轴承的锤头是轴承的主要易损件，每年要消耗大量的金属材料。目前海内的轴承锤头大部门使用高锰钢材质，使用寿命非常短，而且出机物料因为锤头的磨损过快造成篦条和锤头的间隙过大而粒度不平均，影响下一步的粉磨过程，同时频繁停机更换锤头增加了维修工作量，影响正常出产。假如锤头的硬渡过高，在大块物料的打击下很轻易造成锤头的断裂，不及时停机会造成设备事故。因此，研制出一种高强韧材质制作锤头具有十分重要的意义。
轴承锤头的失效分析及对耐磨材料的机能要求
锤头的失效分析
轴承的工作简图见图1,物料从喂料口落下进入破碎腔，与高速旋转的锤头相撞击而被破碎。破碎后的物料落在有一定间隙的篦条上。这时锤头除了在破碎腔上部与继承落下的物料相撞击外，还要对破碎腔底部堆积在篦条上的物料施以撞击、碾压，迫使被破碎后符合要求的细小物料通过篦条卸出。在上述过程中，锤头除受到撞击外，还受到物料的冲洗。跟着上述过程的不断重复，久而久之，锤头的原工作面遭到破坏，其表面外形发生了变化，原来的棱角磨削为光滑的圆弧面，见图2。从图2我们可以看到，作用在锤头磨面的力F分解为两个力，一是垂直于磨面的法向力F法；另一是平行于磨面的切向力F切。前者对锤头磨面产生撞击作用；后者对锤头磨面造成切削、冲洗。
图1 轴承简图
图2 锤头磨损前、后示意图
由锤头工作示意图和扫描电镜分析可知，轴承锤头在工作中受到几种形式的磨损。在锤头工作初期其表面外形未发生改变时，锤头主要受到撞击磨损，物料以正向力撞击金属表面产生塑性变形和撞击坑。
当锤头的工作面磨损为弧面后，其表面的受力发生了变化，物料以一定的冲击角撞击工作面。此时锤头除了受到物料以正向力F法的撞击磨损外，还受到物料对它的冲洗造成的犁削。当材料硬度较低时物料刺入其表面，在水平分力F切的作用下将材料推至两侧，造成堆积和隆起，形成犁沟；而材料硬度较高时，磨损过程则以切削材料为主。被切削的材料一部门呈磨屑流失，另一部门尚与母体连接的磨屑经再次切削和冲击后终极仍是断裂脱落。同时在物料的反复多次冲击下，冲击坑的翻边和犁沟降起的两侧因多次变形脆化而产生裂纹。裂纹经连接和扩展后产生了疲惫剥落。因为高锰钢锤头硬度低，不能有效地抵挡物料的刺入和刻划，因而造成严峻的犁沟和犁削，使其表面磨损加速。尽管物料的撞击可产生一定量的加工硬化，但冲击力还不足以使锤头的工作面形成坚固的硬化层，造成锤头的耐磨性不够，终极导致短期失效。因此进步锤头材质的硬度必定有助于其耐磨性的进步，可使物料对金属表面的犁削现象减轻。进步材质的韧性可以按捺裂纹的萌生和扩展，有助于减少疲惫剥落的形成，从而进步耐磨性。
锤头材质应具备的机能要求
材料的硬度是影响其耐磨性的一个重要因素。物料与耐磨材料的硬度比值Ha/Hm对磨损率有很大影响。当0.7≤Ha/Hm≤1.3时，磨损率开始上升，耐磨性降低，如图3所示。
图3 相对磨损、相对耐磨性与Ha/Hm的关系
这时如物料硬度不变，想法进步金属材料的硬度以使其耐磨性明显进步。水泥出产中最硬的物料为水泥熟料，其硬度在HB480左右。因此在破碎熟料时要想得到较低的磨损率，就必需将锤头的硬度进步到HB460（HRC49）以上。这是确保轴承锤头工作时具有高耐磨性的根本前提。高锰钢的硬度远远低于上述值。对从现场取回的高锰钢锤头残体进行了多次测试，其结果表面硬度只有HB230～350（HRC21～38）。说明预期的加工硬化效果没有达到，从而硬度很低。这个硬度值对于破碎水泥熟料属于硬磨料磨损，因而工件磨损严峻而早期失效。
当然一味地进步材料的硬度并不一定就能进步材料的耐磨性。金属材料的耐磨性是个综合因素指标，与材料的硬度和韧性都有紧密亲密的关系，韧性对进步材料的耐磨性有着不可忽视的作用，韧性是材料本身吸收外部能量大小的标志，这对于在有冲击载荷的磨损工况下显得十分重要。高铬铸铁是一种优质的耐磨材料，但是用它制作轴承锤头的欠缺处就是韧性偏低，易发生断裂。出产实践证实了材料硬度相同，而冲击韧性不同的锤头，其耐磨性是随冲击韧性值升高而增加的，即αk值高，使用寿命长。同时实践证实，制造轴承锤头的材质其冲击韧性应大于10J/cm2。
材质化学成分的确定
高碳可以获得较高硬度基体，同时产生一定数目的碳化物硬相来抵挡硬质物料磨损。铬、镍、钼元素的配合加入强烈地进步钢的淬透性，使工件在空冷状况下也能淬成马氏体。这对出产中热处理工艺的制定具有较大的实际意义，而镍同时可使钢的韧性—脆性转变温度降低，进步钢的韧性，有益于在实际工况中受冲击载荷的工件。少量的钛和稀土元素可细化晶粒，净化晶界，进步钢的强度，见表1。
表1 试验钢的化学成分
～
～
～
～
～
～
微量
微量
试验方法
试样制备
采用30kg碱性中频炉熔炼浇注成梅花试样，按尺度加工成各项试验所需尺寸，冲击为10mm×10mm×55mm无缺面试样。
试验设备、仪器
硬度测试采用HR—150A洛氏硬度计；冲击韧性试验采用F—30B重摆入口冲击试验机；拉伸试验在WE—60万能材料试验机长进行。磨损试验在MLD—10动载磨料磨损试验机长进行，试验参数为：冲击功1J、3J;冲击频率100次/min;磨料为5～10目石英砂；磨料流量为30kg/h;冲击时间0.5h。
显微组织分析
用XJG—05型卧式光学显微镜进行金相检修；高倍分析在CAMEBAX—MICRO大型电子摆针长进行，以获得研究材料的高倍电子扫描图像及各元素的分布情况。
试验结果分析
硬度和韧性对耐磨材料的影响
为了使试验钢有一个冲击韧性与硬度的最佳配合，我们设计了900℃、940℃、980℃三种淬火温度和五种回火温度，以寻求公道的热处理工艺（见表2）。
图4显示了淬火温度与硬度的关系。可见跟着淬火温度的进步，硬度不断进步。在930℃和950℃之间硬度泛起峰值，之后温度再进步，硬度趋于下降。比较表2中试验钢在各热处理状态下的机能，可以看出在940℃淬火时钢的综合机械机能优于900℃、980℃淬火时的机械机能。图5显示了回火温度对试验钢的硬度、强度和冲击韧性的影响。跟着回火温度的进步，硬度缓慢下降，当回火温度至400℃时，因为合金元素的沉淀硬化，硬度略有回升，在450℃上下保持有较高的硬度。继承进步回火温度，马氏体中碳的过饱和度降低，使得硬度降低。但回火温度在500℃时仍能保持在HRC50以上，说明此钢有较好的回火不乱性。因为淬火钢中有较大的残余应力，故淬火态的强度最低。跟着回火温度的升高，残余应力逐渐消除而使强度上升，升至300℃左右泛起峰值，继承进步回火温度，强度开始下降。冲击韧性的变化是跟着回火温度的进步冲击值呈上升的趋势，在280℃冲击值开始降低，泛起了回火脆性，继承进步回火温度至400℃以后，冲击值又恢复上升。
表2 试验钢的热处理和机能
编号
热处理状态（皆为空淬）
α
组织
℃淬火，不回火
′
℃淬，280℃回
回+K+A′
℃淬，350℃回
回+K+A′
℃淬，420℃回
回+K+A′
℃淬，480℃回
回+T回
℃淬，540℃回
回
℃淬火，不回火
′
℃淬，280℃回
回+K+A′
℃淬，350℃回
回+K+A′
℃淬，420℃回
回+K+A′
℃淬，480℃回
回+T回+A′
℃淬，540℃回
回
℃淬火，不回火
′
℃淬，280℃回
回+K+A′
℃淬，350℃回
回+K+A′
℃淬，420℃回
回+K+A′
℃淬，480℃回
回＋T回
℃淬，540℃回
回
图4 淬火温度与硬度的关系
图5 回火温度与机械机能的关系
表3 磨损试验结果
冲击功（J）
编号
失重（g/h）
相对
耐磨性
第一次
第二次
第三次
均匀
表3得出了在不同冲击功下高锰钢和铬镍钢的磨损试验结果。可见高锰钢在较高的冲击功下的磨损量比在低冲击功时的磨损量小，耐磨性有所进步，这可能是加工硬化所致。而铬镍钢硬度较高的10号试样在低冲击功下的磨损量小于硬度低而韧性稍高的11号试样。在较高冲击功下恰恰相反。这说明低冲击应力下的冲击磨损耐磨性取决于硬度指标；而较高冲击应力下的冲击磨损耐磨性取决于韧性和硬度的综合指标。
为了描述硬度、冲击韧性和磨损量之间的关系，我们选取一些锤头材质试样，测定其硬度、冲击值，再做动载磨损试验，测出其磨损失重，得出各种材质的三个参数数据。磨损量、硬度和冲击韧性之间存在的关系式为
式中：Y——磨损量
———冲击韧性
———硬度，HRC。
通过回归分析得出回归方程
利用以上回归方程，绘出各种韧性前提下硬度与磨损量之间的关系，见图6。
图6 磨损量与硬度、韧性的关系
图6显示高硬度、高韧性的材料磨损量少，但一般情况下材料的硬度和韧性紧密亲密相关，韧性高时硬度较低，硬度高时韧性又较低（少数合金钢除外）。因此必需考虑它们对磨损量的综合影响。因为锤头工作时承受冲击载荷，为了避免冲击断裂选材时在保证有高硬度的条件下，尽可能的选择冲击韧性的最大值。这样既可避免冲击断裂，又可以使磨损量较小，从而进步锤头的耐磨性。
显微组织对耐磨性的影响
材料的耐磨性和其组织有着紧密亲密的关系。磨损试验表明材料的耐磨性首先取决于组织。硬度是材料抵挡物料压入表面的能力，硬度高物料压入材料表面的深度就浅，切削产生的磨屑体积小，即磨损小，耐磨性高。韧性高说明材料可吸收的能量大，裂纹不易形成和扩展，材料承受反复变形能力大，不易形成疲惫剥落，即耐磨性高。试验表明，硬度相同的不同材料其耐磨性是有差异的。同样，韧性相同的不同材料耐磨性也不相同。如淬火态的试样和淬火+回火的试样比拟较，硬度可能相称，但因为韧性不同而造成耐磨性不同。实在质是显微组织的不同而造成的耐磨性不同。但假如钢的显微组织相同，可以以硬度的高低衡量耐磨性的高低。图7反映了合金钢基体组织和耐磨性的关系，可见回火马氏体和贝氏体具有较高的耐磨性。试验的铬镍钼钢经淬火、回火处理后，金相组织为：回火马氏体+弥散分布的碳化物。其硬度为HRC54,冲击韧性为16J/cm2,具有较高的综合机械机能。
图7 钢的组织与耐磨性的关系
出产试制及装机试验
在实验室研制的基础上我们在锻造厂出产了部门铬镍锤头产品，在水泥厂作进一步装机试验。熔炼在500kg中频电炉中完成，熔炼温度1530～1580℃，浇注温度1420～1480℃。稀土合金冲包熔化，然后扒渣浇注。木模收缩率按2%,造型采用糖浆砂，表面烘干，型腔刷涂料，工作面加外冷铁，以求获得细晶粒、无砂眼、无气孔的高质量铸件。铸件浇冒口应用锤敲下，尽可能不用气割，以防裂纹产生。铸件热处理在台车式电阻炉中完成，为防止加热速渡过快产生开裂，升温速度控制在≤150℃/h,在750℃保温2h,然后随炉升温至淬火温度，保温0.5h后风冷，淬火后的锤头堆积在一起自回火，再送入炉中回火，回火后出炉应快冷，以防止回火脆性产生。
年10月～1995年7月铬镍钢锤头分别在江苏省仪征水泥厂Φ800mm×600mmNSK轴承、江苏省金坛县第二水泥厂Φ800mm×400mmNSK轴承、安徽胜利水泥厂750—4型立轴式轴承、山东省淄博淄川水泥厂Φ800mm×600mmNSK轴承上装机试验，并同机装入高锰钢锤头同时使用。试验结果表明：铬镍钢锤头使用寿命是高锰钢锤头的2.8至4.3倍，锤头在使用过程中未发生过断裂现象。
经济效益
铬镍钢锤头的价格虽是高锰钢的1.29倍，而其耐磨性均匀是高锰钢的3倍。因此综合计算，前者只是后者消耗量的0.43倍，即用铬镍钢锤头可节约资金57%。如铬镍钢锤头在100家水泥厂推广使用，每年可节约资金300多万元。
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