1工况条件

　　1 1矿石岩相特性

　　德兴铜矿矿区内的矿石根据矿体岩石种类的不同，可分为斑岩型和千枚岩型矿石，矿量之比为1 3.矿区内有氧化矿石、混合矿石和原生硫化矿石3种工业类型，以硫化矿石为主，约占质量的99%以上，属易选矿石。

　　1 2矿石硬度

　　德兴铜矿矿石硬度一般为f = 5 8之间，属中硬矿石。千枚岩类型矿石的抗压强度平均为84 8 M Pa，花岗闪长斑岩类型矿石的抗压强度平均为109 2 MPa.

　　2取样

　　磨损失效分析的关键一步是对磨损面进行形貌分析，因此样品必须取自磨损残体新鲜的磨损表面。

　　我们所采样的动锥体（衬板）是刚从圆锥破碎机上拆卸下来，并及时运回。

　　失效的动（锥体）衬板，经过氧乙炔焰切割成大块试样，从上至下取出4块试样。试样的大小要保证取样部位不受热影响。再通过线切割加工在大块试样中心部位取出供扫描电镜观察磨损形貌的试样。试样尺寸约为10 mm 10 mm 10 mm，并取出1块试样测度由表面向内的显微硬度的变化。

　　试样的观察在S- 2700型扫描电镜上进行。电镜观察前，试样采用超声波进行清洗。

　　动锥体（衬板）的化学成分如1所示。

　　1高锰钢动锥体（衬板）的化学成分/ %元素C Si Mn P S Cr Mo含量1. 38 0. 43 13. 29 0. 06 0.015 < 0. 06 0. 08

　　3实验结果与分析讨论

　　3 1磨损形貌与磨损机制

　　圆锥破碎机动衬板、静衬板与被磨矿石之间形成三体磨料磨损，衬板的表面处于复杂的应力状态。

　　矿石在巨大的弹簧压应力作用下，对衬板局部表面产生巨大的压应力，同时动锥体高速运转产生巨大的切应力，两者同时作用，对衬板产生凿削、切削和挤压而形成冲击抗，如1和2所示。

　　从1的磨损形貌可见，圆锥破碎机动衬板作偏心自转运动，当其偏转至固定衬板时，给破碎的矿石巨大的冲击载荷，使衬板受到挤压而产生塑性变形。在多次反复塑性变形情况下，衬板形成众多的挤压（冲击）坑，如2所示。

　　同时，承受巨大载荷的矿石，又使衬板受到挤压应力和剪切应力。挤压应力使动衬板产生塑性变形。在多次反复塑性变形情况下，衬板表面形成众多的挤压（冲击）坑，如3所示。同时，在挤压坑底部，经过反复挤压，产生形变强化，塑性耗尽而形成脆性断裂，其形貌如4所示。

　　进一步观察发现，在巨大挤压应力作用下，矿石挤压衬板表面。由于矿石的普氏硬度f值较低，而f值实际反映了矿石的耐压强度（即f = R100， R为耐压强度） ，因此矿石耐压强度低，断裂强度也低，容易断裂。矿石断裂后，由于衬板硬度较低，而被挤压于坑底部，如5所示。

　　同时，在动锥体旋转时，矿石与衬板之间相互产生剪切应力。滑动的矿石及被挤压于坑底部的矿石对衬板表面进行凿削和切削，如6所示。因此，圆锥式破碎机衬板在实际运转过程中，同时存在凿削、切削与挤压（冲击）坑3种磨损形式。至于3种磨损形式所占比例，既与矿石受力情况和大小有关，也与反映矿石耐压强度的普氏硬度f值有关。

　　需要指出，圆锥破碎机破碎力大，转速又高，衬板在巨大的压缩与剪切压力作用下，承受周期性的接触疲劳载荷，在亚表层极易产生疲劳裂纹而导致疲劳剥落，因此疲劳剥落也是破碎机衬板磨损失效因素之一。

　　综上所述，圆锥破碎机衬板的磨损机制为：切削磨损、塑变磨损与疲劳磨损3种共存。随着工况条件的不同，特别是矿石普氏硬度f值的不同， 3种磨损机制所占比例有所不同。

　　3 2衬板表面硬化

　　由于所采样的动锥体（衬板）的材料为高锰钢，在圆锥破碎机运转过程中衬板承受巨大的冲击载荷，使其产生良好的加工硬化效果，如所示。

　　圆锥式破碎机动衬板的硬度（ H v）编号距表面距离/mm表面0. 5 1. 0 1. 5 2. 0 3. 0 4. 0 6. 0 7. 0 8. 0 1（小头） 527 350 336 313 291 285 285 250 245 264 2（中间） 569 336 283 299 265 248 257 243 -245 3（大头） 494 289 280 272 274 274 269 246 -230

　　由2测试结果可见，圆锥式破碎机衬板在破碎矿石中承受巨大的冲击载荷，衬板表面的硬度H v可高达500以上，但硬化深度仅在2 mm之内。

　　因而要求衬板具有良好的韧性和足够的强度，以抵抗巨大的冲击载荷而导致碎裂。

　　同一衬板不同部位的表面硬化值不相同，这表明了衬板不同部位受力不同，矿石的大小也不同。

　　动衬板上部（小头）受到大块矿石的冲击，因而硬化值最高；而动衬板下部（大头） ，矿石已经破碎，其表面硬化值较低。

　　4材质的选择

　　根据上述磨损形貌与磨损机制的分析，圆锥破碎机衬板既要求具有很高的表面硬度，以抵抗矿石的凿削和切削，又要求具有很高的强度与韧性，提高抵抗巨大冲击载荷和低周疲劳的能力，不致于破碎和断裂。因此，圆锥破碎机衬板所选用材质的基本要求是在保证衬板不碎裂的前提下，尽量提高其表层硬度，提高其抗切削磨损能力。由于高锰钢具有良好的塑性与韧性，以及其它耐磨材料无可比拟的高的加工硬化能力，因而高锰钢仍是圆锥破碎机衬板的首选材料。但由于破碎机功率的不断提高，破碎比增大，矿石品位不断降低，特别是德兴铜矿属于贫矿，一般高锰钢难以满足生产要求。因此就需要在更好发挥高锰钢的固有特性，保证高锰钢具有合适的塑性与韧性前提下，提高高锰钢初始硬度以及提高其加工硬化速率。据此，我们在普通高锰钢成分基础上，考虑合金化处理，提高高锰钢的强度与硬度，并在奥氏体基础上均匀分布相当数量的高硬度质点，以改善衬板的磨损形式，减缓磨损速率。然而，高锰钢加入合金元素，虽有利于强度和硬度的提高，但必然导致塑性与韧性的降低。因此，合金元素加入量必须适量，以避免过度降低塑性与韧性而导致破碎的发生。笔者建议采用CrMoVTiRe高锰钢，其化学成分如3所示。

　　3 CrMoVTiRe高锰钢化学成分/ %元素C Si Mn S P含量1. 3 1. 5 0. 3 0. 6 13 15 < 0. 04 < 0. 07元素Cr Mo V T i Re含量1. 8 2. 2 0. 8 1. 2 0. 3 0. 5 0. 15 0. 25 0. 5

　　试验结果表明： CrM oVT iRe高锰钢的初始硬度可以达到HB 260左右，有利于提高切削磨损抗力。

　　但合金元素的加入，特别是碳化物形成元素的加入，必然导致未溶碳化物数量增加，使塑性与韧性较普通高锰钢有一定程度的降低。

　　在重视高锰钢合金化的同时，千万不可忽视冶金质量的提高，特别是降低含磷量及夹杂物数量，这对于提高高锰钢衬板的使用寿命是一条既经济又方便的途径。在水韧处理时，应严格控制水韧性处理温度，出入水时间以及水温等热处理工艺参数，以使未溶碳化物及析出碳化物数量控制在国家标准规定的范围内。

　　需要指出的是：在重视圆锥破碎机衬板材质的同时，更不应忽视铸造工艺的制定。圆锥破碎机衬板壁厚较大，细碎衬板最大壁厚可达200 mm，如果采用普通砂型铸造，冷却速度较慢，再加上不严格控制浇铸温度，使高锰钢衬板的晶粒较粗大。由于晶粒粗大，放大到100倍仅观察到一个晶粒，故只放大到50倍，因此无法按照GB6394国家标准进行评定。而晶粒细化，将有利于衬板使用寿命的提高。

　　所以在铸造工艺上建议采用金属型覆砂、降低浇注温度，将有利于高锰钢衬板晶粒的细化。

　　5初步结论

　　（ 1）凿削、切削与挤压（冲击）坑是圆锥式破碎机衬板的主要磨损失效方式，低周疲劳导致的疲劳剥落也是其失效因素之一。

　　（ 2）在保证圆锥式破碎机衬板不破碎与断裂的前提下，采用CrMoVTiRe高锰钢，既能使其初始硬度有较大幅度提高，以提高其磨损抗力，又可使其塑性和韧性降低幅度较少，以保证运转安全。