CN105420594B

CN105420594B - 一种含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头及其制备方法、应用

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Publication number: CN105420594B
Application number: CN201510875101.8A
Authority: CN
Inventors: 陈全心
Original assignee: NINGGUO HUAFENG WEAR-RESISTANT MATERIAL Co Ltd
Current assignee: NINGGUO HUAFENG WEAR-RESISTANT MATERIAL Co Ltd
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2018-01-12
Anticipated expiration: 2035-11-30
Also published as: CN105420594A

Abstract

本发明公开了一种含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，其组分按重量百分比包括：碳：3.4～3.8％，硅：2.2～3.0％，锰：0.2～0.5％，铬：0.4～0.6％，钼：0.2～0.3％，铜：0.4～0.6％，镍：0.3～0.4％，磷：≤0.05％，硫：≤0.03％，其余为铁。本发明还公开了上述含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头的制备方法，包括：熔炼；浇注；热处理：将锤头坯体升温进行奥氏体化，然后保温，等温淬火得到含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，等温淬火温度为240～280℃，等温淬火时间为3.5～4.5h。本发明还公开了上述含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头的应用。

Description

一种含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及锤式破碎机技术领域，尤其涉及一种含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头及其制备方法、应用。

背景技术

锤式破碎机在砖厂及煤矸石加工厂广为使用，锤头在高速转动中经受物料的冲击与磨损，是其主要的磨损件。现在砖厂较常使用的锤头有高锰钢锤头、高铬铸铁锤头和双金属复合锤头。但各种材质锤头都存在一定的局限性，具体表现为：高锰钢锤头不耐磨，高铬铸铁锤头易碎，双金属锤头价格高、性价比低。

高锰钢经水韧处理后的组织为单相奥氏体，在强烈冲击、挤压载荷的反复作用下，具有加工硬化的特点，并且冲击能量越大，硬化效果越好。但是如果加工硬化效果不充分，表面硬度就偏低，其耐磨性就差。煤矸石加工厂使用后的高锰锤头残体其硬度只有HRC 28-32，显然加工硬化不足，直接影响锤头的使用寿命。高铬铸铁基体主要由马氏体及碳化物组成，具有很好的硬度及耐磨性，但是韧性较低，其ak值在3～5J/cm²。其在破碎的过程中遇到较硬的物料(如石子、铁渣等)易碎裂。双金属铸造锤头使用效果较好，但价格偏高，性价比不合适。

因此，现开发一种适合于在砖厂及煤矸石加工厂使用的既不破碎又耐磨的锤头是当前急需解决的问题。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头及其制备方法、应用，具有较高的初始硬度及适当的冲击韧性，硬度可达HRC 55，冲击功可达39.3J，还具有重量轻及降音、减震等特点，可弥补高锰钢及高铬铸铁锤头的缺点与不足，符合实际生产需求。

本发明提出的一种含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，其组分按重量百分比包括：碳：3.4～3.8％，硅：2.2～3.0％，锰：0.2～0.5％，铬：0.4～0.6％，钼：0.2～0.3％，铜：0.4～0.6％，镍：0.3～0.4％，磷：≤0.05％，硫：≤0.03％，其余为铁。

优选地，碳元素和硅元素的重量比为3.6～3.7：2.4～2.5。

优选地，铬元素和钼元素的重量比为0.42～0.5：0.23～0.26。

优选地，铜元素、镍元素、锰元素的重量比为0.42～0.44：0.32～0.34：0.45～0.49。

优选地，其组分按重量百分比包括：碳：3.64％，硅：2.44％，锰：0.486％，铬：0.45％，钼：0.24％，铜：0.43％，镍：0.33％，磷：0.06％，硫：0.037％，其余为铁。

本发明还提出的上述含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头的制备方法，包括如下步骤：

S1、熔炼：将原料置于熔炼炉中升温至熔融状态，调质，出炉得到合金液；

S2、浇注：将合金液进行浇注得到锤头坯体，浇注温度≥1350℃；

S3、热处理：将锤头坯体升温进行奥氏体化，奥氏体化的温度为930～960℃，保温1.5～2.5h，然后等温淬火得到含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，等温淬火温度为240～280℃，等温淬火时间为3.5～4.5h。

优选地，S1中，出炉温度为1450～1480℃。

本发明还提出的上述含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头在锤式破碎机中的应用。

本发明中各元素作用如下：

碳：作为形成石墨球的主要元素，可以有效的控制石墨个数及石墨大小，同时，适当的碳当量可以使铁液易于流动，增加铁液的充型能力，减少缩松缩孔，提高铸件的致密性，但是碳含量过高，容易产生石墨漂浮，影响铸铁的性能。

硅：作为强烈促进石墨化的元素，又能起到孕育的效果。较高的含硅量对铸件的浇注及自补缩都有很大的好处。硅含量高些，对形成球状石墨有利，但硅含量超过3.0％时，冲击韧性会急剧降低。

锰：可以扩大奥氏体区，增强了奥氏体的稳定性；固溶在基体和碳化物中，可以强化基体，提高硬度，提高基体的淬透性。但是，较高的含锰量会引起晶粒粗大，且极易富集到共晶团的边界形成珠光体或碳化物。严重时碳化物形成网状，极大地影响了材料的韧性。由于锤头要求具有较高的韧性，所以应控制锰含量。

铬：可提高淬透性，同时是碳化物形成元素，在球墨铸铁中，它能与碳生成M₃C型碳化物可以作为有效的硬质点弥散分布在基体上，提高材料的硬度及耐磨度。经试验发现证实：含Cr 0.5％，碳化物约占15～20％，满足实际需求。

钼：可强烈提高材料的淬透性。加钼后奥氏体向珠光体转变受阻，并且降低了珠光体的临界温度，在较低温度下进行等温淬火，能够比较容易的得到铁素体组织。另一方面，钼是分配系数较低的正偏析元素，在奥氏体中心含量为0.39％，故钼的添加应控制在0.4％以下，并与铜、镍配合使用。

铜：可扩大奥氏体相区，改善石墨球形状和增加石墨球个数。具有良好的淬透性，为负偏析元素，当铁液在共晶点凝固时能够削弱由钼、锰的正偏析带来负面影响，减少白亮区，促进组织的均匀化。

镍：可有效的扩大奥氏体相区，提高奥氏体稳定性，同时具有良好的淬透性，所以能明显改善基体的力学性能。

本发明采用含碳化物等温淬火球墨铸铁制备锤头，其作为一种优良的机械工程材料，具有硬度高、韧性好、重量轻及降音、减震等特点，可弥补高锰钢及高铬铸铁锤头的缺点与不足。而热处理工艺对含碳化物等温淬火球墨铸铁的组织和性能的影响很大，不同的奥氏体化参数及等温参数，都会产生明显的性能差异。

含碳化物等温淬火球墨铸铁是近几年来由等温淬火球墨铸铁派生出的一种新型的球铁材料。在等温淬火球墨铸铁的基础上加入强碳化物，使得贝氏体+奥氏体基体中弥散分布着M₃C型铬碳化合物。

由于煤矸石硬度偏低，且较脆，在锤式破碎机破碎的过程中冲击力较小，含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头的加工硬化程度低于含碳化物等温淬火球墨铸铁磨球，故含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头热处理后应保证其具有较高的初始硬度及适当的冲击韧性。本发明的硬度可达HRC 55，冲击功可达39.3J，符合实际生产需求。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

本发明提出的一种含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，其组分按重量百分比包括：碳：3.4％，硅：3.0％，锰：0.2％，铬：0.6％，钼：0.2％，铜：0.6％，镍：0.3％，磷：≤0.05％，硫：≤0.03％，其余为铁。

实施例2

本发明提出的一种含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，其组分按重量百分比包括：碳：3.8％，硅：2.2％，锰：0.5％，铬：0.4％，钼：0.3％，铜：0.4％，镍：0.4％，磷：≤0.05％，硫：≤0.03％，其余为铁。

实施例3

本发明提出的一种含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，其组分按重量百分比包括：碳：3.6％，硅：2.5％，锰：0.45％，铬：0.5％，钼：0.23％，铜：0.44％，镍：0.32％，磷：≤0.05％，硫：≤0.03％，其余为铁。

实施例4

本发明提出的一种含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，其组分按重量百分比包括：碳：3.7％，硅：2.4％，锰：0.49％，铬：0.42％，钼：0.26％，铜：0.42％，镍：0.34％，磷：≤0.05％，硫：≤0.03％，其余为铁。

实施例5

本发明提出的一种含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，其组分按重量百分比包括：碳：3.64％，硅：2.44％，锰：0.486％，铬：0.45％，钼：0.24％，铜：0.43％，镍：0.33％，磷：0.06％，硫：0.037％，其余为铁。

实施例6

本发明提出的一种含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，其组分配比同实施例5。

S1、熔炼：将原料置于熔炼炉中升温至熔融状态，调质，出炉得到合金液，出炉温度为1450℃；

S2、浇注：将合金液进行浇注得到锤头坯体，浇注温度为1400℃；

S3、热处理：将锤头坯体升温进行奥氏体化，奥氏体化的温度为930℃，然后保温2.5h，等温淬火得到含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，等温淬火温度为240℃，等温淬火时间为4.5h。

实施例7

S1、熔炼：将原料置于熔炼炉中升温至熔融状态，调质，出炉得到合金液，出炉温度为1480℃；

S2、浇注：将合金液进行浇注得到锤头坯体，浇注温度为1350℃；

S3、热处理：将锤头坯体升温进行奥氏体化，奥氏体化的温度为960℃，然后保温1.5h，等温淬火得到含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，等温淬火温度为280℃，等温淬火时间为3.5h。

实施例8

S1、熔炼：将原料置于熔炼炉中升温至熔融状态，调质，出炉得到合金液，出炉温度为1465℃；

S2、浇注：将合金液进行浇注得到锤头坯体，浇注温度为1375℃；

S3、热处理：将锤头坯体升温进行奥氏体化，奥氏体化的温度为945℃，然后保温2h，等温淬火得到含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，等温淬火温度为260℃，等温淬火时间为4h。

实施例9

S3、热处理：将锤头坯体升温进行奥氏体化，奥氏体化的温度为960℃，然后保温2h，等温淬火得到含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，等温淬火温度为240℃，等温淬火时间为4h。

实施例10

S3、热处理：将锤头坯体升温进行奥氏体化，奥氏体化的温度为960℃，然后保温2h，等温淬火得到含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，等温淬火温度为280℃，等温淬火时间为4h。

实施例11

S3、热处理：将锤头坯体升温进行奥氏体化，奥氏体化的温度为930℃，然后保温2h，等温淬火得到含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，等温淬火温度为240℃，等温淬火时间为4h。

实施例12

S3、热处理：将锤头坯体升温进行奥氏体化，奥氏体化的温度为930℃，然后保温2h，等温淬火得到含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，等温淬火温度为280℃，等温淬火时间为4h。

对实施例9-12切割后，进行性能检测，其结果如下：

检测项目	硬度/HRC	冲击功/J
			实施例9	48.5	27
实施例10	43.5	39.3
			实施例11	55	22.3
实施例12	50	35

实施例11所得含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头的硬度最高，达到HRC 55，韧性达到22.3J/cm²，综合力学性能最佳。

在相同的奥氏体化温度条件下，随着等温温度的升高，样品的冲击韧性渐显著升高，硬度值不断降低；在相同的等温温度条件下，随着奥氏体化温度的升高，试样的冲击韧性渐显著升高，硬度值不断降低。

这是由于较高的奥氏体化温度会提高奥氏体中碳含量，使奥氏体更加稳定，在淬火及等温过程中产生较多的高碳残余奥氏体，从而提高了材料的韧性，降低了材料的硬度。等温温度较低时，奥氏体一部分转变成为针状铁素体，还有一部分转变成了马氏体，残奥数量减少。较高的等温温度，碳原子的扩散能力及扩散速度也会相应的提高。这就有利于获得更加均匀、含碳量更高的奥氏体，也使残余奥氏体的量有所增加。因此，含碳化物等温淬火球墨铸铁的冲击韧性随着等温淬火温度的升高而逐渐增大，硬度则逐渐降低。

为了验证含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头的使用效果，在河南平顶山和浙江江山相关厂家进行了对比试验，在XCKP1100x1000破碎机中，对含碳化物等温淬火球墨铸铁和ZGMn₁₃Cr₂两种锤头进行对比试验。其中含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头采用实施例8所得含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头；ZGMn₁₃Cr₂锤头的组分按重量百分比包括：碳：1.529％，硅：0.406％，锰：11.602％，铬：1.736％，钼：0.02％，镍：0.070％，磷：0.035％，硫：0.009％，其余为铁。

对含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头和ZGMn₁₃Cr₂锤头进行机械性能检测，其结果如下：

含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头的初始硬度值为HRC 55，使用后表面硬度为HRC58，提高了HRC 3；ZGMn₁₃Cr₂锤头的初始硬度值为HRC 20.3，使用后，表面硬度为HRC 39.6，提高了HRC 19.3；从上述可以看出，含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头的初始硬度远高于ZGMn₁₃Cr₂锤头，为其2.7倍。

这是由于ZGMn₁₃Cr₂基体为奥氏体组织，其硬度远低于含碳化物等温淬火球墨铸铁基体中的贝氏体+奥氏体组织，所以初始硬度偏低。ZGMn₁₃Cr₂锤头的二次硬化值远高于含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，这是由于ZGMn₁₃Cr₂钢是单一奥氏体，而且该批锤头碳含量达到1.529％，超过标准上限1.5％；铬含量达到1.736％，冲击韧性达到115.7J/cm²，磷降到0.035％，说明此批锤头冶金质量很好，在冲击磨损条件下高锰钢的硬化速率得到提高，奥氏体通过加工硬化转变成为马氏体，表现为使用后的硬度达到HRC 39.6。

而ZGMn₁₃Cr₂锤头的韧性为115.7J/cm²，为含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头的5.2倍，主要是由于组织及热处理工艺不同，所产生的差异。

每种锤头用4个班，共计48h。使用结束后，对两种锤头进行对比，其结果如下：

从磨损量方面对比，相同的使用工况条件下，含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头48h的单个磨损1.07kg，为ZGMn₁₃Cr₂锤头的43％。

而在浙江江山的煤矸石加工厂，正常生产时，普通的高锰钢锤头使用寿命为1个班，每2小换一个面，一个班要将锤头换4次面，2小时要停机一次；改用含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头后，5小时换一次面，使用寿命达到2-3个班，使用寿命提高了1-2倍。

通过以上两组工况实验的结果可以看出，含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头的使用寿命基本上是ZGMn₁₃Cr₂锤头的2-3倍。这是由于锤头的失效形式主要为磨损与破碎，是硬度与韧性综合作用的结果。当韧性较低时，锤头容易碎裂，过早的结束使用寿命；当韧性达到一定的程度后，锤头不会碎裂，此时耐磨度将会对其使用寿命产生决定性影响。锤头表面作用力可分解为法向作用力和切向作用力，与锤头相对运动的尖锐物料，在法向力作用下嵌入表面,切向力则推动磨粒沿表面运动。锤头表面硬度的高低直接影响物料嵌入的深浅，决定其磨损量的多少，所以会直接影响其使用寿命。含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头的表面硬度远高于ZGMn₁₃Cr₂锤头，所以其使用寿命远高于对方。

以XCKP1100x1000破碎机为例，一组高锰钢锤头重量190.8kg，可使用4个班，高锰钢锤头价格约7000元/吨，平均每个班消耗锤头费用为333.9元。一组含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头重量197.5kg，按提高1倍计算可使用8个班，价格约8000元/吨，平均每个班消耗锤头费用为197.5元。使用含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头每台破碎机每个班可节约成本136.4元，每班锤头磨损费用下降40.9％。而含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头大幅度的延长了使用寿命，省去了中间更换锤头的时间，提高了台时产量。

本发明通过对等温淬火球墨铸铁(ADI)成分及热处理工艺的调整，可以使锤头的硬度达到HRC 55，冲击韧性达到20J/cm²以上。而且本发明的锤头不易破碎、耐磨性好，在相同工况条件下，使用寿命约为ZGMn₁₃Cr₂锤头的2-3倍。有效的解决了砖厂及煤矸石加工厂在破碎环节中所遇到的问题，针对中小型破碎机锤头的使用工况含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头可以替代高锰钢和高铬铸铁锤头。同时采用含碳化物等温淬火球墨铸铁材质锤头可降低成本，使每班降低40％以上，具有极大的工业价值及推广意义。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，其特征在于，其组分按重量百分比包括：碳：3.4～3.8%，硅：2.44～3.0%，锰：0.2～0.5%，铬：0.4～0.6%，钼：0.2～0.26%，铜：0.4～0.6%，镍：0.3～0.4%，磷：≤0.05%，硫：≤0.03%，其余为铁；

其中，所述含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头的制备方法，包括如下步骤：

S1、熔炼：将原料置于熔炼炉中升温至熔融状态，调质，出炉得到合金液，其中，出炉温度为1450～1480℃；

2.根据权利要求1所述含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，其特征在于，铬元素和钼元素的重量比为0.42～0.5：0.23～0.26。

3.根据权利要求1或2所述含碳化物等温淬火球墨铸铁锤头，其特征在于，铜元素、镍元素、锰元素的重量比为0.42～0.44：0.32～0.34：0.45～0.49。