隨著新型干法水泥大型裝備技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)5 000t/d、10 000t/d大型干法水泥生產(chǎn)線日益增多。石灰石作為水泥生產(chǎn)的主要原材料，為確保其充足供應(yīng)，大多水泥生產(chǎn)廠家采用大型單段轉(zhuǎn)子錘式破碎機(jī)（臺(tái)產(chǎn)400～1 200t/h，應(yīng)用于一破或粗破）進(jìn)行破碎，外形結(jié)構(gòu)見圖1。破碎后的石灰石入球磨機(jī)研磨，粉磨至一定細(xì)度后出磨，出磨后的石灰石粉與其它輔料一起進(jìn)入旋窯，經(jīng)高溫煅燒后變成水泥熟料，熟料經(jīng)高溫冷卻破碎后入庫貯存，貯存的熟料經(jīng)輥壓機(jī)碾壓后入球磨機(jī)研磨，粉磨至一定細(xì)度后出磨，出磨后的細(xì)粉直接作為水泥成品包裝銷售。
水泥廠用石灰石大多為露天爆破開采，原始?jí)K度尺寸很大（500～1 500mm），由鏟車或裝載車倒入料倉，經(jīng)板鏈機(jī)輸送至破碎機(jī)進(jìn)料口，石灰石落至帶有減震裝置的給料輥上，兩個(gè)同向回轉(zhuǎn)的給料輥將石灰石送入高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上，錘頭以較高的線速度（30～50m/s）打擊石灰石，同時(shí)擊碎或拋起料塊，被拋起的料塊撞擊到反擊襯板上或自相碰撞而再次破碎，然后被錘頭帶入破碎板和出料篦板工作區(qū)繼續(xù)受到打擊和擠壓破碎，直至小于篦縫尺寸（篦縫25～75mm）時(shí)從機(jī)腔下部排出，物料破碎比高達(dá)1∶20～1∶60，由此可見大型石灰石破碎機(jī)的工況條件十分惡劣。
大型石灰石破碎機(jī)關(guān)鍵易磨件的錘頭在工作運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，需要承受大塊物料的強(qiáng)烈沖擊，要求具有良好的沖擊韌性和較高的硬度。由于各水泥生產(chǎn)廠家石灰石品質(zhì)、轉(zhuǎn)速、進(jìn)料粒度、物料綜合水分等方面的差異較大，同樣材質(zhì)錘頭的使用壽命差異很大，短則幾天就磨損完，長則幾年運(yùn)轉(zhuǎn)良好。由此可見，在成本最低和效率最高的情況下，選擇適合自己破碎機(jī)工況條件材質(zhì)的錘頭就顯得十分關(guān)鍵。
大型石灰石破碎機(jī)錘頭重量約80～150kg，外形見圖2。目前常用的錘頭材質(zhì)主要有高錳鋼、超高錳鋼、雙金屬液熱復(fù)合三大類，通過特殊的生產(chǎn)工藝而衍生的材質(zhì)10余種。如有高錳鋼（Mn13）、合金高錳鋼（Mn13CrMo）、高錳鋼工作表面堆焊耐磨層、高錳鋼鑲鑄高鉻合金鑄鐵、高錳鋼鑲鑄鋼結(jié)硬質(zhì)合金、超高錳鋼（Mn18CrMo）、超高錳鋼工作表面堆焊耐磨層、超高錳鋼鑲鑄高鉻合金鑄鐵、超高錳鋼鑲鑄鋼結(jié)硬質(zhì)合金、雙金屬液熱復(fù)合。
1 高錳鋼類錘頭及適應(yīng)工況條件
1.1 高錳鋼
高錳鋼是傳統(tǒng)的耐磨材料，距今已有100多年的歷史。高錳鋼鑄態(tài)組織為奧氏體和部分碳化物。碳化物數(shù)量多時(shí)會(huì)在晶界上以網(wǎng)狀出現(xiàn)，嚴(yán)重割裂基體組織，降低了基體組織的韌性；但經(jīng)過水韌處理后，基體組織完全奧氏體化，塑性和韌性大大提高，化學(xué)成分及性能見表1。在較大的沖擊或接觸應(yīng)力的作用下，高錳鋼表層奧氏體組織發(fā)生相變硬化和加工硬化，原始硬度由HB180～200迅速上升到HB450～500，耐磨性得到極大的提高。
外載荷越大，高錳鋼表層加工硬化程度越高；但從表面向內(nèi)的變形程度逐漸減少，加工硬化程度逐漸降低；因此加工硬化層的下面仍是奧氏體組織，它與硬化層牢固地結(jié)合在一起，具有良好的抗磨料犁削磨損性能和較好的抗沖擊疲勞性能。當(dāng)表層硬化層逐漸被磨耗的同時(shí)，在強(qiáng)烈外載荷的作用下，硬化層不斷向內(nèi)發(fā)展，始終維持穩(wěn)定的硬化層，具有較好的抗磨性能。
1.2 合金化高錳鋼
為了進(jìn)一步提高高錳鋼的耐磨性能，在保留足夠韌性的前提下，對高錳鋼進(jìn)行合金化處理，研制了改性合金高錳鋼。如單獨(dú)或復(fù)合加入Cr、Mo、V等，改善高錳鋼的屈服強(qiáng)度、奧氏體加工硬化能力、晶粒細(xì)化度、彌散強(qiáng)化程度等，進(jìn)一步提高高錳鋼的使用壽命。
Cr是強(qiáng)擴(kuò)散元素，影響碳的擴(kuò)散過程，提高奧氏體的穩(wěn)定性、屈服強(qiáng)度和淬透性。Cr是較強(qiáng)的碳化物形成元素（與Mn比較），能形成比（Fe·Mn）3C更穩(wěn)定的（Fe·Cr）3C型合金滲碳體。當(dāng)Cr含量超過2.5％時(shí)，基體組織韌性急劇下降。高溫時(shí)，Mo固溶奧氏體，冷卻凝固后部分固溶于體中，部分分布在碳化物中，改善奧氏體沿樹枝晶發(fā)展的傾向，抑制過冷奧氏體分解，提高奧氏體的穩(wěn)定性。合金化高錳鋼經(jīng)過沉淀強(qiáng)化熱處理，晶粒細(xì)化，奧氏體晶界基本無碳化物出現(xiàn)。雖然基體上有部分碳化物，但呈細(xì)小顆粒狀均勻彌散分布，是奧氏體基體的強(qiáng)化相，大大提高了合金高錳鋼的耐磨性。
1.3 高錳鋼工作表面堆焊耐磨層
隨著表面堆焊技術(shù)的發(fā)展，研制了高錳鋼工作表面堆焊耐磨層錘頭。堆焊時(shí)，在高溫脆性區(qū)，晶界周圍易產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶體，如Fe+FeS（熔點(diǎn)985℃）、FeS+FeO（熔點(diǎn)940℃）及Fe+Fe3P（熔點(diǎn)1 050℃）等。由于高錳鋼的線膨脹系數(shù)大（約為低碳鋼的1.3倍），導(dǎo)熱系數(shù)低（約為低碳鋼的1/5），焊接時(shí)易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，易發(fā)生過熱現(xiàn)象；降低了焊接接頭和焊縫的韌性，同時(shí)易產(chǎn)生熱裂紋。
奧氏體基體組織受熱至300℃以上時(shí)，碳化物會(huì)沿晶界析出，破壞了奧氏體組織的完整性，晶界碳化物的聚集會(huì)使高錳鋼脆化。為避免高錳鋼基體性能惡化，基本上采用“冷焊”工藝，即采用各種方法使高錳鋼基體在焊接過程中保持在較低溫度，減少基體在300℃以上的停留時(shí)間。針對高錳鋼錘頭堆焊后不進(jìn)行水韌處理的工況，為降低焊接時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，采用堆焊層組織結(jié)構(gòu)逐漸過渡（母材+中間過渡層+耐磨層）的復(fù)合堆焊技術(shù)方案，確保焊接接頭和焊縫具有足夠的韌性。堆焊后耐磨層金屬（耐磨層厚約5～10mm）的硬度為HRC55～60，使用壽命大大提高。
1.4 高錳鋼鑲鑄高鉻合金鑄鐵、鑲鑄鋼結(jié)硬質(zhì)合金
高錳鋼韌性高，抗強(qiáng)烈沖擊能力高。高鉻合金鑄鐵合金含量高，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗螅浣M織為：M7C3型碳化物+馬氏體+彌散分布的二次碳化物+殘余奧氏體，宏觀硬度達(dá)HRC60以上，抗磨損能力強(qiáng)。鋼結(jié)硬質(zhì)合金是以難熔金屬碳化物（主要是TiC、WC）作硬質(zhì)相，以碳鋼為粘結(jié)相，用粉末冶金法制取的復(fù)合材料。其組織特點(diǎn)是，微細(xì)的硬質(zhì)相晶粒均勻彌散地分布于碳鋼基體中，具有較高的抗磨損性能。為充分發(fā)揮高錳鋼優(yōu)良的抗沖擊性能和高鉻合金鑄鐵（或鋼結(jié)硬質(zhì)合金）較強(qiáng)的抗磨損性能，采用鑲鑄生產(chǎn)工藝見圖3，將兩種材料有機(jī)地結(jié)合在一起，經(jīng)水韌處理后，獲得具有較高綜合性能和抗磨損性能的復(fù)合新材料。
具體鑲鑄生產(chǎn)工藝過程為：在型腔某部位預(yù)先放人具有良好耐磨性的預(yù)制塊（高鉻合金鑄鐵或鋼結(jié)硬質(zhì)合金），然后向型腔內(nèi)澆注具有良好韌性的母液（高錳鋼），通過母液強(qiáng)烈的熱作用，使鑲塊與母液接觸的界面上在一定的時(shí)間內(nèi)處于熔化或溶解狀態(tài)并發(fā)生元素的相互擴(kuò)散及冶金反應(yīng)，冷凝后，鑲塊與母材牢同的熔焊為一體。
綜上所述，高錳鋼、合金高錳鋼、高錳鋼工作表面堆焊耐磨層錘頭適合石灰石品質(zhì)較高（石灰石中硅含量≤2%，抗壓強(qiáng)度≤120MPa）、錘頭線速度較高（35～40m/s）、進(jìn)料粒度較大（800～1 000mm）、物料綜合水分高（≥2%）的工況條件。高錳鋼鑲鑄高鉻合金鑄鐵、鑲鑄鋼結(jié)硬質(zhì)合金錘頭適合石灰石品質(zhì)較差（石灰石中硅含量≥2%，抗壓強(qiáng)度≥120MPa）、轉(zhuǎn)速較低（30～35m/s）、進(jìn)料粒度較小（500～800mm）、物料綜合水分較低（≤2%）的工況條件。
2 超高錳鋼類錘頭及適應(yīng)工況條件
2.1 超高錳鋼類錘頭
超高錳鋼是近年來在普通高錳鋼（Mn13）標(biāo)準(zhǔn)成分的基礎(chǔ)上通過提高碳、錳的含量發(fā)展而來的。它是在錳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）增加到l4%～18％的同時(shí)，加入1%～3％的Cr和適量的Ti、V、Mo等合金強(qiáng)化元素，化學(xué)成分及性能見表2。超高錳鋼的形變強(qiáng)化能力（加工硬化率）比普通高錳鋼要好，相同形變量下，超高錳鋼比普通高錳鋼有更高的形變硬度。如變形20％時(shí)在，普通高錳鋼形變硬度約為360HB，而超高錳鋼形變硬度可達(dá)到400HB。在抵抗強(qiáng)沖擊、大壓力作用下的磨料磨損或鑿削磨損方面，超高錳鋼的使用壽命是普通高錳鋼1.5～2倍。
超高錳鋼具有顯著的加工硬化特點(diǎn)。鑄態(tài)的超高錳鋼經(jīng)過水韌處理后形成單一的奧氏體組織，硬度僅為l70～220HB，但是經(jīng)過形變后出現(xiàn)顯著加工硬化現(xiàn)象，其顯微組織出現(xiàn)許多滑移帶，甚至出現(xiàn)晶粒扭曲、滑移帶彎曲或滑移臺(tái)階，形變層的硬度可以達(dá)到500～800HB，硬化層的深度可以達(dá)到10～20mm。
這個(gè)深度及曲線的形狀與所承受的沖擊載荷、化學(xué)成分以及機(jī)械性能等因素有關(guān)。硬化層的高硬度和良好韌性，使其具有了優(yōu)良的抗磨性能。
為了進(jìn)一步提高超高錳鋼的耐磨性能，在保留足夠韌性的前提下，相繼研制了超高錳鋼工作表面堆焊耐磨層、超高錳鋼鑲鑄高鉻合金鑄鐵、超高錳鋼鑲鑄鋼結(jié)硬質(zhì)合金錘頭，其生產(chǎn)工藝和制作流程與相應(yīng)高錳鋼材質(zhì)錘頭類似，不再累述。
2.2 適應(yīng)工況條件
綜上所述，超高錳鋼、超高錳鋼工作表面堆焊耐磨層錘頭適合石灰石品質(zhì)較高（石灰石中硅含量≤2%，抗壓強(qiáng)度≤120MPa）、錘頭線速度很高（40～50m/s）、進(jìn)料粒度很大（1 000～1 500mm）、物料綜合水分較高（≥2%）的工況條件。超高錳鋼鑲鑄高鉻合金鑄鐵、鑲鑄鋼結(jié)硬質(zhì)合金錘頭適合石灰石品質(zhì)較差（石灰石中硅含量≥2%，抗壓強(qiáng)度≥120MPa）、轉(zhuǎn)速較高（35～40m/s）、進(jìn)料粒度較大（800～1 000mm）、物料綜合水分較低（≤2%）的工況條件。
3 雙金屬液熱復(fù)合錘頭及適應(yīng)工況條件
3.1 雙金屬液熱復(fù)合錘頭
為解決單一材料韌性和硬度的矛盾，提高錘頭的抗磨性能，研制了新型抗磨材料-雙金屬液熱復(fù)合錘頭，化學(xué)成分及性能見表3。采用雙金屬液熱復(fù)合鑄造生產(chǎn)工藝，成功地將具有高硬度的高鉻合金鑄鐵（錘頭工作部位）與具有良好韌性、可加工性的鑄鋼（錘頭柄部）有機(jī)地結(jié)合在一起，具有單一金屬材料難以達(dá)成的優(yōu)良耐磨性和抗沖擊的整體綜合性能。
利用雙金屬液熱復(fù)合鑄造工藝生 產(chǎn)的高鉻合金鑄鐵/ZG35雙金屬破碎機(jī)錘頭成功應(yīng)用于強(qiáng)沖擊工況條件，并取得較好的使用效果，其鑄造工藝見圖3。雙金屬液熱復(fù)合鑄造工藝生產(chǎn)過程關(guān)鍵控制為：在不使其混合的情況下，使兩種金屬熔為一體；同時(shí)要形成盡可能大的熔合面積，增加兩種材料的粘結(jié)程度。為此，采取了如下措施：結(jié)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，確保結(jié)合面的位置不變；為防止在澆注高鉻合金鑄鐵時(shí)，ZG35被沖混，高鉻合金鑄鐵澆口設(shè)在C、D處，以求水頭平穩(wěn)。
雙金屬液復(fù)合鑄造工藝的成敗關(guān)鍵在于兩種金屬的界面熔合優(yōu)劣和熔合強(qiáng)度的高低，界面熔合狀態(tài)分為冶金熔合和機(jī)械熔合兩大類。因?yàn)橐苯鹑酆蠌?qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度，一般都追求冶金熔合狀態(tài)，但很多情況都是冶金熔合與機(jī)械熔合共存。界面熔合狀態(tài)可以用冶金熔合率來表征，即發(fā)生冶金熔合的界面面積占總界面面積的百分?jǐn)?shù)。只要冶金熔合率大于一個(gè)臨界值，就可以認(rèn)為熔合良好。熔合狀態(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熔合狀態(tài)還需要進(jìn)行深入細(xì)致的研究。
3.2 適應(yīng)工況條件
綜上所述，雙金屬液復(fù)合錘頭適合適合石灰石品質(zhì)較差（石灰石中硅含量≥2%，抗壓強(qiáng)度≥120MPa）、錘頭線速度較低（30～35m/s）、進(jìn)料粒度較小（500～800mm）、物料綜合水分較低（≤2%）的工況條件。
4 錘頭失效分析與整改措施
4.1 化學(xué)成分
主要元素（C、Cr、Si、Mn）匹配不合理或有害元素（S、P）含量超標(biāo)時(shí)，錘頭的機(jī)械性能大大降低，輕則磨損嚴(yán)重，重則錘頭斷裂。實(shí)際生產(chǎn)制造過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制原材料有害成分，優(yōu)化匹配主要元素化學(xué)成分，以獲得優(yōu)良的綜合性能。
4.2 生產(chǎn)工藝
鑄造工藝控制不當(dāng)時(shí)，錘頭表面或內(nèi)部存在夾渣、縮孔、裂紋、等鑄造缺陷，降低了錘頭的機(jī)械性能，嚴(yán)重時(shí)造成錘頭斷裂。采取平做立澆（或者傾斜澆注）、合理使用外冷鐵和發(fā)熱冒口、嚴(yán)格控制澆鑄溫度和澆注速度等措施，形成良好的凝固順序和補(bǔ)縮條件，獲得致密的內(nèi)部組織。
熱處理工藝制訂不當(dāng)時(shí)，錘頭基體組織中析出大量的網(wǎng)狀碳化物，嚴(yán)重割裂基體組織，大大降低基體抗沖擊性能，嚴(yán)重時(shí)造成錘頭斷裂。應(yīng)根據(jù)錘頭的材質(zhì)特性，合理選擇淬火溫度、保溫時(shí)間和淬火介質(zhì)，嚴(yán)格控制升溫速度和冷卻速度，在保證錘頭具有足夠沖擊韌性的前提下，均勻彌散析出一定數(shù)量的具有較高硬度的碳化物，作為基體的強(qiáng)化相，大大提高錘頭的耐磨性。
4.3 使用工況
石灰石品質(zhì)、錘頭線速度、進(jìn)料粒度、物料綜合水分等使用工況條件變化較大時(shí)，錘頭材質(zhì)未及時(shí)調(diào)整，輕則磨損嚴(yán)重，重則錘頭斷裂。生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)子石灰石品質(zhì)、轉(zhuǎn)速、進(jìn)料粒度、物料綜合水分等使用工況條件的變化程度，及時(shí)調(diào)整錘頭的材質(zhì)，延長錘頭的使用壽命。
5 結(jié) 語
（1）石灰石破碎機(jī)錘頭在工作運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，需要承受大塊物料的強(qiáng)烈沖擊，要求具有良好的沖擊韌性和較高的硬度。
（2）由于石灰石品質(zhì)、轉(zhuǎn)速、進(jìn)料粒度、物料綜合水分等方面的差異，同樣材質(zhì)錘頭的使用壽命差異很大，因此選擇合適材質(zhì)的錘頭十分關(guān)鍵。
（3）石灰石破碎機(jī)錘頭材質(zhì)主要有高錳鋼、超高錳鋼、雙金屬液熱復(fù)合三大類，通過特殊的生產(chǎn)工藝而衍生的材質(zhì)多達(dá)10余種。
（4）石灰石破碎機(jī)錘頭的失效主要由化學(xué)成分、生產(chǎn)工藝和使用工況三方面原因引起。
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