一種複合材料錘頭及其鑄造方法

2023-05-26 17:26:01 3

專利名稱：一種複合材料錘頭及其鑄造方法
技術領域：
本發明涉及一種破碎機錘頭的製造方法，特別涉及一種複合材料錘頭及其鑄造方法。
背景技術：
錘式破碎機是冶金、礦山、建材和電力等行業常用的破碎設備，錘頭是其中主要的易磨損件，其工作原理是依靠高速旋轉的錘頭撞擊進入破碎倉中的物料而達到粉碎物料的目的，錘頭的主要失效形式是磨損和斷裂。長期以來，破碎機錘頭的抗磨性差，使用壽命短，更換頻繁，是制約物料粉碎效率的關鍵因素。因此開發新型錘頭材料及其加工成形技術，提高錘頭的使用壽命成為亟待解決的問題。
目前國內採用的破碎機錘頭主要有整體鑄造錘頭所涉及的材料有高錳鋼(Mn13)、中碳合金鋼(中國發明專利CN1050566A)、錳鎢鈦耐磨鑄鋼(中國發明專利CN1068637C)、低合金鋼(40CrMnSiMoRe)、高碳鉻鎳鉬合金鋼和高鉻鑄鐵等；複合錘頭包括雙液雙金屬複合鑄造錘頭、鑲鑄或鑲嵌或焊接組合式錘頭(中國實用新型專利CN2257218Y、CN2564248Y)；表面堆焊或整體堆焊錘頭(中國發明專利CN1419990A、CN1517173A)。對於整體鑄造合金鋼錘頭，儘管其具有高的強韌性、在運行過程中不易發生斷裂，但由於錘頭的整體硬度較低，且組織中無硬質相存在，所以耐磨性差，使用壽命短。儘管人們通過調整合金成分和改進熱處理工藝等措施試圖提高錘頭的抗磨性，其結果是製造成本顯著增加，而抗磨性提高甚微；對於整體鑄造高鉻鑄鐵錘頭，運行中易斷裂則是其過早失效的主要原因；所謂複合錘頭，是指將一種高硬度的材料如高鉻鑄鐵或硬質合金與一種具有強韌性的合金鋼或碳鋼通過複合鑄造、焊接或鑲嵌等方法組合在一起製作成錘頭，其中高硬度材料作為錘頭的打擊面以提高錘頭的抗磨性，而強韌性材料作為錘頭的錘柄防止錘頭的斷裂。這類錘頭製造工藝複雜、成本高(對於硬質合金更是如此)，且工藝穩定性差，在結合部位易產生裂紋、應力集中等缺陷，因此在運行中往往會發生兩種材料從結合處分離，造成錘頭的過早失效；堆焊錘頭是採用專用抗磨焊條在合金鋼或碳鋼錘頭的端部(打擊面或工作面)堆焊一層具有高硬度的抗磨層，其缺點是堆焊工藝複雜，工藝控制難度大，堆焊層中存在大量微裂紋、夾雜、氣孔等缺陷，因此運行中堆焊層的剝落和掉塊是其主要失效形式。
國際上有西德伯力鳩斯公司的合金鋼錘頭和日本川島公司的高鉻鑄鐵-低碳合金鋼複合鑄造錘頭，前者耐磨性較差，後者由於複合鑄造易出現鋼鐵脫離現象。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供了一種抗磨性高，使用中不易斷裂和剝落，複合層與金屬母體呈冶金結合的複合材料錘頭及其鑄造方法。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案是首先將錘頭模具安裝在立式離心鑄機的轉盤上，採用電爐熔鍊金屬母體材料形成金屬液，金屬液的出爐溫度為1500℃～1680℃，澆注溫度為1380℃～1500℃；金屬液出爐前，啟動立式離心鑄機，立式離心鑄機的轉速控制在50～200轉/分鐘，然後金屬液出爐澆注，澆注速度為5～28kg/s，在澆注金屬液的同時將粒度為300μm～750μm的WC顆粒(碳化鎢)隨流加入到金屬液中，WC顆粒的流量控制在20～100g/s；WC顆粒的加入量根據下式計算W＝S·h·fv·ρ式中W為WC顆粒的重量，g；S為錘頭端面(工作面或打擊面)的表面積，mm2；h為複合層的厚度，6～20mm；fv為複合層中WC顆粒的體積分數，18％～52％；ρ為WC顆粒的密度，g/mm3；澆注完畢後將立式離心鑄機的轉速提高至500～900r/min，轉動3～10min，停機冷卻即可。
本發明的金屬母體材料為高錳鋼、合金鋼或普通碳鋼的；WC顆粒的硬度為2500～3000Hv，密度為15.8～16.5g/mm3。
按照本發明的方法鑄造的複合材料錘頭，錘頭的錘體為高錳鋼、合金鋼或普通碳鋼，錘頭的錘端即工作面或打擊面為WC顆粒增強複合材料，複合材料層硬度為HRC55～67，厚度為6-20mm。
採用本發明的製備方法所獲得的複合材料錘頭具有優異的抗衝擊磨損性能；複合材料層硬度為HRC55～67，複合材料層厚度為6-20mm，複合材料層與金屬母體的界面、以及複合材料層中WC顆粒與基體的界面呈良好的冶金結合，結合強度高，WC顆粒分布均勻，顆粒體積分數可調範圍為18％～52％；本發明生產的錘式破碎機錘頭，其壽命是傳統高錳鋼錘頭的5～10倍；本發明生產的PLJ式破碎機噴射口襯板(錘頭的一種形式)，其壽命是Cr20高鉻鑄鐵的3～6倍。
具體實施例方式
實施例1首先採用樹脂砂進行錘頭的造型即錘頭模具的製造，然後將錘頭模具安裝在立式離心鑄機的轉盤上，採用250kg中頻感應電爐熔煉高錳鋼形成金屬液，金屬液的出爐溫度為1600℃，澆注溫度為1500℃；金屬液出爐前，啟動立式離心鑄機，立式離心鑄機的轉速控制在200轉/分鐘，然後金屬液出爐澆注，澆注速度為28kg/s，在澆注金屬液的同時將硬度為2500～3000Hv，密度為15.8～16.5g/mm3，粒度為300μm～750μm的WC顆粒隨流加入到金屬液中，WC顆粒的流量控制在50g/s；WC顆粒的加入量W＝S·h·fv·ρ式中W為WC顆粒的重量g；S為錘頭端面(工作面或打擊面)的表面積mm2；h為複合層的厚度6～20mm；fv為複合層中WC顆粒的體積分數18％～52％；ρ為WC顆粒的密度g/mm3；
澆注完畢後將立式離心鑄機的轉速提高至800轉/分鐘，轉動4分鐘，停機冷卻即可。此時由於WC顆粒的密度遠大於金屬液的密度，在離心力的作用下，WC顆粒優先遷移至鑄件的外表面(錘頭的端面)形成表面複合層。
實施例2首先採用水玻璃砂進行錘頭的造型即錘頭模具的製造，然後將錘頭模具安裝在立式離心鑄機的轉盤上，採用250kg中頻感應電爐熔煉合金鋼形成金屬液，金屬液的出爐溫度為1520℃，澆注溫度為1420℃；金屬液出爐前，啟動立式離心鑄機，立式離心鑄機的轉速控制在160轉/分鐘，然後金屬液出爐澆注，澆注速度為16kg/s，在澆注金屬液的同時將硬度為2500～3000Hv，密度為15.8～16.5g/mm3，粒度為300μm～750μm的WC顆粒隨流加入到金屬液中，WC顆粒的流量控制在70g/s；WC顆粒的加入量W＝S·h·fv·ρ式中W為WC顆粒的重量g；S為錘頭端面(工作面或打擊面)的表面積mm2；h為複合層的厚度6～20mm；fv為複合層中WC顆粒的體積分數18％～52％；ρ為WC顆粒的密度g/mm3；澆注完畢後將立式離心鑄機的轉速提高至600轉/分鐘，轉動8分鐘，停機冷卻即可。
實施例3首先採用樹脂砂進行錘頭的造型即錘頭模具的製造，然後將錘頭模具安裝在立式離心鑄機的轉盤上，採用250kg中頻感應電爐熔煉普通碳鋼形成金屬液，金屬液的出爐溫度為1550℃，澆注溫度為1450℃；金屬液出爐前，啟動立式離心鑄機，立式離心鑄機的轉速控制在50轉/分鐘，然後金屬液出爐澆注，澆注速度為9kg/s，在澆注金屬液的同時將硬度為2500～3000Hv，密度為15.8～16.5g/mm3，粒度為300μm～750μm的WC顆粒隨流加入到金屬液中，WC顆粒的流量控制在20g/s；WC顆粒的加入量W＝S·h·fv·ρ式中W為WC顆粒的重量g；
S為錘頭端面(工作面或打擊面)的表面積mm2；h為複合層的厚度6～20mm；fv為複合層中WC顆粒的體積分數18％～52％；ρ為WC顆粒的密度g/mm3；澆注完畢後將立式離心鑄機的轉速提高至500轉/分鐘，轉動10分鐘，停機冷卻即可。
實施例4首先採用水玻璃砂進行錘頭的造型即錘頭模具的製造，然後將錘頭模具安裝在立式離心鑄機的轉盤上，採用250kg中頻感應電爐熔煉高錳鋼形成金屬液，金屬液的出爐溫度為1500℃，澆注溫度為1380℃；金屬液出爐前，啟動立式離心鑄機，立式離心鑄機的轉速控制在80轉/分鐘，然後金屬液出爐澆注，澆注速度為20kg/s，在澆注金屬液的同時將硬度為2500～3000Hv，密度為15.8～16.5g/mm3，粒度為300μm～750μm的WC顆粒隨流加入到金屬液中，WC顆粒的流量控制在40g/s；WC顆粒的加入量W＝S·h·fv·ρ式中W為WC顆粒的重量g；S為錘頭端面(工作面或打擊面)的表面積mm2；h為複合層的厚度6～20mm；fv為複合層中WC顆粒的體積分數18％～52％；ρ為WC顆粒的密度g/mm3；澆注完畢後將立式離心鑄機的轉速提高至750轉/分鐘，轉動5分鐘，停機冷卻即可。
實施例5首先採用樹脂砂進行錘頭的造型即錘頭模具的製造，然後將錘頭模具安裝在立式離心鑄機的轉盤上，採用250kg中頻感應電爐熔煉合金鋼形成金屬液，金屬液的出爐溫度為1680℃，澆注溫度為1460℃；金屬液出爐前，啟動立式離心鑄機，立式離心鑄機的轉速控制在120轉/分鐘，然後金屬液出爐澆注，澆注速度為5kg/s，在澆注金屬液的同時將硬度為2500～3000Hv，密度為15.8～16.5g/mm3，粒度為300μm～750μm的WC顆粒隨流加入到金屬液中，WC顆粒的流量控制在100g/s；WC顆粒的加入量W＝S·h·fv·ρ式中W為WC顆粒的重量g；S為錘頭端面(工作面或打擊面)的表面積mm2；h為複合層的厚度6～20mm；fv為複合層中WC顆粒的體積分數18％～52％；ρ為WC顆粒的密度g/mm3；澆注完畢後將立式離心鑄機的轉速提高至900轉/分鐘，轉動3分鐘，停機冷卻即可。
按照本發明的製備方法所獲得的複合材料錘頭的錘體為高錳鋼、合金鋼或普通碳鋼，錘頭的錘端即工作面或打擊面為WC顆粒增強複合材料，複合材料層硬度為HRC55～67，厚度為6-20mm，具有優異的抗衝擊磨損性能；複合材料層與金屬母體的界面、以及複合材料層中WC顆粒與基體的界面呈良好的冶金結合，結合強度高，WC顆粒分布均勻，顆粒體積分數可調範圍為18％～52％；本發明生產的錘式破碎機錘頭，其壽命是傳統高錳鋼錘頭的5～10倍；生產的PLJ式破碎機噴射口襯板(錘頭的一種形式)，其壽命是Cr20高鉻鑄鐵的3～6倍。
權利要求
1.一種複合材料錘頭的鑄造方法，其特徵在於1)首先將錘頭模具安裝在立式離心鑄機的轉盤上，採用電爐熔鍊金屬母體材料形成金屬液，金屬液的出爐溫度為1500℃～1680℃，澆注溫度為1380℃～1500℃；2)金屬液出爐前，啟動立式離心鑄機，立式離心鑄機的轉速控制在50～200轉/分鐘，然後金屬液出爐澆注，澆注速度為5～28kg/s，在澆注金屬液的同時將粒度為300μm～750μm的WC顆粒隨流加入到金屬液中，WC顆粒的流量控制在20～100g/s；；WC顆粒的加入量根據下式計算W＝S·h·fV·ρ式中W為WC顆粒的重量，g；S為錘頭端面(工作面或打擊面)的表面積，mm2；h為複合層的厚度，6～20mm；fV為複合層中WC顆粒的體積分數，18％～52％；ρ為WC顆粒的密度，g/mm3；澆注完畢後將立式離心鑄機的轉速提高至500～900r/min，轉動3～10min，停機冷卻即可。
2.根據權利要求1所述的複合材料錘頭的鑄造方法，其特徵在於所說的金屬母體材料為高錳鋼、合金鋼或普通碳鋼。
3.根據權利要求1所述的複合材料錘頭的鑄造方法，其特徵在於所說的WC顆粒的硬度為2500～3000Hv，密度為15.8～16.5g/mm3。
4.根據權利要求1所述的複合材料錘頭的鑄造方法，其特徵在於首先採用樹脂砂進行錘頭的造型即錘頭模具的製造，然後將錘頭模具安裝在立式離心鑄機的轉盤上，採用250kg中頻感應電爐熔煉高錳鋼形成金屬液，金屬液的出爐溫度為1600℃，澆注溫度為1500℃；金屬液出爐前，啟動立式離心鑄機，立式離心鑄機的轉速控制在200轉/分鐘，然後金屬液出爐澆注，澆注速度為28kg/s，在澆注金屬液的同時將硬度為2500～3000Hv，密度為15.8～16.5g/mm3，粒度為300μm～750μm的WC顆粒隨流加入到金屬液中，WC顆粒的流量控制在50g/s；WC顆粒的加入量W＝S·h·fV·ρ式中W為WC顆粒的重量g；S為錘頭端面(工作面或打擊面)的表面積mm2；h為複合層的厚度6～20mm；fV為複合層中WC顆粒的體積分數18％～52％；ρ為WC顆粒的密度g/mm3；澆注完畢後將立式離心鑄機的轉速提高至800轉/分鐘，轉動4分鐘，停機冷卻即可。此時由於WC顆粒的密度遠大於金屬液的密度，在離心力的作用下，WC顆粒優先遷移至鑄件的外表面(錘頭的端面)形成表面複合層。
5.根據權利要求1所述的複合材料錘頭的鑄造方法，其特徵在於首先採用水玻璃砂進行錘頭的造型即錘頭模具的製造，然後將錘頭模具安裝在立式離心鑄機的轉盤上，採用250kg中頻感應電爐熔煉合金鋼形成金屬液，金屬液的出爐溫度為1520℃，澆注溫度為1420℃；金屬液出爐前，啟動立式離心鑄機，立式離心鑄機的轉速控制在160轉/分鐘，然後金屬液出爐澆注，澆注速度為16kg/s，在澆注金屬液的同時將硬度為2500～3000Hv，密度為15.8～16.5g/mm3，粒度為300μm～750μm的WC顆粒隨流加入到金屬液中，WC顆粒的流量控制在70g/s；WC顆粒的加入量W＝S·h·fV·ρ式中W為WC顆粒的重量g；S為錘頭端面(工作面或打擊面)的表面積mm2；h為複合層的厚度6～20mm；fV為複合層中WC顆粒的體積分數18％～52％；ρ為WC顆粒的密度g/mm3；澆注完畢後將立式離心鑄機的轉速提高至600轉/分鐘，轉動8分鐘，停機冷卻即可。
6.根據權利要求1所述的複合材料錘頭的鑄造方法，其特徵在於首先採用樹脂砂進行錘頭的造型即錘頭模具的製造，然後將錘頭模具安裝在立式離心鑄機的轉盤上，採用250kg中頻感應電爐熔煉普通碳鋼形成金屬液，金屬液的出爐溫度為1550℃，澆注溫度為1450℃；金屬液出爐前，啟動立式離心鑄機，立式離心鑄機的轉速控制在50轉/分鐘，然後金屬液出爐澆注，澆注速度為9kg/s，在澆注金屬液的同時將硬度為2500～3000Hv，密度為15.8～16.5g/mm3，粒度為300μm～750μm的WC顆粒隨流加入到金屬液中，WC顆粒的流量控制在20g/s；WC顆粒的加入量W＝S·h·fV·ρ式中W為WC顆粒的重量g；S為錘頭端面(工作面或打擊面)的表面積mm2；h為複合層的厚度6～20mm；fV為複合層中WC顆粒的體積分數18％～52％；ρ為WC顆粒的密度g/mm3；澆注完畢後將立式離心鑄機的轉速提高至500轉/分鐘，轉動10分鐘，停機冷卻即可。
7.根據權利要求1所述的複合材料錘頭的鑄造方法，其特徵在於首先採用水玻璃砂進行錘頭的造型即錘頭模具的製造，然後將錘頭模具安裝在立式離心鑄機的轉盤上，採用250kg中頻感應電爐熔煉高錳鋼形成金屬液，金屬液的出爐溫度為1500℃，澆注溫度為1380℃；金屬液出爐前，啟動立式離心鑄機，立式離心鑄機的轉速控制在80轉/分鐘，然後金屬液出爐澆注，澆注速度為20kg/s，在澆注金屬液的同時將硬度為2500～3000Hv，密度為15.8～16.5g/mm3，粒度為300μm～750μm的WC顆粒隨流加入到金屬液中，WC顆粒的流量控制在40g/s；WC顆粒的加入量W＝S·h·fV·ρ式中W為WC顆粒的重量g；S為錘頭端面(工作面或打擊面)的表面積mm2；h為複合層的厚度6～20mm；fV為複合層中WC顆粒的體積分數18％～52％；ρ為WC顆粒的密度g/mm3；澆注完畢後將立式離心鑄機的轉速提高至750轉/分鐘，轉動5分鐘，停機冷卻即可。
8.根據權利要求1所述的複合材料錘頭的鑄造方法，其特徵在於首先採用樹脂砂進行錘頭的造型即錘頭模具的製造，然後將錘頭模具安裝在立式離心鑄機的轉盤上，採用250kg中頻感應電爐熔煉合金鋼形成金屬液，金屬液的出爐溫度為1680℃，澆注溫度為1460℃；金屬液出爐前，啟動立式離心鑄機，立式離心鑄機的轉速控制在120轉/分鐘，然後金屬液出爐澆注，澆注速度為5kg/s，在澆注金屬液的同時將硬度為2500～3000Hv，密度為15.8～16.5g/mm3，粒度為300μm～750μm的WC顆粒隨流加入到金屬液中，WC顆粒的流量控制在100g/s；WC顆粒的加入量W＝S·h·fV·ρ式中W為WC顆粒的重量g；S為錘頭端面(工作面或打擊面)的表面積mm2；h為複合層的厚度6～20mm；fV為複合層中WC顆粒的體積分數18％～52％；ρ為WC顆粒的密度g/mm3；澆注完畢後將立式離心鑄機的轉速提高至900轉/分鐘，轉動3分鐘，停機冷卻即可。
9.一種按照權利要求1所述的複合材料錘頭的鑄造方法鑄造的複合材料錘頭，其特徵在於錘頭的錘體為高錳鋼、合金鋼或普通碳鋼，錘頭的錘端即工作面或打擊面為WC顆粒增強複合材料，複合材料層硬度為HRC55～67，厚度為6-20mm。
全文摘要
一種複合材料錘頭及其鑄造方法，首先將錘頭模具安裝在立式離心鑄機的轉盤上，採用電爐熔鍊金屬母體材料形成金屬液，金屬液出爐前，啟動立式離心鑄機將轉速控制在50～200轉/分鐘，然後金屬液出爐澆注，在澆注金屬液的同時將WC顆粒隨流加入到金屬液中，澆注完畢後將立式離心鑄機的轉速提高至500～900r/min，轉動3～10min，停機冷卻即可。按照本發明的製備方法所獲得的複合材料錘頭的錘端即工作面或打擊面為WC顆粒增強複合材料，複合材料層硬度為HRC55～67，厚度為6－20mm，具有優異的抗衝擊磨損性能；複合材料層與金屬母體的界面、以及複合材料層中WC顆粒與基體的界面呈良好的冶金結合，結合強度高，WC顆粒分布均勻，顆粒體積分數可調範圍為18％～52％。
文檔編號B22D19/16GK1748910SQ200510096148
公開日2006年3月22日 申請日期2005年10月13日 優先權日2005年10月13日
發明者邢建東, 高義民, 鮑崇高, 李秀兵 申請人:西安交通大學