高マンガン鋼鋳物: ジョーおよびインパクトクラッシャーガイド

高マンガン鋼鋳物 破砕および鉱物加工産業の主力摩耗材料です。通常、マンガン含有量が 11 ～ 14 パーセントのオーステナイト系マンガン鋼から鋳造されたこれらのコンポーネントは、衝撃の激しい破砕用途には他の市販合金が匹敵できない特性の組み合わせを実現します。最初に取り付けたときは比較的柔らかいですが、加工硬化またはひずみ誘起変態として知られる現象である繰り返しの衝撃荷重を受けると、表面で劇的に硬化します。この表面硬化は、設置前ではなく動作中に発生します。つまり、材料は、正しい動作条件下で耐用年数全体にわたり、硬い摩耗表面を継続的に再生します。

高マンガン鋼鋳物を指定する人にとっての直接の結論は、この合金がジョークラッシャー高マンガン鋼鋳物およびインパクトクラッシャー高マンガン鋼鋳物にとって標準的で正しい材料であるということです。これは、両方のクラッシャータイプの衝撃応力条件がまさに材料に優れた摩耗寿命を与える加工硬化メカニズムを活性化するものであるためです。衝撃が少なく、摩耗が主な用途では、他の材料が高マンガン鋼よりも優れた性能を発揮する可能性がありますが、破砕サイクルごとに摩耗部品に大きな圧縮力と衝撃力が加わるジョークラッシャーやインパクトクラッシャーでは、技術的な理由から高マンガン鋼鋳物が確立された仕様となっています。この記事では、ジョーおよびインパクト クラッシャー コンポーネントの冶金、製造要件、アプリケーション固有の性能に関する考慮事項について詳しく説明します。

高マンガン鋼の冶金学: 加工硬化が重要な理由

オーステナイト系マンガン鋼は、1882 年にロバート ハドフィールド卿によって初めて開発され、今でもハドフィールド鋼として商業的に知られています。その特徴は、高炭素含有量 (通常 1.0 ～ 1.4 パーセント) と高マンガン含有量 (11 ～ 14 パーセント) の組み合わせによって室温で保持される完全なオーステナイト微細構造であり、これらの組み合わせにより、オーステナイトからの冷却時に炭素鋼で通常発生するマルテンサイト変態が抑制されます。鋳造されたままの材料の硬度は約 170 ～ 210 ブリネルで、これは多くの工具鋼や合金摩耗鋼よりも柔らかいですが、この初期の柔らかさには並外れた靭性が伴います。オーステナイト母材が亀裂ではなく塑性変形するため、この材料は破壊することなく大きな衝撃力を吸収できます。

重要な加工硬化メカニズム: 高マンガン鋼が約 300 ～ 500 MPa を超える圧縮衝撃応力にさらされると、応力がかかった表面およびその近くのオーステナイトがひずみ誘起相変態を通じてマルテンサイトに変態し、表面硬度が約 200 ブリネルから 450 ～ 550 ブリネルに上昇します。この変形した表面は硬くて耐摩耗性になりますが、その下にあるオーステナイトコアは強靭で耐破壊性を保ちます。 実際の結果として、破砕プロセスの衝撃荷重に砕けることなく耐えるために必要な衝撃靱性を維持しながら、使用中に硬い摩耗表面を形成するコンポーネントが得られます。

マンガンおよび炭素含有グレード

粉砕機用途向けの高マンガン鋼鋳物は、さまざまな粉砕作業に合わせて最適化された、マンガンと炭素の含有量が異なるいくつかの標準グレードで製造されています。

• 標準 Mn13 グレード (ASTM A128 グレード B 2): 約 1.0 ～ 1.4 パーセントの炭素と 11 ～ 14 パーセントのマンガン。中硬質から硬岩用途のジョーおよびインパクトクラッシャーライナーとして最も広く使用されているグレード。加工硬化率と靭性のバランスに優れています。
• 変性Mn18グレード（高マンガン）： 約 1.0 ～ 1.3 パーセントの炭素と 16 ～ 19 パーセントのマンガン。マンガン含有量が高くなるとオーステナイトの安定性が高まり、靭性が向上しますが、加工硬化率はわずかに低下します。過度の衝撃による破損リスクが高く、加工硬化層を深くすることで摩耗寿命を延長する必要がある大型クラッシャーコンポーネントに適しています。
• クロム変性マンガン鋼： 1.5 ～ 2.5 パーセントのクロムを添加した標準的な Mn13 組成。クロムの添加により、靱性をある程度犠牲にして耐摩耗性が向上するため、クロム改質グレードは、珪質岩や珪岩からの強い衝撃と重大な摩耗の両方を伴うクラッシャー用途に適しています。

ジョークラッシャー高マンガン鋼鋳物：仕様と性能

ジョークラッシャーは、固定ジョープレートと可動ジョープレート (スイングジョー) の間で岩石を圧縮することによって動作し、2 つのジョープレートは破砕室の底部で収束し、上部で分岐します。岩はジョーの間に挟まれ、スイングジョーが前進する際の圧縮力によって破壊されます。ジョープレートはこのシステムの主要な摩耗コンポーネントであり、ジョークラッシャー高マンガン鋼鋳物にとって最も重要な用途です。

ジョープレートの設計とプロファイルに関する考慮事項

大型ジョークラッシャー用のジョープレートは、クラッシャーのサイズと鋳造所の鋳造能力に応じて、単一部品または複数のセクションとして鋳造されます。ジョープレートの作業面は、圧縮応力を集中させて岩石の破壊を助ける隆起のある波形になっています。波形プロファイル (リッジの高さ、ピッチ、角度) は、用途の特定の岩石の種類とサイズ縮小率に合わせて破砕機メーカーによって最適化されます。 圧縮強度が 150 MPa を超える硬くて適した岩石 (花崗岩、玄武岩、片麻岩) の場合、高マンガン鋼のジョー プレートの摩耗寿命は、岩石の摩耗指数、粉砕機の供給量の段階、および粉砕機の動作パラメータに応じて、加工材料あたり 50,000 ～ 200,000 トンの範囲になります。

ジョープレートの熱処理要件

鋳造されたままの高マンガン鋼には、凝固中の炭化物析出温度範囲での徐冷によって生じる粒界に炭化物析出物が含まれています。これらの炭化物は材料を脆化させるため、鋳造品を使用する前に溶解する必要があります。溶体化熱処理プロセスでは、鋳物を摂氏 1,020 ～ 1,100 度に十分な時間加熱してすべての炭化物を溶解し、その後水中で急速に急冷して完全なオーステナイト構造を維持します。 適切に溶体化熱処理されていないジョークラッシャー高マンガン鋼鋳物は、要求の厳しいクラッシャー用途での使用の最初の数時間以内に、徐々に摩耗するのではなく脆性破壊によって破損します。ブリネル硬度測定と微細構造検査による熱処理の検証は、この製品の品質管理に不可欠です。

インパクトクラッシャー高マンガン鋼鋳物: 異なる応力条件、異なる設計優先順位

インパクトクラッシャーは、圧縮力ではなく高速衝撃によって岩石を破砕します。水平軸衝撃 (HSI) 破砕機では、ブローバーが取り付けられたローターが高速で回転し、破砕室に送り込まれた岩石に衝突し、衝撃板 (カーテンまたはエプロンとも呼ばれる) に加速して岩石が接触すると破砕されます。垂直シャフトインパクト (VSI) 破砕機では、岩石が高速ローターに供給され、岩石が裏打ちされた、またはアンビルが裏打ちされた外側チャンバーに対して遠心力で推進されます。インパクトクラッシャーで摩耗部品にかかる応力条件は、ひずみ速度が高く、力の加わる方向が異なるため、ジョークラッシャーとは根本的に異なります。

ブローバー: 衝撃破砕機の最も重要なコンポーネント

ブローバーは、水平シャフト衝撃破砕機の主な摩耗部品であり、ローターのスロットに取り付けられ、ローターの周速度 (通常、一次衝突装置では 25 ～ 45 メートル/秒) で入ってくる岩石に衝突します。ブローバーは、岩石との接触による摩耗に耐えると同時に、岩石バーの衝突による高エネルギー衝撃を破損することなく吸収する必要があります。高マンガン鋼鋳物は、高速衝撃が効果的な加工硬化に必要な応力条件を提供するため、硬岩を処理する一次衝撃破砕機および二次衝撃破砕機のブローバーの標準仕様です。 硬質石灰岩の加工におけるブローバーの耐用年数は、通常、ブローバーの重量 1 キログラムあたり岩石 200 ～ 600 トンですが、玄武岩や花崗岩などのより硬い岩石を加工すると、より硬い種類の岩石のより高い摩耗性と衝撃強度を反映して、これが 1 キログラムあたり 50 ～ 200 トンに減少する可能性があります。

インパクトプレートとブレーカープレート

衝撃プレート (エプロンまたはカーテンとも呼ばれる) は、ローターから飛び散る岩石を受け止め、耐用年数にわたって繰り返しの高エネルギー衝撃を吸収する必要があります。これらのコンポーネントは通常、インパクト クラッシャー高マンガン鋼鋳物としても供給されますが、一部の低衝撃用途では、靱性を犠牲にしてより高い耐摩耗性を提供する Cr Mo 白鉄から製造される場合があります。衝撃プレートに高マンガン鋼と白鉄のどちらを選択するかは、破砕機内の特定の衝撃エネルギー レベルによって決まります。衝撃が激しい場合、マンガン鋼の優れた破壊靱性が不可欠です。衝撃が中程度で摩耗が多い場合は、白鉄の方が耐用年数が長くなる可能性があります。

ジョークラッシャーおよびインパクトクラッシャー用高マンガン鋼鋳物を比較

高マンガン鋼鋳物の品質管理と調達に関する考慮事項

粉砕機用途における高マンガン鋼鋳物の性能は、鋳造および熱処理プロセスの品質に大きく依存するため、サプライヤーの選択と受入検査が非常に重要になります。ジョーおよびインパクトクラッシャー用途で使用されるすべての高マンガン鋼鋳物について、次の品質基準を指定および検証する必要があります。

1. 化学組成の検証。 分光分析では、マンガン含有量が指定の範囲内 (Mn13 の場合は 11 ～ 14 パーセント、Mn18 の場合は 16 ～ 19 パーセント) であること、および炭素、シリコン、リン、および硫黄がグレードの仕様の範囲内であることを確認する必要があります。 0.07 パーセントを超える過剰なリンと 0.05 パーセントを超える硫黄は鋼を脆化させるため、管理する必要があります。
2. 硬さ試験による熱処理の検証。 焼き入れ後の硬さはブリネル 170 ～ 220 の範囲でなければなりません。この範囲を大幅に超える値は、不完全な溶体化処理 (残留炭化物) または合金組成のエラーを示します。ブリネル値が 160 未満の場合は、溶液温度が高すぎて粒成長が発生し、靭性が低下したことを示している可能性があります。
3. 寸法精度と表面仕上げ。 鋳造寸法は、適切な公差を備えたメーカーの図面と照らし合わせて検証する必要があります。ジョープレートとブローバーは、均一な荷重分散を確保し、取り付けポイントでの応力集中による早期破損を防ぐために、それぞれの取り付けシステムに正しく適合する必要があります。
4. 有害な鋳造欠陥がありません。 摩耗面や取り付け領域に収縮気孔、亀裂、および重大な異物が含まれている場合、不合格の原因となります。表面の亀裂は、磁粉検査または染料浸透検査によって検出できます。重要な用途では、内部欠陥には超音波検査または X 線検査が必要です。

ジョークラッシャーおよびインパクトクラッシャー用の高マンガン鋼鋳物は、採石業、鉱業、骨材生産業界に 1 世紀以上にわたってサービスを提供してきた、確立され技術的に検証された摩耗材料ソリューションです。この材料の衝撃条件下での独自の自己硬化メカニズムは、その耐破壊靭性と相まって、これらのクラッシャー タイプの特定の負荷条件を改善することを本当に困難にしています。その潜在的な性能を最大限に発揮するための鍵は、特定の岩石の種類と破砕機の用途に応じた正しい合金グレードの選択、溶体化熱処理要件の順守、そして鋳物が使用開始される前に組成と熱処理の両方が適切であることを検証する厳格な受入品質検査にあります。