ANALYSISONTHEAPPLICATIONEFFECTOFHIGH HARDNESSWEAR-RESISTANTMATERIALSINBLADE MANUFACTURING
Sun Xiaoling
(JinrunIntelligent ManufacturingPlant,PlateDivision,Nanjing IronandSteelCo.,Ltd.Nanjing21Oo35,China)
Abstract:The articleprimarily explores the application effects ofhigh-hardnesswear-resistant materials in blade manufacturingforconstruction machinery.Byconductingan in-depthanalysis of material selectioncriteria and issues encountered during practical applicationsacross diferent scenarios,andcombining performance test results,it evaluates theadvantages of high-hardnesswear-resistant materialsover traditional materials.Furthermore,the application value ofhigh-hardnesswear-resistantmaterials iscomprehensivelyconsideredfromboth economic benefitsandenvironmental impact perspectives,providing theoretical basis and technical support for future material selection. Key words: high hardness wear-resistant material; blade; construction machinery; performance test
0引言
隨著工業(yè)技術的發(fā)展,對于機械部件的要求越來越高,特別是在工程機械行業(yè)中,刀板作為關鍵零部件之一,其材質的性能直接影響到設備的工作效率和使用壽命。傳統(tǒng)的刀板材料由于硬度不夠或耐磨性不足,在使用過程中容易出現(xiàn)磨損嚴重、壽命短等問題。近年來,高硬度耐磨材料因其優(yōu)異的物理化學性質而逐漸成為刀板制造領域的首選材料。
1高硬度耐磨材料概述
高硬度耐磨材料是指那些具有高硬度、良好抗磨損能力以及適當韌性的合金材料或復合材料。這類材料主要包括但不限于:高速鋼、硬質合金、陶瓷基復合材料等。
高速鋼是一種含有鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的工具鋼,其特點是具有較高的紅硬性(即高溫下仍能保持硬度),適用于高速切削。常用的高速鋼牌號有M2、M42等,它們不僅硬度高(HRC62-65),而且具有良好的韌性,非常適合用于制造要求既有高硬度又有較好韌性的刀具和刀板。
硬質合金主要由硬質相(如WC)和粘結金屬(如Co)組成,通過粉末冶金方法制備而成。硬質合金的特點是硬度極高(HRC88-92),耐磨性好,能夠承受較高的工作壓力和溫度,特別適用于制作需要高耐磨性和高硬度的零部件,如礦山設備中的破碎刀板。
陶瓷基復合材料是由陶瓷基體和增強體(如纖維、顆粒等)組成的復合材料,具有很高的硬度和良好的耐熱性能。雖然這類材料的韌性較差,但在某些特定應用場合,如需要極高硬度和耐磨性的環(huán)境中,它們依然有著廣泛的應用前景。
這些高硬度耐磨材料不僅能夠承受較高的工作壓力,而且能夠在惡劣的工作環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。因此,它們被廣泛應用于要求苛刻的工業(yè)領域,如礦山機械、建筑機械、農業(yè)機械等,極大地提升了設備的可靠性和使用壽命。
2高硬度耐磨材料在刀板中的應用
2.1應用案例分析
在不同的工業(yè)場景中,刀板所面臨的工況條件差異很大,這就要求在選擇刀板材料時需充分考慮其使用環(huán)境的具體要求。例如,在礦山開采和礦石加工行業(yè),刀板主要用于破碎堅硬的巖石和礦物,這就需要刀板材料具有極高的抗沖擊性和耐磨性。在這種情況下,硬質合金(如鎢鈷類硬質合金WC-Co)成為了理想的選擇。硬質合金不僅硬度極高(通常HRC88-92),能夠有效地抵抗堅硬物料的磨損,而且其內部的鈷相還能提供必要的韌性,保證刀板在受到強烈沖擊時不易斷裂。
另一方面,在木材加工行業(yè)中,刀板的主要任務是對木材進行切割或刨削。由于木材相對于礦石來說硬度較低,因此對于刀板的抗沖擊性要求并不像在礦業(yè)中那樣嚴格。相反,為了確保切割效率和表面光潔度,刀板需要保持一定的鋒利度和韌性。此時,高速鋼(如M2、M42等牌號)就成為了一種常見的選擇。高速鋼不僅能夠達到足夠的硬度(HRC62-65)以保證鋒利的切割邊緣,同時也具有較好的韌性,使其在快速切削過程中不易崩刃。
2.1.1 應用實例
礦石破碎機刀板:某礦山企業(yè)在其破碎機上安裝了采用硬質合金制成的刀板。經過一段時間的使用后,發(fā)現(xiàn)該材料的耐磨性顯著優(yōu)于之前的工具鋼刀板(如H13,硬度HRC55左右)。通過試驗對比發(fā)現(xiàn),硬質合金刀板的平均磨損率降低了約30% ,同時其工作壽命也至少提高了 50% 以上。然而,初期也遇到了一些問題,主要是由于硬質合金與破碎機內其他部件之間的配合度不高,導致機器運轉時產生異常噪音。通過調整硬質合金的成分比例(例如增加WC含量至 12% ),并優(yōu)化熱處理工藝(如采用真空熱處理),最終解決了這一問題,使設備運行更為平穩(wěn)。
木材切割鋸片:一家家具制造企業(yè)為其生產線上的木料切割設備配備了由高速鋼M2制成的刀板。相比于之前使用的碳素工具鋼(如1095鋼,硬度HRC58左右),新的刀板在保證足夠硬度的同時,還展現(xiàn)出了更好的韌性,這使得刀板在高速旋轉條件下也不易發(fā)生斷裂。盡管高速鋼的成本高于碳素工具鋼,但考慮到它能顯著減少停機時間和維護頻率,整體來看還是值得的。試驗結果顯示,高速鋼刀板的平均磨損率降低了約 20% ,且工作壽命提高了近 40% 。
2.1.2 解決實際應用中的問題
實際操作中,經常會因為材料選擇不當或者加工工藝不合理而導致刀板性能下降。例如,如果在需要極高硬度的應用場景中選擇了韌性較高的材料,那么可能會因為硬度不足而導致磨損加??;相反,如果在需要良好韌性的場合選擇了過于脆硬的材料,則可能導致刀板易碎。針對這些問題,通常的做法是通過調整材料配方、改進熱處理工藝等方式來優(yōu)化材料性能,從而更好地適應具體的應用需求。
2.2性能測試與評估方法
為了驗證所選材料是否符合預期的應用要求,必須對其進行一系列嚴格的性能測試。這些測試不僅有助于了解材料的基本特性,還可以為材料的優(yōu)化設計提供數(shù)據(jù)支持。
2.2.1 測試標準
常用的測試標準包括ASTM(美國材料與試驗協(xié)會)和ISO(國際標準化組織)兩大體系。其中,ASTME10規(guī)定了洛氏硬度的測定方法,ISO6506則詳細描述了布氏硬度測試的標準流程。此外,還有專門用于評價材料耐磨性能的標準,如ASTMG65和ISO 2062。
2.2.2 測試設備
進行性能測試所需的設備多種多樣,例如洛氏硬度計用于測量材料的硬度值;摩擦磨損試驗機則用于模擬實際工況條件下的磨損情況,以此來評估材料的耐磨性能。此外,沖擊試驗機可用于測試材料的韌性,即其在受到外力作用時吸收能量而不發(fā)生破壞的能力。
2.2.3 主要性能指標及其測量方式
硬度(HRC):硬度是衡量材料抵抗局部塑性變形能力的一個重要指標。通過洛氏硬度計測定,得到的硬度值越高,說明材料越難被壓入或劃傷。例如,硬質合金WC-Co的硬度可達HRC88-92,而高速鋼M2的硬度約為HRC62-65。
耐磨性(以重量損失表示):耐磨性是指材料抵抗因摩擦而引起的表面損傷的能力。在實驗室條件下,通常會將待測材料置于特定的磨損裝置中進行摩擦試驗,然后根據(jù)試驗前后材料的質量變化來計算其耐磨指數(shù)。例如,在ASTMG65磨損測試中,硬質合金WC-Co的重量損失遠低于工具鋼H13。
韌性(沖擊強度):韌性反映了材料在外力作用下吸收能量并產生塑性變形而不破裂的能力。沖擊試驗通常采用夏比缺口沖擊試樣法(CharpyV-notchtest),通過測量試樣斷裂時所吸收的能量來評價材料的韌性。例如,高速鋼M2在夏比試驗中的吸收能量通常高于碳素工具鋼1095。
3 應用效果分析
3.1效果對比研究
與傳統(tǒng)材料相比,高硬度耐磨材料在刀板制造中的應用帶來了顯著的技術進步。這些材料通常具有更高的硬度、更強的耐磨性和更長的使用壽命,這對于提升機械設備的整體性能至關重要。
3.1.1 硬度與耐磨性
硬度是衡量材料抵抗局部塑性變形能力的關鍵指標,而耐磨性則是材料抵抗因摩擦而引起表面損傷的能力。高硬度耐磨材料通過其獨特的微觀結構和強化機制,如細晶強化、第二相粒子強化等手段,實現(xiàn)了比傳統(tǒng)材料更高的硬度值。這意味著在相同的工作條件下,采用這種材料的刀板能夠更好地抵抗外部應力的作用,減少表面的磨損和損傷。
為了驗證高硬度耐磨材料相對于傳統(tǒng)材料的優(yōu)勢,設計實驗步驟:
1)準備兩種材料的刀板樣品,一種為高硬度耐磨材料(如硬質合金WC-Co),另一種為傳統(tǒng)材料(如工具鋼H13)。
2)使用洛氏硬度計(ASTME10)分別測量兩種材料的硬度值,并記錄數(shù)據(jù)。
3)使用摩擦磨損試驗機(如ASTMG65標準)模擬實際工作條件,對兩種材料的刀板樣品進行磨損測試;在相同的試驗條件下(如負荷、滑動速度、試驗時間等),記錄兩種材料在測試前后的質量變化,計算其磨損率。
4)在相同的設備上安裝兩種材料的刀板,并記錄設備在使用過程中的振動和噪音水平;觀察設備在使用高硬度耐磨材料刀板后的工作狀態(tài),記錄設備的穩(wěn)定性和工作效率。
5)對比兩種材料的硬度測試結果,分析硬度值的差異;對比兩種材料的磨損測試結果,分析磨損率的差異;分析設備運行測試的結果,比較使用不同材料刀板后設備的振動、噪音和工作效率(見表1)。
3.1.2 使用壽命
除了提高耐磨性之外,高硬度耐磨材料還能顯著增加刀板的使用壽命。由于材料本身具有更好的抗疲旁性能和耐腐蝕特性,即使在極端的工作環(huán)境下,也能保持較長的工作壽命。
為此設計試驗步驟驗證高硬度耐磨材料在使用壽命方面的優(yōu)勢:
1)選擇高硬度耐磨材料(如高速鋼M2)和傳統(tǒng)材料(如碳素工具鋼1095)制作刀板樣品
2)使用疲勞試驗機(如旋轉彎曲疲勞試驗機)對兩種材料的刀板樣品進行疲勞測試;在設定的應力幅度和頻率下,記錄兩種材料的疲勞壽命(即達到失效的循環(huán)次數(shù))。
3)將兩種材料的刀板樣品置于模擬腐蝕環(huán)境(如鹽霧箱)中,觀察其耐腐蝕性能。記錄兩種材料在腐蝕環(huán)境下的質量變化和外觀變化。
4)在實際工作環(huán)境中安裝兩種材料的刀板,記錄其在使用過程中的磨損情況和更換頻率;比較兩種材料刀板的平均使用期限。
5)根據(jù)疲勞測試和耐腐蝕測試的結果,評估兩種材料的抗疲勞性能和耐腐蝕特性。
分析現(xiàn)場使用測試的結果,比較兩種材料刀板的實際使用壽命(見表2)。
3.2經濟效益評估
盡管高硬度耐磨材料在初次購買時可能比傳統(tǒng)材料的成本要高,但從長遠來看,其帶來的經濟效益是非常可觀的。
3.2.1 成本效益分析
高硬度耐磨材料因其優(yōu)異的性能表現(xiàn),使得設備的維護周期延長,更換頻率減少,這直接降低了企業(yè)的運營成本。例如,由于磨損率降低,原本每年需要更換一次的傳統(tǒng)刀板現(xiàn)在可能每兩年才更換一次高硬度耐磨材料刀板。這樣一來,雖然單次采購成本增加了,但是由于更換次數(shù)減少,總的材料消耗量和相應的采購成本實際上有所下降。
此外,由于設備的停機時間縮短,生產效率提高,間接節(jié)約了時間成本。時間成本的節(jié)省意味著企業(yè)可以更快地完成訂單,從而有可能獲得更多的市場份額。
3.2.2生命周期成本計算
生命周期成本(LCC)是一種評估產品在整個使用期間所有相關成本的方法,它包括了產品的采購成本、運營維護成本以及最終處置成本。通過LCC分析可以看出,盡管高硬度耐磨材料的初始投入較高,但由于其使用壽命長、維護成本低,其在整個生命周期內的總成本實際上低于傳統(tǒng)材料。
3.3環(huán)境影響考量
在當今社會,可持續(xù)發(fā)展已經成為各行各業(yè)追求的目標。因此,在選擇材料時不僅要考慮其經濟效益,還要兼顧環(huán)境保護的因素。
高硬度耐磨材料在生產過程中確實會產生一定的廢氣和廢水排放。然而,隨著環(huán)保意識的提高和技術的進步,許多生產廠家已經采取了一系列措施來減少這些污染物的排放。例如,使用清潔能源、改進生產工藝、加強廢棄物處理等手段,都能有效地控制環(huán)境污染。
另一個值得關注的方面是材料的可回收性。部分高硬度耐磨材料具有良好的可回收性,這意味著即使在材料達到了其使用壽命之后,也可以通過再加工的方式重新利用。這樣的循環(huán)再利用不僅減少了對原生資源的需求,還減少了廢棄物的排放,對保護環(huán)境起到了積極作用。
4結論
高硬度耐磨材料在刀板制造中的應用不僅有效提升了產品的性能表現(xiàn),還帶來了顯著的經濟效益和社會效益。未來隨著材料科學的進步和技術水平的提高,相信會有更多種類、性能更加優(yōu)異的高硬度耐磨材料應用于刀板制造,推動工程機械行業(yè)向更高層次發(fā)展。
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