CN101530904B - 一种破碎机复合材料锤头及其负压铸造方法 - Google Patents
一种破碎机复合材料锤头及其负压铸造方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种破碎机复合材料锤头及其负压铸造方法，首先采用电炉熔炼金属母体材料形成金属液，将WC颗粒与粘合剂混制成膏状填充于柱状金属网中，密封烘制后形成预制体并置于铸型型腔的端面侧。金属液出炉前5min启动真空泵，然后金属液出炉浇注，浇注完毕后4min关闭真空泵。按照本发明的制备方法所获得的复合材料锤头锤体为高锰钢、合金钢或普通碳钢，锤端即工作面或打击面由金属母体与均匀分布于其中的柱状增强体组成。其中柱状增强体是通过陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成的复合材料，硬度为HRC55～67，具有优异的抗冲击磨损性能；柱状增强体与金属母体的界面、以及增强体中WC颗粒与基体的界面呈良好的冶金结合，结合强度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种破碎机复合材料锤头的制造方法，特别涉及一种具有双阴影抗磨效应的破碎机复合材料锤头及其负压铸造方法。
背景技术
破碎机(锤式破碎机，立轴式破碎机等)是矿山、冶金、建材、水泥、交通等行业对矿物和建筑材料进行物料破碎必不可少的设备，而锤头是破碎机中的重要工作部件和易损件，其工作原理是依靠高速旋转的锤头撞击进入破碎仓中的物料而达到粉碎物料的目的，锤头的主要失效形式是磨损和断裂。长期以来，破碎机锤头的抗磨性差，使用寿命短，更换频繁，是制约物料粉碎效率的关键因素。据不完全统计全国每年仅锤式破碎机的锤头消耗量就高达50万吨以上，并且呈现逐年上升的趋势。因此开发新型锤头材料及其加工成形技术，提高锤头的使用寿命成为亟待解决的问题。
目前国内采用的破碎机锤头主要有整体铸造锤头：所涉及的材料有高锰钢(Mn13)、中碳合金钢(中国发明专利CN1050566A)、锰钨钛耐磨铸钢(中国发明专利CN1068637C)、低合金钢(40CrMnSiMoRe)、高碳铬镍钼合金钢和高铬铸铁等；复合锤头：包括双液双金属复合铸造锤头、镶铸或镶嵌或焊接组合式锤头(中国实用新型专利CN2257218Y、CN2564248Y)；表面堆焊或整体堆焊锤头(中国发明专利CN1419990A、CN1517173A)。对于整体铸造合金钢锤头，虽然其具有高的强韧性、在运行过程中不易发生断裂，但由于锤头的整体硬度较低，且组织中的M3C等碳化物的硬度不足以抵抗物料的强冲击磨损作用，所以耐磨性差，使用寿命短。尽管人们通过调整合金成分和改进热处理工艺等措施试图提高锤头的抗磨性，其结果往往是制造成本显著增加，而抗磨性提高甚微；对于整体铸造高铬铸铁锤头，运行过程中易断裂则是其过早失效的主要原因；所谓复合锤头，是指将一种高硬度的材料如高铬铸铁或硬质合金与一种具有强韧性的合金钢或碳钢通过复合铸造、焊接或镶嵌等方法组合在一起制作成锤头，其中高硬度材料作为锤头的打击面以提高锤头的抗磨性，而强韧性材料作为锤头的锤柄防止锤头的断裂。这类锤头制造工艺复杂、成本高(对于硬质合金更是如此)，且工艺稳定性差，在结合部位易产生裂纹、应力集中等缺陷，因此在实际运行中往往会发生两种材料从结合处分离，造成锤头的过早失效；堆焊锤头是采用专用抗磨焊条在合金钢或碳钢锤头的端部(打击面或工作面)堆焊一层具有高硬度的抗磨层，其缺点是需要专用焊机，堆焊工艺复杂，工艺控制难度大，堆焊层中存在大量微裂纹、夹杂、气孔等缺陷，因此运行中堆焊层的剥落和掉块是其主要失效形式。
国际上有日本极东开发工业株式会社开发的一种组合式锤头(JP2006326399)，能较充分发挥锤头材料的抗磨性，但需要极强的连接固定技术而使结合面成为其薄弱环节。此外，德国伯力鸠斯公司生产的合金钢锤头和日本川岛公司生产的高铬铸铁-低碳合金钢复合铸造锤头，前者耐磨性较差，后者由于复合铸造易出现钢铁脱离现象。
因此，本研究所近年来致力于开发铸渗法制备铁基复合材料的多项技术。包括有：铁基复合材料锤头及其铸造方法(中国发明专利CN200510096149.5)；WCp增强铁基表层复合材料用复合剂技术(中国发明专利CN200510043187.4)；局部复合材料及其制造方法(中国发明专利CN95113785.9)等等。这些发明专利克服了前述技术的缺点，提供了一种成型方法简单，复合材料层与金属母体呈冶金结合的破碎机复合材料锤头。这种锤头在服役过程中，由于复合材料层中陶瓷颗粒的高硬度与高耐磨性，将逐渐突出于复合材料层表面而对周围基体金属产生一种微观的阴影效应，保护了基体免于进一步磨损，这一微观阴影效应已在磨损试验中得到证实。
然而，针对某些大型粉碎设备锤头而言，其不仅要抵抗物料(如矿石)的严重磨损作用、同时还需承受物料的强烈冲击作用(锤头转速高达420转/分，矿石有时重达数吨)，因而使得锤头在实际运行过程中往往会发生复合材料层与金属母体分离，造成锤头的过早失效，从而使复合材料层中增强颗粒的微观阴影效应得不到充分发挥。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种改善了增强体与母体金属的结合形式，使得在高载严酷磨损工况下复合材料增强体依然不会与母体金属分离，从而延长锤头使用寿命的破碎机复合材料锤头及其负压铸造方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1)将粒度为300～750μm的WC颗粒与粘结剂按100∶4-6的质量比混制成膏状，填充于若干个相同的柱状金属网中，密封后在80-200℃下烘干形成若干个预制体并将其置于铸型型腔的端面侧；
2)采用电炉熔炼金属母体材料形成金属液，金属液的出炉温度为1520～1650℃，浇注温度为1450～1580℃，然后金属液出炉浇注，浇注时金属液经由浇口杯直浇道和内浇道进入铸型型腔底部，金属液出炉前启动真空泵，通过真空吸管对铸型型腔造成负压气氛，通过冒口对金属液进行补缩，浇注完毕后4min关闭真空泵；
WC颗粒使用量根据下式计算：
W＝n·S·h·ρ·fV
式中：
W——WC颗粒的重量，g；
n——柱状金属网数目；
S——柱状金属网的底面积，mm2；
h——柱状金属网的高度，mm；
ρ——WC颗粒的密度，g/mm3；
fv——各柱状金属网的底面积之和占锤头端面即工作面或打击面面积的百分数。
本发明的金属母体材料为高锰钢、合金钢或普通碳钢；WC颗粒的硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3；柱状金属网材料为1Cr18Ni9Ti，底面直径为10mm，长度为25～35mm，构成金属网的金属线材直径为220μm，网格尺寸为300μm×300μm；粘结剂为含质量百分比15～20％的硼砂，13～18％的Na2SiO3·12H2O，余量为水。
按本发明的铸造方法制得的复合材料锤头，锤头的锤体为高锰钢、合金钢或普通碳钢，锤头的锤端即工作面或打击面由金属母体与均匀分布于其中的柱状增强体组成，柱状增强体硬度为HRC55～67。
按本发明的制备方法制得的复合材料锤头具有双阴影抗磨效应，其结构是由母体金属与均匀分布的柱状增强体构成，如附图3所示。增强体是通过WC陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成的复合材料，其微观组织由陶瓷颗粒与基体组成，如附图4所示。磨损过程中，由于增强体的高硬度与高耐磨性，将逐渐突出于母体而产生一种宏观的阴影效应，保护了母体免于进一步磨损，如附图3所示。最为重要的是本发明改善了增强体与母体金属的结合形式，使得在高载严酷磨损工况下复合材料增强体依然不会与母体金属分离，从而延长锤头使用寿命。本发明的制备方法所获得的复合材料锤头增强体硬度为HRC55～67，长度为25～35mm，具有优异的抗冲击磨损性能；增强体与金属母体的界面、以及增强体中WC颗粒与基体的界面呈良好的冶金结合，结合强度高，WC颗粒分布均匀；本发明生产的锤式破碎机锤头，其寿命是传统合金钢的5～10倍；本发明生产的冶金轧钢用导位板(锤头的一种形式)，其寿命是传统合金钢导位板的15倍。
附图说明
图1是本发明复合材料锤头的铸造工艺图；
图2为本发明复合材料锤头的结构图；
图3为本发明复合材料锤头的锤端宏观阴影效应示意图；
图4为本发明复合材料锤头的增强体中陶瓷颗粒对周围基体产生的微观阴影效应图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：参见图1，首先采用水玻璃砂进行破碎机锤头的造型，将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为300μm～750μm的WC颗粒与含质量百分比为20％的硼砂、17％的Na2SiO3·12H2O、余量为水制成的粘结剂按照100∶6的质量比混制成膏状，填充于若干个由1Cr18Ni9Ti制成的底面直径为10mm，长度为35mm，构成金属网的金属线材直径为220μm，网格尺寸为300μm×300μm的柱状金属网中，密封后在200℃下烘干形成若干个预制体2并置于铸型型腔1的端面侧。采用250kg中频感应电炉熔炼高锰钢形成金属液，金属液的出炉温度为1540℃，浇注温度为1470℃；金属液出炉前5min启动真空泵，真空度为0.12MPa，然后金属液出炉浇注，浇注时金属液经由浇口杯4直浇道5和内浇道6进入铸型型腔1，通过真空吸管3对型腔1造成负压气氛，通过冒口7对金属液进行补缩，浇注完毕后4min关闭真空泵，形成图2所示的复合材料锤头。
WC颗粒使用量根据下式计算：
W＝n·S·h·ρ·fV
式中：
W——WC颗粒的重量，g；
n——柱状金属网数目；
S——柱状金属网的底面积，mm2；
h——柱状金属网的高度，35mm；
ρ——WC颗粒的密度，g/mm3；
fv——各柱状金属网的底面积之和占锤头端面即工作面或打击面面积的百分数。
实施例2：参见附图1，首先采用树脂砂进行破碎机锤头的造型，将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为300μm～750μm的WC颗粒与含质量百分比为18％的硼砂、15％的Na2SiO3·12H2O、余量为水制成的粘结剂按照100∶4的质量比混制成膏状，填充于若干个由1Cr18Ni9Ti制成的底面直径为10mm，长度为32mm，构成金属网的金属线材直径为220μm，网格尺寸为300μm×300μm的柱状金属网中，密封后在150℃下烘干形成若干个预制体2并置于铸型型腔1的端面侧。采用250kg中频感应电炉熔炼合金钢形成金属液，金属液的出炉温度为1650℃，浇注温度为1580℃；金属液出炉前5min启动真空泵，真空度为0.12MPa，然后金属液出炉浇注，浇注时金属液经由浇口杯4直浇道5和内浇道6进入铸型型腔1，通过真空吸管3对型腔1造成负压气氛，通过冒口7对金属液进行补缩，浇注完毕后4min关闭真空泵。
WC颗粒使用量根据下式计算：
W＝n·S·h·ρ·fV
式中：
W——WC颗粒的重量，g；
n——柱状金属网数目；
S——柱状金属网的底面积，mm2；
h——柱状金属网的高度，32mm；
ρ——WC颗粒的密度，g/mm3；
fv——各柱状金属网的底面积之和占锤头端面即工作面或打击面面积的百分数。
实施例3：参见附图1，首先采用树脂砂进行破碎机锤头的造型，将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为300μm～750μm的WC颗粒与含质量百分比为15％的硼砂、13％的Na2SiO3·12H2O、余量为水制成的粘结剂按照100∶5的质量比混制成膏状，填充于若干个由1Cr18Ni9Ti制成的底面直径为10mm，长度为30mm，构成金属网的金属线材直径为220μm，网格尺寸为300μm×300μm的柱状金属网中，密封后在100℃下烘干形成若干个预制体2并置于铸型型腔1的端面侧。采用250kg中频感应电炉熔炼碳钢形成金属液，金属液的出炉温度为1600℃，浇注温度为1530℃；金属液出炉前5min启动真空泵，真空度为0.12MPa，然后金属液出炉浇注，浇注时金属液经由浇口杯4直浇道5和内浇道6进入铸型型腔1，通过真空吸管3对型腔1造成负压气氛，通过冒口7对金属液进行补缩，浇注完毕后4min关闭真空泵。
WC颗粒使用量根据下式计算：
W＝n·S·h·ρ·fV
式中：
W——WC颗粒的重量，g；
n——柱状金属网数目；
S——柱状金属网的底面积，mm2；
h——柱状金属网的高度，30mm；
ρ——WC颗粒的密度，g/mm3；
fv——各柱状金属网的底面积之和占锤头端面即工作面或打击面面积的百分数。
实施例4：参见附图1，首先采用水玻璃砂进行破碎机锤头的造型，将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为300μm～750μm的WC颗粒与含质量百分比为19％的硼砂、18％的Na2SiO3·12H2O、余量为水制成的粘结剂按照100∶5的质量比混制成膏状，填充于若干个由1Cr18Ni9Ti制成的底面直径为10mm，长度为25mm，构成金属网的金属线材直径为220μm，网格尺寸为300μm×300μm的柱状金属网中，密封后在180℃下烘干形成若干个预制体2并置于铸型型腔1的端面侧。采用250kg中频感应电炉熔炼高锰钢形成金属液，金属液的出炉温度为1520℃，浇注温度为1450℃；金属液出炉前5min启动真空泵，真空度为0.12MPa，然后金属液出炉浇注，浇注时金属液经由浇口杯4直浇道5和内浇道6进入铸型型腔1，通过真空吸管3对型腔1造成负压气氛，通过冒口7对金属液进行补缩，浇注完毕后4min关闭真空泵。
WC颗粒使用量根据下式计算：
W＝n·S·h·ρ·fV
式中：
W——WC颗粒的重量，g；
n——柱状金属网数目；
S——柱状金属网的底面积，mm2；
h——柱状金属网的高度，25mm；
ρ——WC颗粒的密度，g/mm3；
fv——各柱状金属网的底面积之和占锤头端面即工作面或打击面面积的百分数。
实施例5：参见附图1，首先采用树脂砂进行破碎机锤头的造型，将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为300μm～750μm的WC颗粒与含质量百分比为17％的硼砂、16％的Na2SiO3·12H2O、余量为水制成的粘结剂按照100∶6的质量比混制成膏状，填充于若干个由1Cr18Ni9Ti制成的底面直径为10mm，长度为28mm，构成金属网的金属线材直径为220μm，网格尺寸为300μm×300μm的柱状金属网中，密封后在80℃下烘干形成若干个预制体2并置于铸型型腔1的端面侧。采用250kg中频感应电炉熔炼合金钢形成金属液，金属液的出炉温度为1640℃，浇注温度为1570℃；金属液出炉前5min启动真空泵，真空度为0.12MPa，然后金属液出炉浇注，浇注时金属液经由浇口杯4直浇道5和内浇道6进入铸型型腔1，通过真空吸管3对型腔1造成负压气氛，通过冒口7对金属液进行补缩，浇注完毕后4min关闭真空泵。
WC颗粒使用量根据下式计算：
W＝n·S·h·ρ·fV
式中：
W——WC颗粒的重量，g；
n——柱状金属网数目；
S——柱状金属网的底面积，mm2；
h——柱状金属网的高度，28mm；
ρ——WC颗粒的密度，g/mm3；
fv——各柱状金属网的底面积之和占锤头端面即工作面或打击面面积的百分数。
实施例6：参见附图1，首先采用树脂砂进行破碎机锤头的造型，将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为300μm～750μm的WC颗粒与含质量百分比为16％的硼砂、14％的Na2SiO3·12H2O、余量为水制成的粘结剂按照100∶6的质量比混制成膏状，填充于若干个由1Cr18Ni9Ti制成的底面直径为10mm，长度为29mm，构成金属网的金属线材直径为220μm，网格尺寸为300μm×300μm的柱状金属网中，密封后在120℃下烘干形成若干个预制体2并置于铸型型腔1的端面侧。采用250kg中频感应电炉熔炼碳钢形成金属液，金属液的出炉温度为1630℃，浇注温度为1560℃；金属液出炉前5min启动真空泵，真空度为0.12MPa，然后金属液出炉浇注，浇注时金属液经由浇口杯4直浇道5和内浇道6进入铸型型腔1，通过真空吸管3对型腔1造成负压气氛，通过冒口7对金属液进行补缩，浇注完毕后4min关闭真空泵。
WC颗粒使用量根据下式计算：
W＝n·S·h·ρ·fV
式中：
W——WC颗粒的重量，g；
n——柱状金属网数目；
S——柱状金属网的底面积，mm2；
h——柱状金属网的高度，29mm；
ρ——WC颗粒的密度，g/mm3；
fv——各柱状金属网的底面积之和占锤头端面即工作面或打击面面积的百分数。
本发明依靠真空泵的负压作用，使金属液渗透到预制体的孔隙中，从而在铸件端面(工作面或打击面)形成柱状增强体。其中，制备预制体时使用粘结剂，一方面起粘结WC颗粒的作用，烘制后又可保证预制层有足够的强度；两一方面可以改善金属液与WC颗粒的润湿性，提高金属液的浸渗能力。采用本发明制备的复合材料锤头增强体硬度为HRC55～67，长度为25～35mm，增强体与金属母体的界面以及增强体中WC颗粒与基体的界面呈良好的冶金结合。磨损过程中，由于增强体的高硬度与高耐磨性，将逐渐突出于母体而产生一种宏观的阴影效应，保护了母体免于进一步磨损，如附图3所示；同时由于增强体中陶瓷颗粒的高硬度与高耐磨性，亦将逐渐突出于增强体中的基体而产生一种微观的阴影效应，保护了基体免于进一步磨损，如附图4所示。本发明生产的锤式破碎机锤头，其寿命是传统合金钢的5～10倍；本发明生产的冶金轧钢用导位板(锤头的一种形式)，其寿命是传统合金钢导位板的15倍。
Claims (6)
1.一种破碎机复合材料锤头的负压铸造方法，其特征在于：
1)将粒度为300～750μm的WC颗粒与粘结剂按100∶4-6的质量比混制成膏状，填充于若干个相同的柱状金属网中，密封后在80-200℃下烘干形成若干个预制体(2)并将其置于铸型型腔(1)的端面侧；
2)采用电炉熔炼金属母体材料形成金属液，金属液的出炉温度为1520～1650℃，浇注温度为1450～1580℃，然后金属液出炉浇注，浇注时金属液经由浇口杯(4)直浇道(5)和内浇道(6)进入铸型型腔(1)底部，金属液出炉前5min启动真空泵，通过真空吸管(3)对铸型型腔(1)造成负压气氛，通过冒口(7)对金属液进行补缩，浇注完毕后4min关闭真空泵；
WC颗粒使用量根据下式计算：
W＝n·S·h·ρ·fV
式中：
W——WC颗粒的重量，g；
n——柱状金属网数目；
S——柱状金属网的底面积，mm2；
h——柱状金属网的高度，mm；
ρ——WC颗粒的密度，g/mm3；
fV——各柱状金属网的底面积之和占锤头端面即工作面或打击面面积的百分数。
2.根据权利要求1所述的破碎机复合材料锤头的负压铸造方法，其特征在于：所说的金属母体材料为高锰钢或普通碳钢。
3.根据权利要求1所述的破碎机复合材料锤头的负压铸造方法，其特征在于：所说的WC颗粒的硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3。
4.根据权利要求1所述的破碎机复合材料锤头的负压铸造方法，其特征在于：所说的柱状金属网材料为1Cr18Ni9Ti，底面直径为10mm，长度为25～35mm，构成金属网的金属线材直径为220μm，网格尺寸为300μm×300μm。
5.根据权利要求1所述的破碎机复合材料锤头的负压铸造方法，其特征在于：所说的粘结剂为含质量百分比15～20％的硼砂，13～18％的Na2SiO3·12H2O，余量为水。
6.一种按照权利要求1所述的复合材料锤头的负压铸造方法铸造的复合材料锤头，其特征在于：锤头的锤体为高锰钢或普通碳钢，锤头的锤端即工作面或打击面由金属母体与均匀分布于其中的柱状增强体组成，柱状增强体硬度为HRC55～67。
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2009
- 2009-04-03 CN CN2009100218674A patent/CN101530904B/zh not_active Expired - Fee Related
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