CN105603318A - 一种低合金中碳钢双硬度锤头的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低合金中碳钢双硬度锤头的加工方法，属于破粹机锤头制造技术领域。本发明的步骤为：根据锤头形状制造浇注砂型；配制原料放入真空感应中频炉中熔化，将熔化后的钢水浇注到砂型中，保温冷却后取出铸件，然后去除浇冒口后热处理，锤头仅在工作区油淬，轴孔区不淬火；清理打磨铸件，进行外观尺寸、机械性能及磁粉检测，获得锤头成品。本发明通过对锤头不同部位采用相应的热处理工艺，给锤头不同部位提供不同的性能，即锤头轴孔区具备良好的塑韧性，工作区在获得高硬度和高耐磨性的同时，还能保证有一定的塑韧性，以抵抗工作中突发过大冲击力，导致锤头发生意外断裂；本发明的锤头，不仅可同时拥有良好的性能和高的使用寿命。

Description

一种低合金中碳钢双硬度锤头的加工方法
技术领域
本发明涉及一种破碎机锤头，更具体地说，涉及一种低合金中碳钢双硬度锤头的加工方法。
背景技术
锤头是破碎机的关键零部件，结构如图1所示，包括轴孔区和工作区，轴孔区设置有轴孔；锤头排列在破碎机转子的锤轴上，在破碎机高速运转时直接打击物料，最终破碎成合适的物料粒度。破粹机锤头研发的历史，经历了普通的高锰钢材料、高锰钢和高铬铸铁双金属材料时期，随着汽车破碎机行业的持续发展，上述材料制成的破粹机锤头的不足之处也越发明显。
高锰钢材料尽管有加工硬化这一特性，但在冲击磨损力不大的工况条件下，高锰钢锤头的加工硬化效果并不理想，锤头在高速运行时产生大量的热量，使锤头表面软化甚至被粘着撕下，使用寿命会大大缩短。高锰钢和高铬铸铁双金属材料，虽然高铬铸铁的硬度很高，但其冲击性能非常低，无法满足工作中出现较大的冲击力。
随着工业的发展，在实际生产中，对锤头各项性能都会有很高的要求，既要求有良好的韧性，以抵抗工作过程中物料的冲击力，防止锤头发生意外断裂，同时又要求其具有高的硬度及优良的磨损性能。然而，目前破粹机锤头在生产过程中的各环节的技术尚不成熟，锤头各项性能难以满足使用要求。
经检索，中国专利号ZL201210162466.2，授权公告日为2014年4月16日，发明创造名称为：分段硬度低合金钢锤头及其热处理方法；该申请案中分段硬度低合金钢锤头的热处理方法，包括正火、淬火和回火工序，淬火工序中，将锤头置于热处理炉中加热至800～880℃后进行保温，保温后将锤头工作端淬入淬火介质中冷却；其中，锤头厚度为100～200mm时，保温时间4～8小时，锤头厚度每增加25mm保温时间增加1小时。该申请案得到的分段硬度的低合金钢锤头工作端硬度高，耐磨性好，安装端硬度低冲击韧性好，使用过程中不易断裂，使用寿命是高锰钢锤头和整体硬度低合金钢锤头的1.5～2倍。该申请案不失为一种提高破粹机锤头性能的优异方案，但破粹机锤头性能仍有进一步提升的空间，仍需对破粹机锤头在生产过程中的环节进一步改进。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明为满足实际生产中对锤头各项性能的高要求，提供了一种低合金中碳钢双硬度锤头的加工方法；本发明通过对锤头不同部位采用相应的热处理工艺，给锤头不同部位提供不同的性能，即锤头轴孔区具备良好的塑韧性，工作区在获得很高硬度和高耐磨性的同时，还能保证有一定的塑韧性，以抵抗工作中突发过大冲击力，导致锤头发生意外断裂；本发明的低合金中碳钢双硬度锤头，不仅可同时拥有良好的性能和高的使用寿命，而且适用面广、成本低廉，便于推广应用。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种低合金中碳钢双硬度锤头的加工方法，其步骤为：
步骤一、根据锤头形状制造浇注砂型；
步骤二、按质量百分比为C0.3-0.6％，Si0.5-0.8％；Mn0.6-0.9％，P≤0.014％；S≤0.008％；Cr1-3％；Ni0-1％；Mo0.2-0.8％，余量为铁和不可避免的杂质的组分，配制原料放入真空感应中频炉中熔化，将熔化后的钢水浇注到砂型中，保温冷却后取出铸件，然后去除浇冒口后热处理；
步骤三、正火、回火热处理：将铸件以48～52℃/h的速率加热到550-630℃，并保温2～2.5h，然后以45～50℃/h的速率加热到570-900℃，并保温5.5～6h，空冷到室温；最后以50～55℃/h的速率加热到675～700℃，并保温5.5～6h，空冷到室温；
步骤四、淬火、回火处理：将铸件以48～52℃/h的速率加热到750-900℃，并保温2.5～3h，然后以50～55℃/h的速率加热到750-900℃，保温5～5.5h后，油冷至室温；最后以45～50℃/h的速率加热到200-300℃，并保温24～30h后空冷；锤头仅在工作区油淬，轴孔区不淬火；
步骤五、清理打磨铸件，进行外观尺寸、机械性能及磁粉检测，获得低合金中碳钢双硬度锤头成品。
更进一步地，步骤一中往型腔中涂刷3层锆英粉涂料，涂料的波美度为70～75BE；造型型砂中树脂单位重量占型砂单位重量的1.1～1.8％，固化剂占树脂单位重量的20～30％；型砂的强度为1.1～1.4MPa，粒度在30～100目之间。
更进一步地，步骤二熔炼过程中真空保持时间为25～30min，真空度在200KPa以下；采用铝丝终脱氧；钢水浇注温度为1550～1570℃。
更进一步地，步骤三中正火冷却到室温后，需在4h之内进行回火处理。
更进一步地，步骤四中轴孔下部减去距离L为油位线位置，所述的距离L的计算公式为：
L＝轴孔外径-2/3轴孔内径。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)利用本发明提供的加工方法获得的低合金中碳钢双硬度锤头，金相观察发现锤头内部夹杂较少，基本以硫化物和氧化物两种形式存在，硫化物占据多数，大部分夹杂呈弥散的颗粒状分布，个别地方夹杂聚集，这样的夹杂数量和夹杂形态对铸件的力学性能不会造成较大影响，由此说明锤头的致密度和纯净度都很好；
(2)利用本发明提供的加工方法获得的低合金中碳钢双硬度锤头，淬火区域金相组织为马氏体+贝氏体，这种组织既有很高的硬度又有很好的塑韧性，其冲击功平均为16J，这样的冲击性能，锤头在打击受力的过程中不容易发生脆断，大大提高了锤头的使用寿命；
(3)本发明的一种低合金中碳钢双硬度锤头的加工方法，通过改进淬火工序，让整体锤头分段淬火，工作区作淬火处理，轴孔区在空气中进行类似正火处理，并严格控制保温时间和温度，使工作区具有高强度和高耐磨性而轴孔区具有低硬度和高韧性，且考虑到锤头油淬区不同的部位马氏体的含量也会不一样，锤头两个尖角处及锤头底部，冷却面最多，并且又位于淬火油池的最下方，这些部位冷却速度最快，在淬火、回火处理工序中科学的确定了油位线位置，从而保证了锤头两个尖角处及锤头底部既有很高的硬度又有很好的塑韧性，制备得到的锤头适用面广、成本低廉，便于推广应用。
附图说明
图1是本发明中低合金中碳钢双硬度锤头的结构示意图；
图2为本发明中加工低合金中碳钢双硬度锤头的工艺流程图；
图3为本发明中锤头内聚集状夹杂形貌图；
图4为本发明中锤头内夹杂形貌图；
图5是本发明中低合金中碳钢双硬度锤头非油淬区显微组织500倍扫描电镜图；
图6是本发明中低合金中碳钢双硬度锤头油淬区显微组织500倍扫描电镜图；
图7为本发明中低合金中碳钢双硬度锤头成品表面脱碳层厚度扫描图。
示意图中的标号说明：
1、轴孔区；2、工作区；3、轴孔下部；4、油位线。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
参看图2，本实施例的一种低合金中碳钢双硬度锤头的加工方法，步骤为：
步骤一、根据锤头形状制造浇注砂型：采用φ80％×80的圆钢外冷铁，外冷铁应除锈烘干表面平整，内浇口进水处用铬铁矿砂敷型，厚度约20mm，所有泥芯均用铬铁矿砂制芯，造型时冒口加高，用于放置保温发热覆盖剂。往型腔中涂刷3层锆英粉涂料，涂料的波美度为75BE；造型型砂中树脂单位重量占型砂单位重量的1.1％，固化剂重量占树脂单位重量的30％，型砂的强度为1.1MPa，粒度在30～100目之间。
步骤二、按质量百分比为C0.51％，Si0.75％；Mn0.63％，P0.014％；S0.008％；Cr1.90％；Ni0.30％；Mo0.45％，余量为铁和不可避免的杂质的组分，配制原料放入真空感应中频炉中熔化，当熔炼成分合格后抽真空，真空保持时间为25min，真空度在200KPa以下。采用铝丝终脱氧，铝丝的加入量为0.24Kg/吨钢水，出炉前加入包底。浇注前吹氩，将熔化后的钢水浇注到砂型中，钢水浇注温度为1570℃，浇注时采用漏包，钢包温度为800℃以上，浇注时遵守：慢-快-慢的原则，即开始缓慢引流，然后全开快速浇注，最后钢水快到冒口时应缓慢浇注。保温冷却后取出铸件，然后去除浇冒口后热处理。
步骤三、正火、回火热处理：淬火装炉温度≤450℃，回火装炉温度为室温，铸件与铸件之间的间隔应大于铸件的一个壁厚，将铸件以48℃/h的速率加热到630℃，并保温2.5h，然后以50℃/h的速率加热到870℃，并保温6h，空冷到室温；最后以52℃/h的速率加热到700℃，并保温5.5h，空冷到室温，正火与回火工序之间间隔4h。值得说明的是，由于锤头铸态组织会存在成分偏析，晶粒粗大，组织不均匀这一现象，所以此处正火、回火的控制会起到至关重要的作用。
步骤四、淬火、回火处理：锤头仅在工作区油淬，轴孔区不淬火，油位线的计算如图1，油位线4设置在轴孔下部3下方距离L处(油位线4上方为轴孔区1，油位线4下方为工作区2)，距离L的计算公式为：L＝轴孔外径-2/3轴孔内径。本实施例将铸件放到调整支架上，浸入淬火油中，并调节油淬时油位线4位置，然后将铸件以52℃/h的速率加热到775℃，并保温3h，然后以55℃/h的速率加热到860℃，保温5h后，锤头在淬火油中需要保温到完全室温才可以出油槽，出油槽后4h内以50℃/h的速率加热到215℃，并保温24h后空冷。
本实施例通过改进淬火工序，让整体锤头分段淬火，工作区作淬火处理，轴孔区在空气中进行类似正火处理，并严格控制保温时间和温度，使工作区具有高强度和高耐磨性而轴孔区具有低硬度和高韧性，以抵抗工作中突发过大冲击力，导致锤头发生意外断裂。且考虑到锤头油淬区不同的部位马氏体的含量也会不一样，锤头两个尖角处及锤头底部，冷却面最多，并且又位于淬火油池的最下方，这些部位冷却速度最快，在淬火、回火处理工序中科学的确定了油位线位置，从而保证了锤头两个尖角处及锤头底部既有很高的硬度又有很好的塑韧性，制备得到的锤头适用面广、成本低廉，便于推广应用。
步骤五、清理打磨铸件，进行外观尺寸、机械性能及磁粉检测，获得低合金中碳钢双硬度锤头成品。
随机选取本实施例制得的低合金中碳钢双硬度锤头成品，用铣刀铣去锤头表面脱碳层5mm，做布氏硬度测试，锤头轴孔区表面下5mm处平均硬度HB363，工作区表面下5mm处平均硬度HB601，且距离油位线下方20mm区域表面下5mm处平均硬度HB578；锤头轴孔区冲击韧度18J/cm2，工作区冲击韧度15J/cm2，这样的冲击性能，锤头在打击受力的过程中不容易发生脆断，大大提高了锤头的使用寿命。
对铸态锤头进行金相观察可得，锤头内疏松，夹杂均较少，夹杂呈颗粒状弥散分布，个别区域夹杂呈聚集状态见图3和图4，经扫描电镜能谱分析，成分基本为硫化锰和氧化铝，并且以硫化锰夹杂居多，这样的夹杂数量和夹杂形态对铸件的力学性能不会造成较大影响，由此说明锤头的致密度和纯净度都很好。
淬火、回火态锤头(成品)：淬火、回火态锤头组织分两个区域，一个为非油淬区即锤头轴孔区，另一个为油淬区即锤头工作区。锤头组织呈枝晶分布，非油淬区组织以粒状贝氏体为主，枝干间组织为马氏体+贝氏体见图5。锤头油淬区组织以马氏体为主，枝干上组织为马氏体+贝氏体，锤头油淬区两个尖角处及附近组织为马氏体见图6和图7。
实施例2
本实施例低合金中碳钢双硬度锤头的加工过程为：根据锤头形状制造浇注砂型：往型腔中涂刷3层锆英粉涂料，涂料的波美度为70BE；造型型砂中树脂单位重量占型砂单位重量的1.8％，固化剂重量占树脂单位重量的20％，型砂的强度为1.4MPa，粒度在30～100目之间。
按质量百分比为C0.50％，Si0.8％；Mn0.9％，P0.010％；S0.007％；Cr1.95％；Ni0.95％；Mo0.48％，余量为铁和不可避免的杂质的组分，配制原料放入真空感应中频炉中熔化，当熔炼成分合格后抽真空，真空保持时间为28min，真空度在200KPa以下。采用铝丝终脱氧，铝丝的加入量为0.23Kg/吨钢水，出炉前加入包底。浇注前吹氩，将熔化后的钢水浇注到砂型中，钢水浇注温度为1560℃，保温冷却后取出铸件，然后去除浇冒口后热处理。
正火、回火热处理：将铸件以50℃/h的速率加热到550℃，并保温2.5h，然后以45℃/h的速率加热到880℃，并保温5.5h，空冷到室温；最后以55℃/h的速率加热到675℃，并保温6h，空冷到室温。
淬火、回火处理：锤头仅在工作区油淬，轴孔区不淬火，将铸件以52℃/h的速率加热到845℃，并保温3h，然后以55℃/h的速率加热到860℃，保温5h后，锤头在淬火油中需要保温到完全室温才可以出油槽，出油槽后4h内以45℃/h的速率加热到205℃，并保温30h后空冷。
随机选取本实施例制得的低合金中碳钢双硬度锤头成品，用铣刀铣去锤头表面脱碳层5mm，做布氏硬度测试，锤头轴孔区表面下5mm处平均硬度HB374，工作区表面下5mm处平均硬度HB589，且距离油位线下方20mm区域表面下5mm处平均硬度HB565；锤头轴孔区冲击韧度19J/cm2，工作区冲击韧度17J/cm2。
实施例3
本实施例低合金中碳钢双硬度锤头的加工过程为：根据锤头形状制造浇注砂型：往型腔中涂刷3层锆英粉涂料，涂料的波美度为72BE；造型型砂中树脂单位重量占型砂单位重量的1.5％，固化剂重量占树脂单位重量的25％，型砂的强度为1.3MPa，粒度在30～100目之间。
按质量百分比为C0.53％，Si0.5％；Mn0.66％，P0.012％；S0.005％；Cr1.80％；Ni0.15％；Mo0.42％，余量为铁和不可避免的杂质的组分，配制原料放入真空感应中频炉中熔化，当熔炼成分合格后抽真空，真空保持时间为30min，真空度在200KPa以下。采用铝丝终脱氧，铝丝的加入量为0.20Kg/吨钢水，出炉前加入包底。浇注前吹氩，将熔化后的钢水浇注到砂型中，钢水浇注温度为1550℃，保温冷却后取出铸件，然后去除浇冒口后热处理。
正火、回火热处理：将铸件以52℃/h的速率加热到580℃，并保温3h，然后以50℃/h的速率加热到850℃，并保温5.5h，空冷到室温；最后以50℃/h的速率加热到675℃，并保温5.5h，空冷到室温。
淬火、回火处理：锤头仅在工作区油淬，轴孔区不淬火，将铸件以48℃/h的速率加热到750℃，并保温2.5h，然后以52℃/h的速率加热到850℃，保温5.5h后，锤头在淬火油中需要保温到完全室温才可以出油槽，出油槽后4h内以48℃/h的速率加热到215℃，并保温24h后空冷。
随机选取本实施例制得的低合金中碳钢双硬度锤头成品，用铣刀铣去锤头表面脱碳层5mm，做布氏硬度测试，锤头轴孔区表面下5mm处平均硬度HB388，工作区表面下5mm处平均硬度HB601，且距离油位线下方20mm区域表面下5mm处平均硬度HB555；锤头轴孔区冲击韧度19J/cm2，工作区冲击韧度15J/cm2。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低合金中碳钢双硬度锤头的加工方法，其步骤为：
步骤一、根据锤头形状制造浇注砂型；
步骤二、按质量百分比为C0.3-0.6％，Si0.5-0.8％；Mn0.6-0.9％，P≤0.014％；S≤0.008％；Cr1-3％；Ni0-1％；Mo0.2-0.8％，余量为铁和不可避免的杂质的组分，配制原料放入真空感应中频炉中熔化，将熔化后的钢水浇注到砂型中，保温冷却后取出铸件，然后去除浇冒口后热处理；
步骤三、正火、回火热处理：将铸件以48～52℃/h的速率加热到550-630℃，并保温2～2.5h，然后以45～50℃/h的速率加热到570-900℃，并保温5.5～6h，空冷到室温；最后以50～55℃/h的速率加热到675～700℃，并保温5.5～6h，空冷到室温；
步骤四、淬火、回火处理：将铸件以48～52℃/h的速率加热到750-900℃，并保温2.5～3h，然后以50～55℃/h的速率加热到750-900℃，保温5～5.5h后，油冷至室温；最后以45～50℃/h的速率加热到200-300℃，并保温24～30h后空冷；锤头仅在工作区油淬，轴孔区不淬火；
步骤五、清理打磨铸件，进行外观尺寸、机械性能及磁粉检测，获得低合金中碳钢双硬度锤头成品。
2.根据权利要求1所述的一种低合金中碳钢双硬度锤头的加工方法，其特征在于：步骤一中往型腔中涂刷3层锆英粉涂料，涂料的波美度为70～75BE；造型型砂中树脂单位重量占型砂单位重量的1.1～1.8％，固化剂占树脂单位重量的20～30％；型砂的强度为1.1～1.4MPa，粒度在30～100目之间。
3.根据权利要求1所述的一种低合金中碳钢双硬度锤头的加工方法，其特征在于：步骤二熔炼过程中真空保持时间为25～30min，真空度在200KPa以下；采用铝丝终脱氧；钢水浇注温度为1550～1570℃。
4.根据权利要求1所述的一种低合金中碳钢双硬度锤头的加工方法，其特征在于：步骤三中正火冷却到室温后，需在4h之内进行回火处理。
5.根据权利要求1～3任一项所述的一种低合金中碳钢双硬度锤头的加工方法，其特征在于：步骤四中轴孔下部减去距离L为油位线位置，所述的距离L的计算公式为：
L＝轴孔外径-2/3轴孔内径。
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