矿用高强度破碎刀齿断裂失效分析

矿用高强度破碎刀齿断裂失效分析

张乾

煤矿综采输送设备智能制造技术国家地方联合工程实验室   宁夏煤矿综采输送设备重点实验室

宁夏天地奔牛实业集团有限公司 宁夏石嘴山市 753001

摘要：随着煤矿开采量的不断增大，破碎刀齿在恶劣工况条件下使用时，不仅承受高冲击、高磨损，而且在复杂的交变载荷作用下，也受到静态载荷的作用和动态载荷的作用，导致刀齿破碎冲击面磨损过快，刀齿寿命缩短，破碎刀齿容易出现不耐磨及断裂失效的现象[1]。通过对断裂的刀齿进行宏观检验、化学成分分析和金相检验，并分析刀齿工艺流程，以揭示其断裂失效的原因。

关键词；破碎刀齿；断裂失效；冲击韧性；耐磨性

0引言

矿用破碎机主要由破碎槽、破碎轴组、动力部等构成，破碎刀齿作为矿用破碎机的核心部件之一，主要用于破碎矿物原料，作为煤质破碎的敲击锤头。破碎刀齿在破碎机内高速旋转运行，与煤块、煤矸石运输同步运动旋转敲打破碎。由于矿井开采条件的越发恶劣化，破碎刀齿与煤矿石之间强烈的冲击运动，齿面不断承受交变载荷的作用与矿物原料之间反复碰撞冲击摩擦过程中，破碎刀齿承受疲劳使用寿命在逐步缩短，使破碎刀齿头部逐步磨损变小而失效报废，使刀齿的耐磨性与抗冲击性直接影响着煤矿开采效率与破碎机的寿命，导致破碎刀齿使用寿命长短直接影响物料的破碎质量和生产效率及成本。

1国内外技术发展趋势与研究现状

目前，随着材料成型技术的不断发展，在工程机械与矿山开采等行业，国内外已经研究出不同场合、不同应用条件下使用的耐磨金属材料，在熔融金属中加入合金成分，通过铸造、轧制等成型手段形成耐磨材质，使用特殊热处理，合理设计热处理工艺参数，减少裂纹出现，同时改变耐磨材质内部组织，提高材料耐磨性[2]。

2基材选型

（1）刀齿材质Mn13

作为破碎机关键零部件，破碎刀齿不但具备承受较大冲击力，而且具备高耐磨性，其材质为高锰钢Mn13，其材质在承受剧烈冲击下，其表面会迅速产生硬化层，保持高硬度与耐磨性，其芯部仍保持极强的韧性。Mn13具备外硬内韧的特性，既能抗磨损又能抗冲击，其表面受冲击力越大，表面硬化越快越充分，耐磨性就越好。高锰钢自身硬度很低，硬度为HB200-250，材质耐磨性受硬化程度影响，未硬化材质硬度极其有限的，当高锰钢表面冲击力不足时，表面无法充分硬化，硬度在HB350以下，耐磨性无法施展，无法展示耐磨性，呈现出不耐磨状况。经过在较大冲击载荷的作用下，钢板表层产生加工硬化，表面硬度由HB200迅速提升到HB500以上，从而产生高耐磨的表面层，而钢板内层奥氏体仍保持良好的冲击韧性[3]。

（2）45Mn

    45Mn属于中碳调质钢，也是刀齿的主要材质之一，锰含量0.7%-1.0%，能降低钢的临界点，增加材料的淬透性，材料成型过程中细化珠光体晶粒，能与铁形成固溶体，提高钢的强度和硬度。与硫化合减少钢的热脆性[4]。破碎刀齿在工况下使用时，刀齿承受着复杂的交变载荷作用，不仅受到静态载荷的作用，还受到动态载荷的作用，由于工况恶劣，刀齿破碎冲击面磨损过快，刀齿寿命缩短。为了提高刀齿的使用寿命，（1）在刀齿基材冲击面堆焊耐磨层，刀齿堆焊面具有较好的综合机械性能，堆焊材料与基材在强度、塑性、韧性等方面相适应融合，减少表层剪切应力、焊接裂纹与堆焊层剥落。（2）改变刀齿材质，选用双金属铸造完成刀齿材质。经过对比分析，45Mn材料的锻造性能与加工性能、价格等方面占有较大优势。应用领域比较广泛，可焊性优越。

图1  500倍金相组织

检验结果：金相组织为回火索氏体+少量的细条铁素体（延晶界分布），细条状铁素体沿晶界分布，说明过冷奥氏体转变延晶界析出铁素体，经回火后铁素体保留下来。

上述刀齿材料为调质45Mn，根据金相检验分析判断其断口无明显宏观塑性变形，并且轴表面出现小裂纹，在调质过程中，裂纹逐渐纵向变长，横向变深，断裂面外周断口较粗糙，断裂面中心部分断口呈木纹状。显微组织为回火+硫化物夹杂；硬度测定为：38HRC。断裂中心部分底部有一明显纵向裂缝，裂缝两侧无脱碳现象，裂缝尾部起源于硫化物夹杂处。

3总结

大量实验表明，高的冲击速率会使材料出现脆断的危险增加。随着变形速率的增大，材料的屈服强度将会增加，其原因是材料来不及进行塑性变形和滑移，因而位错摆脱束缚进行滑移所需的热激活时间减少，使脆性转变温度提高，所以易于产生脆断。脆性裂纹一经产生，裂纹尖端就会有很严重的应力集中，这一急骤增加的应力，相当于一个加载速率很高的荷载，使裂纹迅速失稳扩展，最后使整个结构发生脆性破坏。

参考文献：

[1]杨兴林，张俊苗，陈宇光．高强度45Mn钢断裂失效分析[J]．江苏科技大学学报，2008．

[2]刘瑞堂. 机械零件断裂失效分析[ M ].北京:机械工业出版社,1994.

个人简介：

张乾（1986.01—）男，籍贯：甘肃会宁，汉族，机械设计制造及自动化专业，机械工程及自动化工程师

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