坑底部的礦石對襯板表面進(jìn)行鑿削和切削，如圖6所示。因此，圓錐式破碎機(jī)襯板在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，同時(shí)存在鑿削、切削與擠壓（沖擊）坑3種磨損形式。至于3種磨損形式所占比例，既與礦石受力情況和大小有關(guān)，也與反映礦石耐壓強(qiáng)度的普氏硬度f值有關(guān)。
    需要指出，圓錐破碎機(jī)破碎力大，轉(zhuǎn)速又高，襯板在巨大的壓縮與剪切壓力作用下，承受周期性的接觸疲勞載荷，在亞表層極易產(chǎn)生疲勞裂紋而導(dǎo)致疲勞剝落，因此疲勞剝落也是破碎機(jī)襯板磨損失效因素之一。
    綜上所述，圓錐破碎機(jī)襯板的磨損機(jī)制為：切削磨損、塑變磨損與疲勞磨損3種共存。隨著工況條件的不同，特別是礦石普氏硬度廠值的不同，3種磨損機(jī)制所占比例有所不同。
3.2襯板表面硬化
    由于所采樣的動(dòng)錐體（襯板）的材料為高錳鋼，在圓錐破碎機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中襯板承受巨大的沖擊載荷，使其產(chǎn)生良好的加工硬化效果，如表2所示。
    由表2測試結(jié)果可見，圓錐式破碎機(jī)襯板在破碎礦石中承受巨大的沖擊載荷，襯板表面的硬度Hv可高達(dá)500以上，但硬化深度僅在2 mm之內(nèi)。因而要求襯板具有良好的韌性和足夠的強(qiáng)度，以抵抗巨大的沖擊載荷而導(dǎo)致碎裂。
    同一襯板不同部位的表面硬化值不相同，這表明了襯板不同部位受力不同，礦石的大小也不同。動(dòng)襯板上部（小頭）受到大塊礦石的沖擊，因而硬化值最高；而動(dòng)襯板下部（大頭），礦石已經(jīng)破碎，其表面硬化值較低。
4、材質(zhì)的選擇
    根據(jù)上述磨損形貌與磨損機(jī)制的分析，圓錐破碎機(jī)襯板既要求具有很高的表面硬度，以抵抗礦石的鑿削和切削，又要求具有很高的強(qiáng)度與韌性，提高抵抗巨大沖擊載荷和低周疲勞的能力，不致于破碎和斷裂。因此，圓錐破碎機(jī)襯板所選用材質(zhì)的基本要求是在保證襯板不碎裂的前提下，盡量提高其表層硬度，提高其抗切削磨損能力。由于高錳鋼具有良好的塑性與韌性，以及其它耐磨材料無可比擬的高的加工硬化能力，因而高錳鋼仍是圓錐破碎機(jī)襯板的首選材料。但由于破碎機(jī)功率的不斷提高，破碎比增大，石品位不斷降低，特別是德興銅礦屬于貧礦，一般高錳鋼難以滿足生產(chǎn)要求。因此就需要在更好發(fā)揮高錳鋼的固有特性，保證高錳鋼具有合適的塑性與韌性前提下，提高高錳鋼初始硬度以及提高其加工硬化速率。據(jù)此，我們在普通高錳鋼成分基礎(chǔ)上，考慮合金化處理，提高高錳鋼的強(qiáng)度與硬度，并在奧氏體基礎(chǔ)上均勻分布相當(dāng)數(shù)量的高硬度質(zhì)點(diǎn)，以改善襯板的磨損形式，減緩磨損速率。然而，高錳鋼加入合金元素，雖有利于強(qiáng)度和硬度的提高，但必然導(dǎo)致塑性與韌性的降低。因此，合金元素加入量必須適量，以避免過度降低塑性與韌性而導(dǎo)致破碎的發(fā)生。筆者建議采用CrMoVTiRe高錳鋼，其化學(xué)成分如表3所示。
    試驗(yàn)結(jié)果表明：CrMoVTiRe高錳鋼的初始硬度可以達(dá)到HB 260左右，有利于提高切削磨損抗力。但合金元素的加入，特別是碳化物形成元素的加入，必然導(dǎo)致未溶碳化物數(shù)量增加，使塑性與韌性較普通高錳鋼有一定程度的降低。
    在重視高錳鋼合金化的同時(shí)，千萬不可忽視冶金質(zhì)量的提高，特別是降低含磷量及夾雜物數(shù)量，這對于提高高錳鋼襯板的使用壽命是一條既經(jīng)濟(jì)又方便的途徑。在水韌處理時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制水韌性處理溫度，出入水時(shí)間以及水溫等熱處理工藝參數(shù)，以使未溶碳化物及析出碳化物數(shù)量控制在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。
    需要指出的是：在重視圓錐破碎機(jī)襯板材質(zhì)的同時(shí)，更不應(yīng)忽視鑄造工藝的制定。圓錐破碎機(jī)襯板壁厚較大，細(xì)碎襯板最大壁厚可達(dá)200 mm，如果采用普通砂型鑄造，冷卻速度較慢，再加上不嚴(yán)格控制澆鑄溫度，使高錳鋼襯板的晶粒較粗大。由于晶粒粗大，放大到100倍僅觀察到一個(gè)晶粒，故只放大到50倍，因此無法按照GB6394國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定。而晶粒細(xì)化，將有利于襯板使用壽命的提高。所以在鑄造工藝上建議采用金屬型覆砂、降低澆注溫度，將有利于高錳鋼襯板晶粒的細(xì)化。
5、初步結(jié)論
    (1)鑿削、切削與擠壓（沖擊）坑是圓錐式破碎機(jī)襯板的主要磨損失效方式，低周疲勞導(dǎo)致的疲勞剝落也是其失效因素之一。
    (2)在保證圓錐式破碎機(jī)襯板不破碎與斷裂的前提下，采用CrMoVTiRe高錳鋼，既能使其初始硬度有較大幅度提高，以提高其磨損抗力，又可使其塑性和韌性降低幅度較少，以保證運(yùn)轉(zhuǎn)安全。


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