CN108546883B - 低成本高韧性异质合金耐磨锤头及其制造方法 - Google Patents

低成本高韧性异质合金耐磨锤头及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低成本高韧性异质合金耐磨锤头及其制造方法，锤头端部化学成分：C 1.50％～1.70％、Si 0.30％～0.45％、Mn 0.30％～0.45％、P≤0.020％、S≤0.010％、Cr 10.0％～12.0％、Mo 0.40％～0.60％、V 0.15％～0.30％、RE 0.01％～0.03％；锤头柄部化学成分：C 0.26％～0.32％、Si 0.30％～0.40％、Mn 0.80％～1.00％、P≤0.020％、S≤0.010％、Cr：1.80％～2.30％、Ni 0.60％～0.80％、Mo 0.40％～0.50％。本发明锤头与高铬铸铁锤头相比，寿命提高1～3倍期。

Description

低成本高韧性异质合金耐磨锤头及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种低成本高韧性异质合金耐磨锤头及其制造方法，属于金属材料技术领域。
背景技术
锤式破碎机由于结构简单，破碎比较大，耗能低，适合破碎各种物料，因而被矿山、冶金、电力、建材、化工等行业用来破碎花岗岩、玄武岩、石灰岩、河卵石、水泥熟料、石英石、铁矿石、铝矾土等多种矿物。而锤头是破碎机的主要磨损部件，锤头在工作时受力复杂，承受冲击、挤压、剪切及接触疲劳的反复作用，因此要求制备锤头的材料不仅具备足够的抗冲击能力，以防止发生断裂，而且还需要具有优良的耐磨性。
目前国内使用的锤头大致分为两种：第一种为重量50kg以下的小锤头，材质通常为高锰钢，经过水韧处理后为奥氏体组织，具有很高的韧性，属于低硬度高韧性材质，但在低冲击工况条件下，加工硬化效果差，使用寿命短，通常用来破碎硬度较低的物料。第二种为重量大于50kg大锤头，材质通常为单一高铬铸铁或双金属复合材质，用来破碎硬度较高的物料。
中国专利CN 105195265、CN 106834894、CN 103357470均公开了一种双金属复合锤头的制造方法，锤头的端部是高铬铸铁，锤头的柄部是中碳低合金钢，这些产品虽然解决了锤柄韧性不足的缺点，但锤头的端部仍然采用高铬铸铁材料，高铬铸铁虽具有较高的耐磨性，但脆性很大(冲击韧性通常小于10J/cm2)，极易断裂，韧性不足仍然是这些产品的致命缺点。另外，高铬铸铁中含有较高的合金元素Cr(通常含量大于15％)，生产成本较高，市场竞争力较弱。因此研制和选择经济合理的新型锤头材料已经成为该种设备的优势关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低成本高韧性异质合金耐磨锤头及其制造方法，通过合理的化学成分和工艺设计，在保证锤头硬度、耐磨性的基础上，降低生产成本，提高市场竞争力。
本发明解决其的技术问题采用的技术方案是：
一种低成本高韧性异质合金耐磨锤头，由锤头的端部和锤头的柄部组成，锤头的端部化学成分重量百分比为：C：1.50％～1.70％，Si：0.30％～0.45％，Mn：0.30％～0.45％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：10.0％～12.0％，Mo：0.40％～0.60％，V：0.15％～0.30％，RE：0.01％～0.03％，其余为铁元素及不可避免的杂质；锤头的柄部化学成分重量百分比为C：0.26％～0.32％，Si：0.30％～0.40％，Mn：0.80％～1.00％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：1.80％～2.30％，Ni:0.60％～0.80％，Mo：0.40％～0.50％，其余为铁元素及不可避免的杂质。
锤头的端部采用上述主要化学成分设计的理由如下：
C：C是保证钢强度、硬度最为有效的元素，C含量偏低，强度、硬度满足不了要求，而C含量过高，则会引起韧性、塑性降低，铸铁材料由于C含量较高，因此脆性较大。另外，经淬火回火后的共析钢，随C含量增加，钢的耐磨性增加，因此，本发明要求钢中的C含量控制在1.50％～1.70％。
Si：Si是置换固溶强化铁素体元素，增加Si对提高强度有明显效果，且对提高钢的回火稳定性有很大好处，但是随着Si含量的增高，钢中易产生硅酸盐类夹杂，降低钢的塑性和韧性，所以Si含量不易过高，因此，本发明要求钢中的Si含量控制在0.30％～0.45％。
Mn：钢中Mn元素除了起到强化基体作用外，还能有效的提高钢的淬透性，但Mn含量较高时，有使钢的晶粒粗化的倾向，并增加钢的脆性敏感性，因此，本发明要求钢中的Mn含量控制在0.30％～0.45％。
Cr：Cr能显著增加钢的淬透性和防止高温表面氧化。另外，当Cr含量增加时，其耐磨性随之增加，原因在于Cr和C形成Cr7C3、Cr23C6硬质相，随Cr含量增加，硬质相增加，耐磨性增加。本发明通过合理的成分和工艺设计，控制Cr7C3硬质相数量，增加其耐磨性，因此，本发明要求钢中的Cr含量控制在10.0％～12.0％。
Mo：Mo的作用是提高钢的淬透性、耐热性和减少回火脆性。当钢中Mo含量控制在0.5％左右时，几乎完全消除钢的回火脆性。另外加入Mo后可以细化晶粒，提高强度与韧性，降低回火脆性，Mo形成的硬质相不仅熔点高，而且弥散分布，有利于提高耐磨性。因此，本发明要求钢中的Mo含量控制在0.40％～0.60％。
V：V是强碳化物形成元素，形成了VC(HV2000-2996)硬质相，且VC的高温性能稳定，在磨损情况下不易变形和破裂，高温下还具有抑制晶粒长大作用，所以随V含量增加，金属的耐磨性增加。因此，本发明要求钢中的V含量控制在0.15％～0.30％。
本发明所提供的一种低成本高韧性异质合金耐磨锤头的制造方法，包括以下步骤：
(1)冶炼
按照上述锤头的端部和锤头的柄部化学成分要求进行配比，同时冶炼两种成分钢水，出钢温度为1550～1600℃，浇注顺序为先浇注锤头的端部钢水，后浇注锤头的柄部钢水，浇注后的铸件随模缓冷至室温后脱模；
(2)预处理
缓冷后的铸件按如下工艺顺序进行预处理：①保温温度：550～580℃，保温时间：2.0～2.5min/mm，mm表示铸件厚度；②保温温度：960～980℃，保温时间：2.5～3.0min/mm，mm表示铸件厚度；③保温温度：600～650℃，保温时间：2.5～3.0min/mm，mm表示铸件厚度，之后停炉冷至室温出炉；
(3)淬火+回火热处理
预处理后的铸件进行淬火+低温回火热处理，淬火介质为油，油温≤35℃，淬火温度：1030～1050℃，保温时间：3.0～4.0min/mm，mm表示铸件厚度，出炉油冷；回火温度：190～210℃，保温时间：4.0～6.0min/mm，mm表示铸件厚度，出炉空冷。
按照上述步骤即可生产出本发明设计的低成本高韧性异质合金耐磨锤头。
采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其优点在于：
通过合理的化学成分和工艺设计，控制钢的Cr、V元素的加入量，使其形成10％左右的Cr7C3碳化物硬质相和一定量的VC硬质相，增加了锤头端部的硬度和耐磨性，锤头的端部硬度HRC60～65,且截面硬度分布均匀，冲击韧性≥20J/cm2，远远高于高铬铸铁材料；锤柄部分硬度HRC45～50，冲击韧性≥40J/cm2，具有一定的强度、耐磨性和较高的冲击韧性。同时与采用高铬铸铁材料的锤头相比，仅合金Cr含量的降低，生产成本可降低30％以上，具有良好的市场应用前景。本发明所生产的锤头经某厂破碎花岗岩等物料试验后，与采用高铬铸铁锤头相比，使用寿命提高1～3倍。
具体实施例
以下通过实施例详细阐述本发明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
实施例1
50kg锤头的生产。
(1)冶炼：锤头的端部化学成分重量百分比为：C：1.58％、Si：0.42％、Mn：0.34％、P：0.018％、S：0.007％、Cr：10.5％、Mo：0.48％、V：0.18％、RE：0.025％；锤头的柄部化学成分重量百分比为C：0.26％、Si：0.34％、Mn：0.82％、P：0.016％、S：0.010％、Cr：1.83％、Ni:0.68％、Mo：0.42％。按照锤头的端部和锤头的柄部化学成分要求进行配比，利用中频感应电炉冶炼两炉钢水，锤头的端部钢水出钢温度为1550℃，锤头的柄部钢水出钢温度为1580℃，先将锤头的端部钢水浇入铸型中，然后再将锤头的柄部钢水浇入铸型中，浇注后的铸件随模缓冷至室温后脱模。
(2)预处理
缓冷后的铸件按如下工艺顺序进行预处理：①铸件随炉升温至550℃保温，保温时间：200min(锤头端部厚度100mm)；②然后升温至960℃，保温时间：250min(锤头端部厚度100mm)；③降温至600℃，保温250min(锤头端部厚度100mm)，之后停炉冷至室温出炉。此过程严格控制温度和时间，以保证Cr7C3碳化物的析出。
(3)淬火+回火热处理
预处理后的铸件进行淬火+低温回火热处理，淬火介质为油，油温33℃，淬火温度：1030℃，保温时间：300min(锤头端部厚度100mm)，出炉油冷至油温；回火温度：200℃，保温时间：400min(锤头端部厚度100mm)，出炉空冷。
(4)力学性能
热处理后的50kg锤头力学性能检验见表1、表2。
表1
表2
该50kg锤头经某厂破碎花岗岩等物料试验后，与采用高铬铸铁锤头相比，使用寿命提高1.5倍。
实施例2
70kg锤头的生产。
(1)冶炼：锤头的端部化学成分重量百分比为：C：1.63％、Si：0.31％、Mn：0.44％、P：0.018％、S：0.008％、Cr：11.5％、Mo：0.58％、V：0.22％、RE：0.015％；锤头的柄部化学成分重量百分比为C：0.30％、Si：0.36％、Mn：0.91％、P：0.016％、S：0.005％、Cr：2.14％、Ni:0.72％、Mo：0.44％。按照锤头的端部和锤头的柄部化学成分要求进行配比，利用中频感应电炉冶炼两炉钢水，锤头的端部钢水出钢温度为1560℃，锤头的柄部钢水出钢温度为1580℃，先将锤头的端部钢水浇入铸型中，然后再将锤头的柄部钢水浇入铸型中，浇注后的铸件随模缓冷至室温后脱模。
(2)预处理
缓冷后的铸件按如下工艺顺序进行预处理：①铸件随炉升温至560℃保温，保温时间：242min(锤头端部厚度110mm)；②然后升温至980℃，保温时间：308min(锤头端部厚度110mm)；③降温至620℃，保温297min(锤头端部厚度110mm)，之后停炉冷至室温出炉。此过程严格控制温度和时间，以保证Cr7C3碳化物的析出。
(3)淬火+回火热处理
预处理后的铸件进行淬火+低温回火热处理，淬火介质为油，油温30℃，淬火温度：1040℃，保温时间：385min(锤头端部厚度110mm)，出炉油冷至油温；回火温度：190℃，保温时间：495min(锤头端部厚度110mm)，出炉空冷。
(4)力学性能
热处理后的70kg锤头力学性能检验见表3、表4。
表3
表4
该70kg锤头经某厂破碎花岗岩等物料试验后，与采用高铬铸铁锤头相比，使用寿命提高2倍。
实施例3
90kg锤头的生产。
(1)冶炼：锤头的端部化学成分重量百分比为：C：1.70％、Si：0.45％、Mn：0.43％、P：0.020％、S：0.008％、Cr：12％、Mo：0.52％、V：0.28％、RE：0.023％；锤头的柄部化学成分重量百分比为C：0.31％、Si：0.38％、Mn：0.98％、P：0.016％、S：0.009％、Cr：2.28％、Ni:0.80％、Mo：0.50％。按照锤头的端部和锤头的柄部化学成分要求进行配比，利用中频感应电炉冶炼两炉钢水，锤头的端部钢水出钢温度为1560℃，锤头的柄部钢水出钢温度为1590℃，先将锤头的端部钢水浇入铸型中，然后再将锤头的柄部钢水浇入铸型中，浇注后的铸件随模缓冷至室温后脱模。
(2)预处理
缓冷后的铸件按如下工艺顺序进行预处理：①铸件随炉升温至580℃保温，保温时间：300min(锤头端部厚度120mm)；②然后升温至980℃，保温时间：360min(锤头端部厚度120mm)；③降温至650℃，保温360min(锤头端部厚度120mm)，之后停炉冷至室温出炉。此过程严格控制温度和时间，以保证Cr7C3碳化物的析出。
(3)淬火+回火热处理
预处理后的铸件进行淬火+低温回火热处理，淬火介质为油，油温32℃，淬火温度：1050℃，保温时间：480min(锤头端部厚度120mm)，出炉油冷至油温；回火温度：210℃，保温时间：700min(锤头端部厚度120mm)，出炉空冷。
(4)力学性能
热处理后的90kg锤头力学性能检验见表5、表6。
表5
表6
该90kg锤头经某厂破碎花岗岩等物料试验后，与采用高铬铸铁锤头相比，使用寿命提高1.5倍。
以上仅是本发明的优选实施例，应当指出，尽管参照优选实施例对本发明作了详细说明，对于所属领域的技术人员来说，对本发明的任何改进，对本发明产品中各原料的等效替换、具体实施方式的变型等，均落在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种低成本高韧性异质合金耐磨锤头的制造方法，低成本高韧性异质合金耐磨锤头由锤头的端部和锤头的柄部组成，其特征在于：
锤头的端部化学成分重量百分比为：C：1.50%～1.70%，Si：0.30%～0.45%，Mn：0.30%～0.45%，P≤0.020%，S≤0.010%，Cr：10.0%～12.0%，Mo：0.40%～0.60%，V：0.15%～0.30%，RE：0.01%～0.03%，其余为铁元素及不可避免的杂质；锤头的柄部化学成分重量百分比为C：0.26%～0.32%，Si：0.30%～0.40%，Mn：0.80%～1.00%，P≤0.020%，S≤0.010%，Cr：1.80%～2.30%，Ni:0.60%～0.80%，Mo：0.40%～0.50%，其余为铁元素及不可避免的杂质；
其制造方法包括以下步骤：
（1）冶炼
按照上述锤头的端部和锤头的柄部化学成分要求进行配比，同时冶炼两种成分钢水，出钢温度为1550～1600℃，浇注顺序为先浇注锤头的端部钢水，后浇注锤头的柄部钢水，浇注后的铸件随模缓冷至室温后脱模；
（2）预处理
缓冷后的铸件按如下工艺顺序进行预处理：①保温温度：550～580℃，保温时间：2.0～2.5min/mm，mm表示铸件厚度；②保温温度：960～980℃，保温时间：2.5～3.0min/mm，mm表示铸件厚度；③保温温度：600～650℃，保温时间：2.5～3.0min/mm，mm表示铸件厚度，之后停炉冷至室温出炉；
（3）淬火+回火热处理
预处理后的铸件进行淬火+低温回火热处理，淬火介质为油，油温≤35℃，淬火温度：1030～1050℃，保温时间：3.0～4.0min/mm，mm表示铸件厚度，出炉油冷；回火温度：190～210℃，保温时间：4.0～6.0min/mm，mm表示铸件厚度，出炉空冷。
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