高沙沙

（鄭州城市職業(yè)學院 機電工程系，河南鄭州 452370）

振動給料機是利用振動原理把塊狀、顆粒狀物料從貯料倉中均勻、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]。給料機傾角越大，給料量就越大，所以為了提高振動給料機的產(chǎn)量，通常采用向下傾斜安裝[2]。在大傾角振動時，由于重力的作用，小功耗條件下就可以實現(xiàn)物料大量快速送出，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減耗的目標。但這種情況下給料速度加快，導致襯板的磨損大大增加，襯板的使用壽命直接影響給料機的正常使用。為此，必須對大傾角給料機的襯板進行研究，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，但強度和硬度低，一般不進行熱處理[4]。選用這種材料主要是做磨損分析的對比。

（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)過調(diào)質(zhì)處理后的2Cr13 沖擊韌性也較高[6]。給料機在工作的過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做耐磨性對比。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%，高鉻鑄鐵被譽為當代最優(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

2.1 低應(yīng)力磨料磨損試驗機

利用圖4 所示自制的低應(yīng)力磨料磨損試驗機來測定材料的磨損性能。該磨損試驗機是由電動機、減速機、圓盤、料倉、夾具組成，其結(jié)構(gòu)是電動機輸出軸和減速器連接，減速器輸出軸上連接了一個圓盤，圓盤上按圓周方向等分固定了四個夾具，即圓盤上可以裝夾四個試樣，軸下面是料倉。該試驗機的特點是結(jié)構(gòu)簡單，實用性很強。

圖4 低應(yīng)力磨損試驗機的結(jié)構(gòu)

工作時電動機1 驅(qū)動減速器2 轉(zhuǎn)動，進而帶動圓盤上的夾具4 及試樣5 不斷在料倉內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運動，能夠較真實的模擬給料機襯板的工況條件（即物料在材料表面輕輕滑過）。

2.2 低應(yīng)力磨料磨損的試驗結(jié)果

將經(jīng)過熱處理的四種材料在數(shù)控電火花線切割機上切出外形尺寸為10mm×10mm×70mm 的長方體試樣，裝夾在磨損試驗機上，磨料為煤矸石，磨損過程中需人工不停地將料倉中被攪上來煤矸石翻到料倉底部，盡量保持料倉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 個小時的磨損后，取下試樣，并用電子天平對四種試樣進行稱重，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 襯板材料磨損機理分析

2.3.1 A3 鋼磨損機理分析

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)非常嚴重，磨損表面上根本不能用劃痕來描述，整個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，其強度和硬度低，沒有熱處理，組織中沒有高硬的碳化物來抵抗磨損，主要是疲勞磨損機理和多次塑變磨損機理作用的結(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?？梢哉f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理作用的結(jié)果。

2.3.3 2Cr13 磨損機理分析

圖9 是2Cr13 經(jīng)過調(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，在表面留下劃痕，屬于微觀切削機理作用的結(jié)果。除了切削磨損，當金屬有塑性變形時，作用力會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動受到阻礙，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理作用的結(jié)果。

2.3.4 高鉻鑄鐵磨損機理分析

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，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，主要是因為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，磨損量很小，屬于微觀切削機理作用的范疇。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，是微觀斷裂磨損機理的表現(xiàn)。

3 襯板材料的選擇結(jié)果

通過上述對四種材料的低應(yīng)力磨料磨損試驗的綜合對比分析，得到中碳低合金鋼在適當?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。從材料的成本而言，它選用了國內(nèi)礦藏資源豐富的元素，如Si、Mn 和少量的Cr，具有較高的價格競爭優(yōu)勢；而高鉻鑄鐵中含有的合金種類主要以國內(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，加熱時間更短，節(jié)能效果更明顯。因此，實際生產(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際生產(chǎn)中的應(yīng)用

大傾角振動給料機應(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，襯板沒有出現(xiàn)變形和開裂的現(xiàn)象，提高了使用壽命，減少了停機檢修的次數(shù)，降低了生產(chǎn)的綜合成本，總體使用效果良好。