CN109735762B

CN109735762B - 一种合金锤头及其制备方法

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Publication number: CN109735762B
Application number: CN201910073893.5A
Authority: CN
Inventors: 王文会; 王雪原; 姜凤山
Original assignee: Chengde Yanbei Metallurgical Materials Co ltd
Current assignee: Chengde Yanbei Metallurgical Materials Co ltd
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2039-01-25
Also published as: CN109735762A

Abstract

本发明涉及一种合金锤头及其制备方法，按质量百分含量计，所述合金锤头包括以下组分：C 2.4‑3.0％，Si 0.4‑1.0％，Mn 0.5‑1.0％，Mo 0.5‑1.0％，Ni 0.5‑1.5％，Cu 0.5‑2.0％，Cr 23‑28％，V 0.2‑0.5％，Ti 0.1‑0.5％，Re 0.2‑0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明制备得到了组织为马氏体+网状M7C3碳化物+二次碳化物+残余奥氏体的合金锤头，所得锤头在冲击韧性满足要求的前提下，具有优异的强度和耐磨性能，其洛氏硬度为HRV59.5‑65.2，冲击韧性为8.4‑12.5J/cm²，在高强度破碎工况下表现优异。

Description

一种合金锤头及其制备方法

技术领域

本发明涉及冶金领域，具体涉及一种合金锤头及其制备方法。

背景技术

传统的锤头生产，一般采用高锰钢材质。其成份要求范围较宽，具体如下：C 1.1-1.5％，Si 0.3-1.0％，Mn 11-14％，S≦0.05％，P≦0.08％，铸态组织为奥氏体基体，晶粒中和晶界上有大量碳化物。经水韧处理后为奥氏体+渗碳体为主。在实际使用中，硬度较高，抗冲击性低，适用于破碎一般物料。

目前，对于炼钢厂钢渣的破碎，尤其是含钒钛钢渣的破碎，高锰钢锤头使用寿命太短，这样直接造成钢渣破碎生产成本居高不下。如何摸索一套切实可行的方法，提高锤头的质量，成为必须面对、而且是长期艰难选择的任务。

CN105908071B公开了一种双金属液复合浇注砂型成型制造锤头的合金材料，其柄部成分以质量％计C:0.25-0.60、Si:＜0.60、Mn:＜0.80、Cr:0.60-1.10、S,P:＜0.04、余量为铁；锤部成分以质量％计C:2.80-3.60、Si:＜1.00、Mn:＜0.80、Cr:18.00-23.00、Mo:0.30-1.00、V:0.10-0.70、Re:0.15-0.5、S，P:＜0.04、余量为铁。

CN103357470A公开了一种锤式破碎机的耐磨锤头及其制备方法，包括锤头的端部和锤头的柄部，锤头的端部是高铬铸铁，其成分按重量百分比为：C：2.40％-3.20％、Si：0.30％-1.50％、Mn：0.50％-2.0％、Cr：12.0％-18.0％、P：≤0.10％、S：≤0.06％、Ce：0.04％、V：0.10％-0.20％、余为铁。锤头的柄部是中碳低合金钢，其成分按重量百分比为：C：0.30％-0.50％、Si：0.30％-1.0％、Mn：0.70％-1.5％、Cr：1.0％-3.0％、Mo：0.15％-0.25％、P：≤0.04％、S：≤0.04％、余为铁；利用消失模空型铸造液-液双金属复合耐磨锤头。

CN108546883A公开了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％。

CN104209163A公开了一种耐磨复合锤头及其制备方法，属于破碎设备技术领域。先采用铸造方法铸造复合锤头的锤柄部位，锤柄的化学组成及其质量百分数为：0.26-0.35C，0.25-0.45Si，0.60-0.80Mn，0.08-0.15N，1.0-1.2Cr，0.015-0.030Al，0.008-0.016Ca，S<0.03，P<0.04，余量Fe。锤柄与锤头的结合部位进行喷砂毛化处理，使锤柄表面粗糙度达到65-100μm，然后复合耐磨合金，复合锤头硬度高、耐磨性好。

上述方法均通过对组分的调控实现了锤头的改进，然而在应用于高强度破碎的工况中时，其仍然存在强度不够、冲击韧性和耐磨性不匹配以及制备成本过高等诸多问题，难以得到大规模推广。因此，摸索出一套性能符合要求、切合实际，且成本低廉的锤头制备技术，成为本领域技术人员继续努力的方向。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种合金锤头及其制备方法，通过对合金组分的调控，制备得到了洛氏硬度为HRV59.5-65.2，冲击韧性为8.4-12.5J/cm²的合金锤头，所得锤头性能满足高强度破碎工况的要求，且成本低廉，适用于大规模推广。

第一方面，本发明提供了一种合金锤头，按质量百分含量计，所述合金锤头包括以下组分：C 2.4-3.0％，Si 0.4-1.0％，Mn 0.5-1.0％，Mo 0.5-1.0％，Ni 0.5-1.5％，Cu0.5-2.0％，Cr 23-28％，V 0.2-0.5％，Ti 0.1-0.5％，Re 0.2-0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。

根据本发明，按质量百分含量计，所述合金锤头中C的含量为2.4-3.0％，例如可以是2.4％、2.5％、2.6％、2.7％、2.8％、2.9％或3.0％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

碳元素的主要作用是在基体中形成碳化物，碳含量的高低直接影响碳化物的数量，但基本上不影响碳化物的类型。碳化物的类型、数量、分布是影响铸件耐磨性的关键因素。同时碳元素又是影响韧性的关键元素之一，当碳含量低于2.4％，韧性较差。高于共晶碳量时，马氏体转变温度和淬透性都下降，导热系数变小，热裂倾向增大。

根据本发明，按质量百分含量计，所述合金锤头中Si的含量为0.4-1.0％，例如可以是0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％或1.0％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

硅是非碳化物元素，与其他提高淬透性元素配合，可以提高马氏体转变温度，减少残余奥氏体。但其含量大于1％时，合金硬度下降，冲击韧性极差。

根据本发明，按质量百分含量计，所述合金锤头中Mn的含量为0.5-1.0％，例如可以是0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％或1.0％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

锰能抑制珠光体形成，稳定奥氏体。提高淬透性。当其大于1％时，淬火后残余奥氏体增多，硬度和耐磨性下降，铸件开裂倾向变大，并影响钼在基体和碳化物中的分配比例，降低韧性和硬度。

根据本发明，按质量百分含量计，所述合金锤头中Mo的含量为0.5-1.0％，例如可以是0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％或1.0％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

钼溶解于基体和碳化物，能够抑制珠光体的形成和提高淬透性，同时可以细化晶粒，同时提高韧性和硬度，使热处理淬透深度和耐磨性增强。

根据本发明，按质量百分含量计，所述合金锤头中Ni的含量为0.5-1.5％，例如可以是0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1.0％、1.1％、1.2％、1.3％、1.4％或1.5％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

镍主要溶解在奥氏体中，具有固溶强化作用，因而提高合金的硬化能力。但是镍含量超过1.5％时，基体中残余奥氏体过多，导致耐磨性降低。

根据本发明，按质量百分含量计，所述合金锤头中Cu的含量为0.5-2.0％，例如可以是0.5％、0.8％、1.0％、1.3％、1.5％、1.5％、1.8％或2.0％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

铜能提高合金的淬透性，尤其是与钼共存，效果更为明显。铜使碳化物细化和不连续，减轻基体的被割裂现象，提高韧性。由于铜溶解度不高，本材质中碳化物含量较高，所以铜不能加入过多，否则将有铜在枝晶间富集析出，韧性下降。

根据本发明，按质量百分含量计，所述合金锤头中Cr的含量为23-28％，例如可以是23％、24％、25％、26％、27％或28％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

铬元素的加入，主要是与碳的结合，决定碳化物的类型与分布。随着Cr/C比的提高，共晶碳化物的形貌经历了由连续网状→片状→杆状连续程度减小的过程，碳化物的类型经历由M3C→M3C+M7C3→M7C3的变化过程。铬元素能提高淬透性，保证硬度，含铬量过低时，合金的硬度难以满足要求，但铬含量高于28％时，合金的冲击韧性降低，难以满足要求。本发明将合金锤头中铬的含量控制为23-28％，使其和其他元素形成良好的配合，使锤头在冲击韧性满足要求的前提下获得最佳的硬度值。

根据本发明，按质量百分含量计，所述合金锤头中V的含量为0.2-0.5％，例如可以是0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.4％、0.45％或0.5％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

钒在合金中也有细化晶粒的作用，同时和锰形成配合作用，显著提高淬透性，使合金硬度、韧性明显提升。在含量在0.5％时，合金的硬度HRC、韧性达到峰值，随着含量增加，韧性开始下降，故不宜过高。

根据本发明，按质量百分含量计，所述合金锤头中Ti的含量为0.1-0.5％，例如可以是0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.4％、0.45％或0.5％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

钛在合金中具有细化晶粒的作用，其碳化物TiC的硬度、耐磨性非常高。但加入量过多时，会引起高熔点硬质相增加和粗大，反而不能细化晶粒，故不超过0.5％。

根据本发明，按质量百分含量计，所述合金锤头中Re的含量为0.2-0.5％，例如可以是0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.4％、0.45％或0.5％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

稀土的主要作用是细化晶粒，在晶界内优先形成晶核，延长钢水孕育变质期，提高过冷奥氏体的稳定性；稀土可以改变共晶碳化物的形态，从长条状碎化成均匀团状，极大的提高耐磨性。

根据本发明，按质量百分含量计，所述合金锤头中S≤0.05％，P≤0.08％。

第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的合金锤头的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)按配方量进行配料，将原料混合后进行冶炼，得到合金溶液；

(2)步骤(1)得到的合金溶液从浇注系统进入型腔，浇铸完成后得到铸件；

(3)将步骤(2)得到的铸件升温依次进行淬火处理和回火处理，得到所述合金锤头。

根据本发明，步骤(1)所述冶炼的温度为1450-1500℃，例如可以是1450℃、1460℃、1470℃、1480℃、1490℃或1500℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

上述冶炼过程中可根据本领域的常规手段选择合适的工艺参数，本发明对冶炼的具体方法不进行特殊限定，只要能得到特定组分的合金溶液即可。

根据本发明，在步骤(3)进行淬火处理前，对浇铸得到的铸件进行清理和平整。

根据本发明，步骤(3)所述淬火处理包括两个升温阶段，850℃之前升温速率为70-90℃/h，850℃之后升温速率为110-130℃/h。

根据本发明，步骤(3)所述淬火的温度为1000-1400℃，例如可以是1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃、1350℃或1400℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，步骤(3)所述淬火的时间为3-5h，例如可以是3h、3.3h、3.5h、3.8h、4h、4.3h、4.5h、4.8h或5h，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，步骤(3)经过淬火处理后，铸件的温度低于160℃后进行回火处理。

根据本发明，步骤(3)所述回火处理的温度为250-280℃，例如可以是250℃、255℃、260℃、265℃、270℃、275℃或280℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，步骤(3)所述回火处理的时间为2.5-3.5h，例如可以是2.5h、2.6h、2.7h、2.8h、2.9h、3.0h、3.1h、3.2h、3.3h、3.4h或3.5h，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

作为优选的技术方案，本发明所述合金锤头的制备方法包括以下步骤：

(1)按配方量进行配料，将原料混合后在1450-1500℃下进行冶炼，得到合金溶液；

(2)步骤(1)得到的合金溶液从浇注系统进入型腔，浇铸完成后得到铸件，并对所得铸件进行清理和平整；

(3)将步骤(2)得到的铸件转移至热处理炉中，在1000-1400℃下保温3-5h，其中，850℃之前升温速率为70-90℃/h，850℃之后升温速率为110-130℃，出炉风冷，铸件的温度低于160℃后进行回火处理，回火温度为250-280℃，保温时间为2.5-3.5h，回火处理完成后得到所述合金锤头。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明通过对合金组分的调控以及制备工艺的改进，制备得到了组织为马氏体+网状M7C3碳化物+二次碳化物+残余奥氏体的合金锤头，使所得锤头在冲击韧性满足要求的前提下，具有优异的强度和耐磨性能。其洛氏硬度为HRV59.5-65.2，冲击韧性为8.4-12.5J/cm²，满足高强度破碎工况的要求。

(2)本发明制得的合金锤头性能优良，在高强度破碎工况下表现优异，实践证明使用本发明制备的合金锤头破碎钢渣使用寿命≥220h，远高于现有技术中的锤头，大大降低了应用成本，适用于大规模推广，具有良好的经济效益和应用前景。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

以下为本发明典型但非限定的具体实施例：

实施例1

本实施例提供了一种合金锤头，按质量百分含量计，所述合金锤头包括以下组分：C 2.5％，Si 0.8％，Mn 0.6％，Mo 0.5％，Ni 1.2％，Cu 1.2％，Cr 25％，V 0.5％，Ti0.3％，Re 0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，S≤0.05％，P≤0.08％。

按照以下方法进行制备：

(1)采用一吨中频炉冶炼，按照配方量进行配料，首先加入部分小块废钢冶炼，依次加入高碳铬铁、低碳铬铁、部分废钢；当炉内合金液体达到2/3时，加入镍板、钼铁、铜、剩余废钢。炉料全部熔化后取样化验，调整化学成分合格；在出炉前7min加入高碳锰铁，出炉前4min加入硅铁，出炉温度达到1480℃时，插铝脱氧，断电出炉；浇包预热150℃，提前放入钒铁、钛铁、稀土硅铁合金，随水流进入浇包熔化合金孕育变质处理；

(2)采用二氧化碳水玻璃砂造型，一箱四件，每件一个压边冒口，四件共用一个浇注系统；将步骤(1)得到的合金溶液从浇注系统进入型腔，每箱15s浇铸时间，注意冒口补缩，浇好后的铸型沙坑静置12h以上；

(3)清除铸件表面的型砂，清掉浇注系统、冒口、飞边毛刺，用砂轮打磨好外观；

(4)将步骤(3)清理好的铸件装入热处理炉，升温速度为80℃/h，850℃后调整升温速度为120℃/h，1020℃下保温4h出炉风淬，待铸件低于160℃后升温进行回火处理，260℃下保温3h，空冷后得到所述合金锤头。

实施例2

本实施例提供了一种合金锤头，按质量百分含量计，所述合金锤头包括以下组分：C 3.0％，Si 0.8％，Mn 0.5％，Mo 1.0％，Ni 1.2％，Cu 0.7％，Cr 28％，V 0.25％，Ti0.5％，Re 0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，S≤0.05％，P≤0.08％。

按照以下方法进行制备：

(1)同实施例1步骤(1)；

(2)同实施例1步骤(2)；

(3)同实施例1步骤(3)；

(4)将步骤(3)清理好的铸件装入热处理炉，升温速度为85℃/h，850℃后调整升温速度为130℃/h，1100℃下保温3.5h出炉风淬，待铸件低于160℃后升温进行回火处理，280℃下保温2.5h，空冷后得到所述合金锤头。

实施例3

本实施例提供了一种合金锤头，按质量百分含量计，所述合金锤头包括以下组分：C 2.4％，Si 0.4％，Mn 0.8％，Mo 0.8％，Ni 0.8％，Cu 1.3％，Cr 24％，V 0.3％，Ti0.1％，Re 0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，S≤0.05％，P≤0.08％。

按照以下方法进行制备：

(1)同实施例1步骤(1)；

(2)同实施例1步骤(2)；

(3)同实施例1步骤(3)；

(4)将步骤(3)清理好的铸件装入热处理炉，升温速度为70℃/h，850℃后调整升温速度为110℃/h，1300℃下保温3h出炉风淬，待铸件低于160℃后升温进行回火处理，250℃下保温3.5h，空冷后得到所述合金锤头。

实施例4

本实施例提供了一种合金锤头，按质量百分含量计，所述合金锤头包括以下组分：C 2.6％，Si 0.5％，Mn 1.0％，Mo 0.9％，Ni 0.6％，Cu 1.0％，Cr 27％，V 0.3％，Ti0.3％，Re 0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，S≤0.05％，P≤0.08％。制备方法同实施例1。

实施例5

本实施例提供了一种合金锤头，按质量百分含量计，所述合金锤头包括以下组分：C 2.4％，Si 0.9％，Mn 0.7％，Mo 1.0％，Ni 0.5％，Cu 2.0％，Cr 23％，V 0.2％，Ti0.4％，Re 0.4％，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，S≤0.05％，P≤0.08％。制备方法同实施例1。

实施例6

本实施例提供了一种合金锤头，按质量百分含量计，所述合金锤头包括以下组分：C 2.7％，Si 0.6％，Mn 0.5％，Mo 0.8％，Ni 0.5％，Cu 1.3％，Cr 26％，V 0.4％，Ti0.2％，Re 0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，S≤0.05％，P≤0.08％。制备方法同实施例1。

对比例1

与实施例1相比，本对比例提供的合金锤头中除了将Cr的含量调整为20％之外，其他组分、含量以及制备方法与实施例1完全相同。即，合金中Cr含量过低(相应的Fe含量增加)。

对比例2

与实施例1相比，本对比例提供的合金锤头中除了将Cr的含量调整为30％之外，其他组分、含量以及制备方法与实施例1完全相同。即，合金中Cr含量过高(相应的Fe含量降低)。

性能测试：按照GB/T230.1-2018金属材料洛氏硬度试验方法，使用洛氏硬度计HRC150A检测洛氏硬度。按照GB/T229-2007金属材料下比摆锤冲击试验方法，使用半自动冲击试验机GB-300B检测冲击韧性。各实施例和对比例中所得合金锤头的性能如表1所示。

表1

	洛氏硬度(HRV)	冲击韧性(J/cm<sup>2</sup>)
			实施例1	63.5	10.9
实施例2	65.2	8.4
			实施例3	60.7	11.2
实施例4	64.5	9.1
			实施例5	59.8	12.5
实施例6	63.9	9.8
			对比例1	49.0.	14.7
对比例2	70.3	6.6

由表1中的数据可知，本发明制备得到的合金锤头具有优异力学性能，其洛氏硬度为HRV59.5-65.2，冲击韧性为8.4-12.5J/cm²，满足高强度破碎工况的要求。当Cr含量过低时，合金中不能有效形成马氏体+网状M7C3碳化物+二次碳化物+残余奥氏体共存的组织，导致合金硬度降低，且淬透性不足。而Cr含量过高时，合金的冲击韧性降低，难以满足高强度破碎工况的要求。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种冲击韧性为8.4-12.5J/cm²的合金锤头，其特征在于，按质量百分含量计，所述合金锤头的组分为：C 2.4-3.0％，Si 0.4-1.0％，Mn 0.5-1.0％，Mo0.5-1.0％，Ni 0.5-1.5％，Cu 0.5-2.0％，Cr 23-28％，V 0.2-0.5％，Ti 0.1-0.5％，RE0.2-0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质；

所述冲击韧性为8.4-12.5J/cm²的合金锤头的采用如下方法制备：

(3)将步骤(2)得到的铸件升温依次进行淬火处理和回火处理，得到所述合金锤头；所述淬火处理包括两个升温阶段，850℃之前升温速率为70-90℃/h，850℃之后升温速率为110-130℃/h；经过淬火处理后，铸件的温度低于160℃后进行回火处理。

2.如权利要求1所述的冲击韧性为8.4-12.5J/cm²的合金锤头，其特征在于，按质量百分含量计，所述合金锤头中S≤0.05％，P≤0.08％。

3.如权利要求1或2所述的合金锤头的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述冶炼的温度为1450-1500℃。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(3)进行淬火处理前，对浇铸得到的铸件进行清理和平整。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述淬火的温度为1000-1400℃。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述淬火的时间为3-5h。

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述回火处理的温度为250-280℃。

9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述回火处理的时间为2.5-3.5h。

10.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(3)将步骤(2)得到的铸件转移至热处理炉中，在1000-1400℃下保温3-5h，其中，850℃之前升温速率为70-90℃/h，850℃之后升温速率为110-130℃/h，出炉风冷，铸件的温度低于160℃后进行回火处理，回火温度为250-280℃，保温时间为2.5-3.5h，回火处理完成后得到所述合金锤头。