专利名称：一种耐磨锤头及其制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种锤式破碎机的锤头的化学成分及其制造工艺，特别是大型锤式破碎机的锤头的化学成分及其制造工艺，尤其是用来粉碎报废汽车的大型锤式破碎机的锤头的化学成分及其制造工艺。
背景技术：
锤式破碎机破碎物料时，主要是利用高速旋转的锤头与高处落下的物料撞击，将物料破碎，锤头是锤式破碎机的关键部件，也是易磨损件，锤头工作时高速旋转打击物料，不仅受到了很高的冲击载荷，而且还受到严重的凿削式磨料磨损，因此要求制备锤头的材料不仅应具备足够的抗冲击的能力，而且还必须具有优良的耐磨性。传统的锤头材质为高锰钢，用它制成的锤头经水韧处理，使用前表面的布氏硬度在HB200～250，工作后锤头工作面的布氏硬度在HB260～420之间波动，说明高锰钢锤头在工作过程中没有发生充分的加工硬化现象，材料的抗磨潜力没有发挥出来，因而磨损较快，使用高锰钢制作的锤头其韧性有余而硬度偏低，耐磨性差；也有使用高铬铸铁制作锤头的实验研究，其硬度高，但韧性低，在实际生产中很少使用。
目前在欧美等工业发达国家采用大型锤式破碎机来粉碎报废的汽车，其锤头单个重量为200～500公斤，是一般锤头3～20倍，其厚度大于120mm，属厚大断面的耐磨件，其凝固的冷却速度慢，易形成粗大的一次结晶组织，热处理过程中表面和心部的温差大，体积膨胀或收缩量大，易产生较大的热应力和相变应力，采用高锰钢制备这样大型锤头时存在两方面的问题，一方面其使用的耐磨性差，另一方面大型锤头工作时其安装孔位置受到较大的拉应力，超过高锰钢的屈服强度，将会发生塑性流变，安装孔的尺寸发生变化，渐渐地由圆形变成椭圆形。
目前国内没有采用低合金钢制备这样大型锤头的实例，在我国大部分锤头仍采用高锰钢制造，而且锤头尺寸小重量轻，单体重量近几公斤或十几公斤，曾有采用低合金制备小型锤头的研制报道，存在成分设计不合理和生产工艺不稳定，没有推广应用。
发明内容
本项发明的目的在于提供一种硬度明显高于加工硬化的高锰钢的硬度，具有优良的耐磨性和冲击韧性，满足锤式破碎机锤头的使用要求的生产成本低的耐磨锤头及其制造工艺。
本发明是采用以下的技术方案实现的一种耐磨锤头，其特征在于该耐磨锤头的化学组成成分及其重量百分数为碳C，0.20～0.35％；硅Si，0.17～0.37％；锰Mn，1.3～1.6％；铬Cr，1.4～2.5％；钼Mo，0.15～0.30％；镍Ni，0.10～0.30％；铜Cu，0.0～1.20％；磷P＜0.035％；硫S＜0.035％；少量的稀土RE；余量为不可避免的杂质和铁Fe。
生产上述一种耐磨锤头所采用的制造工艺过程为合金熔炼→炉前变质处理→铸造→淬火→回火。
所述的炉前变质处理采用炉前稀土硅铁和钒铁复合变质处理，即出钢前将稀土硅铁合金和钒铁加入烘烤的钢水包中，注入钢水，稀土硅铁合金和钒铁以5∶1的比例作为复合变质剂加入，加入量为处理钢水量的0.5～0.8％，变质处理后钢水在包中镇静5～10分钟。
所述的铸造工艺采用砂型铸造或实型铸造方法成形，实型铸造采用泡沫塑料制作模样，用干砂造型，在负压下浇注钢液并凝固成形。
所述的铸造工艺采用缓流半封闭式的浇注系统，并在浇注系统上设置旋转集渣包和纤维过滤网2，加强浇注系统的挡渣作用。
所述的淬火热处理工艺采用在高温电阻炉加热将低合金耐磨钢锤头奥氏体化并保温一段时间后淬入的淬火介质7中，冷却奥氏体化温度为840～960℃，保温时间3～8小时。
所述的淬火热处理工艺采用的是局部淬火工艺，将锤头5加热充分奥氏体化后，将锤头5的工作面淬入淬火介质7中，锤头5安装孔部分留在空气中自然冷却。
所述的淬火介质7为用400Be’的水玻璃、氢氧化钠和水配置的硅酸钠水溶液，配置比例为，30～45％的水玻璃，0～5％氢氧化钠，其余为水，配置后得到的淬火介质7的比重为，1.12～1.30g/cm3。
所述回火工艺的回火温度为150～460℃。
与已有的技术相比，本发明所述的耐磨锤头具有优良的耐磨性和冲击韧性，满足锤式破碎机锤头的使用要求，所述的制造工艺简单易行，生产成本低。
图1本发明所述的砂型铸造平浇工艺主视2本发明所述的砂型铸造平浇工艺俯视3本发明所述的砂型铸造立浇工艺4本发明所述的耐磨锤头淬火示意图具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步说明本发明。
1、耐磨锤头的化学成分设计化学成分是决定合金性能的关键因素，制作大型低合金耐磨钢锤头首先必须进行合理的成分设计，必须保证具有足够的淬透性，使厚大断面的锤头获得最佳的组织状态和满意的使用寿命和安全性，并根据我国的资源条件选用经济合算、成本较低的合金元素进行合金化，获得最好的经济效益。根据国内外有关资料和前期的实验结果，选择Cr、Mn为主要的合金元素，辅加少量的Ni、Mo和Cu。本发明所设计的耐磨锤头的化学组成成分及其重量百分数为碳C，0.20～0.35％；硅Si，0.17～0.37％；锰Mn，1.3～1.6％；铬Cr，1.4～2.5％；钼Mo，0.15～0.30％；镍Ni，0.10～0.30％；铜Cu，0.0～1.20％；磷P＜0.035％；硫S＜0.035％；少量的稀土RE；余量为不可避免的杂质和铁Fe。
碳C碳是低合金耐磨钢关键控制元素，碳在低合金钢中以间隙固溶体的形态存在，不希望出现自由态碳。根据金属学原理和热处理，如果合金中含碳量过低，小于0.20％时获得的马氏体的硬度低于HRC48，合金中含碳量过高将会粗大的针状马氏体，将会显著地降低合金的塑性和韧性，增加产生淬火裂纹的可能性，因此本发明确定含碳量控制在0.20～0.35％。
硅Si硅以代位固溶体的形成存在与合金中，硅可以提高合金的淬透性，但效果比Mn和Cr差，并且过多的硅固溶到金属基体中会降低合金的塑性和韧性，增加产生淬火裂纹的几率，因此本发明确定其含量为0.17～0.37％。
锰Mn锰是显著提高合金淬透性的元素，来源广泛，价格较低，因此在本发明中作为主要的合金元素之一，过高的锰在合金凝固过程中易产生偏析，造成合金组织的不均匀和性能的不均匀，因此，锰控制在1.3～1.6％。
铬Cr铬是显著提高合金淬透性的元素，铬对合金的淬硬能力比锰低，而铬在合金凝固中偏析系数比锰小，分布更均匀，因此选择铬作为主要的合金元素之一，确定的范围是1.4～2.5％。
钼Mo钼是显著提高合金淬透性的元素，钼还可以提高合金的高温硬度，但钼价格高，在保证获得足够的淬透性的条件下尽可能减少其用量，本发明选择钼的含量为0.15～0.30％。
镍Ni镍在钢中不形成碳化物，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锰、铬、钼低，而且镍的价格高，在性能满足要求的基础上尽量减少镍的用量，本发明确定镍的含量为0.10～0.30％。
铜Cu铜在钢中以固溶体形态存在，铜可以提高合金钢的淬透性，铜与钼联合使用效果更好，铜的价格比钼和镍低，本发明中根据不同厚度的锤头调整铜的加入量，铜的控制范围为0.0～1.20％。
磷P和硫S磷和硫都是有害元素，应尽量降低他们在合金中的含量，控制其含量＜0.035％。
钒V钒是强碳化物形成元素，生成的碳化物的熔点高，在钢水凝固前形成高熔点的碳化物，且其晶格常数与高温铁素体的晶格常数相近，可以作为低合金钢凝固的内生晶核，可以细化晶粒，与稀土元素组成复合变质剂在出炉时加入钢水包中。加入量为处理钢水重量的0.01～0.15％。
稀土RE稀土有良好的脱氧、脱硫作用，可以显著地净化钢液，细化低合金钢的凝固组织，改变非金属夹杂物的形状和分布，明显的提高钢的塑性和韧性，本发明中稀土与钒组成复合变质剂，稀土的加入量为处理钢水重量的0.2～0.5％。
合金设计时应考虑的一个重要因素是淬透性，按照Grossman方法进行淬透性的理论计算根据合金的含碳量和合金元素的含量，计算出理想临界尺寸DI，再根据淬火介质的冷却强度H，换算出实际临界尺寸D，表示在这种条件下淬火，直径为D的棒材的中心可以获得50％的马氏体。按照上述设计的化学成分范围，取中间值，计算各种元素的硬化因子，如表1所示表1 低合金钢的成分范围和各合金元素的硬化因子
*在计算C的硬化因子时，取晶粒度为No.6根据表1中的数据得出理想临界尺寸DIDI＝0.252×1.28×3.8×5.3×1.9×1.1×1.1＝14.94英寸≈15英寸。
在搅拌条件下，取水玻璃的冷却强度H为0.5，水为1.0～1.1，油为0.3～0.35，查出实际临界尺寸为D≈13.3英寸≈337毫米。
在搅拌条件下，空气中冷却，其冷却强度H为0.05，查出实际临界尺寸为D≈5.8英寸≈146毫米即上述成分在水玻璃的冷却条件下，直径为337毫米的圆棒的心部可以获得50％马氏体，在强烈搅拌空气中冷却，直径为146毫米的圆棒的心部可以获得50％马氏体。说明设计的合金具有很好的淬透性。
2、生产工艺生产本发明所述耐磨锤头所采用的制造工艺过程为合金熔炼→炉前变质处理→铸造→淬火→回火。
第一步合金熔炼。可以采用感应电炉或电弧炉熔炼，熔炼合金的原材料有废钢、生铁、低碳铬铁、锰铁或金属锰、钼铁、电解镍、电解铜或废紫铜、钒铁粉和稀土合金；采用碱性炉衬，熔炼时先加入废钢和生铁，再加入铬铁、锰铁、钼铁、电解镍和电解铜或废紫铜，待熔清后取样，化验C、Mn、Cr的含量；并根据化验结果补加合金，提升温度，加入比例为3∶1的石灰和萤石造新渣，当钢液的成分和温度达到要求的范围出炉，扒渣插铝脱氧，插铝量为钢水重量的0.1％。
第二步炉前变质处理。变质处理的目的是细化晶粒和净化合金，变质处理采用稀土硅铁合金和钒铁以5∶1的比例作为复合变质剂，采用铁水包中变质处理的方法，出炉前将浇包烘烤，浇包温度达到700～900℃；将复合变质剂加入包底，加入量为处理铁水量的0.5～0.8％；第三步铸造。可以采用两种铸造方法成形砂型铸造和实型铸造。
a)砂型铸造树脂砂型、水玻璃砂或粘土砂造型，用平浇的方法，即锤头5的大平面平行于水平面，采用缓流半封闭式的浇注系统，直浇道1、横浇道6和内浇道3组元的横截面积的比例为A直∶A横∶A内＝1.1～1.3∶1.5～1.7∶1.0，其中A直、A横和A内分别是直浇道1、横浇道6和内浇道3的截面积，在横浇道6上安放耐火纤维过滤网2，横浇道6分为两部分，分别设置在上下箱，两者有一搭接面，在该搭接面处放置过滤网2，搭接面面积为横浇道6截面积的3～5倍，加强横浇道6的挡渣能力，冒口4安放在锤身大平面部位，冒口4模数为铸件模数的1.5～2.0；b)实型铸造采用泡沫塑料制作模样，用干砂造型，在负压下浇注钢液并凝固成形，以保证足够高的尺寸精度和较低的表面粗糙度，采用立浇的方法，即锤头5的大平面垂直于水平面，冒口4安放在锤身顶面部位，冒口4模数为铸件模数的1.3～1.8，采用阶梯式内浇口，钢水从下内浇口引入铸件型腔，充满铸件型腔后再由另一个内浇口引入冒口，获得较好的补缩温度场。
第四步淬火。将铸造成形的锤头5置于箱式电阻炉中加热，缓慢升温，升温速度为10～30℃/小时；升温至650℃时保温1小时；然后快速升温，升温速度为100～300℃/小时，升温至奥氏体化温度840～960℃时保温3～8小时后出炉淬火，淬火采用用400Be’的水玻璃、氢氧化钠和水配置的硅酸钠水溶液作为淬火介质7，配置比例为30～45％的水玻璃，0～5％氢氧化钠，其余为水，配置的淬火介质7的比重为1.12～1.30g/cm3，其冷却强度介于水和油之间。
采用两种淬火方法，整体淬火和局部淬火。
a)整体淬火将整个锤头5浸入淬火介质7中。
b)局部淬火将锤身部位浸入淬火介质7中，安装孔部位留在空中空冷，以防止该处冷却速度过快而出现淬火裂纹和组织中出现过多的马氏体而硬度偏高。
第五步回火。耐磨锤头淬火后0～8小时内进行回火处理，采用电阻炉加热，升温速度为10～30/小时，回火温度为150～460℃，在该温度下保温6～8小时后，出炉空冷。
实施例1成品锤头厚度120mm，单个重量200kg，成品锤头的成分为C0.30％；Si0.27％；Mn1.37％；Cr2.50％；Mo0.18％；Ni0.12％；Cu0.88％；P0.022％；S0.012％，V和RE未测。采用750公斤中频感应电炉熔炼，将废钢、生铁、低碳铬铁、金属锰、钼铁、电解镍、废紫铜加入感应电炉中熔化调整成分，升温，出炉浇注，在钢水包中进行变质处理，加入稀土硅铁与钒铁粉组成的复合变质剂，为处理钢水的0.8％。采用实型铸造，立浇方法，冒口模数55，锤头的模数为37.9。淬火工艺，奥氏体化温度920℃，保温5小时，整体淬火，淬火介质为硅酸钠水溶液，其比重为1.28，回火温度为160℃，保温6小时。用钼丝线切割方法，从锤头边部和中心截取试样测其性能如下边部冲击韧性55J/cm2，硬度HRC55.0，56.1，55.8；中心冲击韧性51J/cm2，硬度HRC57.3，56.4，58.6，边缘和中心的组织都是马氏体与贝氏体的混合组织。
实施例2成品锤头厚度120mm，单个重量200kg，成品锤头的成分为C0.25％；Si0.25％；Mn1.60％；Cr1.83％；Mo0.25％；Ni0.26％；Cu1.16％；P0.014％；S0.009％，V和RE未测。采用750公斤中频感应电炉熔炼，将废钢、生铁、低碳铬铁、金属锰、钼铁、电解镍、废紫铜加入感应电炉中熔化调整成分，升温，出炉浇注，在钢水包中进行变质处理，加入稀土硅铁与钒铁粉组成的复合变质剂，为处理钢水的0.5％。采用树脂砂型铸造，平浇方法，冒口模数60，锤头的模数为37.9。淬火工艺，奥氏体化温度960℃，保温5小时，整体淬火，淬火介质为硅酸钠水溶液，其比重为1.16，回火温度为420℃，保温6小时。用钼丝线切割方法，从锤头边部和中心截取试样测其性能如下边部冲击韧性85J/cm2，硬度HRC49.3，50.5，48.6；中心冲击韧性73J/cm2，硬度HRC50.2，51.2，49.7，边缘和中心的组织都是马氏体与贝氏体的混合组织。
实施例3成品锤头厚度120mm，单个重量200kg，成品锤头的成分为C0.35％；Si0.35％；Mn1.43％；Cr2.42％；Mo0.29％；Ni0.12％；Cu0.94％；P0.022％；S0.012％，V和RE未测。采用750公斤中频感应电炉熔炼，将废钢、生铁、低碳铬铁、金属锰、钼铁、电解镍、废紫铜加入感应电炉中熔化调整成分，升温，出炉浇注，在钢水包中进行变质处理，加入稀土硅铁与钒铁粉组成的复合变质剂，为处理钢水的0.8％。采用实型铸造，立浇方法，冒口模数55，锤头的模数为37.9。淬火工艺，奥氏体化温度940℃，保温5小时，局部淬火，将锤身部位浸入淬火液中，安装孔部位留在空中空冷，淬火介质为硅酸钠水溶液，其比重为1.12，回火温度为320℃，保温6小时。用钼丝线切割方法，从锤头锤身的边部和中心截取试样，测其性能如下边部冲击韧性63J/cm2，硬度HRC53.7，52.5，53.8；中心冲击韧性58J/cm2，硬度HRC54.4，53.9，54.1，边缘和中心的组织都是马氏体与贝氏体的混合组织，从锤头安装孔位置截取试样，测量其性能如下冲击韧性55J/cm2，硬度HRC52.1，51.9，51.3，金相组织为马氏体和贝氏体混合组织。
权利要求
1.一种耐磨锤头，其特征在于该耐磨锤头的化学组成成分及其重量百分数为碳C，0.20～0.35％；硅Si，0.17～0.37％；锰Mn，1.3～1.6％；铬Cr，1.4～2.5％；钼Mo，0.15～0.30％；镍Ni，0.10～0.30％；铜Cu，0.0～1.20％；磷P＜0.035％；硫S＜0.035％；少量的稀土RE；余量为不可避免的杂质和铁Fe。
2.如权利要求1所述的耐磨锤头的制造工艺，其特征在于制造所述的耐磨锤头所采用的工艺过程为，合金熔炼→炉前变质处理→铸造→淬火→回火。
3.如权利要求2所述的耐磨锤头的制造工艺，其特征在于所述的炉前变质处理采用炉前稀土硅铁和钒铁复合变质处理，即出钢前将稀土硅铁合金和钒铁加入烘烤的钢水包中，注入钢水，稀土硅铁合金和钒铁以5∶1的比例作为复合变质剂加入，加入量为处理钢水量的0.5～0.8％，变质处理后钢水在包中镇静5～10分钟。
4.如权利要求2所述的耐磨锤头的制造工艺，其特征在于所述的铸造工艺采用砂型铸造或实型铸造方法成形，实型铸造采用泡沫塑料制作模样，用干砂造型，在负压下浇注钢液并凝固成形。
5.如权利要求4所述的耐磨锤头的制造工艺，其特征在于所述的铸造工艺采用缓流半封闭式的浇注系统，并在浇注系统上设置旋转集渣包和纤维过滤网(2)，加强浇注系统的挡渣作用。
6.如权利要求2所述的耐磨锤头的制造工艺，其特征在于所述的淬火热处理工艺采用在高温电阻炉加热将低合金耐磨钢锤头奥氏体化并保温一段时间后淬入的淬火介质(7)中，冷却奥氏体化温度为840～960℃，保温时间3～8小时。
7.如权利要求2或6所述的耐磨锤头的制造工艺，其特征在于所述的淬火热处理工艺采用的是局部淬火工艺，将锤头(5)加热充分奥氏体化后，将锤头(5)的工作面淬入淬火介质(7)中，锤头(5)安装孔部分留在空气中自然冷却。
8.如权利要求7所述的耐磨锤头的制造工艺，其特征在于所述的淬火介质(7)为用400Be’的水玻璃、氢氧化钠和水配置的硅酸钠水溶液，配置比例为，30～45％的水玻璃，0～5％氢氧化钠，其余为水，配置后得到的淬火介质(7)的比重为，1.12～1.30g/cm3。
9.如权利要求2所述的耐磨锤头的制造工艺，其特征在于所述的回火工艺的回火温度为150～460℃。
全文摘要
一种耐磨锤头及其制造工艺涉及大型锤式破碎机的锤头的化学成分及其制造工艺，其化学组成成分及重量百分数为碳C，0.20～0.35％；硅Si，0.17～0.37％；锰Mn，1.3～1.6％；铬Cr，1.4～2.5％；钼Mo，0.15～0.30％；镍Ni，0.10～0.30％；铜Cu，0.0～1.20％；磷P＜0.035％；硫S＜0.035％；少量的稀土RE；余量为不可避免的杂质和铁Fe，生产本发明所述的耐磨锤头所采用的制造工艺过程为合金熔炼→炉前变质处理→铸造→淬火→回火，本发明所述的耐磨锤头具有优良的耐磨性和冲击韧性，满足锤式破碎机锤头的使用要求，所述的制造工艺简单易行，生产成本低等优点。
文档编号C22C38/44GK1676652SQ20051002065
公开日2005年10月5日 申请日期2005年4月1日 优先权日2005年4月1日
发明者何树云, 赵爱民, 刘东远, 李具仓, 王丽娜, 谢毓来 申请人:攀枝花市白云铸造有限责任公司