《Journal of Materials Research and Technology》：Microstructural characterization, wear, and performance analysis of laboratory jaw crusher liners fabricated via arc-based directed energy deposition
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破碎通常是选矿回路中的第一道工序，由于颚式破碎机成本较低且在处理硬矿石方面性能良好，因此常被采用。用于保护机器免受磨损的破碎机衬板有多种设计，并通过铸造生产，这是一个需要第三方生产的工艺。本研究对使用定向能量沉积（DED）的增材制造（AM）技术生产实验室规模颚
破碎通常是选矿回路中的第一道工序，由于颚式破碎机成本较低且在处理硬矿石方面性能良好，因此常被采用。用于保护机器免受磨损的破碎机衬板有多种设计，并通过铸造生产，这是一个需要第三方生产的工艺。本研究对使用定向能量沉积（DED）的增材制造（AM）技术生产实验室规模颚式破碎机衬板的可行性进行了初步评估。为展示该技术的潜力，研究人员利用其制造了不同几何形状的衬板，并通过破碎批量的采石场岩石来评估其性能。研究表明，破碎机的性能变化不大，光滑衬板以更高的处理量产出略微更粗的产品。研究发现，固定颚衬板的磨损高于摆动颚衬板，且增材制造衬板的磨损率高于哈德菲尔德钢。来自测试跑合期的证据，以及对衬板表面不同距离处进行的直接硬度测量表明，发生了显著的加工硬化。这也证明了通过DED进行增材制造可能是在现场生产破碎机衬板的潜在替代方案，因为它具有灵活性、生产时间短、无需制造昂贵的模具即可相对容易地测试不同金属合金和复杂几何形状等优点，但代价是衬板的磨损寿命会降低。
**论文解读：基于电弧定向能量沉积的实验室颚式破碎机衬板研究**
**研究背景与问题**
在矿物加工领域，破碎作业通常作为选矿流程的首个环节，其核心设备颚式破碎机因其成本效益和优异性能而被广泛用于处理硬质矿石。然而，破碎机衬板，尤其是颚板，是承受严重磨损的关键部件，其磨损问题直接影响过程的效率、维护成本及设备的机械可用性。磨损机制，如磨料磨损和疲劳，在矿石特性、应力条件及工艺参数的综合作用下加剧。传统的衬板材料，如哈德菲尔德钢（高碳高锰奥氏体钢），因其出色的加工硬化能力和高韧性而被广泛采用。然而，此类衬板通常通过铸造工艺生产，这要求矿山企业依赖于第三方，导致备件供应周期长、库存成本高，且难以在现场快速响应或进行创新设计。此外，哈德菲尔德钢因其奥氏体凝固模式和粗大的晶粒组织，焊修困难，进一步限制了其可修复性。因此，亟需一种能够实现现场、按需、快速制造衬板的技术，以提高生产链的灵活性和响应速度。
**研究内容与结论**
为应对上述挑战，本研究旨在评估一种基于电弧定向能量沉积（DED）的增材制造（AM）技术，即电弧增材制造（WAAM），用于生产实验室规模颚式破碎机衬板的可行性。研究人员利用该技术，以易于获得的ER308LSi不锈钢焊丝为原料，成功制造了两种不同几何形状（波纹形和光滑形）的衬板，并与传统的哈德菲尔德钢铸造衬板进行了对比。通过一系列标准的和定制的破碎实验，系统评估了不同衬板的磨损行为、处理量、功耗及产品粒度分布。研究中还运用了邦德磨蚀性试验、光学显微镜、扫描电子显微镜以及维氏硬度测试等技术手段，对衬板的显微组织、磨损机理和加工硬化行为进行了深入表征。
研究得出的关键结论包括：1）电弧DED技术能够成功制造出具有不同几何形状的颚式破碎机衬板，其破碎性能与同形状的哈德菲尔德钢衬板相当，但磨损率约为后者的1.5倍，揭示了其作为临时替代方案的潜力。2）衬板几何形状显著影响破碎机性能，光滑衬板相比波纹形衬板可获得更高的处理量、更低的功耗和略粗的产品，同时其磨损率更低，表明通过优化几何设计可在一定程度上补偿材料硬度的不足。3）在所有测试条件下，固定颚衬板的磨损率均高于摆动颚衬板。4）表面分析表明，衬板几何形状影响磨损破坏机制，波纹形衬板表现出更深的磨料沟槽和裂纹，导致更高的质量损失；而加工硬化现象在所有增材制造衬板中均有发生，显著提高了其表面硬度。
**研究意义**
这项研究发表在《Journal of Materials Research and Technology》上，其重要意义在于初步验证了电弧DED技术作为一种灵活、高效、无需模具的现场制造方法，用于生产破碎机消耗性备件（如颚板）的可行性。它为解决传统铸造衬板供应周期长、设计迭代慢等痛点提供了新的技术路径，并证明了通过几何设计优化来提升衬板性能的可能性。尽管增材制造衬板的磨损寿命低于哈德菲尔德钢，但其在缩短生产时间、快速测试不同合金及复杂几何形状方面的优势，使其成为在特定场景下替代传统铸造产品的潜在方案。
**主要关键技术方法**
为开展本研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：1）**电弧定向能量沉积（DED）增材制造技术**，具体为基于熔化极气体保护焊（GMAW）的丝弧增材制造（WAAM）系统，用于制造磨损测试用桨叶和颚式破碎机衬板。2）**邦德磨蚀性试验（Bond abrasiveness test）**，采用标准转筒-冲击桨叶装置，用于初步评估不同增材制造合金与标准AISI 4340钢的耐磨性，岩石样本来自巴西米纳斯吉拉斯州的采石场。3）**颚式破碎机破碎试验**，在实验室规模的Denver BH474型颚式破碎机上进行，通过破碎120公斤采石场岩石（来自Pedra Sul Minera??o，巴西南马托格罗索州），监测处理量、功耗、产品粒度分布和衬板质量损失。
**研究结果**
**3.1. 桨叶的初步分析：** 通过邦德磨蚀性试验和硬度测试发现，增材制造的ER308LSi和ER90S-D2合金的初始硬度和耐磨性均低于淬火AISI 4340钢。由于ER308LSi不锈钢与哈德菲尔德钢在微观结构（奥氏体）和加工硬化能力上存在相似性，研究人员选择了ER308LSi作为后续制造颚式破碎机衬板的材料。
**3.2. 电弧DED制造衬板的特性：** 光学显微镜观察显示，光滑衬板因制造过程中热积累更显著，其微观结构比波纹形衬板更粗大。两种衬板的微观结构均由奥氏体（γ）和铁素体（δ）组成，其中δ铁素体呈现板条状和蠕虫状两种形态。通过Scheil凝固模型和WRC 1992图分析，确认了AISI 308LSi不锈钢的凝固模式为铁素体-奥氏体模式（FA）。
**3.3. 破碎试验结果：** 破碎试验表明，光滑衬板产生了略粗的产品和更高的处理量，而波纹形衬板则达到了更高的峰值功率。在磨损方面，哈德菲尔德钢衬板的磨损量远低于增材制造不锈钢衬板。在所有衬板中，固定颚的磨损均大于摆动颚。增材制造衬板在初始破碎20公斤物料时，磨损率明显高于后续阶段，表明存在一个“跑合期”。硬度测试发现，增材制造衬板在破碎后，从内部到表面硬度显著增加，增幅可达2.5倍，证实了强烈的加工硬化效应。
**3.4. 磨损表征：** 扫描电镜分析显示，破碎后，光滑衬板表面出现了较浅的磨损线（磨料沟槽）和剥层现象；而波纹形衬板表面则观察到更深的磨料沟槽和粘附的颗粒，这些深沟槽可导致材料开裂和脱落。前者接触面积小，导致局部接触压力大，是磨损加剧的主要原因。该结果与质量损失数据一致，表明波纹形衬板的质量损失更大。
**总结与讨论**
本研究对电弧DED技术制造实验室颚式破碎机衬板的可行性进行了初步评估。研究结果证实了该技术的潜力，即可以灵活、快速地制造出具有特定几何形状的衬板，并在破碎性能上与传统的哈德菲尔德钢衬板相当。主要不足在于增材制造的不锈钢衬板初始硬度较低，导致其磨损率更高。然而，通过优化衬板几何设计（如采用光滑表面）可以有效降低磨损率，并改善破碎机性能（如提高处理量）。同时，破碎过程中发生的显著加工硬化现象，使得衬板表面硬度得以提升，有利于其后续使用。因此，电弧DED技术适合作为现场快速制备临时替代衬板的一种方法，特别是在需要快速响应、测试新型合金或复杂几何形状，而无需顾忌长交货周期和模具成本的情况下。
**翻译结论部分：**
1. 基于电弧的DED技术展示了制造不同形态颚式破碎机衬板的能力，同时保持了与同形状哈德菲尔德钢衬板相当的破碎性能，但磨损率高出约1.5倍。这凸显了在现场可随时获得的增材制造零件在临时替代传统哈德菲尔德破碎颚板方面的潜力。
2. 研究发现破碎机的性能随衬板几何形状变化，与波纹形衬板相比，光滑衬板获得了适度更高的处理量、更低的功耗以及适度更粗的产品粒度。另一方面，光滑衬板的磨损率更低，表明通过优化衬板几何设计来部分补偿较低硬度的潜力。
3. 在所有研究的衬板几何形状和材料中，固定颚衬板的磨损均高于摆动颚衬板。
4. 表面分析表明，颚板几何形状影响磨损破坏机制，其中波纹形颚板表现出深的磨料沟槽和裂纹，这导致在破碎试验中质量损失更高。破碎后衬板的硬度从表面开始增加，表明发生了加工硬化。
