雙金屬復合高韌性高硼耐磨鋼錘頭及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及耐磨金屬材料領域，尤其涉及一種雙金屬復合高韌性高硼耐磨鋼錘頭及其制備方法。
【背景技術】
[0002]錘式破碎機是建材、水泥、陶瓷、冶金、礦山、電力、耐火材料和化肥等行業(yè)廣泛使用的破碎機械設備，而錘頭是其用于破碎物料的主要部件和大宗易磨損件，消耗量很大。錘頭的工作表面與物料接觸，產(chǎn)生高應力磨損。由于被破碎物料一般是巖石、金屬礦石等堅硬物體，零件的磨損是比較嚴重的。通過對錘頭表面微觀形貌分析，錘頭的磨損過程屬于變形和沖蝕磨損綜合作用的結果。這是由于錘頭表面的高速運轉，錘頭的運動慣性對物料進行打擊和擠壓破碎。在相對運動的過程中，這些物料與零件表面相互作用，不只是滑動，還有沖擊、滾動、沖刷等方式。當磨料硬度超過材料硬度，磨料的棱角將刺入材料表面使材料發(fā)生塑性流動而擠壓到凹坑的四周，材料變形到一定程度，磨料粒被壓碎。多個顆粒與坑周圍變形材料相接觸，又使之變形，發(fā)生塑性流動，加工硬化程度進一步增高。當超過材料的應變疲勞極限時形成磨削脫落。
[0003]目前供應市場的錘頭材料的種類很多，最常用的是高錳鋼，最初是因其硬度和耐磨性都比較高，但是現(xiàn)在人們發(fā)現(xiàn)其實不然，有些場合高錳鋼錘頭并不耐磨，使用壽命短，究其原因，是高錳鋼要在大的沖擊力的情況下才能產(chǎn)生高硬度的表面硬化層，而沖擊力小的情況下不耐磨;還有中錳鋼錘頭，因其有較高的硬度和韌性，在沖擊力不太大的情況下較耐用，且有磁性;超高錳鋼以及改性高錳鋼錘頭只有在強烈撞擊的場合才耐磨，有局限性；鍛造低合金鋼錘頭硬度低，耐磨性差;高鉻鑄鐵錘頭有優(yōu)良的耐磨性，但是韌性較差，易發(fā)生脆性斷裂。各種材料均不能達到最理想的效果，因此尋求合理的材料，開發(fā)簡單實用的工藝，在保證使用要求的前提下節(jié)省資源和能源，已成為耐磨材料領域的熱點和難點。
[0004]在物料破碎生產(chǎn)中，對錘頭的韌性和耐磨性要求都非常高。錘頭整體根據(jù)工作性質(zhì)不同可以劃分為錘柄與錘端兩部分，不同部位要求具有不同的使用性能，錘柄要求具有綜合機械性能，要有一定的強度和韌性;而錘頭磨損的主要部位是錘端部，因此要求錘端具有較高的耐磨性能，才能延長錘頭壽命，針對所分析的錘頭不同部位要求具有不同的使用性能的情況，雙金屬復合是解決這一問題的有效途徑，為此，人們開發(fā)了各種復合錘頭的制造工藝。
[0005]但現(xiàn)有的鑲鑄工藝，復合過程中要保證液固界面產(chǎn)生有效的冶金結合，就必須使固體表面的溫度達到液相線以上，而為了同時保證工件的韌性和耐磨性能，固體部分的金屬必須具有一定的比例，其比例不得大于液體部分的1/10?1/8，在鑲鑄錘頭工藝中要達到這一比例顯然是不可能的。為解決這一問題，常用的工藝方法主要有兩種:一是對鑲鑄的固體部分澆注前進行預熱，另一種是加長高溫金屬液對固體部分的沖刷時間。但由于澆注前的預熱一般是在加熱爐中進行，在合箱澆注前，將預熱件取出放入到鑄型中，然后合箱澆注。顯然，在加熱爐中加熱，由于加熱時間長，被加熱件易氧化。另外，由于預熱件從加熱爐中取出到澆注，這中間的時間一般不易控制，導致復合前預熱件的實際溫度變化較大，無法穩(wěn)定地保證復合界面的質(zhì)量。而采用高溫金屬液對固體部分進行長時間的沖刷，加熱效率低，浪費大量的高溫金屬，同時由于固體部分的激冷作用，在液體金屬澆入鑄型后靠近固體部分的液體金屬立即在固體表面凝固，這層快速凝固的金屬中極易出現(xiàn)裂紋，使用中裂紋擴散。因此采用這種工藝，在工作過程中極易出現(xiàn)錘端斷裂和脫落掉塊，不僅造成錘頭本身的損壞，還可能造成重大設備及人身事故，盡管這種工藝研究較多，但真正能在生產(chǎn)中應用的較少。
[000?]利用具有尚硬度的尚絡鑄鐵制作纏頭的端部，用初性金屬制作纏頭的柄部制造的雙金屬復合錘頭，是目前較為理想的一種，但其制作工藝還較為復雜難以保證質(zhì)量。為提高金屬耐磨材料的抗磨性能，滿足應用要求，近年來，國內(nèi)外開展了大量的研究，開發(fā)出了大量的新型高性能耐磨材料。中國發(fā)明專利CN1039267公開了一種耐磨高鉻鑄鐵的組成及其制備工藝，該材料的化學成分(按重量百分比)為:2.9?3.2% C，0.4?0.8% Si，0.4?1.0%Mn，1.2?2.0% Mo，18.0?20.0%Cr，4.0?5.0% V，0.8?1.2% Cu，0.05?0.5% RE，P<
0.08%，S<0.05%，其余為鐵。該耐磨高鉻鑄鐵與普通耐磨材料相比，具有耐磨損，機械性能好，熱處理工藝簡單，能耗低等優(yōu)點，適合于制作工作環(huán)境苛刻的耐磨零部件。但該種耐磨鑄鐵中含有較多的釩、鉬等合金元素，生產(chǎn)成本高，且還存在著高溫熱處理時易開裂，材料的脆性大，使用中易剝落甚至開裂等不足。為了提高高鉻白口鑄鐵的韌性，中國發(fā)明專利CN1115339公開了鉻系白口鑄鐵復合孕育劑，該孕育劑選用對鉻系白口鑄鐵凝固起孕育作用的C、Cr、Fe三元素的同時，通過添加S1、Mg、RE合金元素，以改變第二相形態(tài)和分布，起到對金屬熔體的變質(zhì)作用，在工藝上采用了孕育與變質(zhì)相結合的技術路線。采用該發(fā)明可以使鉻系白口鑄鐵的沖擊功達到4.5J，使沖擊韌性提高60%，斷裂韌性達到32MPa.m1/2，提高30%，抗拉強度達到668MPa。但該材料的脆性仍然較大，在重載、沖擊磨損工況下使用，安全可靠性較低。
[0007]硼是我國富產(chǎn)元素，總貯量占世界第五位。大量研究表明，在鋼中加入適量硼，通過調(diào)節(jié)合金中硼含量和碳含量可以實現(xiàn)對硼化物體積百分數(shù)及基體含碳量的控制，使材料具有優(yōu)異的耐磨性和強韌性。在白口鑄鐵中加入微量硼還可以細化共晶碳化物，改善碳化物的形態(tài)和分布，提高白口鑄鐵力學性能。在工程應用中已經(jīng)證實，硼加入結構鋼中可以代替一部分或全部鎳、鉻、錳、鉬等，在汽車工業(yè)中用硼鋼代替40Cr鋼，其使用壽命不低于鉻鋼。開發(fā)以硼為主要合金元素的金屬耐磨材料，使其具有良好的淬硬性和淬透性，貴重合金元素加入量少，生產(chǎn)成本低廉，熔煉工藝簡單，成形性好，無污染，同時采用金屬熔體凈化和變質(zhì)處理工藝，改善含硼合金材料的組織形態(tài)，使其具有良好的強韌性和耐磨性，在耐磨材料領域將具有廣泛的應用前景。為此中國發(fā)明專利CN1624180公開了一種高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法，該高硼鑄造鐵基耐磨合金的主要化學成分(重量％)為:0.15?
0.70% C，0.3?1.9% B，0.4?0.8% Si，0.6?1.3% Μη, 0.3?0.80% Cr，0.05?0.25% Ce，
0.02 ?0.10% La，0.005 ?0.018% Ca，0.04 ?0.18% K，0.08 ?0.25% A1，Ρ<0.04%，S<
0.04%，其余為Fe。該合金經(jīng)熱處理后可以獲得板條狀馬氏體加高硬度硼化物組成的復合組織，使材料具有較好的綜合性能，但硼化物呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，使材料的脆性較大。為提高高硼合金韌性，國內(nèi)外進行了大量的研究。中國發(fā)明專利CN1804091公開了鑄造高硼耐磨合金的韌化方法，該方法是將化學成分為:0.30?0.35% C，1.0?1.5% B，0.6?0.8% Si,0.8 —1.0% Μη, ?<0.04%，3<0.04%，其余為?6、11和不可避免的雜質(zhì)元素，其中11是由變質(zhì)劑鈦鐵帶入的。其韌化方法為:先將鋼液熔煉并用鋁脫氧后，加入變質(zhì)劑鈦鐵合金進行變質(zhì)處理，待化清扒渣后進行澆注，澆注完成后進行韌化熱處理，韌化熱處理溫度為1020°C?1050°C，保溫時間為2?3小時，然后進行淬火或正火，最后回火:變質(zhì)劑鈦鐵合金用量為鑄造高硼耐磨合金的0.75?1.0%。經(jīng)韌化處理后的砂型鑄造高硼耐磨合金的共晶硼化物呈孤立狀分布在基體中。由于該工藝沒有將硼化物變成顆粒狀，僅僅是大塊狀分布，因此仍然存在材料的脆性大，韌性不太高，僅為12.5J，無法滿足在重載、沖擊磨損工況下的安全使用。
[0008]前蘇聯(lián)專利號SU1，447，926公開的一種“高強度和高沖擊韌性高硼合金制造方法”，該高硼合金的化學成分為:0.2?0.50% C，2.1?3.5% Β，0.15?0.6% Si，0.25?0.80%Μη, 0.2?0.80% Sb，該合金組成中含有較多的銻，將顯著增加高硼合金的生產(chǎn)成本，且含硼量較高，合金組織中硼化物數(shù)量增加，不利于高硼合金韌性的改善。
[0009]為提高高鉻鑄鐵的耐磨性能，降低高鉻鑄鐵的生產(chǎn)成本，日本專利JP3150334-A、開93041691-8公開了一種含硼高鉻鑄鐵，其主要化學成分為:2.7?3.5% C，0.2?1.0%Si，0.5?1.5% Μη, 27?34% Cr，0.5?2.0% Μο，0.5?2.0% W, <0.1% B，該高硼高鉻鑄鐵經(jīng)過950?1100°C正火和200?500°C回火后，硬度達到62HRC以上，沖擊強度超過0.23。由于硼含量較少，為了提高淬透性，因此在合金中加入了0.5?2.0%Mo，且含鉻量較高，增加了生產(chǎn)成本。
[0010]為降低生產(chǎn)成本，提高高鉻鑄鐵的性能，中國發(fā)明專利CN101260497A公開了含硼高鉻耐磨鑄鐵及其制造方法，其特征在于含硼高鉻耐磨鑄鐵的化學成分為(重量％): 2.5?3.5% C，15?28% Cr，0.5?1.2% Si，0.5?1.2%Mn，0.15?0.3%B，0.008?0.03% Ca，0，03?0.08% Ba，0.02?0.05% Sr，0.03?0.08% A1，0.20?0.50% Ti， 0.02?0.06% La，0.02?
0.06% Ce，P<0.04%，S<0.04%，其余為Fe，且0.05%< La+Ce <0.10%,6.0< Cr+C < 8.0。該硼高鉻耐磨鑄鐵的制造方法為:將廢鋼、鉻鐵和生鐵混合放入爐中加熱熔化，鐵水熔清后加入硅鐵和錳鐵調(diào)整成分合格后將溫度升至1560?1600°C，加入硅鈣合金預脫氧，預脫氧1?2分鐘后，加入鋁終脫氧，終脫氧1?2分鐘后，加入鈦鐵，鈦鐵加入1?2分鐘后，加入硼鐵，硼鐵加入1?2分鐘后出爐;將鋇硅合金、鍶硅合金、鋁、鈦鐵、硼鐵和鑭鈰混合稀土破碎至粒度為4?10mm的