專利名稱：一種耐磨錘頭及其制造工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種錘式破碎機的錘頭的化學成分及其制造工藝，特別是大型錘式破碎機的錘頭的化學成分及其制造工藝，尤其是用來粉碎報廢汽車的大型錘式破碎機的錘頭的化學成分及其制造工藝。
背景技術：
錘式破碎機破碎物料時，主要是利用高速旋轉的錘頭與高處落下的物料撞擊，將物料破碎，錘頭是錘式破碎機的關鍵部件，也是易磨損件，錘頭工作時高速旋轉打擊物料，不僅受到了很高的沖擊載荷，而且還受到嚴重的鑿削式磨料磨損，因此要求制備錘頭的材料不僅應具備足夠的抗沖擊的能力，而且還必須具有優良的耐磨性。傳統的錘頭材質為高錳鋼，用它制成的錘頭經水韌處理，使用前表面的布氏硬度在HB200～250，工作后錘頭工作面的布氏硬度在HB260～420之間波動，說明高錳鋼錘頭在工作過程中沒有發生充分的加工硬化現象，材料的抗磨潛力沒有發揮出來，因而磨損較快，使用高錳鋼制作的錘頭其韌性有余而硬度偏低，耐磨性差；也有使用高鉻鑄鐵制作錘頭的實驗研究，其硬度高，但韌性低，在實際生產中很少使用。
目前在歐美等工業發達國家采用大型錘式破碎機來粉碎報廢的汽車，其錘頭單個重量為200～500公斤，是一般錘頭3～20倍，其厚度大于120mm，屬厚大斷面的耐磨件，其凝固的冷卻速度慢，易形成粗大的一次結晶組織，熱處理過程中表面和心部的溫差大，體積膨脹或收縮量大，易產生較大的熱應力和相變應力，采用高錳鋼制備這樣大型錘頭時存在兩方面的問題，一方面其使用的耐磨性差，另一方面大型錘頭工作時其安裝孔位置受到較大的拉應力，超過高錳鋼的屈服強度，將會發生塑性流變，安裝孔的尺寸發生變化，漸漸地由圓形變成橢圓形。
目前國內沒有采用低合金鋼制備這樣大型錘頭的實例，在我國大部分錘頭仍采用高錳鋼制造，而且錘頭尺寸小重量輕，單體重量近幾公斤或十幾公斤，曾有采用低合金制備小型錘頭的研制報道，存在成分設計不合理和生產工藝不穩定，沒有推廣應用。

發明內容
本項發明的目的在于提供一種硬度明顯高于加工硬化的高錳鋼的硬度，具有優良的耐磨性和沖擊韌性，滿足錘式破碎機錘頭的使用要求的生產成本低的耐磨錘頭及其制造工藝。
本發明是采用以下的技術方案實現的一種耐磨錘頭，其特征在于該耐磨錘頭的化學組成成分及其重量百分數為碳C，0.20～0.35％；硅Si，0.17～0.37％；錳Mn，1.3～1.6％；鉻Cr，1.4～2.5％；鉬Mo，0.15～0.30％；鎳Ni，0.10～0.30％；銅Cu，0.0～1.20％；磷P＜0.035％；硫S＜0.035％；少量的稀土RE；余量為不可避免的雜質和鐵Fe。
生產上述一種耐磨錘頭所采用的制造工藝過程為合金熔煉→爐前變質處理→鑄造→淬火→回火。
所述的爐前變質處理采用爐前稀土硅鐵和釩鐵復合變質處理，即出鋼前將稀土硅鐵合金和釩鐵加入烘烤的鋼水包中，注入鋼水，稀土硅鐵合金和釩鐵以5∶1的比例作為復合變質劑加入，加入量為處理鋼水量的0.5～0.8％，變質處理后鋼水在包中鎮靜5～10分鐘。
所述的鑄造工藝采用砂型鑄造或實型鑄造方法成形，實型鑄造采用泡沫塑料制作模樣，用干砂造型，在負壓下澆注鋼液并凝固成形。
所述的鑄造工藝采用緩流半封閉式的澆注系統，并在澆注系統上設置旋轉集渣包和纖維過濾網2，加強澆注系統的擋渣作用。
所述的淬火熱處理工藝采用在高溫電阻爐加熱將低合金耐磨鋼錘頭奧氏體化并保溫一段時間后淬入的淬火介質7中，冷卻奧氏體化溫度為840～960℃，保溫時間3～8小時。
所述的淬火熱處理工藝采用的是局部淬火工藝，將錘頭5加熱充分奧氏體化后，將錘頭5的工作面淬入淬火介質7中，錘頭5安裝孔部分留在空氣中自然冷卻。
所述的淬火介質7為用400Be’的水玻璃、氫氧化鈉和水配置的硅酸鈉水溶液，配置比例為，30～45％的水玻璃，0～5％氫氧化鈉，其余為水，配置后得到的淬火介質7的比重為，1.12～1.30g/cm3。
所述回火工藝的回火溫度為150～460℃。
與已有的技術相比，本發明所述的耐磨錘頭具有優良的耐磨性和沖擊韌性，滿足錘式破碎機錘頭的使用要求，所述的制造工藝簡單易行，生產成本低。


圖1本發明所述的砂型鑄造平澆工藝主視2本發明所述的砂型鑄造平澆工藝俯視3本發明所述的砂型鑄造立澆工藝4本發明所述的耐磨錘頭淬火示意圖具體實施方式
為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步說明本發明。
1、耐磨錘頭的化學成分設計化學成分是決定合金性能的關鍵因素，制作大型低合金耐磨鋼錘頭首先必須進行合理的成分設計，必須保證具有足夠的淬透性，使厚大斷面的錘頭獲得最佳的組織狀態和滿意的使用壽命和安全性，并根據我國的資源條件選用經濟合算、成本較低的合金元素進行合金化，獲得最好的經濟效益。根據國內外有關資料和前期的實驗結果，選擇Cr、Mn為主要的合金元素，輔加少量的Ni、Mo和Cu。本發明所設計的耐磨錘頭的化學組成成分及其重量百分數為碳C，0.20～0.35％；硅Si，0.17～0.37％；錳Mn，1.3～1.6％；鉻Cr，1.4～2.5％；鉬Mo，0.15～0.30％；鎳Ni，0.10～0.30％；銅Cu，0.0～1.20％；磷P＜0.035％；硫S＜0.035％；少量的稀土RE；余量為不可避免的雜質和鐵Fe。
碳C碳是低合金耐磨鋼關鍵控制元素，碳在低合金鋼中以間隙固溶體的形態存在，不希望出現自由態碳。根據金屬學原理和熱處理，如果合金中含碳量過低，小于0.20％時獲得的馬氏體的硬度低于HRC48，合金中含碳量過高將會粗大的針狀馬氏體，將會顯著地降低合金的塑性和韌性，增加產生淬火裂紋的可能性，因此本發明確定含碳量控制在0.20～0.35％。
硅Si硅以代位固溶體的形成存在與合金中，硅可以提高合金的淬透性，但效果比Mn和Cr差，并且過多的硅固溶到金屬基體中會降低合金的塑性和韌性，增加產生淬火裂紋的幾率，因此本發明確定其含量為0.17～0.37％。
錳Mn錳是顯著提高合金淬透性的元素，來源廣泛，價格較低，因此在本發明中作為主要的合金元素之一，過高的錳在合金凝固過程中易產生偏析，造成合金組織的不均勻和性能的不均勻，因此，錳控制在1.3～1.6％。
鉻Cr鉻是顯著提高合金淬透性的元素，鉻對合金的淬硬能力比錳低，而鉻在合金凝固中偏析系數比錳小，分布更均勻，因此選擇鉻作為主要的合金元素之一，確定的范圍是1.4～2.5％。
鉬Mo鉬是顯著提高合金淬透性的元素，鉬還可以提高合金的高溫硬度，但鉬價格高，在保證獲得足夠的淬透性的條件下盡可能減少其用量，本發明選擇鉬的含量為0.15～0.30％。
鎳Ni鎳在鋼中不形成碳化物，可以提高合金的淬透性和抗氧化性，其提高淬透性的作用比錳、鉻、鉬低，而且鎳的價格高，在性能滿足要求的基礎上盡量減少鎳的用量，本發明確定鎳的含量為0.10～0.30％。
銅Cu銅在鋼中以固溶體形態存在，銅可以提高合金鋼的淬透性，銅與鉬聯合使用效果更好，銅的價格比鉬和鎳低，本發明中根據不同厚度的錘頭調整銅的加入量，銅的控制范圍為0.0～1.20％。
磷P和硫S磷和硫都是有害元素，應盡量降低他們在合金中的含量，控制其含量＜0.035％。
釩V釩是強碳化物形成元素，生成的碳化物的熔點高，在鋼水凝固前形成高熔點的碳化物，且其晶格常數與高溫鐵素體的晶格常數相近，可以作為低合金鋼凝固的內生晶核，可以細化晶粒，與稀土元素組成復合變質劑在出爐時加入鋼水包中。加入量為處理鋼水重量的0.01～0.15％。
稀土RE稀土有良好的脫氧、脫硫作用，可以顯著地凈化鋼液，細化低合金鋼的凝固組織，改變非金屬夾雜物的形狀和分布，明顯的提高鋼的塑性和韌性，本發明中稀土與釩組成復合變質劑，稀土的加入量為處理鋼水重量的0.2～0.5％。
合金設計時應考慮的一個重要因素是淬透性，按照Grossman方法進行淬透性的理論計算根據合金的含碳量和合金元素的含量，計算出理想臨界尺寸DI，再根據淬火介質的冷卻強度H，換算出實際臨界尺寸D，表示在這種條件下淬火，直徑為D的棒材的中心可以獲得50％的馬氏體。按照上述設計的化學成分范圍，取中間值，計算各種元素的硬化因子，如表1所示表1 低合金鋼的成分范圍和各合金元素的硬化因子

*在計算C的硬化因子時，取晶粒度為No.6根據表1中的數據得出理想臨界尺寸DIDI＝0.252×1.28×3.8×5.3×1.9×1.1×1.1＝14.94英寸≈15英寸。
在攪拌條件下，取水玻璃的冷卻強度H為0.5，水為1.0～1.1，油為0.3～0.35，查出實際臨界尺寸為D≈13.3英寸≈337毫米。
在攪拌條件下，空氣中冷卻，其冷卻強度H為0.05，查出實際臨界尺寸為D≈5.8英寸≈146毫米即上述成分在水玻璃的冷卻條件下，直徑為337毫米的圓棒的心部可以獲得50％馬氏體，在強烈攪拌空氣中冷卻，直徑為146毫米的圓棒的心部可以獲得50％馬氏體。說明設計的合金具有很好的淬透性。
2、生產工藝生產本發明所述耐磨錘頭所采用的制造工藝過程為合金熔煉→爐前變質處理→鑄造→淬火→回火。
第一步合金熔煉。可以采用感應電爐或電弧爐熔煉，熔煉合金的原材料有廢鋼、生鐵、低碳鉻鐵、錳鐵或金屬錳、鉬鐵、電解鎳、電解銅或廢紫銅、釩鐵粉和稀土合金；采用堿性爐襯，熔煉時先加入廢鋼和生鐵，再加入鉻鐵、錳鐵、鉬鐵、電解鎳和電解銅或廢紫銅，待熔清后取樣，化驗C、Mn、Cr的含量；并根據化驗結果補加合金，提升溫度，加入比例為3∶1的石灰和螢石造新渣，當鋼液的成分和溫度達到要求的范圍出爐，扒渣插鋁脫氧，插鋁量為鋼水重量的0.1％。
第二步爐前變質處理。變質處理的目的是細化晶粒和凈化合金，變質處理采用稀土硅鐵合金和釩鐵以5∶1的比例作為復合變質劑，采用鐵水包中變質處理的方法，出爐前將澆包烘烤，澆包溫度達到700～900℃；將復合變質劑加入包底，加入量為處理鐵水量的0.5～0.8％；第三步鑄造。可以采用兩種鑄造方法成形砂型鑄造和實型鑄造。
a)砂型鑄造樹脂砂型、水玻璃砂或粘土砂造型，用平澆的方法，即錘頭5的大平面平行于水平面，采用緩流半封閉式的澆注系統，直澆道1、橫澆道6和內澆道3組元的橫截面積的比例為A直∶A橫∶A內＝1.1～1.3∶1.5～1.7∶1.0，其中A直、A橫和A內分別是直澆道1、橫澆道6和內澆道3的截面積，在橫澆道6上安放耐火纖維過濾網2，橫澆道6分為兩部分，分別設置在上下箱，兩者有一搭接面，在該搭接面處放置過濾網2，搭接面面積為橫澆道6截面積的3～5倍，加強橫澆道6的擋渣能力，冒口4安放在錘身大平面部位，冒口4模數為鑄件模數的1.5～2.0；b)實型鑄造采用泡沫塑料制作模樣，用干砂造型，在負壓下澆注鋼液并凝固成形，以保證足夠高的尺寸精度和較低的表面粗糙度，采用立澆的方法，即錘頭5的大平面垂直于水平面，冒口4安放在錘身頂面部位，冒口4模數為鑄件模數的1.3～1.8，采用階梯式內澆口，鋼水從下內澆口引入鑄件型腔，充滿鑄件型腔后再由另一個內澆口引入冒口，獲得較好的補縮溫度場。
第四步淬火。將鑄造成形的錘頭5置于箱式電阻爐中加熱，緩慢升溫，升溫速度為10～30℃/小時；升溫至650℃時保溫1小時；然后快速升溫，升溫速度為100～300℃/小時，升溫至奧氏體化溫度840～960℃時保溫3～8小時后出爐淬火，淬火采用用400Be’的水玻璃、氫氧化鈉和水配置的硅酸鈉水溶液作為淬火介質7，配置比例為30～45％的水玻璃，0～5％氫氧化鈉，其余為水，配置的淬火介質7的比重為1.12～1.30g/cm3，其冷卻強度介于水和油之間。
采用兩種淬火方法，整體淬火和局部淬火。
a)整體淬火將整個錘頭5浸入淬火介質7中。
b)局部淬火將錘身部位浸入淬火介質7中，安裝孔部位留在空中空冷，以防止該處冷卻速度過快而出現淬火裂紋和組織中出現過多的馬氏體而硬度偏高。
第五步回火。耐磨錘頭淬火后0～8小時內進行回火處理，采用電阻爐加熱，升溫速度為10～30/小時，回火溫度為150～460℃，在該溫度下保溫6～8小時后，出爐空冷。
實施例1成品錘頭厚度120mm，單個重量200kg，成品錘頭的成分為C0.30％；Si0.27％；Mn1.37％；Cr2.50％；Mo0.18％；Ni0.12％；Cu0.88％；P0.022％；S0.012％，V和RE未測。采用750公斤中頻感應電爐熔煉，將廢鋼、生鐵、低碳鉻鐵、金屬錳、鉬鐵、電解鎳、廢紫銅加入感應電爐中熔化調整成分，升溫，出爐澆注，在鋼水包中進行變質處理，加入稀土硅鐵與釩鐵粉組成的復合變質劑，為處理鋼水的0.8％。采用實型鑄造，立澆方法，冒口模數55，錘頭的模數為37.9。淬火工藝，奧氏體化溫度920℃，保溫5小時，整體淬火，淬火介質為硅酸鈉水溶液，其比重為1.28，回火溫度為160℃，保溫6小時。用鉬絲線切割方法，從錘頭邊部和中心截取試樣測其性能如下邊部沖擊韌性55J/cm2，硬度HRC55.0，56.1，55.8；中心沖擊韌性51J/cm2，硬度HRC57.3，56.4，58.6，邊緣和中心的組織都是馬氏體與貝氏體的混合組織。
實施例2成品錘頭厚度120mm，單個重量200kg，成品錘頭的成分為C0.25％；Si0.25％；Mn1.60％；Cr1.83％；Mo0.25％；Ni0.26％；Cu1.16％；P0.014％；S0.009％，V和RE未測。采用750公斤中頻感應電爐熔煉，將廢鋼、生鐵、低碳鉻鐵、金屬錳、鉬鐵、電解鎳、廢紫銅加入感應電爐中熔化調整成分，升溫，出爐澆注，在鋼水包中進行變質處理，加入稀土硅鐵與釩鐵粉組成的復合變質劑，為處理鋼水的0.5％。采用樹脂砂型鑄造，平澆方法，冒口模數60，錘頭的模數為37.9。淬火工藝，奧氏體化溫度960℃，保溫5小時，整體淬火，淬火介質為硅酸鈉水溶液，其比重為1.16，回火溫度為420℃，保溫6小時。用鉬絲線切割方法，從錘頭邊部和中心截取試樣測其性能如下邊部沖擊韌性85J/cm2，硬度HRC49.3，50.5，48.6；中心沖擊韌性73J/cm2，硬度HRC50.2，51.2，49.7，邊緣和中心的組織都是馬氏體與貝氏體的混合組織。
實施例3成品錘頭厚度120mm，單個重量200kg，成品錘頭的成分為C0.35％；Si0.35％；Mn1.43％；Cr2.42％；Mo0.29％；Ni0.12％；Cu0.94％；P0.022％；S0.012％，V和RE未測。采用750公斤中頻感應電爐熔煉，將廢鋼、生鐵、低碳鉻鐵、金屬錳、鉬鐵、電解鎳、廢紫銅加入感應電爐中熔化調整成分，升溫，出爐澆注，在鋼水包中進行變質處理，加入稀土硅鐵與釩鐵粉組成的復合變質劑，為處理鋼水的0.8％。采用實型鑄造，立澆方法，冒口模數55，錘頭的模數為37.9。淬火工藝，奧氏體化溫度940℃，保溫5小時，局部淬火，將錘身部位浸入淬火液中，安裝孔部位留在空中空冷，淬火介質為硅酸鈉水溶液，其比重為1.12，回火溫度為320℃，保溫6小時。用鉬絲線切割方法，從錘頭錘身的邊部和中心截取試樣，測其性能如下邊部沖擊韌性63J/cm2，硬度HRC53.7，52.5，53.8；中心沖擊韌性58J/cm2，硬度HRC54.4，53.9，54.1，邊緣和中心的組織都是馬氏體與貝氏體的混合組織，從錘頭安裝孔位置截取試樣，測量其性能如下沖擊韌性55J/cm2，硬度HRC52.1，51.9，51.3，金相組織為馬氏體和貝氏體混合組織。
權利要求
1.一種耐磨錘頭，其特征在于該耐磨錘頭的化學組成成分及其重量百分數為碳C，0.20～0.35％；硅Si，0.17～0.37％；錳Mn，1.3～1.6％；鉻Cr，1.4～2.5％；鉬Mo，0.15～0.30％；鎳Ni，0.10～0.30％；銅Cu，0.0～1.20％；磷P＜0.035％；硫S＜0.035％；少量的稀土RE；余量為不可避免的雜質和鐵Fe。
2.如權利要求1所述的耐磨錘頭的制造工藝，其特征在于制造所述的耐磨錘頭所采用的工藝過程為，合金熔煉→爐前變質處理→鑄造→淬火→回火。
3.如權利要求2所述的耐磨錘頭的制造工藝，其特征在于所述的爐前變質處理采用爐前稀土硅鐵和釩鐵復合變質處理，即出鋼前將稀土硅鐵合金和釩鐵加入烘烤的鋼水包中，注入鋼水，稀土硅鐵合金和釩鐵以5∶1的比例作為復合變質劑加入，加入量為處理鋼水量的0.5～0.8％，變質處理后鋼水在包中鎮靜5～10分鐘。
4.如權利要求2所述的耐磨錘頭的制造工藝，其特征在于所述的鑄造工藝采用砂型鑄造或實型鑄造方法成形，實型鑄造采用泡沫塑料制作模樣，用干砂造型，在負壓下澆注鋼液并凝固成形。
5.如權利要求4所述的耐磨錘頭的制造工藝，其特征在于所述的鑄造工藝采用緩流半封閉式的澆注系統，并在澆注系統上設置旋轉集渣包和纖維過濾網(2)，加強澆注系統的擋渣作用。
6.如權利要求2所述的耐磨錘頭的制造工藝，其特征在于所述的淬火熱處理工藝采用在高溫電阻爐加熱將低合金耐磨鋼錘頭奧氏體化并保溫一段時間后淬入的淬火介質(7)中，冷卻奧氏體化溫度為840～960℃，保溫時間3～8小時。
7.如權利要求2或6所述的耐磨錘頭的制造工藝，其特征在于所述的淬火熱處理工藝采用的是局部淬火工藝，將錘頭(5)加熱充分奧氏體化后，將錘頭(5)的工作面淬入淬火介質(7)中，錘頭(5)安裝孔部分留在空氣中自然冷卻。
8.如權利要求7所述的耐磨錘頭的制造工藝，其特征在于所述的淬火介質(7)為用400Be’的水玻璃、氫氧化鈉和水配置的硅酸鈉水溶液，配置比例為，30～45％的水玻璃，0～5％氫氧化鈉，其余為水，配置后得到的淬火介質(7)的比重為，1.12～1.30g/cm3。
9.如權利要求2所述的耐磨錘頭的制造工藝，其特征在于所述的回火工藝的回火溫度為150～460℃。
全文摘要
一種耐磨錘頭及其制造工藝涉及大型錘式破碎機的錘頭的化學成分及其制造工藝，其化學組成成分及重量百分數為碳C，0.20～0.35％；硅Si，0.17～0.37％；錳Mn，1.3～1.6％；鉻Cr，1.4～2.5％；鉬Mo，0.15～0.30％；鎳Ni，0.10～0.30％；銅Cu，0.0～1.20％；磷P＜0.035％；硫S＜0.035％；少量的稀土RE；余量為不可避免的雜質和鐵Fe，生產本發明所述的耐磨錘頭所采用的制造工藝過程為合金熔煉→爐前變質處理→鑄造→淬火→回火，本發明所述的耐磨錘頭具有優良的耐磨性和沖擊韌性，滿足錘式破碎機錘頭的使用要求，所述的制造工藝簡單易行，生產成本低等優點。
文檔編號C22C38/44GK1676652SQ20051002065
公開日2005年10月5日 申請日期2005年4月1日 優先權日2005年4月1日
發明者何樹云, 趙愛民, 劉東遠, 李具倉, 王麗娜, 謝毓來 申請人:攀枝花市白云鑄造有限責任公司