大傾角振動(dòng)給料機(jī)襯板磨損機(jī)理分析

高沙沙

（鄭州城市職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南鄭州 452370）

振動(dòng)給料機(jī)是利用振動(dòng)原理把塊狀、顆粒狀物料從貯料倉(cāng)中均勻、定量、連續(xù)地給到受料裝置中的一種設(shè)備，廣泛應(yīng)用在煤炭、化工、采礦、機(jī)械制造、冶金、建材以及輕工業(yè)等部門，目前正朝著大型化、高效化和節(jié)能化方向發(fā)展[1]。給料機(jī)傾角越大，給料量就越大，所以為了提高振動(dòng)給料機(jī)的產(chǎn)量，通常采用向下傾斜安裝[2]。在大傾角振動(dòng)時(shí)，由于重力的作用，小功耗條件下就可以實(shí)現(xiàn)物料大量快速送出，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減耗的目標(biāo)。但這種情況下給料速度加快，導(dǎo)致襯板的磨損大大增加，襯板的使用壽命直接影響給料機(jī)的正常使用。為此，必須對(duì)大傾角給料機(jī)的襯板進(jìn)行研究，找出適合大傾角給料設(shè)備的襯板。

1 襯板材料的準(zhǔn)備

1.1 襯板材料的選擇

（1）A3 鋼是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中的一種，碳含量為0.14%～0.22%，由于含碳量低，因而塑性韌性好，但強(qiáng)度和硬度低，一般不進(jìn)行熱處理[4]。選用這種材料主要是做磨損分析的對(duì)比。

（2）中碳低合金鋼碳含量為0.38%～0.43%，Cr為0.8%～1.2%，Mn 為0.6%～1.0%，Si 為0.6%～0.9%，經(jīng)淬火和低溫回火使其具有較高的硬度和足夠的韌性[3]。其熱處理工藝如圖1 所示。

圖1 中碳低合金鋼的熱處理工藝

（3）2Cr13 成分含量碳為0.16%～0.24%，Cr 為12%～14%，Mn 為0.5%～1.2%，Si≤0.6%，屬于不銹鋼的一種，由于鉻含量高，也是很好的耐磨材料，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后的2Cr13 沖擊韌性也較高[6]。給料機(jī)在工作的過(guò)程中襯板要能承受物料落到其上的沖擊力，所以選擇這種材料來(lái)做耐磨性對(duì)比。熱處理工藝如圖2 所示。

（4）高鉻鑄鐵成分含量為碳2.7%～3.0%，Cr16%～18%，Mn0.6%～0.9%，Si0.3%～0.8%，Mo2.0%～2.5%，高鉻鑄鐵被譽(yù)為當(dāng)代最優(yōu)良的抗磨料磨損材料之一[5]。其熱處理工藝如圖3 所示。

圖2 2Cr13 的熱處理工藝

圖3 高鉻鑄鐵的熱處理工藝

1.2 襯板材料的硬度和沖擊韌性

測(cè)試的四種襯板材料的硬度和沖擊韌性如表1 所示。

表1 試樣的硬度和沖擊韌性

2 低應(yīng)力磨料磨損試驗(yàn)

2.1 低應(yīng)力磨料磨損試驗(yàn)機(jī)

利用圖4 所示自制的低應(yīng)力磨料磨損試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)定材料的磨損性能。該磨損試驗(yàn)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、圓盤、料倉(cāng)、夾具組成，其結(jié)構(gòu)是電動(dòng)機(jī)輸出軸和減速器連接，減速器輸出軸上連接了一個(gè)圓盤，圓盤上按圓周方向等分固定了四個(gè)夾具，即圓盤上可以裝夾四個(gè)試樣，軸下面是料倉(cāng)。該試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性很強(qiáng)。

圖4 低應(yīng)力磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)

工作時(shí)電動(dòng)機(jī)1 驅(qū)動(dòng)減速器2 轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)圓盤上的夾具4 及試樣5 不斷在料倉(cāng)內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，能夠較真實(shí)的模擬給料機(jī)襯板的工況條件（即物料在材料表面輕輕滑過(guò)）。

2.2 低應(yīng)力磨料磨損的試驗(yàn)結(jié)果

將經(jīng)過(guò)熱處理的四種材料在數(shù)控電火花線切割機(jī)上切出外形尺寸為10mm×10mm×70mm 的長(zhǎng)方體試樣，裝夾在磨損試驗(yàn)機(jī)上，磨料為煤矸石，磨損過(guò)程中需人工不停地將料倉(cāng)中被攪上來(lái)煤矸石翻到料倉(cāng)底部，盡量保持料倉(cāng)中的煤矸石上表面處于高度一致的狀態(tài)，保證磨損的有效性。經(jīng)24 個(gè)小時(shí)的磨損后，取下試樣，并用電子天平對(duì)四種試樣進(jìn)行稱重，得到的磨損失重如表2 所示。

表2 試樣的磨損失重

由表2 得出，高鉻鑄鐵的磨損失重最小，2Cr13 和中碳低合金鋼次之，而A3 鋼的磨損失重最大。

2.3 襯板材料磨損機(jī)理分析

2.3.1 A3 鋼磨損機(jī)理分析

A3 鋼金相組織如圖5 所示。

從圖5 可看出，A3 鋼室溫組織由珠光體和鐵素體組成，白色大塊為鐵素體，黑色條狀或塊狀為珠光體組織，白色大塊上的少量小灰點(diǎn)為先共析鐵素體上析出的三次滲碳體。

A3 鋼磨損表面的形貌如圖6 所示。

從圖6 可以看出，即使在低應(yīng)力磨料磨損下，A3 鋼的磨損已經(jīng)非常嚴(yán)重，磨損表面上根本不能用劃痕來(lái)描述，整個(gè)磨損表面上布滿了切削坑，且相互連接。由于A3 鋼中含碳量少，其強(qiáng)度和硬度低，沒(méi)有熱處理，組織中沒(méi)有高硬的碳化物來(lái)抵抗磨損，主要是疲勞磨損機(jī)理和多次塑變磨損機(jī)理作用的結(jié)果。

圖5 A3 鋼的金相組織

圖6 鋼的磨損形貌

2.3.2 中碳低合金鋼磨損機(jī)理分析

中碳低合金剛熱處理后的金相組織如圖7 所示。

通過(guò)圖7 的觀察，熱處理后的中碳低合金鋼組織中有回火馬氏體、殘余奧氏體，鐵素體、彌散分布的碳化物組成，組織比較均勻。可以說(shuō)硬度是衡量中碳低合金鋼耐磨性的主要依據(jù)。在低應(yīng)力工況條件下，中碳低合金鋼應(yīng)盡量采用高的硬度。中碳低合金鋼磨損表面的形貌如圖8 所示。

中碳低合金鋼組織中有硬度較高的馬氏體和碳化物，能夠抵抗磨料的磨損，組織均勻，在表面上只是有一些直且較窄淺的劃痕，發(fā)生微切削的程度小，耐磨性較好。這主要是微觀切削機(jī)理作用的結(jié)果。

2.3.3 2Cr13 磨損機(jī)理分析

圖9 是2Cr13 經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后的金相組織圖。

圖7 中碳低合金鋼的金相組織

圖8 中碳低合金鋼的磨損形貌

圖9 2Cr13 的金相組織

熱處理后的2Cr13 室溫組織為馬氏體、殘余奧氏體、碳化物，還有少量的粒狀珠光體。高硬的馬氏體組織以及碳化物有效地阻止了磨料的壓入深度，提高了材料的耐磨性。

2Cr13 磨損表面的形貌如圖10 所示。

2Cr13 磨損表面有一些劃痕和犁溝痕。有些磨料在材料表面滑過(guò)，在表面留下劃痕，屬于微觀切削機(jī)理作用的結(jié)果。除了切削磨損，當(dāng)金屬有塑性變形時(shí)，作用力會(huì)推擠金屬溝槽中的部分材料至磨料前端與溝槽兩側(cè)，后續(xù)磨料繼續(xù)被滑推擠出，一旦磨料在表面的運(yùn)動(dòng)受到阻礙，磨料立即改變方向繼續(xù)磨損，形成犁溝痕并在兩側(cè)出現(xiàn)了一定的褶皺，主要是犁溝變形磨損機(jī)理作用的結(jié)果。

2.3.4 高鉻鑄鐵磨損機(jī)理分析

高鉻鑄鐵的金相組織如圖11 所示。

高鉻鑄鐵淬火回火后的金相組織為回火馬氏體+M C 碳化物+二次碳化物+殘余奧氏體，其中M C 碳化物很硬，保證了良好的耐磨性。碳化物呈孤立桿狀或塊狀分布，基本上沒(méi)有破壞基體的連續(xù)性，脆性相受到了硬質(zhì)基體很好的保護(hù)，使得高鉻鑄鐵的韌性有了一定程度的改善。

圖10 2Cr13 的磨損形貌

圖11 高鉻鑄鐵的金相組織

圖12 高鉻鑄鐵的磨損形貌

高鉻鑄鐵磨損表面的形貌如圖12 所示。

高鉻鑄鐵磨損表面上的劃痕較少并且寬度較窄、深度較淺，主要是因?yàn)楦哂驳鸟R氏體組織以及碳化物有效地阻止了磨料的壓入深度，磨損量很小，屬于微觀切削機(jī)理作用的范疇。由于磨料硬度比高鉻鑄鐵高，偶爾看到磨損表面上即將脫落的材料的碎片，是微觀斷裂磨損機(jī)理的表現(xiàn)。

3 襯板材料的選擇結(jié)果

通過(guò)上述對(duì)四種材料的低應(yīng)力磨料磨損試驗(yàn)的綜合對(duì)比分析，得到中碳低合金鋼在適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囅拢浞职l(fā)揮了材料的潛力，具有良好的耐磨性能。2Cr13 耐磨性也較好。雖然高鉻鑄鐵在四種材料中是最耐磨的，但其抗沖擊性差，在沖擊嚴(yán)重的情況下，有斷裂的可能性。雖然中碳低合金鋼不是最耐磨的，但是卻有自身的優(yōu)勢(shì)。從材料的成本而言，它選用了國(guó)內(nèi)礦藏資源豐富的元素，如Si、Mn 和少量的Cr，具有較高的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；而高鉻鑄鐵中含有的合金種類主要以國(guó)內(nèi)礦藏稀缺元素Cr、Mo 為主，2Cr13 的Cr 含量也很高，兩者成本均較高。從熱處理工藝角度考慮，中碳低合金鋼在880℃淬火250℃回火，而高鉻鑄鐵在960℃淬火，因此中碳低合金鋼淬火溫度更低，加熱時(shí)間更短，節(jié)能效果更明顯。因此，實(shí)際生產(chǎn)中選用中碳低合金鋼便于推廣使用。

4 中碳低合金鋼襯板在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用

大傾角振動(dòng)給料機(jī)應(yīng)用在河南省許平煤業(yè)有限公司高莊礦上，使用將近一年，中碳低合金鋼的襯板厚度20mm，磨損低于5mm，襯板沒(méi)有出現(xiàn)變形和開(kāi)裂的現(xiàn)象，提高了使用壽命，減少了停機(jī)檢修的次數(shù)，降低了生產(chǎn)的綜合成本，總體使用效果良好。