CN103990515B - 基于功能梯度复合材料的锤片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功能梯度复合材料的锤片，包括锤片基体，其特征在于，锤片工作端部设有WC50％含量以上的陶瓷颗粒增强复合层为耐磨层；锤片中部表层组织为细针状回火马氏体加细颗粒碳化物，含碳量0.8％-1.0％；过渡层组织为细针状回火马氏体加板条状回火马氏体，心部组织为板条状回火马氏体，含碳量0.2％；锤片固定端销孔部分组织以回火索氏体为主。本发明还公开了制备方法，获得的基于功能梯度复合材料的锤片，具有高性能、长寿命的优点，不仅生产成本低、利润高，并且能够为国内粉碎机行业节省大量钢材，减少能源消耗，促进行业节能环保，提高核心竞争力。

Description

基于功能梯度复合材料的锤片及其制备方法

技术领域

本发明涉及粉碎机锤片生产技术领域，具体为一种基于梯度功能复合材料的锤片及其制备方法。

背景技术

锤片式粉碎机广泛用于饲料、粮食、食品、医药、化工等行业。锤片式粉碎机是利用高速旋转的锤片来击碎物料的机械设备，而锤片是各类粉碎机的核心部件，主轴高速旋转使得锤片端角线速度达到50-100m/s，转盘与其外围的筛片和齿板构成粉碎室，物料由喂料斗进入粉碎室后，受到高速锤片的冲击作用、齿板和筛片的撞击作用以及与筛片与锤片之间的搓擦作用，被逐渐粉碎到一定细度后，从筛孔中排出，经抛送风扇送出机外。可见，粉碎机工作时，依靠锤片的端角连续锤击进料，把各类物料粉碎成细粉状，同时本身受到硬质物料的高速冲击，且产生很大的惯性力。物料中通常含有木屑，肉骨，铜线，海藻，贝壳等高硬度物质，使得锤片的工况条件变得更加恶劣，而恶劣的工况条件是锤片磨损十分严重，寿命降低。锤片在使用过程中受到一定冲击，高速旋转的锤片，一旦断裂有可能造成恶性事故，因此锤片不仅要求高的耐磨性，还要求高的韧性。

粉碎机锤片的机械行业标准JB/T9822.2-2008规定，锤片采用15、20或65Mn材质制造，允许采用力学性能不低于规定要求的其他材料制造，对15、20号钢制备的锤片进行渗碳处理，渗碳层为0.3-1.2mm，根据锤片厚度不同，渗碳层厚度也不同，渗碳后标称硬度为56-62HRC，非渗碳区硬度不超过28HRC。但根据JB/T9822.2-2008生产的锤片，耐磨性有限，寿命仍然较低；在45钢或65Mn钢基础上，表层工作部通过表面处理方式获得耐磨层的锤片，如中国发明专利申请公开的说明书201110184141.x公开了一种锤片式粉碎机用锤片，以及中国发明专利申请公开的说明书201210522558.7公开I了一种粉碎机锤片，其工作部高硬度的耐磨层的设置，均使锤片的使用寿命得到了一些提高，但使用过程中销孔附近容易萌生裂纹而失效，且寿命仍满足不了用户日益提高的要求。

现有技术中存在的锤片耐磨性差，需要经常更换，造成使用成本大大增加；更换锤片需要停机进行，非但影响生产效率，更给使用者带来麻烦和不便，影响产品质量的稳定性；锤片在使用过程中表面产生裂纹，造成锤片的非磨损失效的现象等一系列问题，使国内锤片市场迫切需要一种新型的高性能、长寿命的锤片。

发明内容

针对上述技术现状，本发明的目的在于提供一种锤片及其制备方法以解决上述锤片耐磨性差、使用寿命低的问题。

本发明是这样实现的：

一种基于功能梯度复合材料的锤片，包括锤片基体，锤片工作端部设有WC50％含量以上的陶瓷颗粒增强复合层为耐磨层；锤片中部表层组织为细针状回火马氏体加细颗粒碳化物，含碳量0.8％-1.0％；过渡层组织为细针状回火马氏体加板条状回火马氏体，心部组织为板条状回火马氏体，含碳量0.2％；锤片固定端销孔部分组织以回火索氏体为主。

上述工作端部的硬度为63-65HRC，中部表层硬度为48-53HRC，销孔部分硬度低于48HRC。

上述锤片中部表层含碳量逐步向截面中心递减，渗碳层为0.5-1.2mm。

一种上述基于功能梯度复合材料的锤片的制备方法，以Q345B钢材为基体，

(1)工作端部用堆焊方法形成WC含量50％以上的陶瓷颗粒增强复合材料耐磨层；

(2)中部先采用气体渗碳方式改变表层碳含量，然后依次进行淬火和回火处理：首先在炉内升温至920℃并保温20min，之后强渗碳165min，碳势保持1.1％，之后保温扩散120min，碳势保持0.9％，降温至830℃保持30min，碳势保持0.8％；出炉后用快速淬火油进行淬火，淬火后进回火炉进行回火处理，回火温度380℃，保温180min。

(3)销孔部分使用中频退火处理，铜管距孔周1.5cm。

上述堆焊方法为气体火焰堆焊方式，用WC含量不低于30％的铸造碳化钨耐磨其焊条，焊接气体为氧-乙炔，火焰温度1700℃，氧气压力为0.5MPa，乙炔压力为0.05MPa。

本发明的有益效果是基于功能梯度复合材料的锤片其工作端部WC颗粒增强复合材料耐磨层最大限度提高锤片的耐磨性和寿命，且心部采用Q345B钢材保证韧性，不发生脆断；中部形成的性能梯度分布使得锤片整体各部分的硬度和耐磨性都得到提高，有效配合工作端部WC颗粒增强复合材料耐磨层的耐磨效应；固定端的销孔周围获得具有良好综合性能的回火索氏体组织，最大限度减少裂纹的萌生；本发明提供的锤片制备方法获得的基于功能梯度复合材料的锤片，具有高性能、长寿命的优点，不仅生产成本低、利润高，并且能够为国内粉碎机行业节省大量钢材，减少能源消耗，促进行业节能环保，提高核心竞争力。

附图说明

图1为本发明提供的基于功能梯度复合材料的锤片结构示意图；

图2为图1中所示锤片的金相组织结构图。

图中：

1.工作端部；2.锤片中部；3.固定端销孔部分；2-1.表层；2-2.次表层；2-3.过渡层；2-4.心部。

具体实施方式

为了使本技术领域人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

一种基于功能梯度复合材料的锤片，包括锤片基体，如图1所示，锤片工作端部1设有WC50％含量以上的陶瓷颗粒增强复合层为耐磨层；锤片中部2表层组织为细针状回火马氏体加细颗粒碳化物，含碳量0.8％-1.0％；过渡层组织为细针状回火马氏体加板条状回火马氏体，心部组织为板条状回火马氏体，含碳量0.2％；锤片固定端销孔部分组织以回火索氏体为主。

上述工作端部的硬度为63-65HRC，中部表层硬度为48-53HRC，销孔部分表层硬度低于48HRC。

上述基于功能梯度复合材料的锤片的制备方法，以Q345B钢材为基体，获得具有三个层次的功能梯度分布的复合材料锤片。

第一层次的梯度分布指工作端部形成WC含量50％以上的陶瓷颗粒增强复合材料耐磨层：

堆焊方法很多，所能达到的质量也各不相同，在能满足质量要求的前提下，尽可能降低成本，以利于提高销售市场的占有率，因此本发明中选择了成本低、工艺简单易行的气体火焰堆焊方式。

堆焊材料：铸造碳化钨耐磨气焊条，根据基体厚度选择相应直径焊条，一般可选择直径4mm焊条，WC质量含量不低于30％，通常可选择30-60％。

焊接气体：氧－乙炔

焊接工具：根据焊接面积选择焊炬和焊嘴，一般可用Ｈ01-12型，并配3号焊嘴。

火焰温度：1700℃

工艺方法：用喷丸处理方式或钢刷清理钢体中需堆焊的表面，去除表面氧化层及油污，露出金属光泽。打开氧气瓶阀和乙炔瓶阀，将输出氧气压力调到0.5MPa，乙炔压力调到0.05MPa，点燃焊炬，调整火焰，以内焰2-3cm，外焰长度为内焰的三倍左右为宜，根据堆焊面积，可适当增大火焰；预热堆焊面，使得基板发红，表面有微微熔化现象，然后将焊条置于堆焊面上方，以火焰对准焊条头部，使得焊条熔化并覆盖于堆焊面。以此方法重复堆焊，使得耐磨层高度达到要求，一般堆焊层厚度与板材厚度相当。

第二层次的梯度分布是指Q345B钢材为基体的锤片其截面上从表层到心部的硬度、耐磨性的梯度分布，先通过渗碳处理获得从表层到心部的碳含量的梯度分布，之后结合淬火加回火的处理工艺：

工艺方法：首先升温至920℃并保温20min；以920℃开始强渗碳165min，碳势控制在1.1％；再以920℃保温扩散120min，碳势保持0.9％；降温至830℃保持30min，碳势保持0.8％；通过气体渗碳炉，在锤片表层形成含碳0.8-1.0％的过共析层，并逐步向截面中心递减，渗碳层控制在0.5-1.2mm范围。主要依据锤片大小和厚度，即渗碳层不能占据截面厚度的比例不能过大。渗碳处理后出炉并用快速淬火油进行淬火，淬火后，进回火炉回火处理，回火温度380℃，保温180min。如图2-1所示，后续的淬火加回火工艺使得锤片表层形成具有高硬度的回火马氏体+细小渗碳体颗粒的过共析组织2-1，含碳量0.8％-1.0％，并向截面中心部位依次为次表层形成细针状回火马氏体的共析组织2-2、过渡层形成细针状回火马氏体+板条状回火马氏体的亚共析组织2-3、心部为板条状回火马氏体+铁素体等组织形式2-4，含碳量依次递减，到心部含碳量为0.2％，形成组织与硬度的功能梯度分布。

渗碳层厚度：5mm及以上0.8-1.2mm，4mm及以下0.5-0.8mm。

为防止使用过程中销孔周围形成微裂纹，通过局部高温退火方式，在销孔周围形成低硬度、高韧性的组织，以形成第三层次的地图分布，而其他部位则仍保持渗碳并淬火后的高硬度状态：

销孔部分采用局部中频退火工艺，铜管尺寸范围为孔周1.5cm左右。

锤片在使用过程中通过销孔固定在机架上，并高速旋转，与物料冲击、碰撞，粉碎物料，因此，线速度最大的是工作端部，磨损最严重，除外，中部其它部位也会与物料激烈摩擦而磨损，在满足过高硬度的情况下，还必须避免催生表面裂纹，使锤片提前失效，尤其是通过销孔固定的部位，由于摩擦和表层紧固应力，更易萌生裂纹。所以，工作端部耐磨层通过堆焊复合材料中WC的含量和结合后期渗碳处理及淬火回火处理来调节，控制耐磨层的硬度在63-65HRC范围，不超过70HRC，避免硬度过高而在结合部产生大的应力，容易出现裂纹反而使锤片寿命降低；而且当硬度达到70HRC时，由于ＷＣ或其他硬质相含量过高，耐磨层与基体结合性降低，易产生焊接不牢，脱落等现象，故而本发明适当降低锤片复合材料涂层的硬度，保持工作端部耐磨层硬度为63-65HRC时，可达到结合性与耐磨性的综合性能最优。

基材渗碳淬火后硬度为58-63HRC，应力过大，当基材硬度达到58HRC以上时，断裂率为10％，存在重大安全陷患。而回火后锤片中部表层硬度为48-53HRC，有效去除淬火应力同时保持基材存在一定的耐磨性。

由于回火后销孔部分表层硬度为48-53HRC，旋转摩擦和紧固应力的作用下容易产生裂纹，所以销孔部分采用局部高温退火的方式，使局部硬度下降，提高韧性。

以上对本发明进行了详细介绍。本文中对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于功能梯度复合材料的锤片，包括锤片基体，其特征在于，锤片工作端部设有WC50％含量以上的陶瓷颗粒增强复合层为耐磨层；锤片中部表层组织为细针状回火马氏体加细颗粒碳化物，含碳量0.8％-1.0％；过渡层组织为细针状回火马氏体加板条状回火马氏体，心部组织为板条状回火马氏体，含碳量0.2％；锤片固定端销孔部分的组织以回火索氏体为主。

2.根据权利要求1所述的基于功能梯度复合材料的锤片，其特征在于，工作端部的硬度为63-65HRC，中部表层硬度为48-53HRC，销孔部分硬度低于48HRC。

3.根据权利要求2所述的基于功能梯度复合材料的锤片，其特征在于，锤片中部表层含碳量逐步向截面中心递减，渗碳层为0.5-1.2mm。

4.一种权利要求1、2或者3所述的基于功能梯度复合材料的锤片的制备方法，其特征在于：锤片以Q345B钢材为基体，

(1)工作端部用堆焊方法形成WC含量50％以上的陶瓷颗粒增强复合材料耐磨层；

(2)中部先采用气体渗碳方式改变表层碳含量，然后依次进行淬火和回火处理：首先在炉内升温至920℃并保温20min，之后强渗碳165min，碳势保持1.1％，之后保温扩散120min，碳势保持0.9％，降温至830℃保持30min，碳势保持0.8％；出炉后用快速淬火油进行淬火，淬火后进回火炉进行回火处理，回火温度380℃，保温180min；

(3)销孔部分使用中频退火处理，铜管距孔周1.5cm。

5.根据权利要求4所述的锤片的制备方法，其特征在于，所述堆焊方法为气体火焰堆焊方式，用WC含量不低于30％的铸造碳化钨耐磨气焊条，焊接气体为氧-乙炔，火焰温度1700℃，氧气压力为0.5MPa，乙炔压力为0.05MPa。