CN112853202A

CN112853202A - 一种超高韧高强度耐磨耐冲击合金铸钢锤头及制造工艺

Info

Publication number: CN112853202A
Application number: CN201911186807.8A
Authority: CN
Inventors: 刘承刚
Original assignee: Wuhan Kunlun Special Steel Equipment Technology Development Co ltd
Current assignee: Wuhan Kunlun Special Steel Equipment Technology Development Co ltd
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2021-05-28

Abstract

本发明公开了一种超高韧高强度耐磨损耐冲击的合金铸钢锤头及制造工艺。以C、Si、Mn、Cr为主要元素，辅加少量Mo、W、V、Nb、N、RE元素，其余为Fe。这种铸钢锤头经实施本发明提供的制造工艺后，其组织为细晶粒均匀奥氏体，晶内和晶界间有微小弥漫型碳化物和氮化物；主要性能：Бb＝(930‑960)N/mm²，αku＝(246‑279)J/cm²，工作面硬度：HRC＝63‑67；较德国红宝公司同类产品强度提高了15.85％，冲击韧性至少提高了38.2％，平均硬度提高了12.06％，使用寿命(14‑18)个月为进口产品的2倍以上，价格仅为进口价的26.3％。无疑它在矿山、建材、电力、机械、凿岩、军械等行业具有十分强劲的竞争力和广泛的实用推广价值；若出口1.5万吨即使按瑞典产品价下降60％时，仍可为国家创汇1.1亿美元。

Description

一种超高韧高强度耐磨耐冲击合金铸钢锤头及制造工艺

技术领域

本发明属金属材料领域，更具体涉及一种超高韧高强度耐磨耐冲击合金铸钢锤头，同时还涉及一种超高韧高强度耐磨耐冲击合金铸钢锤头的制造工艺，它适用于矿山、冶金、建材、电力、机械、凿岩、军械等行业，它是一种可广泛用于制造在强烈碰撞性冲击和强烈磨损条件下而工作要求其强度高、韧性好、耐磨损、无断裂、寿命长的新型合金铸钢锤头。

技术背景

在现有技术领域中不论是抗中低冲击强烈磨损还是胜似爆炸剧烈冲击中的强烈磨损的合金铸钢锤头，普遍存在着易断裂、不耐磨、寿命短、更换频繁、使用成本高的现象，即使是部份进口产品也是这样。多年来它一直是国内外急需解决而始终未能从根本上全面彻底解决的技术经济难题。

造成上述结果的原因多而复杂，由于破碎、研磨工况中的变化过程是一个涉及诸多因素复杂的物理变化过程，它需要力学、运动学、金属材料学、冶炼设备和冶炼工艺学、热处理学等多方面的学科知识和丰富的实践经验相结合才有可能解决实际问题。但目前尚缺乏对这些复杂应用工况作全面、科学的具体分析，更缺乏对满足这些特殊工况要求的金属材料、性能、成分的科学配制与合理、经济的热处理工艺相结合的实际性研究和广泛的技术指导，所以很多用户或锤头生产者普遍存在严重的盲目性。

在中国的矿山、建材、冶金、电力等行业的破碎工程中尚存有以下问题：

1、对被破碎物料之性能、成份和应选用的破碎设备型号和相关参数如：转子直径、转速、破击功能

与破击锤头材料、性能类别的选择严重缺乏全面正确的适应性分析，盲目性浓厚；

2、对高速高效、大动能破碎的锤头，普遍性能低下、产品制造质量差，寿命短，造成更换频繁，使用成本高；

3、应建立和提高以锤头产品性能数据和使用效果为基础的准入资格认可制，避免低档产品横生市场或可能发生的产品价格战；

4、在各行业的破碎中，市场急需大量的性能好、寿命长的高端锤头产品。

综上所述就矿山破碎而言，全国仅以400家，平均每家破碎机2台，每副锤头(质量为6.2吨/副)，使用寿命以3个月计算；则国内年市场需量约为：400家×2台/家×6.2T/台·次×4次/年＝19.84万吨(大约22万吨左右)，若出口台湾、新加坡、泰国等，大约年需35万吨。

现将国外知名公司锤头产品和本发明产品的性能、价格、年更换次数列表如下：

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种超高韧高强度耐磨耐冲击的合金铸钢锤头，充分满足了剧烈冲击和强烈磨损的工况使用的要求，使用寿命长，成本低。

本发明的另一个目的是在于提供了一种超高韧高强度耐磨耐冲击的合金铸钢锤头的制造工艺，方法易行，操作简便，满足了大动量、高速旋转破碎磨损中主破碎体的自身平衡，从而大大地减了新装锤头时平衡的工作量，降低了新装锤头的劳动强度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术措施：

其技术特征是以C、Si、Mn、Cr为主要元素，辅加少量Mo、W、V、Nb、 N、RE元素；这种铸钢锤头再经实施本发明所提供的制造工艺后，其显微组织为均匀奥氏体，其晶内和晶界间有少量微小弥漫型碳化物；这种钢具有很高的强度[Бb≥(930-960)N/mm²]和抗冲击韧性[(αku≥(256-279) J/cm²]，在受剧烈碰撞冲击后，其工作表面奥氏体迅速转变成高硬度(HRC＝63-67)的马氏体，因而它又具有良好的耐磨性；本发明产品在引进德国装备技术由国内(改进提升)制造的Ф2米(转子直径)×(2-2.4) 米(转子宽度)锤式破碎机中，驱动功率W＝630-850千瓦，转子转速n＝386 转/分，锤头质量分别(m)，分别为128kg/件、132kg/件、142kg/件，其破击动能

依次分别为：104562J、107829J和115998J的不同用户去破击(1.1米×1.1米大青石)为(25mm×25mm)的碎石，台时产量(300-400) 吨的应用工况下，每副锤头连续使用寿命均在14-18个月；远超德国红宝公司每副锤头使用寿命为(7-9)个月或每副锤头之碎石产量为90-100万吨的性能技术应用水平；本发明铸钢锤头的化学成份重量百分比含量为：

碳(C)：0.8-1.25；硅(Si)：0.3-0.8；锰(Mn)：11.5-14.5；合金元素铬(Cr)：1.6-2.8；钼(Mo)：0.3-0.85；钨(W)：0.25-0.5；钒(V)： 0.15-0.45；铌(Nb)：0.05-0.3；氮(N)：≤0.15；稀土元素(RE)：≤0.16；磷(P)：<0.02；硫(S):≤0.02；铁(Fe)：78.2-84.7；以及上述所列全部元素配比中仅在铌(Nb)、钨(W)、氮(N)、稀土元素(RE)中至少有一种含量不为零的化学成份技术特征。

本发明中的碳(C)一部分是固溶于奥氏体锰合金钢的主要元素之一。另外，C还和固溶于奥氏体中的多余的各合金元素均以晶格复杂的原生碳化物：Fe₃C、VC、NbC、Mo₂C、Cr₇C₃、Mn₇C₃等及再生(Fe.Cr)₃C、(Cr.Fe)₇C₃、 (Cr.Fe)₂₃C₆、(Mo.Fe)₂₃C₆等多种碳化物形式存在，从而提高了合金钢的强度、硬度及耐磨性；因C溶于γ-Fe形成奥氏体之固溶体之最大含量为 2％。为使经水韧处理后的奥氏体晶粒度最细，晶粒度20μm²，其含碳量可定在0.75％-1.25％，若含C量太高，则会使其韧性下降，易于断裂，因冶炼或热处理中有少量脱碳可能，故本发明中含碳量控制在0.8％-1.25％范围内。

锰(Mn)是奥氏体锰合金钢的主要成份，一部分Mn除固溶于奥氏体外并降低了奥氏体向马氏体的转变温度Ms，及形变诱发奥氏体转变成马氏体的温度Md，从而增加了过冷奥氏体的稳定性；使C曲线向右和向下移，降低了临界冷却速度，因而提高了淬透性，可使截面很大的工件获得均匀一致的金相组织，而另一部分存在于(Fe.Mn)₃C、Mn₇C等碳化物中，极大地提高了强度和冲击韧性；另外Mn能和杂质S形成MnS以溶渣形式自除，故 Mn有净化钢水和自动除杂的功能。将Mn之含量控制在11.5％-14.5％，经水韧处理后得到比较稳定的单一奥氏体组织，其工作表面在受到强烈碰撞冲击和磨损后会迅速转变成高硬度的马氏体组织，从而大大地提高其硬度和耐磨性。

硅(Si)，硅常以脱氧剂配入，其含量在≤0.8％时，能全部固溶于奥氏体中并显著地提高奥氏体钢的强度。硅对奥氏体晶粒的长大和对奥氏体开始转变成马氏体的温度Ms均无明显影响；SI在奥氏体钢内形成碳化物之能力较Fe为弱，所以，Si不形成碳化物。但硅能提高钢水的流动性，以改善其铸造性，故本发明中硅含量控制在0.4％-0.8％。

合金元素铬(Cr)和钼(Mo)它们一部份溶于奥氏体中，增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，降低了临界冷却速度，从而均能提高钢的淬透性；而Cr、Mo元素的另一部份全部溶于渗碳体(Fe₃C)内，以细微、分散、弥漫、稳定的合金碳化物：(Fe.Cr)₃C、(Fe.Mo)₃C、(Cr.Fe)₂₃C₆、(Mo.Fe)₂₃C₆等状态存在于奥氏体晶界内和晶界间，除阻碍奥氏体晶粒长大之外，并显著地细化奥氏体晶粒还提高了钢的强度、硬度和耐磨性；Cr元素含量≤5％时，钢的强度和硬度随含铬量的增加而增大，但钢之韧性在含铬量≤1％时，是随其含量的增加而增大至323J/cm²；当含铬量1％≤x≤3％时，其韧性由323J/cm²下降至269.5J/cm²；当含铬量>3％其韧性急剧下降。故本发明中含铬量确定为1.6％-2.8％；Mo元素含量≤4％时，钢的强度和硬度随含Mo量的增加而增大，但钢的韧性却随含Mo量的增加而从245J/cm²下降；特别是当钢中的含钼(Mo)量达1％时，其韧性已下降122.5J/cm²；所以Mo之含量应控制在0.3％-0.85％之间。

W元素含量≤2％时，钢的强度和硬度降W量的增加而缓慢增大，但其韧性却随W量的增加而由245J/cm²下降至98J/cm²，特别当钢中含W量>1％时，韧性下降更为显著，故本发明中W的含量确认为：0.25％-0.5％。

钒(V)、铌(Nb)，V、Nb在奥氏体合金钢中以分散、细小的碳化钡(VC)、 (NbC)状态存在于奥氏体的晶界内和晶界间，强烈地阻碍着奥氏体晶粒的长大；V、Nb的微量加入有助于提高奥氏体的可焊性、抗冲击韧性及耐低温韧性。为综合考虑全部元素组比及所需强度、韧性和耐低温性，本发明确认V之含量为：0.15％-0.45％；Nb之含量为：0.05-0.3％。

氮(N)，N在α-Fe和γ-Fe中的溶量分别达0.1％和2.8％，它在固溶于奥氏体锰合金钢时，其中一部份和C去争抢部份合金元素：如：V、Nb、Mo 等，形成耐热高硬度很耐磨的氮化物：VN、NbN、Nb2N、Cr₂N等，以微粒、弥散于奥氏体的晶界内和晶界间，强烈阻碍着奥氏体晶粒的长大；N的加入减少了不利焊接的C元素含量；由于N使Ms温度点下移，所以又提高了奥氏体合金钢淬透性及强度；N在固溶于奥氏体锰合金钢，N、Mn的结合形成有仿于贵重Ni的性能(这一新技术在美、德、日已广泛采用，奥氏体耐热钢中30Cr₁₈Mn₁₂Si₂N就是这一技术应用的光辉典范)，从而使所获奥氏体具有良好韧性、耐低温性和可焊性。但过多的N，会使铸坯产生气孔，故本发明中N含量确认为：≤0.15％。

稀土元素(RE)的微量加入，提高韧性和可焊性并有脱硫(S)去气、消除有害杂质的作用。本发明中确认：RE含量≤0.16％。

磷(P)、硫(S)，P、S存在奥氏体钢中有很多相同的害处：促进C、 Mn元素产生偏析，S在奥氏体合金钢中以FeS和MnS形式存在，MnS进入溶渣；但FeS和Fe可生存低熔点共晶体，分布于晶界上，削弱了晶界间的结合力，使钢在热态受力时，极易裂、损；此外，P还有促使奥氏体晶粒长大之倾向，故本发明中P、S含量均确认为：≤0.015％。

本发明所述的一种超高韧高强度高硬度耐冲击的合金铸钢锤头，采用电弧炉冶炼；按2:1的石灰粉和氟化粉造渣；炼钢原料为废钢和铁合金；炉料加入顺序为：废钢、铬铁、钨铁；待熔化除渣后加入锰铁、钼铁；在还原期加入Si，利用Mn、Si进行初脱氧；再加入钒铁、铌铁和FeN(氮化铬)；经除渣后加入稀土(RE)；浇铸前按每吨钢水加入两性氧化物铝(A1)1kg进行最终脱氧处理，出钢温度为：1530℃-1580℃，待炉前经光谱分析仪检测确认其化学成份符合本发明要求，当钢液温度为1520℃-1470℃可进行浇铸。

一种超高韧高强度耐磨耐冲击的合金铸钢锤头的制造工艺，其步骤是：

1、毛坯的浇铸：出钢温度为1530℃-1580℃，浇铸温度为1470℃ -1530℃，铸件应在260℃-300℃开箱，开箱后应立即进行清砂和切割浇冒口工作，切割浇冒口时铸件温度应为220℃-280℃。

2、对铸件缺陷的处理：如：小气孔、浅表裂纹、夹砂等，经带温230℃ -310℃打磨清除后，可采用奥107(A107)焊条，直流焊机进行补焊，连同飞边、毛刺、焊溅物一并采用高速砂轮打磨机打磨平整，或重新进炉预热至260℃-320℃左右，进行上述磨、补工作。

3、退火处理：将清整后的毛坯进炉加热至640℃-690℃，保温8-12小时随炉冷却。

4、机械加工：用YW1或YW2刀具，采用每秒小于2.5米之低速车或铣，或刨削之方式，按图纸要求进行加工。

5、水韧处理：将加工好的铸钢锤头半成产品加热至630℃-670℃保温 3-4小时，然后将炉温续升至850℃-890℃并保温2-4小时，再加热到1060℃ -1160℃，保温6-12小时；最后快速出炉将铸钢锤头件置于净水量为铸钢锤头重量12-15倍的水池中进行连续均匀地速冷却处理。

本发明所述的一种超高韧高强度耐磨耐冲击的合金铸钢锤头经水韧处理后于常温下为均匀奥氏体组织，其晶界内和晶界间有少量微小弥漫性碳化物,奥氏体机械性能为：Бb＝(930-960)N/mm²，δ＝(46-48.5)％，αku＝ (256-279)J/cm²，在剧烈碰撞冲击下，其工作表面之奥氏体迅速转变成高硬度(HRC＝63-67)的马氏体，从而大大地增加了它的耐磨性。

本发明所述的一种超高韧高强度耐磨耐冲击的合金铸钢锤头，经退火处理后大大地改善了其金相组织和加工性能，打破了多年来奥氏体耐磨钢不可加工的传说；同时满足了大动量、高速旋转破碎磨损中主破碎体的自身平衡，从而大大地减了新装锤头时平衡的工作量，降低了新装锤头的劳动强度。

本发明所及一种高强度耐磨耐冲击的合金钢锤头在剧烈碰撞冲击和强磨损条件下，和世界发达国家相比，其强度提高15.86％，抗冲击韧性提高 38.2％，硬度提升了12.06％，耐磨寿命提高2倍以上。它从根本上全面、彻底地解决了矿山、冶金、建材、电力、机械、凿岩、军械等行业在剧烈碰撞冲击和强烈磨损条件下长期存在的各种合金铸钢锤头易断裂、强度低、不耐磨、寿命短、更换频繁、制造或使用成本高的经济技术难题。

按广西柳州水泥进口瑞典马格公司产品价格(120000元/吨，折合： 24000美元/T)，使用周期以10个月计算，全国所及大型国企为400家计算；那么10个月可为国家节汇：B＝400家×6.2吨/台·家×2.4万元/T(U$) ＝5952万元(U$)；如果出口15000吨，并按瑞典现进口价(12万元/T)下降60％，即：4.8万元/T(RMB)，则每年至少可为国家创收入(15000×4.8 万元/T＝72)亿元(RMB)；折合美元大约：1.1亿元。

因此，本发明锤头具有广泛实用价值和推广价值，从而可获取显著企业效益和巨大的社会综合经济效益。

具体实施方式

现将本发明钢在具体实施四例中对所做铸钢锤头产品相应检测数据及工艺执行温度分别列表如下：

实施例1：

一种超高韧高强度耐磨耐冲击的合金铸钢锤头，由以下元素重量百分比构成：碳：0.8；硅：0.7；锰：14.5；合金元素铬：1.6；钼：0.4；钨： 0.3；钒：0.37；铌：0.025；氮：≤0.12；稀土元素：≤0.14；磷(P)： <0.018；硫:≤0.008；铁：80.794；以及上述所列全部元素配比中仅在Nb、 W、N、RE中至少有一种含量不为零的化学成份技术特征。

一种超高韧高强度耐磨耐冲击的合金铸钢锤头的制造工艺，具体实施过程如下：按照本发明钢成份，采用5吨电弧炉冶炼了四炉本发明钢，出钢温度分别为：1530℃、1550℃、1580℃、1560℃；浇铸温度依次对应为： 1470℃、1490℃、1500℃、1525℃；锤头铸钢毛坯开箱温度对应为：270℃、 290℃、260℃、300℃经带温切割浇冒口并进行打磨，每炉铸钢毛坯分别为： 640℃、670℃、650℃、690℃进行了退火，其保温时间t＝10小时，随炉冷到150℃之后，出炉空冷。

实施本发明钢四炉的化学成份(％)

实施四炉本发明铸钢生产过程的工艺温度和检测性能[单位：摄氏度(T℃)]

对四炉四批需加工的锤头铸坯，分别按用户图纸要求仅加工内孔Ф 100和Ф140+0.4及两平面；后分别专炉加热温度，分别对应为1080℃、 1100℃、1160℃、1060℃；保温时间：分别为：8小时、10小时、12小时、 11小时，后速急入水均冷。出水后逐件100％超探做标、过磅称并逐一标写；同时对同炉试件逐一进行了性能检测和金相分析，检测单位主要有：中船总公司武汉金属材料试验检测中心、武汉钢铁设计研究院试验检测中心等；产品使用效果各用户很满意。

有关检测情况请见其他证明文件。

Claims

1.一种高强度耐耐损耐冲击的合金铸钢，其特征在于：由以下元素重量百分比构成：碳：0.8-1.25；硅：0.3-0.8；锰：11.5-14.5；合金元素铬：1.6-2.8；钼：0.3-0.85；钨：0.25-0.5；钒：0.15-0.45；铌：0.05-0.3；氮：≤0.15；稀土元素：≤0.16；磷：<0.02；硫:≤0.02；铁：78.2-84.7；以及上述所列全部元素配比中仅在铌、钨、氮、稀土元素中至少有一种含量不为零的化学成份。

2.一种实现权利要求1的高强度耐磨耐冲击的合金铸钢锤头的制造工艺，它包括下列步骤：

(1)毛坯的浇铸，出钢温度为1530℃-1580℃，浇铸温度为1470℃-1530℃，铸件开箱清砂温度在260℃-300℃，切割浇冒口温度为220℃-280℃；

(2)对铸件缺陷的处理，经带温230℃-310℃打磨清除后，采用A107焊条进行补焊，焊缝应连续、平整、光洁；

(3)退火处理，将清整后的毛坯进炉加热至640℃-690℃，保温8-12小时随炉冷却；

(4)机械加工，用YW1或YW2刀具，采用每秒小于2.5米的低速车或铣方式加工；

(5)水韧处理，将加工好的铸钢件半成品加热至630℃-670℃，保温3-4小时，然后将炉温续升至850℃-890℃并保温2-4小时，再加热到1060℃-1160℃保温6-12小时，出炉将铸钢件置于净水量为铸钢重量12-15倍的水池进行连续均匀地冷却处理。