CN113549848A - 一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法 - Google Patents

一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法，包括制备高锰钢板锤本体，采用硬质纤维编织成纤维网，取一层纤维网置于模具底部，在纤维网上喷射高锰钢液，待高锰钢液完全覆盖住纤维网，布入第二层纤维网，向第二层纤维网上喷射高锰钢液，重复以上步骤，直到填满板锤打击部模具，然后冷却、脱模，获得复合预制体A和复合预制体B，对复合预制体A和复合预制体B进行热处理，获得板锤打击部；将两个板锤打击部分别焊接在板锤本体的两侧，即获得高锰钢基耐磨板锤。本发明利用高温扩散使得钢基体与低碳钢过渡层实现冶金结合，利用原位反应提高了硬质颗粒/金属基体微观界面的结合强度，使制备的板锤具有优异的强韧性和良好的耐磨性。

Description

一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法
技术领域
本发明属于钢质板锤制备方法技术领域，涉及一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法。
背景技术
反击式破碎机以其破碎比大、构造简单、维修简便、经济实用等优良特点，已广泛应用在矿山、冶炼、建材、公路、铁路、水利和化工等行业。反击式破碎机利用反击破碎原理，其破碎结构是带有板锤的转子，工作时，转子旋转带动板锤以较高速度撞击物料，反复的撞击使大物料破碎，尺寸减小，物料达到所需粒度后会沿着板锤和反击板之间的间隔自上而下地排出设备。因此可见，板锤的机械性能决定了反击式破碎机的工作效率，板锤的主要失效形式是冲击破坏和磨损，因此，制备出高冲击韧性和高耐磨性的板锤不仅使反击式破碎机的工作效率和使用寿命得到了很大的提高，同时降低了劳动成本。
目前，板锤普遍采用高锰钢、高铬铸铁等材料制备。其中，铸造高锰钢在破碎机板锤的应用中较多。铸态高锰钢经过水韧处理后其显微组织为单相奥氏体组织，因此获得很好的冲击韧性和很强的加工硬化，大大提高板锤的表面硬度和耐磨性。但是当高锰钢板锤在破碎在实际工作中物理冲击力不够或接触应力小，则不能使表面迅速产生加工硬化，因而不能很好地抵抗物料的刺入与划沟引起的犁削式磨损，导致板锤磨损严重。高铬铸铁拥有很高的淬透性、淬硬性和耐磨性，并且还有不错的抗氧化和抗热疲劳性。高铬铸铁中含有较多的M7C3碳化物可以提高板锤的硬度，耐磨性。但是，由于组织中的碳化物是脆性相，作为板锤材料时容易发生断裂，只能用于冲击力较小的工况条件。为了克服上述问题现有的方案往往需要采用镶铸、复合浇铸等工艺进行板锤的制备。
针对上述问题，谢志勇发明了一种反击式破碎机板锤及其制造方法(申请号：201510600674.X)，板锤以合金钢为材质，在板锤用于打击物料的磨损工作部位内间隔排列有表面镀镍陶瓷棒，制作时，首先采用消失模铸造工艺制作镶有陶瓷棒的板锤铸件，然后再对板锤铸件进行淬火、回火，获得的板锤具有较高综合耐磨性能，使用寿命为高铬铸铁(Cr26MoNiCu)板锤的2～3倍。但这种镶铸陶瓷棒的复合板锤成本很高，且陶瓷棒很容易碎化脱落。王娟、郑开宏发明了一种复合材料板锤的制备方法(申请号：201510081524.2)，采用石英砂，并加入水玻璃作为粘结剂，通过二氧化碳硬化制成板锤铸型；采用合箱立浇，铸件凝固冷却后经处理，获得两个工作区域均为陶瓷颗粒增强高铬铸铁和安装区域为低碳低合金钢的复合材料板锤。这一制备方法中，高铬铸铁液与低碳低合金钢液的界面结合强度低，影响了板锤使用的安全性。
发明内容
本发明的目的是提供一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法，解决了现有方法制备的板锤中增强体与金属基体界面结合强度较低的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备高锰钢板锤本体；
步骤2，采用硬质纤维编织成纤维网，取一层纤维网置于板锤打击部模具底部，在纤维网上喷射高锰钢液，待高锰钢液完全覆盖住纤维网，固化后，在板锤打击部模具内布入第二层纤维网，向第二层纤维网上喷射高锰钢液，重复以上步骤，直到填满板锤打击部模具，然后冷却、脱模，获得纤维网与高锰钢基体形成的复合预制体A；
步骤3，重复步骤2，制的纤维网与高锰钢基体形成的复合预制体B；
步骤4，将复合预制体A和复合预制体B加热至1050～1100℃，然后进行淬火处理，获得两个双尺度碳化物硬质纤维增强高锰钢基耐磨板锤打击部；
步骤5，将两个双尺度碳化物硬质纤维增强高锰钢基耐磨板锤打击部分别焊接在板锤本体的两侧，即获得高锰钢基耐磨板锤。
其中，硬质纤维的制备包括以下步骤：
步骤2.1，按照质量百分比分别称取以下组分材料：高纯金属粉30～40％，石墨粉1.0～12％，余量为铁粉，以上各组分的质量百分比之和为100％；高纯金属粉为Ti、Ta、Nb、W、V或Cr粉；
步骤2.2，将步骤2.1称取的各组分材料混合均匀，然后烘干；
步骤2.3，使用成形机将低碳钢带轧制成U型钢带，即使低碳钢带纵截面为U型，将步骤2.2烘干的粉末置于低碳钢带上，然后将U型钢带轧制成O型，将粉末包裹其中，再用减径轧辊将内部填充有金属粉末的O型低碳钢带轧细，最后使用拔丝机进行拉拔后制得硬质纤维。
步骤2.3中，使用成形机将宽为4.5mm-5.5mm，厚度为0.07mm-0.09mm的低碳钢带轧制成U型钢带。
步骤2.3中，用减径轧辊将内部填充有金属粉末的O型低碳钢带轧细至直径为0.8mm-1.2mm，使粉末均匀密实地分布在低碳钢带内，最后使用拔丝机将其拉拔到直径为200μm～500μm。
采用砂型铸造法制备所述高锰钢板锤本体。
步骤2中，在纤维网上喷射的高锰钢液组分与高锰钢板锤本体组分相同。
步骤2中，在纤维网上喷射高锰钢液，喷射温度为1500℃-1600℃，喷射时间为40s-50s。
按照板锤两端打击部的尺寸将硬质纤维编织成片状纤维网，所述纤维网中相邻硬质纤维的间距为200μm-800μm。
步骤4中，利用气氛保护热处理炉将复合预制体A和复合预制体B加热至1050～1100℃，保温5h～8h，再进行淬火处理。
本发明的有益效果是，通过对复合预制体A和复合预制体B进行1050～1100℃加热，能使低碳钢带内原料粉末进一步熔融，并利用过渡金属元素Ti、Ta、Nb、W、V或Cr与C扩散，原位生成硬质相颗粒，同时，利用高温扩散使得钢基体与低碳钢过渡层实现冶金结合，改善了宏观界面性能；与传统的板锤相比，本发明利用硬质纤维内不同立体形态高体积分数的碳化物提高强度，利用硬质纤维诱发裂纹偏转，裂纹诱发位错形核减缓裂纹的萌生与扩展，并且借助硬质纤维和基体之间的过渡层改善宏观界面性能，利用原位反应原理提高了硬质颗粒/金属基体微观界面的结合强度，使制备的板锤具有优异的强韧性和良好的耐磨性。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的高锰钢基耐磨板锤的立体示意图；
图2是本发明实施例1制备的高锰钢基耐磨板锤的侧面结构示意图；
图3是本发明实施例1制备的高锰钢基耐磨板锤中板锤打击部内部结构示意图。
图中，1.板锤本体，2.板锤打击部，3.高锰钢基体，4.纤维网。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
制备一种高锰钢基耐磨板锤，包括以下步骤：
步骤1，采用砂型铸造法制备高锰钢板锤本体，包括砂型制作、金属熔炼、浇注、清理；
步骤2，制备复合预制体A
步骤2.1，按照质量百分比分别称取以下组分材料：高纯钛粉35％，石墨粉8.5％，铁粉56.5，以上各组分的质量百分比之和为100％；高纯钛粉、石墨粉和铁粉的粒度均为60目；
步骤2.2，采用V型混料机将步骤2.1称取的各组分材料混合12h，使其均匀后烘干；
步骤2.3，使用成形机将宽为5mm，厚度为0.08mm的低碳钢带轧制成U型钢带，即使低碳钢带纵截面为U型，将步骤3.2烘干的粉末置于低碳钢带上，然后将U型钢带轧制成O型，将粉末包裹其中，再用减径轧辊将内部填充有金属粉末的O型低碳钢带轧细至直径为1.0mm，使粉末均匀密实地分布在低碳钢带内，最后使用拔丝机进行拉拔，将其拉拔到直径为200μm，即制得硬质纤维；
步骤2.4，按照板锤两端打击部的尺寸将硬质纤维编织成片状纤维网，纤维网中相邻硬质纤维的间距为450μm，取一层纤维网置于板锤打击部模具底部，在纤维网上喷射与高锰钢板锤本体组分相同的高锰钢液，喷射温度为1550℃，喷射时间为45s，待高锰钢液完全覆盖住纤维网，固化后，在板锤打击部模具内布入第二层纤维网，向第二层纤维网上喷射高锰钢液，重复以上步骤，直到填满板锤打击部模具，然后冷却、脱模，获得纤维网与高锰钢基体形成的复合预制体A；
步骤3，重复步骤2，制的纤维网与高锰钢基体形成的复合预制体B；
步骤4，利用气氛保护热处理炉将复合预制体A和复合预制体B加热至1100℃，保温6h，然后进行淬火处理，并自然冷却至室温，获得两个双尺度碳化物硬质纤维增强高锰钢基耐磨板锤打击部；
步骤5，将两个双尺度碳化物硬质纤维增强高锰钢基耐磨板锤打击部分别焊接在板锤本体的两侧，即获得高锰钢基耐磨板锤，其立体图如图1所示，侧面示意图如2所示，中间为板锤本体1，两侧为板锤打击部2，板锤打击部的内部结构如图3所示，包括高锰钢基体3和层状分布的纤维网4。
对本实施例制得的高锰钢基耐磨板锤进行性能检测，其硬度为55.2HRC，冲击韧性为155J/cm2，该实施例制备的高锰钢基耐磨板锤比普通高锰钢制备的板锤的耐磨性提高了7倍。
实施例2
制备一种高锰钢基耐磨板锤，包括以下步骤：
步骤1，采用砂型铸造法制备高锰钢板锤本体，包括砂型制作、金属熔炼、浇注、清理；
步骤2，制备复合预制体A
步骤2.1，按照质量百分比分别称取以下组分材料：高纯钨粉30％，石墨粉2％，铁粉68％，以上各组分的质量百分比之和为100％；
步骤2.2，采用V型混料机将步骤2.1称取的各组分材料混合13h，使其均匀后烘干；
步骤2.3，使用成形机将宽为4.5mm，厚度为0.09mm的低碳钢带轧制成U型钢带，即使低碳钢带纵截面为U型，将步骤3.2烘干的粉末置于低碳钢带上，然后将U型钢带轧制成O型，将粉末包裹其中，再用减径轧辊将内部填充有金属粉末的O型低碳钢带轧细至直径为0.8mm，使粉末均匀密实地分布在低碳钢带内，最后使用拔丝机进行拉拔，将其拉拔到直径为300μm，即制得硬质纤维；
步骤2.4，按照板锤两端打击部的尺寸将硬质纤维编织成片状纤维网，纤维网中相邻硬质纤维的间距为500μm，取一层纤维网置于板锤打击部模具底部，在纤维网上喷射与高锰钢板锤本体组分相同的高锰钢液，喷射温度为1500℃，喷射时间为48s，待高锰钢液完全覆盖住纤维网，固化后，在板锤打击部模具内布入第二层纤维网，向第二层纤维网上喷射高锰钢液，重复以上步骤，直到填满板锤打击部模具，然后冷却、脱模，获得纤维网与高锰钢基体形成的复合预制体A；
步骤3，重复步骤2，制的纤维网与高锰钢基体形成的复合预制体B；
步骤4，利用气氛保护热处理炉将复合预制体A和复合预制体B加热至1080℃，保温5h，然后进行淬火处理，并自然冷却至室温，获得两个双尺度碳化物硬质纤维增强高锰钢基耐磨板锤打击部；
步骤5，将两个双尺度碳化物硬质纤维增强高锰钢基耐磨板锤打击部分别焊接在板锤本体的两侧，即获得高锰钢基耐磨板锤。
对本实施例制得的高锰钢基耐磨板锤进行性能检测，其硬度为56.3HRC，冲击韧性为145J/cm2，该实施例制备的高锰钢基耐磨板锤比普通高锰钢制备的板锤的耐磨性提高了8倍。
实施例3
制备一种高锰钢基耐磨板锤，包括以下步骤：
步骤1，采用砂型铸造法制备高锰钢板锤本体，包括砂型制作、金属熔炼、浇注、清理；
步骤2，制备复合预制体A
步骤2.1，按照质量百分比分别称取以下组分材料：高纯铌粉40％，石墨粉5％，铁粉55％，以上各组分的质量百分比之和为100％；
步骤2.2，采用V型混料机将步骤2.1称取的各组分材料混合12.5h，使其均匀后烘干；
步骤2.3，使用成形机将宽为5.5mm，厚度为0.07mm的低碳钢带轧制成U型钢带，即使低碳钢带纵截面为U型，将步骤3.2烘干的粉末置于低碳钢带上，然后将U型钢带轧制成O型，将粉末包裹其中，再用减径轧辊将内部填充有金属粉末的O型低碳钢带轧细至直径为1.2mm，使粉末均匀密实地分布在低碳钢带内，最后使用拔丝机进行拉拔，将其拉拔到直径为250μm，即制得硬质纤维；
步骤2.4，按照板锤两端打击部的尺寸将硬质纤维编织成片状纤维网，纤维网中相邻硬质纤维的间距为400μm，取一层纤维网置于板锤打击部模具底部，在纤维网上喷射与高锰钢板锤本体组分相同的高锰钢液，喷射温度为1600℃，喷射时间为50s，待高锰钢液完全覆盖住纤维网，固化后，在板锤打击部模具内布入第二层纤维网，向第二层纤维网上喷射高锰钢液，重复以上步骤，直到填满板锤打击部模具，然后冷却、脱模，获得纤维网与高锰钢基体形成的复合预制体A；
步骤3，重复步骤2，制的纤维网与高锰钢基体形成的复合预制体B；
步骤4，利用气氛保护热处理炉将复合预制体A和复合预制体B加热至1100℃，保温8h，然后进行淬火处理，并自然冷却至室温，获得两个双尺度碳化物硬质纤维增强高锰钢基耐磨板锤打击部；
步骤5，将两个双尺度碳化物硬质纤维增强高锰钢基耐磨板锤打击部分别焊接在板锤本体的两侧，即获得高锰钢基耐磨板锤。
本实施例制得的高锰钢基耐磨板锤进行性能检测，其硬度为54.8HRC，冲击韧性为156J/cm2，该实施例制备的高锰钢基耐磨板锤比普通高锰钢制备的板锤的耐磨性提高了6倍。

Claims (9)

1.一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制备高锰钢板锤本体；
步骤2，采用硬质纤维编织成纤维网，取一层纤维网置于板锤打击部模具底部，在纤维网上喷射高锰钢液，待高锰钢液完全覆盖住纤维网，固化后，在板锤打击部模具内布入第二层纤维网，向第二层纤维网上喷射高锰钢液，重复以上步骤，直到填满板锤打击部模具，然后冷却、脱模，获得纤维网与高锰钢基体形成的复合预制体A；
步骤3，重复步骤2，制的纤维网与高锰钢基体形成的复合预制体B；
步骤4，将复合预制体A和复合预制体B加热至1050～1100℃，然后进行淬火处理，获得两个双尺度碳化物硬质纤维增强高锰钢基耐磨板锤打击部；
步骤5，将两个双尺度碳化物硬质纤维增强高锰钢基耐磨板锤打击部分别焊接在板锤本体的两侧，即获得高锰钢基耐磨板锤。
2.根据权利要求1所述的一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法，其特征在于，所述硬质纤维的制备包括以下步骤：
步骤2.1，按照质量百分比分别称取以下组分材料：高纯金属粉30～40％，石墨粉1.0～12％，余量为铁粉，以上各组分的质量百分比之和为100％；高纯金属粉为Ti、Ta、Nb、W、V或Cr粉；
步骤2.2，将步骤2.1称取的各组分材料混合均匀，然后烘干；
步骤2.3，使用成形机将低碳钢带轧制成U型钢带，即使低碳钢带纵截面为U型，将步骤2.2烘干的粉末置于低碳钢带上，然后将U型钢带轧制成O型，将粉末包裹其中，再用减径轧辊将内部填充有金属粉末的O型低碳钢带轧细，最后使用拔丝机进行拉拔后制得硬质纤维。
3.根据权利要求2所述的一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法，其特征在于，所述步骤2.3中，使用成形机将宽为4.5mm-5.5mm，厚度为0.07mm-0.09mm的低碳钢带轧制成U型钢带。
4.根据权利要求3所述的一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法，其特征在于，所述步骤2.3中，用减径轧辊将内部填充有金属粉末的O型低碳钢带轧细至直径为0.8mm-1.2mm，使粉末均匀密实地分布在低碳钢带内，最后使用拔丝机将其拉拔到直径为200μm～500μm。
5.根据权利要求1所述的一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法，其特征在于，采用砂型铸造法制备所述高锰钢板锤本体。
6.根据权利要求5所述的一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，在纤维网上喷射的高锰钢液组分与高锰钢板锤本体组分相同。
7.根据权利要求1所述的一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，在纤维网上喷射高锰钢液，喷射温度为1500℃-1600℃，喷射时间为40s-50s。
8.根据权利要求1所述的一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法，其特征在于，按照板锤两端打击部的尺寸将硬质纤维编织成片状纤维网，所述纤维网中相邻硬质纤维的间距为200μm-800μm。
9.根据权利要求1所述的一种高锰钢基耐磨板锤的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，利用气氛保护热处理炉将复合预制体A和复合预制体B加热至1050～1100℃，保温5h～8h，再进行淬火处理。
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