一种抗冲击磨损复相组织锤头及其制备方法与流程

1.本发明涉及破碎用耐磨钢技术领域，尤其涉及一种抗冲击磨损复相组织锤头及其制备方法，该锤头可用于锤式破碎机。


背景技术：

2.锤式破碎机广泛应用于水泥、矿山、煤炭、冶金等行业的破碎作业中。锤头是锤式破碎机破碎物料的核心工作部件，其在作业过程中受到物料的冲击、磨损等综合作用，工作条件复杂恶劣，要求锤头具有高强、高韧、高耐磨等性能。
3.现有锤头材质以高锰钢或以中低碳马氏体为基体的合金钢为主。其中，高锰钢锤头在服役过程中常因磨损破坏而过早失效。其磨损较快的主要原因包括两个方面：一方面，高锰钢初始硬度低，在服役初期易被磨损；另一方面，冲击载荷较低时，高锰钢锤头不能充分发挥加工硬化作用，从而易被磨损。为了改善高锰钢的耐磨性能，人们在高锰钢工作端堆焊耐磨层、镶铸高铬铸铁、硬质合金等，从而制备耐磨性能更好的复合锤头，然而，上述处理工艺难度大，难以实现快速稳定的工业化生产。
4.以中低碳马氏体为基体的合金钢锤头的韧性较低，在同时具有冲击和磨损作用的破碎作业环境中易开裂。此外，就破碎作业全周期工作效率而言，要求锤头不仅在使用前期具有高耐磨的特性，其在使用后期也应具有良好的抗磨损性能。对于普通中低碳合金钢而言，其淬透性不足时将造成硬化层深度不够，导致磨损加快。通过加入合金元素来获得高淬透性时又会增加产品成本。


技术实现要素：

5.鉴于以上分析，本发明旨在提供一种抗冲击磨损复相组织锤头及其制备方法，解决现有技术中锤头在同时具有冲击和磨损作用的破碎作业环境中磨损过快、锤头制备成本较高的问题。
6.本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
7.本发明提供了一种抗冲击磨损复相组织锤头，锤头表层下10mm处的显微组织按体积分数计包括片状贝氏体15～30％和残余奥氏体3～8％，其余为马氏体；锤头表层下25mm处的显微组织按体积分数计包括片状贝氏体5～10％、板条状贝氏体35～50％和残余奥氏体5～15％，其余为马氏体。
8.进一步地，抗冲击磨损复相组织锤头的合金原料按质量百分比包括：c0.25～0.45wt.％、mn1.8～2.2wt.％、si1.3～1.7wt.％、cr0.6～1.0wt.％和mo0.1～0.45wt.％，其余为fe和不可避免的杂质。
9.进一步地，10mm处的抗拉强度为1620～1740mpa，屈服强度为1280～1300mpa，洛氏硬度为48～50hrc，冲击功为34～55j；25mm处的抗拉强度为1510～1580mpa，屈服强度为1190～1230mpa，洛氏硬度为45～46hrc，冲击功为45～64j。
10.本发明还提供了一种抗冲击磨损复相组织锤头的制备方法，用于制备上述抗冲击
磨损复相组织锤头，制备方法包括如下步骤：
11.步骤1：将合金原料经冶炼、脱氧、除渣和浇铸成型，得到铸锭；
12.步骤2：将铸锭加工成锤头；
13.步骤3：对锤头进行均匀化处理；
14.步骤4：将均匀化处理后的锤头进行重新奥氏体化，出炉后淬火冷却至室温；
15.步骤5：将淬火后的锤头回火保温，出炉后空冷至室温，得到抗冲击磨损复相组织锤头。
16.进一步地，步骤3中，均匀化处理包括如下步骤：
17.将锤头加热至1000～1100℃，保温8～12h。
18.进一步地，步骤4中，加热温度为880～930℃。
19.进一步地，步骤4中，保温时间为60～90min。
20.进一步地，步骤4中，冷却包括如下步骤：
21.以1～30℃冷速快速冷却至400℃以下，再0.1～0.5℃/s冷速缓慢冷却至室温。
22.进一步地，步骤5中，回火温度为250～350℃。
23.进一步地，步骤5中，保温时间为2～4h。
24.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
25.a)本发明提供的抗冲击磨损复相组织锤头，锤头表层至心部的显微组织分布梯度变化。其中，锤头表层下10mm处的冷速较快，该部位锤头进入片状贝氏体+马氏体相变区。该部位片状贝氏体及马氏体产物的尺寸较小，且含有一定量残余奥氏体，有利于锤头强韧性的匹配，因此，锤头在服役初期即可表现出良好的抗冲击磨损性能。锤头表层下25mm处冷速较慢，不同于靠近锤头表层的组织类型，此处锤头中片状贝氏体及马氏体含量降低，硬度有所下降。该部位引入板条状贝氏体，且残余奥氏体含量增加。板条状贝氏体中的贝氏体铁素体提供了较高的硬度及耐磨性能，残余奥氏体不仅提升了锤头的韧性，而且提高了锤头的加工硬化能力，因此，锤头在该部位虽然硬度有所下降，但仍保持较高的抗冲击磨损性能。
26.b)本发明提供的抗冲击磨损复相组织锤头，实际服役过程中，当冲击载荷较低时，由于锤头具有较高的初始硬度及良好的强韧性匹配，因此磨损失重较少。当冲击载荷较高时，锤头中贝氏体铁素体及马氏体等在受力条件下位错密度增加、组织发生细化，提升了磨损表层硬度；残余奥氏体在较大载荷作用下发生马氏体转变，进一步提升锤头加工硬化性能。此外，在冲击载荷作用下，锤头失效过程包括塑性变形、材料剥落等阶段，奥氏体相的存在改善了钢的塑性变形能力，且奥氏体向马氏体转变过程中产生的压应力对材料剥落过程中的裂纹扩展起到一定抑制作用。可见，在一定冲击载荷范围内，复相组织锤头具有良好的抗冲击磨损能力，将为破碎作业生产效率的提高带来有益作用。
27.c)本发明提供的抗冲击磨损复相组织锤头，以低成本合金元素为主，能够大大降低锤头的制造成本。本发明提供的抗冲击磨损复相组织锤头制备方法，具有易生产、流程简单、节能环保的特点。在淬火结束后，增加回火过程，回火的主要目的之一是使得奥氏体进一步富碳。分布于马氏体/奥氏体岛内的奥氏体富碳程度较低，机械稳定性差，易在受力初期发生转变，不利于大范围内的硬化效果。通过回火保温，使得贝氏体铁素体或马氏体中的部分碳原子配分至奥氏体中，从而提高残余奥氏体机械稳定性。回火的另一目的是消除锤头表层下25mm处高碳马氏体转变带来的内应力。锤头在该部位发生贝氏体相变的温度较
高，形成板条状贝氏体和两种形貌的未转变奥氏体。位于贝氏体板条内的膜状奥氏体富碳程度较高，能够稳定保留至室温；位于不同方向贝氏体板条间的块状奥氏体因富碳程度低，其在随后冷却至室温的过程中发生部分马氏体转变，形成大块状马氏体/奥氏体岛。不同于锤头表层形成的低碳马氏体，在锤头表层下25mm处，马氏体/奥氏体岛中的马氏体碳含量高，相变过程中产生较大的相变应力。此外，马氏体/奥氏体岛中的马氏体硬度较高、韧性差，冲击过程中易开裂。综上，通过回火处理消除锤头内应力，并且使得高碳马氏体中的部分碳原子扩散至奥氏体中，进一步提高残余奥氏体的机械稳定性。
28.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
29.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
30.图1为实施例1中锤头表层以下10mm处的扫描电镜组织形貌。
31.图2为实施例1中锤头表层以下25mm处的扫描电镜组织形貌。
32.图3为实施例1中锤头表层以下25mm处板条间分布的残余奥氏体透射电镜组织形貌。
33.图4为本发明锤头与对比用高锰钢锤头冲击磨损失重量比较。
具体实施方式
34.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
35.本发明提供了一种抗冲击磨损复相组织锤头，其显微组织包括贝氏体、马氏体和残余奥氏体。其中，锤头表层下10mm处的显微组织按体积分数计包括片状贝氏体15～30％和残余奥氏体3～8％，其余为马氏体；锤头表层下25mm处的显微组织按体积分数计包括片状贝氏体5～10％、板条状贝氏体35～50％和残余奥氏体5～15％，其余为马氏体，此处马氏体来源于马氏体/奥氏体岛内。具体来说，上述锤头不同部位显微组织作用及含量设计如下：
36.锤头表层下10mm处，显微组织设计以片状贝氏体+马氏体为主。片状贝氏体形成于连续冷却过程中的较低温度，尺寸细小，其主要作用包括两个方面，一方面，细小尺寸的片状贝氏体能够保证钢的强韧性匹配，另一方面，片状贝氏体的形成能够分割原奥氏体晶粒尺寸，细化后续形成的马氏体组织。片状贝氏体的含量设计根据其相变特征确定，若要获得较多体积分数的片状贝氏体，须在较低贝氏体相变区控制锤头冷速，增加了额外处理工艺，且较多的片状贝氏体限制了后续马氏体体积分数，因此，本发明控制片状贝氏体的体积分数为15～20％。马氏体的引入主要目的是提高钢的硬度，因此该部位设计引入较多的马氏体。如上所述，由于先形成片状贝氏体的限制作用，在同一奥氏体晶粒内形成的马氏体尺寸较小。细小的片状贝氏体及马氏体组织有利于锤头该部位在具有高强度的同时保持高的冲击韧性，从而抵抗冲击磨损破坏。锤头该部位保留一定体积分数的残余奥氏体，残余奥氏体
对锤头抗冲击磨损性能的提升主要包括两个方面，一是残余奥氏体在冲击载荷下作用下发生马氏体相变，新形成的马氏体提高了磨损表层硬度，即残余奥氏体的存在有利于提升锤头加工硬化性能，从而改善其抗冲击磨损性能。另一方面，材料抗冲击磨损性能的提升不仅要求其具有较高的硬度，而且应有良好的韧性，残余奥氏体的存在，可显著改善钢的冲击韧性，从而进一步提升锤头的抗冲击磨损性能。然而，残余奥氏体含量过多时会造成钢的初始硬度明显下降。因此控制锤头该部位残余奥氏体含量为3～8％。
37.锤头表层下25mm处，显微组织设计引入板条状贝氏体。板条状贝氏体包括贝氏体铁素体以及分布于其板条间的膜状奥氏体。本发明中通过控制快速冷却阶段的终止温度来调控板条状贝氏体的含量。在冲击磨损过程中，贝氏体铁素体由于位错密度的增加及尺寸的细化而表现出良好的硬化效果。分布于贝氏体铁素体板条间的膜状残余奥氏体不仅提升了锤头强韧性匹配，而且其在冲击载荷作用下发生的马氏体转变提升了锤头的加工硬化性能，板条状贝氏体的含量设计同样根据其相变特征确定，与上述片状贝氏体不同，板条状贝氏体生成于较高温度范围。在贝氏体相变较高温度范围内冷却较慢时，有利于板条状贝氏体的获得。本发明中通过控制快速冷却阶段的终止温度来调控板条状贝氏体的含量。锤头该部位板条状贝氏体体积分数为35～50％。同时，锤头该部位保留5～15％的残余奥氏体，残余奥氏体的作用如上所述。此处残余奥氏体主要包括膜状及块状两种形貌。膜状残余奥氏体尺寸细小，富碳程度高，具有较高的机械稳定性。其在冲击磨损过程中能够在较长时间及较大冲击载荷范围内持续发生马氏体转变，从而有利于锤头加工硬化能力的提升。块状奥氏体富碳不足，机械稳定性较低，冲击磨损过程中，块状奥氏体容易在短时间内发生马氏体转变，对锤头抗冲击磨损性能的提升作用有限。因此，本发明后续设计在淬火结束后，增加回火过程，通过回火保温，使贝氏体铁素体或马氏体中的过饱和碳原子配分至奥氏体中，从而提高块状奥氏体的机械稳定性。
38.示例性地，上述抗冲击磨损复相组织锤头的合金原料按质量百分比包括：c0.25～0.45wt.％、mn1.8～2.2wt.％、si1.3～1.7wt.％、cr0.6～1.0wt.％和mo0.1～0.45wt.％，其余为fe和不可避免的杂质。
39.具体来说，上述抗冲击磨损复相组织锤头的合金原料中各组分的作用如下：
40.c元素：保证锤头的强度和硬度。当钢的强度或硬度要求较高时，需要较高的碳含量，但是过高的碳含量会恶化钢的韧性。
41.mn元素：能显著推迟高温相变，而对中温区贝氏体相变影响较小，因此，通过添加适量的mn，能够扩大钢中贝氏体转变的冷速范围。但是mn元素过高时，铸锭中偏析倾向增加。
42.si元素：抑制相变过程中未转变奥氏体中析出渗碳体，从而提高钢中残余奥氏体含量及其稳定性。特别地，当si元素含量较少时，其抑制作用不明显，因此，本发明中si元素质量百分比为1.3～1.7wt.％。
43.cr元素：一方面，能够提高钢的淬透性，另一方面，能够降低贝氏体转变温度，从而在较宽冷速范围内获得较细的贝氏体组织。但是，cr含量过高时，钢中易形成cr7c3等碳化物，恶化钢的塑韧性。
44.mo元素：提高钢的回火稳定性，降低或抑制杂质元素在晶界偏聚所导致的回火脆性。
45.本发明还提供了一种抗冲击磨损复相组织锤头的制备方法，包括如下步骤：
46.步骤1：将合金原料经冶炼、脱氧、除渣和浇铸成型，得到铸锭；
47.步骤2：将铸锭加工成锤头；
48.步骤3：对锤头进行均匀化处理，以减轻合金元素在铸造过程中不均匀分布的现象；
49.步骤4：控速控温淬火：将均匀化处理后的锤头重新加热奥氏体化，加热温度为880～930℃，保温时间为60～90min，获得全部奥氏体组织，出炉后淬火冷却至室温；
50.步骤5：配分-去应力回火：将淬火后的锤头在250～350℃回火，保温时间为2～4h，出炉后冷却至室温，得到抗冲击磨损复相组织锤头。
51.示例性地，上述步骤3中，均匀化处理包括如下步骤：
52.将锤头加热至1000～1100℃，保温8～12h。
53.为了能够细化马氏体，上述步骤4中，淬火冷却包括如下步骤：
54.以1～30℃冷速快速冷却至400℃以下，再0.1～0.5℃/s冷速缓慢冷却至室温。出炉后第一阶段快速冷却至靠近但高于马氏体开始转变温度，使得锤头靠近表层部位在连续冷却过程中先获得片状贝氏体，分割原奥氏体晶粒，细化随后形成的马氏体。出炉后第二阶段缓慢冷却，一方面使得锤头10mm处的马氏体转变过程在较长时间内进行，避免表层冷速过快带来的热应力和相变应力集中；另一方面，使得锤头表层下25mm处在较高贝氏体转变温度范围内获得板条状贝氏体组织，同时，保留一部分未转变奥氏体。
55.示例性地，出炉后第一阶段快速冷却介质为水、水雾或大风，出炉后第二阶段缓慢冷却方式为堆垛冷却或在沙堆中冷却。
56.与现有技术相比，本发明提供的抗冲击磨损复相组织锤头的制备方法的有益效果与上述提供的抗冲击磨损复相组织锤头的有益效果基本相同，在此不一一赘述。
57.以下详细描述本发明的实施例，本发明实施例1～3的合金原料成分，参见表1。
58.表1实施例1～3的合金原料成分(质量百分比)
59.成分实施例1实施例2实施例3c0.320.250.45mn2.12.21.8si1.51.31.7cr0.70.61.0mo0.20.450.10
60.本发明的实施例所采用的制备方法，包括如下步骤：
61.步骤a：将合金原料经冶炼、脱氧、除渣和浇铸成型，得到铸锭；
62.步骤b：将铸锭加工成锤头；
63.步骤c：将锤头加热至1000～1100℃，保温8～12h，对锤头进行均匀化处理；
64.步骤d：将均匀化处理后的锤头进行重新奥氏体化，加热温度为880～930℃，保温时间为60～90min，出炉后以1～30℃冷速快速冷却至400℃以下，再0.1～0.5℃/s冷速缓慢冷却至室温；
65.步骤e：将淬火后的锤头在250～350℃回火，保温时间为2～4h，出炉后自然冷却至室温，得到抗冲击磨损复相组织锤头。
66.本发明实施例1～3的制备方法中工艺参数，参见表2。
67.表2实施例1～3的制备方法中工艺参数
[0068][0069]
对实施例1的复相组织锤头进行微观组织测试，参见图1至图3，实施例1和实施例3的微观组织的具体含量和力学性能参见表3和表4。
[0070]
其中，上述锤头表层下10mm处显微组织形貌参见图1，从图1可以看出，锤头表层10mm处显微组织以片状贝氏体和马氏体为主；上述锤头表层下25mm处显微组织形貌参见图2，从图2可以看出，上述锤头表层下25mm处显微组织主要包括片状贝氏体、板条状贝氏体和马氏体/奥氏体岛；上述锤头表层下25mm处板条间分布的残余奥氏体参见图3。
[0071]
残余奥氏体体积分数由x-射线衍射仪测得，其余显微组织含量根据金相组织统计获得。利用suns5305型拉伸试验机及jb-30a型冲击试验机对实施例1和实施例3中车轮力学性能进行检测。其中拉伸试验尺寸为标距25mm的m12标准试样，冲击试样为10mm
×
10mm
×
55mm的u型缺口标准试样。
[0072]
表3为实施例1不同部位显微组织含量和力学性能
[0073][0074]
表4为实施例3不同部位显微组织含量和力学性能
[0075]
[0076]
从表3和表4可以看出，对于同一复相组织锤头，与10mm处试样相比，25mm处试样的强度有所下降，但冲击韧性有所提升。10mm处的抗拉强度为1620～1740mpa，屈服强度为1280～1300mpa，洛氏硬度为48～50hrc，冲击功为34～55j；25mm处的抗拉强度为1510～1580mpa，屈服强度为1190～1230mpa，洛氏硬度为45～46hrc，冲击功为45～64j。
[0077]
为了对比本复相组织锤头与现有高锰钢锤头抗冲击磨损性能，利用mld-10型动载荷冲击磨粒磨损试验机对两种锤头冲击条件下的磨损失重进行对比。冲击试样尺寸为10mm
×
10mm
×
30mm，取自锤头表层下10mm部位；冲击载荷为1～4j；冲击频率为每分钟200次；冲击时间为60min。
[0078]
试验结果参见图4，在冲击载荷较低时(1～3j)，两种锤头磨损失重均随着冲击载荷的增大而降低，且复相组织锤头的磨损失重量少于高锰钢锤头的，可见，在较低冲击载荷条件下，复相组织锤头具有更好的耐磨性能。本发明锤头在较小冲击载荷下磨损失重低于传统高锰钢的磨损失重，丰富了中低载荷冲击条件下耐磨材料的选择体系。
[0079]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。