专利名称：一种复合材料锤头及其铸造方法
技术领域：
本发明涉及一种破碎机锤头的制造方法，特别涉及一种复合材料锤头及其铸造方法。
背景技术：
锤式破碎机是冶金、矿山、建材和电力等行业常用的破碎设备，锤头是其中主要的易磨损件，其工作原理是依靠高速旋转的锤头撞击进入破碎仓中的物料而达到粉碎物料的目的，锤头的主要失效形式是磨损和断裂。长期以来，破碎机锤头的抗磨性差，使用寿命短，更换频繁，是制约物料粉碎效率的关键因素。因此开发新型锤头材料及其加工成形技术，提高锤头的使用寿命成为亟待解决的问题。
目前国内采用的破碎机锤头主要有整体铸造锤头所涉及的材料有高锰钢(Mn13)、中碳合金钢(中国发明专利CN1050566A)、锰钨钛耐磨铸钢(中国发明专利CN1068637C)、低合金钢(40CrMnSiMoRe)、高碳铬镍钼合金钢和高铬铸铁等；复合锤头包括双液双金属复合铸造锤头、镶铸或镶嵌或焊接组合式锤头(中国实用新型专利CN2257218Y、CN2564248Y)；表面堆焊或整体堆焊锤头(中国发明专利CN1419990A、CN1517173A)。对于整体铸造合金钢锤头，尽管其具有高的强韧性、在运行过程中不易发生断裂，但由于锤头的整体硬度较低，且组织中无硬质相存在，所以耐磨性差，使用寿命短。尽管人们通过调整合金成分和改进热处理工艺等措施试图提高锤头的抗磨性，其结果是制造成本显著增加，而抗磨性提高甚微；对于整体铸造高铬铸铁锤头，运行中易断裂则是其过早失效的主要原因；所谓复合锤头，是指将一种高硬度的材料如高铬铸铁或硬质合金与一种具有强韧性的合金钢或碳钢通过复合铸造、焊接或镶嵌等方法组合在一起制作成锤头，其中高硬度材料作为锤头的打击面以提高锤头的抗磨性，而强韧性材料作为锤头的锤柄防止锤头的断裂。这类锤头制造工艺复杂、成本高(对于硬质合金更是如此)，且工艺稳定性差，在结合部位易产生裂纹、应力集中等缺陷，因此在运行中往往会发生两种材料从结合处分离，造成锤头的过早失效；堆焊锤头是采用专用抗磨焊条在合金钢或碳钢锤头的端部(打击面或工作面)堆焊一层具有高硬度的抗磨层，其缺点是堆焊工艺复杂，工艺控制难度大，堆焊层中存在大量微裂纹、夹杂、气孔等缺陷，因此运行中堆焊层的剥落和掉块是其主要失效形式。
国际上有西德伯力鸠斯公司的合金钢锤头和日本川岛公司的高铬铸铁—低碳合金钢复合铸造锤头，前者耐磨性较差，后者由于复合铸造易出现钢铁脱离现象。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种抗磨性高，使用中不易断裂和剥落，复合层与金属母体呈冶金结合的复合材料锤头及其铸造方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是首先采用电炉熔炼金属母体材料形成金属液，金属液的出炉温度为1500℃～1680℃，浇注温度为1380℃～1500℃；将150～600μm的WC(碳化钨)颗粒预制在聚苯乙烯塑料泡沫中，然后将预制有WC颗粒的聚苯乙烯塑料泡沫放入锤头模具的型腔的端面侧，将锤头模具安装在立式离心铸机的转盘上，启动立式离心铸机，立式离心铸机的转速控制在50～200转/分钟，金属液出炉浇注，浇注时金属液由直浇口进入锤头模具的型腔中，直浇口同时也是立式离心铸机转盘的转动轴，浇注速度为5～28kg/s；WC颗粒的加入量根据下式计算W＝S·h·fv·ρ式中W为WC颗粒的重量g；S为锤头端面(工作面或打击面)的表面积mm2；h为复合层的厚度6～20mm；
fv为复合层中WC颗粒的体积分数18％～52％；ρ为WC颗粒的密度g/mm3；浇注完毕后将立式离心铸机的转速提高至500～900r/min，转动3～10min，停机冷却即可。
本发明的金属母体材料为高锰钢、合金钢或普通碳钢；WC颗粒的硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3。
按照本发明的铸造方法铸造的复合材料锤头，锤头的锤体为高锰钢、合金钢或普通碳钢，锤头的锤端即工作面或打击面为WC颗粒增强复合材料，复合材料层硬度为HRC55～67，厚度为6-20mm。
采用本发明的制备方法所获得的复合材料锤头具有优异的抗冲击磨损性能；复合材料层硬度为HRC55～67，复合材料层厚度为6-20mm，复合材料层与金属母体的界面、以及复合材料层中WC颗粒与基体的界面呈良好的冶金结合，结合强度高，WC颗粒分布均匀，颗粒体积分数可调范围为18％～52％；本发明生产的锤式破碎机锤头，其寿命是传统高锰钢锤头的5～10倍；本发明生产的PLJ式破碎机喷射口衬板(锤头的一种形式)，其寿命是Cr20高铬铸铁的3～6倍。
附图是本发明的锤头模具图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1参见附图，首先采用250kg中频感应电炉熔炼高锰钢形成金属液，金属液的出炉温度为1680℃，浇注温度为1500℃；将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为150～600μm的WC颗粒预制在聚苯乙烯塑料泡沫1中，然后将预制有WC颗粒的聚苯乙烯塑料泡沫1放入树脂砂制成的锤头模具2的型腔4的端面侧，将锤头模具2安装在立式离心铸机的转盘上，启动立式离心铸机，立式离心铸机的转速控制在200转/分钟，金属液出炉浇注，浇注时金属液由直浇口3进入锤头模具2的型腔4中，直浇口3同时也是立式离心铸机转盘的转动轴，浇注速度为5kg/s；聚苯乙烯塑料泡沫1的作用是固定WC颗粒，待金属液进入锤头模具2的型腔4后，聚苯乙烯随即气化，WC颗粒则在离心力的作用下迁移至铸件的外表面(锤头的端面)形成表面复合层，WC颗粒在聚苯乙烯中的预制方法可采用发泡法，或采用机械加工的方法在聚苯乙烯塑料泡沫模型上开槽或打孔，将WC颗粒填充在塑料泡沫的槽或孔中，WC颗粒的加入量根据下式计算W＝S·h·fv·ρ式中W为WC颗粒的重量g；S为锤头端面(工作面或打击面)的表面积mm2；h为复合层的厚度6～20mm；fv为复合层中WC颗粒的体积分数18％～52％；ρ为WC颗粒的密度g/mm3；浇注完毕后将立式离心铸机的转速提高至900r/min，转动3min，停机冷却即可。
实施例2首先采用250kg中频感应电炉熔炼合金钢形成金属液，金属液的出炉温度为1650℃，浇注温度为1480℃；将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为150～600μm的WC颗粒预制在聚苯乙烯塑料泡沫1中，然后将预制有WC颗粒的聚苯乙烯塑料泡沫1放入水玻璃砂制成的锤头模具2的型腔4的端面侧，将锤头模具2安装在立式离心铸机的转盘上，启动立式离心铸机，立式离心铸机的转速控制在50转/分钟，金属液出炉浇注，浇注时金属液由直浇口3进入锤头模具2的型腔4中，直浇口3同时也是立式离心铸机转盘的转动轴，浇注速度为12kg/s；
WC颗粒的加入量根据下式计算W＝S·h·fv·ρ式中W为WC颗粒的重量g；S为锤头端面(工作面或打击面)的表面积mm2；h为复合层的厚度6～20mm；fv为复合层中WC颗粒的体积分数18％～52％；ρ为WC颗粒的密度g/mm3；浇注完毕后将立式离心铸机的转速提高至700r/min，转动6min，停机冷却即可。
实施例3首先采用250kg中频感应电炉熔炼普通碳钢形成金属液，金属液的出炉温度为1600℃，浇注温度为1420℃；将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为150～600μm的WC颗粒预制在聚苯乙烯塑料泡沫1中，然后将预制有WC颗粒的聚苯乙烯塑料泡沫1放入树脂砂制成的锤头模具2的型腔4的端面侧，将锤头模具2安装在立式离心铸机的转盘上，启动立式离心铸机，立式离心铸机的转速控制在80转/分钟，金属液出炉浇注，浇注时金属液由直浇口3进入锤头模具2的型腔4中，直浇口3同时也是立式离心铸机转盘的转动轴，浇注速度为25kg/s；WC颗粒的加入量根据下式计算W＝S·h·fv·ρ式中W为WC颗粒的重量g；S为锤头端面(工作面或打击面)的表面积mm2；h为复合层的厚度6～20mm；fv为复合层中WC颗粒的体积分数18％～52％；ρ为WC颗粒的密度g/mm3；
浇注完毕后将立式离心铸机的转速提高至500r/min，转动10min，停机冷却即可。
实施例4首先采用250kg中频感应电炉熔炼高锰钢形成金属液，金属液的出炉温度为1560℃，浇注温度为1400℃；将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为150～600μm的WC颗粒预制在聚苯乙烯塑料泡沫1中，然后将预制有WC颗粒的聚苯乙烯塑料泡沫1放入树脂砂制成的锤头模具2的型腔4的端面侧，将锤头模具2安装在立式离心铸机的转盘上，启动立式离心铸机，立式离心铸机的转速控制在150转/分钟，金属液出炉浇注，浇注时金属液由直浇口3进入锤头模具2的型腔4中，直浇口3同时也是立式离心铸机转盘的转动轴，浇注速度为20kf/s；WC颗粒的加入量根据下式计算W＝S·h·fv·ρ式中W为WC颗粒的重量g；S为锤头端面(工作面或打击面)的表面积mm2；h为复合层的厚度6～20mm；fv为复合层中WC颗粒的体积分数18％～52％；ρ为WC颗粒的密度g/mm3；浇注完毕后将立式离心铸机的转速提高至800r/min，转动4min，停机冷却即可。
实施例5首先采用250kg中频感应电炉熔炼合金钢形成金属液，金属液的出炉温度为1500℃，浇注温度为1380℃；将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为150～600μm的WC颗粒预制在聚苯乙烯塑料泡沫1中，然后将预制有WC颗粒的聚苯乙烯塑料泡沫1放入树脂砂制成的锤头模具2的型腔4的端面侧，将锤头模具2安装在立式离心铸机的转盘上，启动立式离心铸机，立式离心铸机的转速控制在130转/分钟，金属液出炉浇注，浇注时金属液由直浇口3进入锤头模具2的型腔4中，直浇口3同时也是立式离心铸机转盘的转动轴，浇注速度为28kg/s；WC颗粒的加入量根据下式计算W＝S·h·fv·ρ式中W为WC颗粒的重量g；S为锤头端面(工作面或打击面)的表面积mm2；h为复合层的厚度6～20mm；fv为复合层中WC颗粒的体积分数18％～52％；ρ为WC颗粒的密度g/mm3；浇注完毕后将立式离心铸机的转速提高至600r/min，转动8min，停机冷却即可。
按照本发明的制备方法所获得的复合材料锤头的锤体为高锰钢、改性高锰钢、超高锰钢、合金钢或普通碳钢，锤头的锤端即工作面或打击面为WC颗粒增强复合材料，复合材料层硬度为HRC55～67，厚度为6-20mm，具有优异的抗冲击磨损性能；复合材料层与金属母体的界面、以及复合材料层中WC颗粒与基体的界面呈良好的冶金结合，结合强度高，WC颗粒分布均匀，颗粒体积分数可调范围为18％～52％；本发明生产的锤式破碎机锤头，其寿命是传统高锰钢锤头的5～10倍；生产的PLJ式破碎机喷射口衬板(锤头的一种形式)，其寿命是Cr20高铬铸铁的3～6倍。
权利要求
1.一种复合材料锤头铸造方法，其特征在于1)首先采用电炉熔炼金属母体材料形成金属液，金属液的出炉温度为1500℃～1680℃，浇注温度为1380℃～1500℃；2)将150～600μm的WC颗粒预制在聚苯乙烯塑料泡沫(1)中，然后将预制有WC颗粒的聚苯乙烯塑料泡沫(1)放入锤头模具(2)的型腔(4)的端面侧，将锤头模具(2)安装在立式离心铸机的转盘上，启动立式离心铸机，立式离心铸机的转速控制在50～200转/分钟，金属液出炉浇注，浇注时金属液由直浇口(3)进入锤头模具(2)的型腔(4)中，直浇口(3)同时也是立式离心铸机转盘的转动轴，浇注速度为5～28kg/s；WC颗粒的加入量根据下式计算W＝S·h·fV·ρ式中W为WC颗粒的重量g；S为锤头端面(工作面或打击面)的表面积mm2；h为复合层的厚度6～20mm；fV为复合层中WC颗粒的体积分数18％～52％；ρ为WC颗粒的密度g/mm3；浇注完毕后将立式离心铸机的转速提高至500～900r/min，转动3～10min，停机冷却即可。
2.根据权利要求1所述的复合材料锤头铸造方法，其特征在于所说的金属母体材料为高锰钢、合金钢或普通碳钢。
3.根据权利要求1所述的复合材料锤头铸造方法，其特征在于所说的WC颗粒的硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3。
4.根据权利要求1所述的复合材料锤头铸造方法，其特征在于首先采用250kg中频感应电炉熔炼高锰钢形成金属液，金属液的出炉温度为1680℃，浇注温度为1500℃；将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为150～600μm的WC颗粒预制在聚苯乙烯塑料泡沫(1)中，然后将预制有WC颗粒的聚苯乙烯塑料泡沫(1)放入树脂砂制成的锤头模具(2)的型腔(4)的端面侧，将锤头模具(2)安装在立式离心铸机的转盘上，启动立式离心铸机，立式离心铸机的转速控制在200转/分钟，金属液出炉浇注，浇注时金属液由直浇口(3)进入锤头模具(2)的型腔(4)中，直浇口(3)同时也是立式离心铸机转盘的转动轴，浇注速度为5kg/s；WC颗粒的加入量根据下式计算W＝S·h·fV·ρ式中W为WC颗粒的重量g；S为锤头端面(工作面或打击面)的表面积mm2；h为复合层的厚度6～20mm；fV为复合层中WC颗粒的体积分数18％～52％；ρ为WC颗粒的密度g/mm3；浇注完毕后将立式离心铸机的转速提高至900r/min，转动3min，停机冷却即可。
5.根据权利要求1所述的复合材料锤头铸造方法，其特征在于首先采用250kg中频感应电炉熔炼合金钢形成金属液，金属液的出炉温度为1650℃，浇注温度为1480℃；将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为150～600μm的WC颗粒预制在聚苯乙烯塑料泡沫(1)中，然后将预制有WC颗粒的聚苯乙烯塑料泡沫(1)放入水玻璃砂制成的锤头模具(2)的型腔(4)的端面侧，将锤头模具(2)安装在立式离心铸机的转盘上，启动立式离心铸机，立式离心铸机的转速控制在50转/分钟，金属液出炉浇注，浇注时金属液由直浇口(3)进入锤头模具(2)的型腔(4)中，直浇口3同时也是立式离心铸机转盘的转动轴，浇注速度为12kg/s；WC颗粒的加入量根据下式计算W＝S·h·fV·ρ式中W为WC颗粒的重量g；S为锤头端面(工作面或打击面)的表面积mm2；h为复合层的厚度6～20mm；fV为复合层中WC颗粒的体积分数18％～52％；ρ为WC颗粒的密度g/mm3；浇注完毕后将立式离心铸机的转速提高至700r/min，转动6min，停机冷却即可。
6.根据权利要求1所述的复合材料锤头铸造方法，其特征在于首先采用250kg中频感应电炉熔炼普通碳钢形成金属液，金属液的出炉温度为1600℃，浇注温度为1420℃；将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为150～600μm的WC颗粒预制在聚苯乙烯塑料泡沫(1)中，然后将预制有WC颗粒的聚苯乙烯塑料泡沫(1)放入树脂砂制成的锤头模具(2)的型腔(4)的端面侧，将锤头模具(2)安装在立式离心铸机的转盘上，启动立式离心铸机，立式离心铸机的转速控制在80转/分钟，金属液出炉浇注，浇注时金属液由直浇口(3)进入锤头模具(2)的型腔(4)中，直浇口(3)同时也是立式离心铸机转盘的转动轴，浇注速度为25kg/s；WC颗粒的加入量根据下式计算W＝S·h·fV·ρ式中W为WC颗粒的重量g；S为锤头端面(工作面或打击面)的表面积mm2；h为复合层的厚度6～20mm；fV为复合层中WC颗粒的体积分数18％～52％；ρ为WC颗粒的密度g/mm3；浇注完毕后将立式离心铸机的转速提高至500r/min，转动10min，停机冷却即可。
7.根据权利要求1所述的复合材料锤头铸造方法，其特征在于首先采用250kg中频感应电炉熔炼高锰钢形成金属液，金属液的出炉温度为1560℃，浇注温度为1400℃；将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为150～600μm的WC颗粒预制在聚苯乙烯塑料泡沫(1)中，然后将预制有WC颗粒的聚苯乙烯塑料泡沫(1)放入树脂砂制成的锤头模具(2)的型腔(4)的端面侧，将锤头模具(2)安装在立式离心铸机的转盘上，启动立式离心铸机，立式离心铸机的转速控制在150转/分钟，金属液出炉浇注，浇注时金属液由直浇口(3)进入锤头模具(2)的型腔(4)中，直浇口(3)同时也是立式离心铸机转盘的转动轴，浇注速度为20kg/s；WC颗粒的加入量根据下式计算W＝S·h·fV·ρ式中W为WC颗粒的重量g；S为锤头端面(工作面或打击面)的表面积mm2；h为复合层的厚度6～20mm；fV为复合层中WC颗粒的体积分数18％～52％；ρ为WC颗粒的密度g/mm3浇注完毕后将立式离心铸机的转速提高至800r/min，转动4min，停机冷却即可。
8.根据权利要求1所述的复合材料锤头铸造方法，其特征在于首先采用250kg中频感应电炉熔炼合金钢形成金属液，金属液的出炉温度为1500℃，浇注温度为1380℃；将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为150～600μm的WC颗粒预制在聚苯乙烯塑料泡沫(1)中，然后将预制有WC颗粒的聚苯乙烯塑料泡沫(1)放入树脂砂制成的锤头模具(2)的型腔(4)的端面侧，将锤头模具(2)安装在立式离心铸机的转盘上，启动立式离心铸机，立式离心铸机的转速控制在130转/分钟，金属液出炉浇注，浇注时金属液由直浇口(3)进入锤头模具(2)的型腔(4)中，直浇口(3)同时也是立式离心铸机转盘的转动轴，浇注速度为28kg/s；WC颗粒的加入量根据下式计算W＝S·h·fV·ρ式中W为WC颗粒的重量g；S为锤头端面(工作面或打击面)的表面积mm2；h为复合层的厚度6～20mm；fV为复合层中WC颗粒的体积分数18％～52％；ρ为WC颗粒的密度g/mm3；浇注完毕后将立式离心铸机的转速提高至600r/min，转动8min，停机冷却即可。
9.一种按照权利要求1所述的复合材料锤头铸造方法铸造的复合材料锤头，其特征在于锤头的锤体为高锰钢、合金钢或普通碳钢，锤头的锤端即工作面或打击面为WC颗粒增强复合材料，复合材料层硬度为HRC55～67，厚度为6-20mm。
全文摘要
一种复合材料锤头及其铸造方法，首先采用电炉熔炼金属母体材料形成金属液，将WC颗粒预制在聚苯乙烯塑料泡沫中，然后将预制有WC颗粒的聚苯乙烯塑料泡沫放入锤头模具的型腔的端面侧，将锤头模具安装在立式离心铸机的转盘上，启动立式离心铸机控制转速为50～200转/分钟，金属液出炉浇注速度为5～28kg/s；浇注完毕后将立式离心铸机的转速提高至500～900r/min，转动3～10min，停机冷却即可，按照本发明的制备方法所获得的复合材料锤头的锤端即工作面或打击面为WC颗粒增强复合材料，复合材料层硬度为HRC55～67，厚度为6－20mm，具有优异的抗冲击磨损性能；复合材料层与金属母体的界面、以及复合材料层中WC颗粒与基体的界面呈良好的冶金结合，结合强度高。
文档编号B22D19/16GK1748912SQ200510096150
公开日2006年3月22日 申请日期2005年10月13日 优先权日2005年10月13日
发明者高义民, 邢建东, 鲍崇高, 李秀兵 申请人:西安交通大学