一种双组织锤头及其制造方法 |
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| 申请号 | CN202210620298.0 | 申请日 | 2022-06-02 | 公开(公告)号 | CN114932196B | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 邯郸慧桥复合材料科技有限公司; | 发明人 | 常连波; 陈振宇; 邢万里; 白华斌; 刘苗苗; 魏儒赞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种双组织锤头及其制造方法。该锤头采用中 碳 CrNiMo 合金 ，其制造方法包括：1）中频炉纯净料和还原渣熔炼， 钢 渣混出，出钢 温度 不低于1710℃；2）包内变质处理和随流变质处理，变质剂为FeV、FeTi、稀土 硼 铁 块 按1:1:1组成的复合变质剂，变质剂总量为0.2‑0.3%；3）出钢完静置，包底吹氩45‑60秒精炼；4）铁砂壳型造型，采用空壁随形砂箱，铁砂厚度100‑150mm，砂箱外 覆盖 保温层，浇注前空壁通 冷却 水 ；5）挡滤渣浇注， 凝固 后，放空冷却水；6） 热处理 采用正火+淬火+低温回火，淬火时锤端浸入淬火液，耐火保温层包裹锤柄露出液面，木板合拢锤头四周固定在液面上；淬火完15min内入炉低温回火。本发明获得的双组织锤头，锤端韧性增加，使用寿命提高50%以上。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种双组织锤头的制造方法，采用中碳CrNiMo合金钢，成分重量百分比为：0.45‑ |
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| 说明书全文 | 一种双组织锤头及其制造方法技术领域背景技术[0002] 我国是冶炼大国，每年的钢产量居世界第一，而受到原材料的限制，我国废钢回收市场保持红火，随着废钢破碎行业蓬勃发展，碎废钢大锤头市场需求量大，其结构见附图1，包括上部带有安装孔的锤柄和下部需要锤击抗磨工作的锤端。目前该产品大多采用冲击强化的高锰钢材质（Mn18Cr2），破碎一级料寿命产量在 4000 吨左右。 [0003] 公告号CN216172831U和CN213315326U分别公开了应用于锤式破碎机的合金钢双硬度耐磨锤头和双金属抗磨锤头，其中CN216172831U采用机械连接的方式，将转动连杆和耐磨锤座连接为一体，CN213315326U将冲击韧性好的锰钢锤柄，和铬钼多元合金锤头，通过电渣熔铸技术进行金属化的结晶连接，使锤柄和锤头紧致连接在一起。 [0004] 公布号CN108893579A给出了一种合金钢双硬度锤头制造方法，该专利技术由申请人发明并授权，淬火时，锤端淬入淬火液冷却，锤柄用保温层包裹缓冷，从而获得双组织双硬度的锤头。公布号CN105506485A公开了一种低合金中碳钢双硬度锤头，成分为C0.19‑0.74%、Si0.4‑1.3%、Mn0.4‑1.1%、P≤0.018%，S≤0.015%、Cr0.8‑3.1%、Ni0‑1.2%、Mo0.2‑ 0.85%，热处理分为两步，第一步900℃正火、675‑700℃回火处理，第二步锤头工作区900℃油淬冷却，然后200‑300℃回火，轴孔区不淬火。从而获得双硬度锤头，轴孔区冲击韧性18‑ 19J/cm2，表面下5mm硬度HB363‑388，工作区冲击韧性15‑17J/cm2，表面下5mm硬度HB555‑ 601,中间区域，油位线下方20mm区域表面下5mm硬度HB555‑578。 [0005] 虽然低合金中碳钢双硬度锤头可以满足破碎要求，但其使用寿命与高锰钢相比差别不大，主要原因是由于工作区硬度高，脆性大，易碎裂掉块。本发明在现有技术的基础上，进行提高锤头韧性研究，在锤端满足高硬度要求的情况下，提高其韧性，从而提高其使用寿命，破碎量达到6000吨的产能，使用寿命提高 50%以上。 发明内容[0006] 本发明解决的技术问题是：提供一种双组织锤头，采用中碳铬钼钒合金钢，在锤端高硬度的同时，提高其韧性，同时锤柄保持低硬度和高韧性，从而获得单金属双组织锤头。 [0007] 本发明所采用的技术方案是：锤头采用中碳CrNiMo合金，成分重量百分比为：0.45‑0.55%C、1.0‑1.3%Si、0.4‑0.6%Mn、0.8‑1.0%Cr、0.4‑0.6%Mo、1.0‑1.2%Ni、≤0.015%P、≤0.015%S。其制造方法包括以下步骤：1）中频炉纯净料和还原渣熔炼。入炉料采用优质废钢，合金化采用低磷含量或工业纯合金，合金化完成后，出钢前，加入石灰、铝矾土、萤石、脱氧剂造还原渣，快速升温，钢水高温出钢，钢渣混出，出钢温度不低于1710℃。脱氧剂采用SiCa粉或硅铝钡钙锰复合脱氧剂时，还原渣物料配比为石灰：铝矾土：萤石：SiCa粉（或硅铝钡钙锰）=1.2～1.5：1：0.4～1：0.1～0.3，使用FeSi粉为脱氧剂的还原渣物料配比为石灰： 铝矾土：萤石：SiCa粉=1.3～1.6：1：0.4～1：0.2～0.5，还原渣物料总量为钢水重量的2‑5%。 在钢水升温过程中，搅动的钢水不得露出还原渣。废钢熔化后，若P≥0.015%，则需要采用海绵铁或氧化铁皮脱磷。在钢水温度1580‑1600℃时，加入废钢重量的2.5‑5%海绵铁（或1‑ 2.5%氧化铁皮）、2‑4%石灰、0.5‑1%萤石，熔化造氧化渣脱磷，钢渣反应20‑30min后，扒渣。 [0008] 2）变质处理采用浇注包包内变质处理和随流变质处理。包内变质处理采用FeV和FeTi的粒料、稀土硼铁块按重量比1:1:1组成的复合变质剂，粒度2‑5mm。随流变质剂粒度不大于1mm，配比同包内复合变质剂，用量为变质剂总量的20‑25%。变质剂总量为钢水重量的0.2‑0.3%。 [0012] 6）热处理。预备热处理正火后打磨铸件，正火处理加热温度890±5℃，打磨不得使铸件发红。最终热处理为淬火+低温回火。淬火加热温度850±5℃，淬火时锤端浸入淬火液冷却，耐火保温层包裹锤柄露出淬火液表面，木板合拢锤头四周固定在液面上。淬火入水时，水温不得超过35℃，铸件出水温度不高于200℃，淬火处理完15min内入炉进行低温回火处理，回火温度220‑240℃，回火时间不小于6h。 [0013] 进一步，所述步骤4）采用负压消失模工艺替代，所述步骤5）采用震动浇注替代；砂箱负压不大于‑0.06Mpa，震动浇注台震动频率150‑200Hz，震动力不小于砂箱重量的2倍，振幅不大于1mm；钢水浇注温度不低于1570℃。 [0014] 本发明的有益效果是：按照上述步骤生产的双组织锤头，锤端耐磨部位硬度2 HRC55‑62，冲击韧性≥18.3 J/cm ，获得韧性与硬度的统一。锤柄部位硬度HRC20‑25，抗拉 2 强度≥870 Mpa，冲击韧性≥28.2 J/cm。破碎量不低于6400吨，达到预期目的。 附图说明[0015] 图1为双组织锤头产品结构示意图； [0016] 图2为铁砂壳型造型砂箱结构示意图； [0017] 图3为双组织锤头淬火示意图； [0018] 图4为图3的右视图； [0019] 1‑锤头空腔、2‑铁砂、3‑砂箱、4‑冷却水、5‑壳型、6‑保温层、7‑陶瓷过滤网、8‑砂芯、9‑定位底板； [0020] 11‑淬火液、12‑木板、13‑锤头、14‑钢管、15‑耐火保温层、16‑支撑架。 具体实施方式[0021] 实施例1。 [0023] 1）中频炉熔炼。 [0024] 本实施例锤头采用中碳CrNiMo合金，熔炼设备为中频炉，中碳CrNiMo合金成分重量百分比为：0.45‑0.55%C、1.0‑1.3%Si、0.4‑0.6%Mn、0.8‑1.0%Cr、0.4‑0.6%Mo、1.0‑1.2%Ni、≤0.015%P、≤0.015%S。 [0025] 中频炉内加入废钢，熔化后，在钢水温度1580‑1600℃时，加入废钢重量的2.5‑5%海绵铁、2‑4%石灰、0.5‑1%萤石，造氧化渣脱磷。海绵铁中含有大量的铁的氧化物，可为脱磷渣提供氧化环境。海绵铁也可以采用轧制氧化铁皮替代，采用氧化铁皮时，加入量为废钢重量的1‑2.5%。钢渣反应20‑30min后扒渣，氧化渣必须扒出干净，防止回磷。扒干净氧化渣后，取样，升温，向炉内加入石灰、铝矾土、萤石、脱氧剂等，造还原渣脱硫脱氧。还原渣可有效去除氧化物和硫化物的夹杂物，石灰用于提高还原渣的碱度，铝矾土用于降低石灰的熔点，萤石熔点较低，起到助熔作用。萤石熔化，促进石灰和铝矾土之间结合，降低还原渣的熔点。在加入上述物料的同时，加入SiCa粉、FeSi粉、铝丝或硅铝钡钙锰复合脱氧剂，用SiO2形成SiO2 ‑Al2O3‑CaO低熔点三元系还原渣，以促进钢渣液面反应，促进还原过程的顺利进行，铝丝只是作为辅助脱氧剂，不作为主要脱氧剂。还原脱氧脱硫的钢水温度不低于1640℃。采用SiCa粉或硅铝钡钙锰复合脱氧剂作为脱氧剂，还原渣物料配比为石灰：铝矾土：萤石：SiCa粉（或硅铝钡钙锰）=1.2～1.5：1：0.2～0.5：0.1～0.3，使用FeSi粉为脱氧剂的还原渣物料配比为石灰：铝矾土：萤石：SiCa粉=1.3～1.6：1：0.2～0.5：0.2～0.5，还原渣物料总量为钢水重量的2‑5%。在还原保温过程中，电磁搅拌钢水，钢水以不露出还原渣为限，搅动的钢水增加与还原渣的接触界面，促进脱硫脱氧反应。上述石灰中CaO含量不低于85%，铝矾土中Al2O3含量不低于80%，萤石为二级以上。 [0026] 还原渣发绿后，加入低硫磷含量或工业纯合金进行合金化，调整钢水成分。如低硫磷含量的硅铁和钼铁，以及高纯生铁、镍板、单体铬、高纯锰等工业纯合金。此处低硫磷含量是指合金中P≤0.015%、S≤0.015%。通常情况下，夹杂物是合金钢的裂纹源，合金钢的破坏大多是从夹杂物开始的，然后裂纹扩展至合金钢的整个断面，形成失效破坏。本实施例采用低硫磷入炉料、氧化渣脱磷、还原渣脱硫脱氧的目的是为了减少钢水中的夹杂物含量，避免夹杂物对冲击韧性的不利影响。 [0027] 2）浇注包钢水处理。 [0028] 中频炉熔炼成分合格后，可快速出钢，将钢水和还原渣同时倾倒入浇注包中，实现钢渣混出，在出钢过程中，增加钢渣接触界面，增加还原反应。 [0029] 出钢前，在浇注包包底放入已经烘烤好的复合变质剂，该复合变质剂为FeV和FeTi的粒料、稀土硼铁块，三者的重量比为1:1:1，粒度2‑5mm，总量为钢水重量的0.2‑0.3%。FeV和FeTi既起到变质作用，还起到微合金化作用，稀土硼铁块既起到脱氧去夹杂作用，还起到变质作用。钢水倾倒入浇注包时，钢水与上述材料充分混合，进行变质处理。出钢完后，立即通过包底透气塞向包内通入氩气或氮气惰性气体，搅拌钢水。在钢水静置的时间内，惰性气体搅拌钢水，钢水内的夹杂物与钢水表面的还原渣充分接触，然后与还原渣粘附在一起，从而实现钢水的净化，底吹惰性气体压力以钢水不露出还原渣为限。钢水静置后，关闭惰性气体，扒掉浇注包内的还原渣，撒入保护渣覆盖钢水液面。在惰性气体吹入钢水的搅拌过程中，气泡有利于吸附钢水中的气体，将钢水中的部分气体从钢水中带出，进而降低了钢水中的[O][N][H]等气体含量。底吹惰性气体的时间大约为45秒‑1分钟，覆盖保护渣后快速吊运到浇注工位。 [0030] 钢水的净化处理有利于提高合金钢的纯净度，减少夹杂物和气体含量，提高冲击韧性。变质处理有利于增加碳化物的形核核心，起到细化碳化物、改善碳化物形态，提高冲击韧性的作用。 [0031] 3）铸造细晶成型。 [0032] 变质和净化处理后的钢水吊运到浇注工位，浇注时，用挡渣装置挡住浇注包钢水表面的保护渣，避免进入浇注系统。本实施例锤头成型工艺采用铁砂壳型，壳型采用覆膜砂金属模具成型，与浇注系统组装后埋入铁砂中，震动添加铁砂，使得铁砂密实。采用铁砂造型的目的在于利用铁砂的良好的传热能力，使得金属液快速冷却，产生较大的温度梯度和过冷度，增加形核率，起到细化铸态晶粒的作用。 [0033] 由于锤头厚度较厚，127mm，一箱两件，造型铁砂比的比例较大，为避免铁砂蓄热造成冷却能力下降，砂箱采用空壁随形砂箱，造型后结构如附图2所示。形成锤头空腔1的壳型5定位定位底板9上，定位底板9放置在砂箱3底部，陶瓷过滤网7设置在直浇道上，砂芯8形成安装孔。由定位底板9限定了壳型5距离砂箱3内壁的尺寸，锤头四周铁砂2的厚度基本一致，在100‑150mm范围内。砂箱3内壁和外壁之间为中空，形成空壁，浇注前在空壁中通入冷却水 4，用干砂或保温棉将砂箱包裹，形成保温层6。利用冷却水提高铁砂的冷却能力，随形砂箱使得形成锤头的钢水均匀快速凝固和冷却，有利于冒口的设计和补缩，同时可减小铁砂用量，提高造型效率。 [0034] 低温浇注有利于细晶化，钢水浇注温度不高于1560℃，凝固成型后，大约浇注完2.5min左右，关停冷却水，将砂箱空壁内的冷却水放空，这样，砂箱的空壁形成热阻，铁砂蓄热后与保温层一起，降低了铁砂和铸件的温度梯度和散热速度，有利于减小铸件温差应力，防止铸造裂纹。浇注后36小时以上开箱，开箱铸件温度不高于300℃。 [0035] 在直浇道上，使用陶瓷过滤网7，过滤浇注钢水，防止外来夹杂物或保护渣进入铸件。 [0036] 4）铸件清理。 [0037] 铸件开箱后，浇冒口的去除使用气锤砸掉，不得动火。 [0038] 5）热处理。 [0039] 双组织锤头热处理分两次进行，先是正火预备热处理，然后进行淬火+低温回火最终热处理。正火处理加热温度890±5℃，正火处理后方可进行铸件打磨操作，表面打磨不得使铸件发红，打磨过程中严禁动火，避免微裂纹对后续最终热处理的不利影响，凹坑或气孔等缺陷不得焊补。尺寸和表面质量打磨达到要求后，进行最终热处理，850±5℃淬火液冷却，淬火入水时，水温不得超过35℃，铸件出水温度不高于200℃，淬火处理完15min内入炉进行低温回火处理，回火温度220‑240℃，回火时间不小于6h。 [0040] 由于采用壳型铸造出公布号CN108893579A所述的翼板比较困难，本实施例淬火时采用钢管14穿过锤头13的安装孔，悬吊在淬火液11的液面上，锤端进入淬火液的液面以下，如附图3和附图4所示，两块木板12合拢固定，替代CN108893579A中的翼板。耐火保温层15包裹锤柄入炉加热，淬火时露出淬火液表面，淬火后清理。用支撑架16将木板12插入淬火液表面，支撑架16上端的凹槽与钢管14相应，实现支撑架16的固定。淬火时，锤柄部位高温，木板紧密接触水面，由淬火液冷却，不会着火。 [0041] 实施例2。 [0042] 本实施例与实施例1相比，主要是细晶成型工艺的区别，本实施例采用负压消失模震动浇注，一箱四件。消失模造型完成的砂箱吊到震动浇注台上，浇注前2‑5min启动真空泵，砂箱负压不大于‑0.06Mpa，浇注前5‑10秒启动震动浇注台，震动频率150‑200Hz，震动力不小于砂箱重量的2倍，振幅不大于1mm。钢水浇注温度不低于1570℃，快速浇注钢水封闭直浇道，浇注后10‑15分钟左右，金属液全部凝固，停止震动，关闭负压，48h后开箱。 [0043] 浇注过程中的震动加速金属液的流动，提升了金属液凝固补缩能力，铸件的致密度提升，减少铸件缩松。同时，震动使得铸态树枝晶断裂，增加形核率，使得树枝晶细化，提高冲击韧性。与实施例1相比，震动使得细晶效果增加。在实施例1中，由于锤头高度尺寸550mm，锤头在铁砂中的埋深达到700mm以上，铁砂给予壳型的压力较大，所以必须增加壳型厚度以抵抗铁砂的侧压力，经晶粒度检测实施例1的极冷效果不如震动浇注细化晶粒效果理想。该实施例得到的双组织锤头，与实施例1相比，锤端冲击韧性略有提高。 [0044] 消失模铸造可方便铸造出公布号CN108893579A所述的翼板，可采用CN108893579A所述的淬火冷却方式。 [0045] 由于消失模铸造工艺流程较长，与壳型造型相比，造型前需要白模块制作、粘接、烘烤、上涂料、涂层烘烤、粘接浇注系统等流程，生产组织和生产准备时间较长，而且浇注操作复杂，需要多人配合，关键是消失模铸件的表面质量远不如壳型，经试验对比，不建议采用该工艺方案。 [0046] 实施例3。 [0047] 实施例1采用炉内造渣的熔炼工艺，废钢熔炼可采用海绵铁脱磷，还原渣可实现脱硫脱氧，有效去除钢水中的磷化物、硫化物和氧化物夹杂物，起到纯净钢水的作用。但是，中频炉炉内造渣侵蚀炉衬，尤其是还原渣高温脱硫脱氧时，炉衬侵蚀严重，大大降低了炉衬的使用寿命。碱性炉衬易产生裂纹，极冷产生较多的小裂纹，缓冷则产生大裂纹，每次开炉前均要仔细检查炉衬，采取补救措施，以避免穿炉风险，给生产组织和安排造成较多的麻烦，而且炉衬检查和补救又受到员工责任心和能力的制约。 [0048] 本实施例与实施例1的区别在于：1）严格控制入炉料的磷含量，采用优质废钢熔炼，合金化依然采用低硫磷含量或工业纯合金，当P含量满足要求时，不使用海绵铁或氧化铁皮造氧化渣脱磷；2）增加还原渣中的萤石配比和缩短还原渣在炉内的时间。萤石增加量为实施例1的一倍以上，以降低还原渣的熔点，快速熔化还原渣。在合金化完成后，出钢前，加入石灰、铝矾土、萤石、脱氧剂，快速升温，钢水高温出钢，钢渣混出，出钢温度不低于1710℃，充分利用出钢和静置包底吹氩气或氮气的时间脱硫脱氧去夹杂；3）浇注包底吹惰性气体时，人工搅动还原渣，促进钢渣界面反应，底吹惰性气体压力和时间同实施例1。4）增加随流变质处理。浇注包高温出钢，变质剂变质处理效果不如实施例1，增加浇注随流变质处理的工艺，增强变质处理效果。与实施例1相比，变质剂总量不变，只是随流变质剂采用细颗粒或粉料，粒度不大于1mm，用量占变质剂总量的20‑25%；4）中频炉可采用中性炉衬，避免了炉衬裂纹，杜绝了穿炉事故，为生产合理安排和组织打下基础。 [0049] 本实施例与实施例1相比，还原渣在炉内的时间短，对炉衬的侵蚀不严重，利用高温出钢和包内静置的时间去除夹杂，得到的性能与实施例1基本一致。 [0050] 经过多个实验方案对比，最终确定如下双组织锤头制造方法的工艺原则，并将该工艺扩展到其他类似材质的产品： [0051] 1）中频炉纯净料和还原渣熔炼。锤头采用中碳CrNiMo合金，成分重量百分比为：0.45‑0.55%C、1.0‑1.3%Si、0.4‑0.6%Mn、0.8‑1.0%Cr、0.4‑0.6%Mo、1.0‑1.2%Ni、≤0.015%P、≤0.015%S。入炉料采用优质废钢，合金化采用低磷含量或工业纯合金，低硫磷含量是指合金中P≤0.015%、S≤0.015%。合金化完成后，出钢前，加入石灰、铝矾土、萤石、脱氧剂造还原渣，快速升温，钢水高温出钢，钢渣混出，出钢温度不低于1710℃。脱氧剂采用SiCa粉或硅铝钡钙锰复合脱氧剂时，还原渣物料配比为石灰：铝矾土：萤石：SiCa粉（或硅铝钡钙锰）=1.2～1.5：1：0.4～1：0.1～0.3，使用FeSi粉为脱氧剂的还原渣物料配比为石灰：铝矾土：萤石： SiCa粉=1.3～1.6：1：0.4～1：0.2～0.5，还原渣物料总量为钢水重量的2‑5%。在钢水升温过程中，搅动的钢水不得露出还原渣。 [0052] 2）废钢熔化，若P≥0.015%，则需要采用海绵铁或氧化铁皮脱磷。在钢水温度1580‑1600℃时，加入废钢重量的2.5‑5%海绵铁（或1‑2.5%氧化铁皮）、2‑4%石灰、0.5‑1%萤石，熔化造氧化渣脱磷，钢渣反应20‑30min后，扒渣。 [0053] 3）变质处理采用浇注包包内变质处理和随流变质处理。包内变质处理采用FeV和FeTi的粒料、稀土硼铁块按重量比1:1:1组成的复合变质剂，粒度2‑5mm。随流变质剂粒度不大于1mm，配比同包内复合变质剂，用量为变质剂总量的20‑25%。变质剂总量为钢水重量的0.2‑0.3%。 [0054] 4）浇注包底吹惰性气体精炼。出钢完至扒还原渣静置的时间内，包底吹入惰性气体，搅动还原渣，压力以钢水不露出还原渣为限，时间45‑60秒，扒出还原渣，覆盖保护渣。 [0055] 5）铁砂壳型造型。造型采用铁砂壳型工艺，砂箱采用空壁随形砂箱，壳型由定位底板定位，震动添加铁砂，铁砂厚度100‑150mm，砂箱外覆盖保温层，浇注前空壁通入冷却水。 [0056] 6）挡滤渣浇注。浇注时，浇注包挡渣，直浇道陶瓷过滤网滤渣，浇注凝固后，放空空壁内的冷却水，开箱铸件温度不高于300℃。 [0057] 7）浇冒口去除。浇冒口的去除不得动火。 [0058] 8）热处理。预备热处理正火后打磨铸件，打磨不得使铸件发红。最终热处理为淬火+低温回火。淬火时锤端浸入淬火液冷却，耐火保温层包裹锤柄露出淬火液表面，木板合拢在锤头四周固定在液面上。淬火入水时，水温不得超过35℃，铸件出水温度不高于200℃，淬火处理完15min内入炉进行低温回火处理，回火温度220‑240℃，回火时间不小于6h。 [0059] 按照上述步骤生产的双组织锤头，锤端耐磨部位硬度HRC55‑62，冲击韧性≥18.3 2 J/cm ，获得韧性与硬度的统一。锤柄部位硬度HRC20‑25，抗拉强度≥870 Mpa，冲击韧性≥ 2 28.2 J/cm。两次试用寿命测定，破碎量不低于6430吨，达到预期目的。 |
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