CN105964984A - 一种具有外强内韧结构的夯锤锤头制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有外强内韧结构的夯锤锤头制备工艺，包括以下步骤：步骤一、将TiC合金粉末放入球磨机中，与水玻璃、助熔剂及酒精混合均匀形成膏状混合物；步骤二、将配制的膏状混合物均匀地涂敷在铸型型腔内，点燃膏状混合物；步骤三、将涂有混合物的铸型放入热处理炉烘烤；步骤四、向步骤三中的铸型内冲入氩气，然后浇注；步骤五、将铸件放入热处理炉中加热，然后水冷淬火，得到TiC锤头;步骤六、将TiC锤头置入滚筒光饰机中进行光饰处理，最终得到成品TiC锤头。通过特制铸渗剂、优化铸渗工艺和采用光饰处理，使夯锤锤头形成了外强内韧的结构，提高了夯锤锤头的各项性能，延长夯锤锤头的使用周期，改善了产品的成型质量，使产品具有较好的市场推广性。

Description

一种具有外强内韧结构的夯锤锤头制备工艺

技术领域

本发明涉及建筑施工设备制造领域，特别涉及一种具有外强内韧结构的夯锤锤头制备工艺。

背景技术

在施工设备中，强夯机的夯锤主要是用于提高深层地基的承载力，在夯锤夯击土体的过程中，夯锤往往会受到强烈的冲击和摩擦，因此，锤头的表面磨损和变形比较严重，这也是夯锤报废的主要原因，而影响夯锤自身磨损和变形的主要因素有：夯锤的材质、结构及制造质量，以及工况等。根据文献资料记载，夯锤的磨损时小为撞击磨损和切削、冲击磨损的组合，一般来说，硬度越大的锤头其耐磨性也越好，因而要提高锤头的耐磨性，就要增加其硬度；但是，随着硬度的提高，夯锤锤头的抗冲击韧性就会降低，因此，如何兼顾锤头较高的硬度和良好的抗冲击韧性使提高锤头耐磨性的关键。

有鉴于此，人们开发了一种铸渗技术，即通过铸造表面合金化技术来解决上述问题，该技术能够把金属材料的强韧性与强化成分的高硬度、高刚度结合起来，使零件整体性能得到改善，且工艺简单，成本低廉，在制备不同类型耐磨材料方面应用极为广泛。但是，该技术的发展还未达到成熟阶段，仍然有不少问题需要解决，其主要表现在：铸渗层质量不高，常会出现气孔、夹渣和粘砂等缺陷，成品率较低；对生产设备条件要求较高，工艺参数的变化较敏感，操作较复杂。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种具有外强内韧结构的夯锤锤头制备工艺，通过特制铸渗剂、优化铸渗工艺和采用光饰处理，使夯锤锤头能更好地形成外强内韧的结构，提高夯锤锤头的耐腐蚀性、强度、硬度和耐磨性，延长夯锤锤头的使用周期。同时，通过控制夯锤锤头的制造成本，改善锤头成型质量，使得到的产品具有较好的市场推广性。

本发明采用的技术方案如下：一种具有外强内韧结构的夯锤锤头制备工艺，包括以下步骤：

步骤一、分别称取平均粒径为200 -250μm的TiC合金粉末放入球磨机中，与水玻璃、助熔剂及酒精混合均匀形成膏状混合物备用，其中，TiC合金粉末内各成分质量含量为：TiC为53-57%，Mn为4-6%，Ni为1-2%，Nb为0.4-0.5%，Cr为3-5%，WC为5-7%，余量为铁， 水玻璃加入量为TiC合金粉末重量的5%，助熔剂添加量为TiC合金粉末重量的5.7%；

步骤二、将配制的膏状混合物均匀地涂敷在铸型型腔内，涂覆厚度为4mm，涂覆完毕后，点燃膏状混合物，使膏状混合物固化粘附在铸型型腔内，备用；

步骤三、将涂有混合物的铸型放入热处理炉中于250℃中烘烤3h，然后取出空冷；

步骤四、用中频感应炉熔炼钢液，得到ZG45钢金属母液，将步骤三中的铸型放入铸箱内，向铸型内充满氩气，然后将ZG45钢金属母液浇入铸型内，空冷后进行清砂处理，得到铸件；

步骤五、铸件表面清理干净后，放入热处理炉中，加热铸件至820℃，升温速率控制在80℃/h，保温2h，然后水冷淬火，得到TiC锤头;

步骤六、将步骤五中得到的TiC锤头置入滚筒光饰机中进行光饰处理，光饰处理完成后，最终得到成品TiC锤头。

在上述步骤中，选择TiC合金粉末及其他合金成分的缘由在于：TiC具有很高的硬度，密度小，摩擦系数小，热硬度高，是一种良好的生产硬质合金的重要原料，当以TiC为基体作为锤头外表面的铸渗层时，一方面可大幅提高锤头表面的耐磨性能，使锤头拥有很高的硬度，有利于夯锤在强夯施工时对硬质土地的挤压，另一方面，由于TiC本身具有良好的化学惰性，不溶于酸碱，在常温下不与强腐蚀物质发生反应，能大大增强锤头的耐腐蚀性能，使锤头能适应各种不同成分的土体，能大幅延长锤头的使用周期；特加元素Nb能提高TiC铸渗层的抗压强度，缘由在于TiC合金粉末在烧结过程中会产生瞬时液相，Nb能夺取粉末颗粒表面的氧并净化TiC粉颗粒界面，提高粉末颗粒的烧结活性，进而提高了铸渗层的抗压强度，使锤头在挤土成孔时，锤头不易发生变形；WC的加入除作为另一种铸渗剂外，TiC与WC在高温下能形成固溶体，而该固溶体一般用作重要的切削材料，将此固溶体应用于铸渗层时，能进一步提高铸渗层的强度、硬度和耐磨性能，使锤头在与坚硬物质撞击时（如碎石），不易被刮出痕迹而破坏铸渗层。

在上述制备工艺中，铸渗剂的选择都是根据锤头的金属基体来确定的，由于夯锤锤头属于耐磨锤头，一般采用性价比相对较高的铸钢ZG45来作为锤头的基体，为了提高TiC合金铸渗剂与ZG45的润湿性和溶解度，一是使TiC合金铸渗剂的合金粉末平均粒径为200 -250μm，二是在铸渗剂内添加有助熔剂；铸渗剂的粒度太粗，不利于合金粉末在段时间内达到熔融状态，太细则使得合金粉末的比表面积大，粘结剂用量多，烧结时产生的气体和残渣多，易造成铸造缺陷，经过多次试验，发明人发现，TiC合金铸渗剂在与ZG45进行冶金结合时，TiC合金铸渗剂的粒度在200-250μm的时候，铸渗层的铸造质量最佳；由于铸渗剂与液体金属的浸润性直接影响到铸渗层的形成强度，助熔剂的加入能大幅改善合金粉末的润湿性，同时还能防止合金粉末氧化，保证能形成结合度和溶解度良好的铸渗层。铸渗剂中的粘结剂必须要防止渣化，以杜绝铸渗层中渣孔的形成，因此选用水玻璃作为粘结剂，然后通过酒精将铸渗剂和粘结剂一起制成膏状或者糊状，并涂敷在型腔的表面，此时，涂层厚度的大小也会直接影响铸渗层的形成，若涂层厚度偏薄，则不足以形成一定厚度的合金化渗层，若涂层过厚，则不能完全被金属液熔化，易形成裂纹，在本发明中，涂层厚度为6mm时较佳。

在步骤三中，对涂有混合物的铸型放入热处理炉中于250℃中烘烤的目的在于，便于提高金属液充型能力，同时去除铸型中的水分，减少由水蒸气引起的气孔等缺陷；之后向铸型中充入氩气是为了防止合金元素被氧化而形成有害物质，消除空气中的氧的影响。在步骤六中，通过对制得的锤头进行光饰处理，使锤头的表面形成镜面，降低了摩擦系数，进一步提高了锤头的表面硬度，使铸渗层不易起刮痕，防止腐蚀介质通过刮痕腐蚀锤头内部，同时，光饰处理后的锤头表面外观美观，提高了锤头的附加值，利于产品的销售。

进一步，本发明的助熔剂优选为硼砂。

进一步，TiC合金粉末还包含有纳米级TiC，纳米级TiC的平均粒径为70-150nm，纳米TiC能均匀分布在ZG45与铸渗层的结合界面上，并作为第二相粒子弥散分布于铸渗层基体中，起到细晶强化和弥散强化作用，进一步提高锤头的耐磨性能。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、选用200 -250μm的TiC合金粉末，在铸渗过程中，合金粉末能在段时间内达到熔融状态，能保证形成结合度和溶解度良好的铸渗层，使铸渗层在长期高强度地夯击工作中不易出现缺孔、脱落等现象，保证夯锤质量优异；

2、在浇注前向型腔内充入氩气，可以保证，防止合金元素被氧化而形成有害物质，消除空气中的氧的影响，保证铸渗层无氧化夹杂、气孔等铸造缺陷，优化了铸渗工艺；

3、对铸渗层的表面进行光饰处理，一方面可以使锤头的表面形成镜面，降低摩擦系数，进一步提高锤头的表面硬度，使铸渗层不易起刮痕，防止腐蚀介质通过刮痕腐蚀锤头内部，另一方面可以使锤头表面外观美观，提高了锤头的附加值，利于产品的销售，易于市场推广；

4、通过配制一种特制的TiC铸渗剂，可以得到具有高强度、高硬度和高耐磨性能的铸渗层，硬度可达到67HRC，进而使夯锤锤头具有更优地外强内韧的结构特点，夯锤锤头的性能得到明显提高，延长了夯锤锤头的使用周期。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

一种具有外强内韧结构的夯锤锤头制备工艺，包括以下步骤：

步骤一、分别称取平均粒径为230μm的TiC合金粉末放入球磨机中，与水玻璃、助熔剂及酒精混合均匀形成膏状混合物备用，其中，TiC合金粉末内各成分质量含量为：TiC为57%，Mn为5.3%，Ni为1.6%，Nb为0.48%，Cr为4.1%，WC为6.5%，余量为铁， 水玻璃加入量为TiC合金粉末重量的5%，助熔剂添加量为TiC合金粉末重量的5.7%；

步骤二、将配制的膏状混合物均匀地涂敷在铸型型腔内，涂覆厚度为4mm，涂覆完毕后，点燃膏状混合物，使膏状混合物固化粘附在铸型型腔内，备用；

步骤三、将涂有混合物的铸型放入热处理炉中于250℃中烘烤3h，然后取出空冷；

步骤四、用中频感应炉熔炼钢液，得到ZG45钢金属母液，将步骤三中的铸型放入铸箱内，向铸型内充满氩气，然后将ZG45钢金属母液浇入铸型内，浇注温度为1580℃，浇注时，采用立浇的方式，以使铸件在凝固过程中有良好的凝固顺序，进而得到致密的内部组织，待铸件空冷后，对铸件进行清砂处理，得到铸件；

步骤五、铸件表面清理干净后，放入热处理炉中，加热铸件至820℃，升温速率控制在80℃/h，保温2h，然后水冷淬火，得到TiC锤头;

步骤六、将步骤五中得到的TiC锤头置入滚筒光饰机中进行光饰处理，最终得到成品TiC锤头。

实施例二

一种具有外强内韧结构的夯锤锤头制备工艺，包括以下步骤：

步骤一、分别称取平均粒径为200μm的TiC合金粉末放入球磨机中，与水玻璃、助熔剂及酒精混合均匀形成膏状混合物备用，其中，TiC合金粉末内各成分质量含量为：TiC为57%，Mn为6%，Ni为2%，Nb为0.5%，Cr为5%，WC为7%，余量为铁， 水玻璃加入量为TiC合金粉末重量的5%，助熔剂添加量为TiC合金粉末重量的5.7%；

步骤二、将配制的膏状混合物均匀地涂敷在铸型型腔内，涂覆厚度为4mm，涂覆完毕后，点燃膏状混合物，使膏状混合物固化粘附在铸型型腔内，备用；

步骤三、将涂有混合物的铸型放入热处理炉中于250℃中烘烤3h，然后取出空冷；

步骤四、用中频感应炉熔炼钢液，得到ZG45钢金属母液，将步骤三中的铸型放入铸箱内，向铸型内充满氩气，然后将ZG45钢金属母液浇入铸型内，浇注温度为1580℃，浇注时，采用立浇的方式，以使铸件在凝固过程中有良好的凝固顺序，进而得到致密的内部组织，待铸件空冷后，对铸件进行清砂处理，得到铸件；

步骤五、铸件表面清理干净后，放入热处理炉中，加热铸件至820℃，升温速率控制在80℃/h，保温2h，然后水冷淬火，得到TiC锤头;

步骤六、将步骤五中得到的TiC锤头置入滚筒光饰机中进行光饰处理，最终得到成品TiC锤头。

实施例三

一种具有外强内韧结构的夯锤锤头制备工艺，包括以下步骤：

步骤一、分别称取平均粒径为235μm的TiC合金粉末放入球磨机中，与水玻璃、助熔剂及酒精混合均匀形成膏状混合物备用，其中，TiC合金粉末内各成分质量含量为：TiC为55%，Mn为4.5%，Ni为1.4%，Nb为0.47%，Cr为3.6%，WC为5.8%，余量为铁， 水玻璃加入量为TiC合金粉末重量的5%，助熔剂添加量为TiC合金粉末重量的5.7%；

步骤二、将配制的膏状混合物均匀地涂敷在铸型型腔内，涂覆厚度为4mm，涂覆完毕后，点燃膏状混合物，使膏状混合物固化粘附在铸型型腔内，备用；

步骤三、将涂有混合物的铸型放入热处理炉中于250℃中烘烤3h，然后取出空冷；

步骤四、用中频感应炉熔炼钢液，得到ZG45钢金属母液，将步骤三中的铸型放入铸箱内，向铸型内充满氩气，然后将ZG45钢金属母液浇入铸型内，浇注温度为1580℃，浇注时，采用立浇的方式，以使铸件在凝固过程中有良好的凝固顺序，进而得到致密的内部组织，待铸件空冷后，对铸件进行清砂处理，得到铸件；

步骤五、铸件表面清理干净后，放入热处理炉中，加热铸件至820℃，升温速率控制在80℃/h，保温2h，然后水冷淬火，得到TiC锤头;

步骤六、将步骤五中得到的TiC锤头置入滚筒光饰机中进行光饰处理，最终得到成品TiC锤头。

实施例四

一种具有外强内韧结构的夯锤锤头制备工艺，包括以下步骤：

步骤一、分别称取平均粒径为250μm的TiC合金粉末放入球磨机中，与水玻璃、助熔剂及酒精混合均匀形成膏状混合物备用，其中，TiC合金粉末内各成分质量含量为：TiC为53%，Mn为4%，Ni为1%，Nb为0.4%，Cr为3%，WC为5%，余量为铁， 水玻璃加入量为TiC合金粉末重量的5%，助熔剂添加量为TiC合金粉末重量的5.7%；

步骤二、将配制的膏状混合物均匀地涂敷在铸型型腔内，涂覆厚度为4mm，涂覆完毕后，点燃膏状混合物，使膏状混合物固化粘附在铸型型腔内，备用；

步骤三、将涂有混合物的铸型放入热处理炉中于250℃中烘烤3h，然后取出空冷；

步骤四、用中频感应炉熔炼钢液，得到ZG45钢金属母液，将步骤三中的铸型放入铸箱内，向铸型内充满氩气，然后将ZG45钢金属母液浇入铸型内，浇注温度为1580℃，浇注时，采用立浇的方式，以使铸件在凝固过程中有良好的凝固顺序，进而得到致密的内部组织，待铸件空冷后，对铸件进行清砂处理，得到铸件；

步骤五、铸件表面清理干净后，放入热处理炉中，加热铸件至820℃，升温速率控制在80℃/h，保温2h，然后水冷淬火，得到TiC锤头;

步骤六、将步骤五中得到的TiC锤头置入滚筒光饰机中进行光饰处理，最终得到成品TiC锤头。

通过用SEM和EDS对铸渗层进行观察分析得到，铸渗层无明显的气孔、夹渣等铸造缺陷，说明铸造工艺合理，铸钢ZG45基体与TiC合金层完全形成冶金结合，合金粉末完全变成了熔融结晶；同时，在铸钢ZG45基体界面结合处形成了混合合金层，由于合金元素扩散速度相对较弱，在铸渗层的表层即次表层形成了有大量合金碳化物组成的区域，因而使铸渗层的硬度由里到外逐渐增大，故形成了锤头外强内韧的结构性能特点。经测得，锤头的表面硬度达到67HRC，锤头具有优异的冲击韧性和耐腐蚀性，优于现有使用的夯锤锤头。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有外强内韧结构的夯锤锤头制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、分别称取平均粒径为200 -250μm的TiC合金粉末放入球磨机中，与水玻璃、助熔剂及酒精混合均匀形成膏状混合物备用，其中，TiC合金粉末内各成分质量含量为：TiC为53-57%，Mn为4-6%，Ni为1-2%，Nb为0.4-0.5%，Cr为3-5%，WC为5-7%，余量为铁， 水玻璃加入量为TiC合金粉末重量的5%，助熔剂添加量为TiC合金粉末重量的5.7%；

步骤二、将配制的膏状混合物均匀地涂敷在铸型型腔内，涂覆厚度为4mm，涂覆完毕后，点燃膏状混合物，使膏状混合物固化粘附在铸型型腔内，备用；

步骤三、将涂有混合物的铸型放入热处理炉中于250℃中烘烤3h，然后取出空冷；

步骤四、用中频感应炉熔炼钢液，得到ZG45钢金属母液，将步骤三中的铸型放入铸箱内，向铸型内充满氩气，然后将ZG45钢金属母液浇入铸型内，空冷后进行清砂处理，得到铸件；

步骤五、铸件表面清理干净后，放入热处理炉中，加热铸件至820℃，升温速率控制在80℃/h，保温2h，然后水冷淬火，得到TiC锤头;

步骤六、将步骤五中得到的TiC锤头置入滚筒光饰机中进行光饰处理，光饰处理完成后，最终得到成品TiC锤头。

2.如权利要求1所述的一种具有外强内韧结构的夯锤锤头制备工艺，其特征在于，助熔剂为硼砂。

3.如权利要求1所述的一种具有外强内韧结构的夯锤锤头制备工艺，其特征在于，TiC合金粉末还包含有纳米级TiC，纳米级TiC的平均粒径为70-150nm。