专利名称：一种多元低合金化大型耐磨铸钢锤头及其制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铸钢锤头，尤其涉及一种梯度变化性能的多元低合金化大型耐磨 铸钢锤头，同时本发明还公开了一种生产该种锤头的制备工艺，属于用于大型锤式破碎机 上的耐磨锤头的生产技术领域。
背景技术：
锤头是大型锤式破碎机的关键部件，广泛用于水泥、矿山、交通、建材、电厂、冶金 等破碎行业，是一种易损件，每年因磨损而耗费大量的金属材料，破碎机锤头的耐磨性能及 其使用安全性是评价锤头使用性能的重要指标。随着破碎机械行业的发展，越来越多的问 题接踵而出，如破碎领域的扩大、破碎设备大型化等对耐磨锤头的材料及其制备工艺都提 出了更高的要求。对于大型锤头而言，一般要求锤头的打击部位具有高硬度和一定的韧性、 而安装部位具有高韧性和一定的硬度。目前广泛使用的破碎机大型锤头主要有高锰钢系 列、二种材质的复合锤头系列等。高猛钢系列包括ZGMn13、ZGMnl8、ZGMn25和各种高锰钢堆 焊锤头，复合锤头系列主要是碳钢(或低合金钢、高锰钢等)与高铬铸铁或硬质合金之间的 見合。普通高锰钢锤头在强冲击条件下使用时，可产生加工硬化现象，从而获得良好的 耐磨性能。为了进一步提高其耐磨性能，开发了超高锰钢系列锤头，如ZGMnlS、ZGMn25等， 但高锰钢系列锤头韧性好而初始硬度低，特别是在冲击硬化不足条件下使用时，材料耐磨 性能低，锤头寿命普遍不高。为解决以上问题，在此基础上，又开发了高锰钢堆焊锤头，提高 锤头打击部位的高硬度，但该类锤头当堆焊层磨损后，材料的耐磨性能迅速下降；复合锤头 系列由于复合工艺原因，锤头二种材质冶金结合不好，使用过程中易发生断裂现象，从而严 重影响设备使用的安全性，此外，该类锤头的铸造工艺及热处理工艺较复杂。因此，如何设计一种锤头，既使锤头的打击部位具有高硬度和一定的韧性，满足锤 头的耐磨性能要求、又使锤头的安装部位具有高韧性和一定的硬度，保证锤头的使用安全 性，是本发明所要解决的课题。
发明内容
针对上述需求，本发明提供了一种在高、低冲击条件下，耐磨性能和使用安全性均 优良的具有梯度变化性能的多元低合金化大型耐磨铸钢锤头。本发明提供了一种多元低合金化大型耐磨铸钢锤头，其特征在于构成该锤头的 化学成分及其重量百分比为C 0. 30-0. 50%, Si 0. 3-1. 2%, Mn 0. 5-1. 5%, Cr 1. 5-3. 5%, Ni 0. 3-1. 5%， Mo 0. 3-1. 5%, V 0. 05-0. 30%, S < 0. 05%, P < 0. 05%，余量为 Fe。同时，本发明还提供了一种锤头的制备工艺，主要包括下列步骤a)合金熔炼和变质处理按照锤头的化学成分要求进行合金配料，然后进行合金熔炼，将熔化的合金经钢水脱氧扒渣后，再加入钒铁进行变质处理，当钢水温度达到1580-1620°C时，出炉铸造；b)铸造工艺锤头采用平做立浇、顶冒口的铸造方案，浇铸温度为1480°C _1560°C，浇注后期三 分之一钢水从冒口浇入。c)热处理工艺cl)预备热处理以一定加热速度将锤头加热到合适温度保温，以消除或减少铸 件的化学成分偏析及组织的不均勻性并细化晶粒；c2)淬火处理将锤头进行加热并保温，首先对铸件进行整体淬火，再对锤头打击 部位进行二次淬火；c3)中频局部回火对锤头安装部位进行高温回火处理；c4)低温回火处理对锤头进行整体低温回火处理。在本发明一较佳实施例中，变质处理所用钒铁在出钢前5-8分钟加入，钒的加入 量为 0. 05-0. 30%。在本发明一较佳实施例中，预备热处理采用阶段升温制度，中间保温温度为 550-750°C，保温时间为2-5小时，最终加热温度为800-980°C，保温时间为3_10小时，加热 速度控制在30-120°C /h。在本发明一较佳实施例中，水玻璃水溶液的配比为50%水、45%水玻璃、5%添加 剂，使用时要求控制淬火介质的温度不超过70°C。在本发明一较佳实施例中，锤头整体淬火处理时，入水时间为2-8分钟，锤头表面 出水温度小于200-300°C。在本发明一较佳实施例中，锤头打击部位二次淬火处理时，入水部位为锤头高度 的1/4-1/2，入水时间为5-25秒，锤头表面出水温度小于200-300°C。在本发明一较佳实施例中，锤头安装部位进行回火处理时，加热温度控制在 580-780°C，保温时间为15-60分钟。在本发明一较佳实施例中，进一步包括步骤，停电炉冷到250-500°C再出炉空冷。在本发明一较佳实施例中，对锤头进行整体低温回火处理时，回火处理的加热温 度为200-350°C，保温时间为5-12小时。采用本发明制备工艺生产的大型锤头的硬度和韧性等性能呈梯度变化，满足了大 型锤头的打击部位具有高硬度和一定的韧性，保证其高耐磨性；同时锤头的安装部位具有 高韧性和一定的硬度，从打击部位到安装部位具有过渡连接部位，使锤头各部位性能呈梯 度变化，从而保证使用过程中不出现断裂现象、保证锤头的使用安全性，并大幅度提高其使 用寿命。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图1为本发明实施例的锤头的示意图；图2为本发明多元低合金化耐磨铸钢锤头的预备热处理和淬火处理工艺曲线；图3为本发明锤头局部中频回火部位示意图；图4为本发明实施例的锤头梯度性能变化示意图中，1是安装部位，2是打击部位，3是过渡部位。
具体实施例方式为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目 的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本发明作进一步详细 的说明。如图1所示，图1为本发明实施例的锤头的示意图，本发明实施例中，锤头主要分 为三个部分，包括安装部位1、打击部位2和过渡部位3，安装部位上设置有安装孔，用于将 锤头安装于诸如破碎机等的破碎设备上，图中，打击部位2主要用于击打矿石或其它硬物， 过渡部位3介于安装部位1和打击部位2之间，整个锤头全部由多元低合金钢铸造而成。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铸钢锤头首先必须进 行合理的成分设计，以保证具有足够的淬透性，使锤头获得最佳组织状态和满意的力学性 能、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，获得良好的经济效益。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C 0. 30-0. 50%, Si 0. 3-1. 2%, Mn 0. 5-1. 5%, Cr 1. 5-3. 5%, Ni 0. 3-1. 5%， Mo 0. 3-1. 5%, V 0. 05-0. 30%, S < 0. 05%, P < 0. 05%，余量为 Fe。另外，本发明所述的多元低合金化大型耐磨铸钢锤头的制备工艺主要包括三个步 骤1、合金熔炼和变质处理，2、锤头的铸造，3、热处理工艺，其中，热处理工艺进一步包括 预备热处理、淬火处理、中频局部回火、低温回火处理。1、合金熔炼和变质处理首先，按照锤头的化学成分要求进行合金配料，然后在中频感应电炉进行合金熔 炼，将熔化的合金经钢水脱氧扒渣后，再加入钒铁进行变质处理，钒铁用铁皮包好，压入炉 底，当钢水温度达到1580-1620°C时，出炉铸造。当然，需要说明的是，采用中频感应电弧炉， 同样可以达到合金熔炼的效果。2、锤头的铸造锤头采用平做立浇、顶冒口的铸造方案，浇铸温度控制在1480°C -1560以及， 另外，浇注后期三分之一的钢水通过冒口浇入。锤头平做立浇、顶冒口的浇铸方案属于本领 域的公知常识，本领域技术人员完全可以理解实施该方案的步骤以及控制参数，在此申请 人不作详细描述。3、热处理工艺1)预备热处理以一定加热速度将铸件加热到合适温度保温，消除或减少铸件的 化学成分偏析及组织的不均勻性并细化晶粒。2)淬火处理在井式电阻炉中按加热规范进行锤头的加热和保温，淬火介质为水 玻璃的水溶液。淬火分为锤头整体淬火和锤头局部二次淬火。3)中频局部回火在中频感应加热炉对锤头局部进行高温回火处理。4)低温回火处理在箱式电阻炉中对锤头进行整体低温回火处理。实施例1首先，按以下成分和配比进行配料=C 0. 30%, Si 0. 3%, Mn 0. 5%, Cr 1. 5%,Ni 0. 3%, Mo 0. 3%, V :0. 05%, S :0. 02%, P :0. 01%，余量为 Fe。然后，在中频感应电炉 或中频感应电弧炉进行合金熔炼，将熔化的合金经钢水脱氧扒渣后，再加入钒铁进行变质 处理，钒铁的加入量为0. 05%，出钢前5分钟加入为宜，钒铁可以用铁皮包好，压入炉底，当 钢水温度达到1620°C时，出炉铸造。其次，对锤头进行铸造，锤头的铸造方案采用平做立浇、顶冒口的铸造方案，当浇 注钢水还剩三分之一时，通过冒口浇入钢水，其中，浇注温度控制在1520°C。最后，对锤头进行热处理工艺，具体为(1)预备热处理以一定加热速度将铸件加热到合适温度保温，消除或减少铸件 的化学成分偏析及组织的不均勻性并细化晶粒。所谓一定加速度具体指，中间保温温度 为650°C，保温时间为2小时，最终加热温度为800°C，保温时间为3小时，加热速度控制在 300C /h，如图2所示。(2)淬火处理在井式电阻炉中按加热规范(见图2)进行锤头的加热和保温，其 中，淬火介质为水玻璃的水溶液，先对铸件进行整体淬火，再对锤头打击部位进行二次淬 火。其中，对锤头整体淬火处理时，入水时间为2分钟，锤头表面出水温度小于200°C，以及 其中，对锤头打击部位二次淬火处理时，入水部位为锤头高度的1/4，入水时间为5秒，锤头 表面出水温度小于200°C。本发明实施例中，水玻璃水溶液的配比为50%水、45%水玻璃、 5%添加剂，使用时要求控制淬火介质的温度不超过70°C。(3)中频局部回火在中频感应加热炉对锤头局部，具体地说，对锤头的安装部 位，如图3所示，进行高温回火处理，先将加热温度控制在580°C，保温时间为15分钟，再停 电炉冷到250°C再出炉空冷。(4)低温回火处理在箱式电阻炉中对锤头进行整体低温回火处理，其中，回火处 理的加热温度为200°C，保温时间为5小时。实施例2首先，按以下成分和配比进行配料C :0. 40%，Si :0. 8%, Mn :1%, Cr 2. 5%, Ni l%,Mo :1%, V :0. 15%, S :0. 01%，P :0. 02%，余量为i^e。然后，在中频感应电炉或中频感 应电弧炉进行合金熔炼，将熔化的合金经钢水脱氧扒渣后，再加入钒铁进行变质处理，钒铁 的加入量为0. 15%，出钢前6分钟加入为宜，钒铁可以用铁皮包好，压入炉底，当钢水温度 达到1600°C时，出炉铸造。其次，对锤头进行铸造，锤头的铸造方案采用平做立浇、顶冒口的铸造方案，当浇 注钢水还剩三分之一时，通过冒口浇入钢水，其中，温度控制在1560°C。最后，对锤头进行热处理工艺，具体为(1)预备热处理以一定加热速度将铸件加热到合适温度保温，消除或减少铸件 的化学成分偏析及组织的不均勻性并细化晶粒。所谓一定加速度具体指，中间保温温度为 550°C，保温时间为3. 5小时，最终加热温度为900°C，保温时间为5小时，加热速度控制在 1200C /h，如图2所示。(2)淬火处理在井式电阻炉中按加热规范(见图2)进行锤头的加热和保温，其 中，淬火介质为水玻璃的水溶液，先对铸件进行整体淬火，再对锤头打击部位进行二次淬 火。其中，对锤头整体淬火处理时，入水时间为5分钟，锤头表面出水温度小于250°C，以及 其中，对锤头打击部位二次淬火处理时，入水部位为锤头高度的1/3，入水时间为25秒，锤头表面出水温度小于250°C。本发明实施例中，水玻璃水溶液的配比为50%水、45%水玻 璃、5%添加剂，使用时要求控制淬火介质的温度不超过70°C。(3)中频局部回火在中频感应加热炉对锤头局部，具体地说，对锤头的安装部 位，如图3所示，进行高温回火处理，先将加热温度控制在780°C，保温时间为30分钟，再停 电炉冷到300°C再出炉空冷。(4)低温回火处理在箱式电阻炉中对锤头进行整体低温回火处理，其中，回火处 理的加热温度为300°C，保温时间为8小时。实施例3首先，按以下成分和配比进行配料=C :0. 50%, Si :1. 2%, Mn 1. 5%, Cr 3. 5%, Ni 1. 5%, Mo 1. 5%, V 0. 30%, S :0. 04%, P :0. 04%，余量为佝。然后，在中频感应电炉 或中频感应电弧炉进行合金熔炼，将熔化的合金经钢水脱氧扒渣后，再加入钒铁进行变质 处理，钒铁的加入量为0. 30%，出钢前8分钟加入为宜，钒铁可以用铁皮包好，压入炉底，当 钢水温度达到1580°C时，出炉铸造。其次，对锤头进行铸造，锤头的铸造方案采用平做立浇、顶冒口的铸造方案，当浇 注钢水还剩三分之一时，通过冒口浇入钢水，其中，浇注温度控制在1480°C。最后，对锤头进行热处理工艺，具体为(1)预备热处理以一定加热速度将铸件加热到合适温度保温，消除或减少铸件 的化学成分偏析及组织的不均勻性并细化晶粒。所谓一定加速度具体指，中间保温温度为 750°C，保温时间为5小时，最终加热温度为980°C，保温时间为10小时，加热速度控制在 500C /h，如图2所示。(2)淬火处理在井式电阻炉中按加热规范(见图2)进行锤头的加热和保温，其 中，淬火介质为水玻璃的水溶液，先对铸件进行整体淬火，再对锤头打击部位进行二次淬 火。其中，对锤头整体淬火处理时，入水时间为8分钟，锤头表面出水温度小于300°C，以及 其中，对锤头打击部位二次淬火处理时，入水部位为锤头高度的1/2，入水时间为20秒，锤 头表面出水温度小于300°C。本发明实施例中，水玻璃水溶液的配比为50%水、45%水玻 璃、5%添加剂，使用时要求控制淬火介质的温度不超过70°C。(3)中频局部回火在中频感应加热炉对锤头局部，具体地说，对锤头的安装部 位，如图3所示，进行高温回火处理，先将加热温度控制在700°C，保温时间为60分钟，再停 电炉冷到500°C再出炉空冷。(4)低温回火处理在箱式电阻炉中对锤头进行整体低温回火处理，其中，回火处 理的加热温度为350°C，保温时间为12小时。应用实施例1按照上述多元低合金化大型耐磨铸钢锤头化学成分配比及其制备工艺生产了最 大尺寸为410mm(长)*320mm(宽)*120mm(厚)、重量达90Kg的具有梯度变化性能的多元 低合金化大型耐磨铸钢锤头。锤头打击部位表面硬度为50-52HRC、安装部分表面硬度为 28-35HRC,从打击部位表面硬度到安装部分表面硬度梯度变化。该类锤头在北京一家专业 石料生产厂的1618单段锤式破碎机(常熟仕名公司生产)实际使用情况如下(1) 一般高 锰钢(ZGMnl3Crf) +堆焊锤头使用天数为45-70天，破碎石料9_15万吨，而二套具有梯度变 化性能的多元低合金化大型耐磨铸钢锤头的实际使用天数均达到110天以上，实际破碎石料量超过22万吨，与高锰钢(ZGMnl3Crf) +堆焊锤头相比，低合金锤头的实际破碎能力提高 50%以上；( 低合金锤头生产过程中破碎情况更稳定，无卡料现象，使用时减少了更换锤 头次数，工人的劳动强度明显降低，同时提高了设备的破碎效率及工作时间。因此，梯度变化性能的多元低合金化大型耐磨铸钢锤头具有明显的节能降耗效 果，推广应用具有显著的经济效益和社会效益。应用实施例2按照上述多元低合金化大型耐磨铸钢锤头化学成分配比及其制备工艺生产了最 大尺寸为460mm(长)*365mm(宽)*135mm(厚)、重量达122Kg的具有梯度变化性能的多元 低合金化大型耐磨铸钢锤头。锤头打击部位表面硬度为50-52HRC、安装部分表面硬度为 28-35HRC,从打击部位表面硬度到安装部分表面硬度梯度变化。该类锤头在海螺水泥集团 白马山水泥厂的1370单段锤式破碎机(常熟仕名公司生产)的实际使用情况如下(1) 一 般高锰钢(ZGMnl3Crf)+堆焊锤头使用天数为14-21天，破碎石料12-18万吨，而一套具有 梯度变化性能的多元低合金化大型耐磨铸钢锤头的实际使用天数均达到45天以上，实际 破碎石料量超过38万吨，与高锰钢(ZGMnl3Crf) +堆焊锤头相比，低合金锤头的实际破碎能 力提高100%以上；( 低合金锤头生产过程中破碎情况更稳定，无卡料现象，使用时减少 了更换锤头次数，工人的劳动强度明显降低，此外，还提高了设备的破碎效率及工作时间。应用实施例3由于梯度变化性能的多元低合金化大型耐磨铸钢锤头具有明显的节能降 耗效果，推广应用具有显著的经济效益和社会效益。发明人根据先易后难、先小锤 头后大锤头和先单段锤式破碎机应用后双段锤式破碎机应用的推广步骤，按照上 述多元低合金化大型耐磨铸钢锤头化学成分配比及其制备工艺生产了最大尺寸为 465mm(长)*365mm(宽)*142mm(厚)、重量达132Kg的具有梯度变化性能的多元低合金化 大型耐磨铸钢锤头。锤头打击部位表面硬度为49-52HRC、安装部分表面硬度为28-35HRC， 从打击部位表面硬度到安装部分表面硬度梯度变化。该类锤头拟在海螺水泥集团浙江一家 水泥厂的双段锤式破碎机(常熟仕名公司生产)的进行实际应用。目前装机使用的准备工 作全部完成。利用本发明制备的具有梯度变化性能的多元低合金化大型耐磨铸钢锤头与高锰 钢系列锤头比较具有下列优点(1)在冲击不足或磨料硬度不高的条件下，由于该锤头初 始硬度高或高硬度区域大，锤头的耐磨性能比高锰钢系列锤头的可提高80%以上；(2)在 强冲击或磨料硬的条件下，由于该锤头的性能呈梯度变化，保证使用过程中不出现断裂现 象、提高了锤头的使用安全性；此外，该锤头的初始硬度高或高硬度区域大，锤头的耐磨性 能比高锰钢系列锤头的可提高50%以上。因此，该锤头具有使用安全性高、耐磨性能优良和 使用范围广的优点。本发明揭示的耐磨锤头的硬度和韧性等性能呈梯度变化，请参阅图4，满足了大型 锤头的打击部位具有高硬度和一定的韧性，保证其高耐磨性；同时锤头的安装部位具有高 韧性和一定的硬度，从打击部位到安装部位具有过渡连接部分，使锤头各部分性能呈梯度 变化，从而保证使用过程中不出现断裂现象、保证锤头的使用安全性，并大幅度提高其使用
寿命ο以上所述，仅为本发明的具体实施方式
。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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围 为准。
权利要求
1.一种多元低合金化大型耐磨铸钢锤头，其特征在于构成该锤头的化学成分及其重 量百分比为C 0. 30-0. 50%, Si 0. 3-1. 2%, Mn :0. 5-1. 5%, Cr 1. 5-3. 5%, Ni :0. 3-1. 5 %, Mo 0. 3-1. 5%, V 0. 05-0. 30%, S < 0. 05%, P < 0. 05%，余量为 Fe。
2.如权利要求1所述锤头的制备工艺，主要包括下列步骤a)合金熔炼和变质处理按照锤头的化学成分要求进行合金配料，然后进行合金熔炼，将熔化的合金经钢水脱 氧扒渣后，再加入钒铁进行变质处理，当钢水温度达到1580-1620°C时，出炉铸造；b)铸造工艺锤头采用平做立浇、顶冒口的铸造方案，浇铸温度为1480°C -1560°C，浇注后期三分之 一钢水从冒口浇入。c)热处理工艺1)预备热处理以一定加热速度将锤头加热到合适温度保温，以消除或减少铸件的化 学成分偏析及组织的不均勻性并细化晶粒；2)淬火处理将锤头进行加热并保温，首先对铸件进行整体淬火，再对锤头打击部位 进行二次淬火；3)中频局部回火对锤头安装部位进行高温回火处理；4)低温回火处理对锤头进行整体低温回火处理。
3.如权利要求2所述的多元低合金化大型耐磨铸钢锤头的制备工艺，其特征在于变 质处理所用钒铁在出钢前5-8分钟加入，钒铁的加入量为0. 05-0. 30%。
4.如权利要求2所述的多元低合金化大型耐磨铸钢锤头的制备工艺，其特征在于预 备热处理采用阶段升温制度，中间保温温度为550-750°C，保温时间为2-5小时，最终加热 温度为800-980°C，保温时间为3-10小时，加热速度控制在30_120°C /h。
5.如权利要求2所述的多元低合金化大型耐磨铸钢锤头的制备工艺，其特征在于水 玻璃水溶液的配比为50%水、45%水玻璃、5%添加剂，使用时要求控制淬火介质的温度不 超过70 0C ο
6.如权利要求2所述的多元低合金化大型耐磨铸钢锤头的制备工艺，其特征在于锤 头整体淬火处理时，入水时间为2-8分钟，锤头表面出水温度小于200-300°C。
7.如权利要求2所述的多元低合金化大型耐磨铸钢锤头的制备工艺，其特征在于锤 头打击部位二次淬火处理时，入水部位为锤头高度的1/4-1/2，入水时间为5-25秒，锤头表 面出水温度小于200-300°C。
8.如权利要求2所述的多元低合金化大型耐磨铸钢锤头的制备工艺，其特征在于锤 头安装部位进行回火处理时，加热温度控制在580-780°C，保温时间为15-60分钟。
9.如权利要求8所述的多元低合金化大型耐磨铸钢锤头的制备工艺，锤头安装部位保 温15-60分钟后，其特征在于进一步包括步骤，停电炉冷到250-500°C再出炉空冷。
10.如权利要求2所述的多元低合金化大型耐磨铸钢锤头的制备工艺，其特征在于对 锤头进行整体低温回火处理时，回火处理的加热温度为200-350°C，保温时间为5-12小时。
全文摘要
本发明揭示了一种多元低合金化大型耐磨铸钢锤头，构成该锤头的化学成分及其重量百分比为C0.30-0.50％，Si0.3-1.2％，Mn0.5-1.5％，Cr1.5-3.5％，Ni0.3-1.5％，Mo0.3-1.5％，V0.05-0.30％，S＜0.05％，P＜0.05％，余量为Fe。同时，本发明还揭示了所述锤头的制备工艺；本发明揭示的耐磨锤头既使锤头的打击部位具有高硬度和一定的韧性，满足锤头的耐磨性能要求、又使锤头的安装部位具有高韧性和一定的硬度，保证锤头的使用安全性。
文档编号B02C13/28GK102115850SQ200910251698
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者张福全, 舒震, 陈焕, 陈玉祥 申请人:常熟市电力耐磨合金铸造有限公司
