CN108456826B - 高温镶铸硬质合金制造复合耐磨锤头的方法 - Google Patents

高温镶铸硬质合金制造复合耐磨锤头的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温镶铸硬质合金制造复合耐磨锤头的方法，复合耐磨锤头包括锤柄、锤头基体和镶铸在锤头基体中的硬质合金，该方法将硬质合金固定在铸型中，再将铸型加热至1100‑1250℃，随即浇注锤头基体的金属液使锤头基体与硬质合金之间形成冶金结合，冷却后脱去模壳，得到复合耐磨锤头。高温镶铸可以消除冷铁镶铸存在的缺陷，如冷隔造成镶铸合金块脱落，冷铁阻碍钢水流动与补缩，产生孔洞，阻碍气体排除造成气孔，同时也因温差大，冷却收缩时产生裂纹等缺陷，高温镶铸能使锤头基体和镶铸在锤头基体中的硬质合金产生冶金结合，从而可获得致密的铸件。

Description

高温镶铸硬质合金制造复合耐磨锤头的方法
技术领域
本发明涉及一种高温镶铸硬质合金制造复合耐磨锤头的方法，属于抗磨材料技术领域。
背景技术
破碎机锤头是接受强冲击硬物料的接触摩擦磨损工况条件下使用的一种抗磨结构材料。它是一种磨损快，消耗量大的易损件，也因其换锤频繁且麻烦，出现了多种制造复合锤头的材料和方法，但未见有高温镶铸硬质合金制造复合耐磨锤头的方法。
目前破碎机行业用的锤头材料大致有高锰钢、高铬铸铁和低合金耐磨钢等几种。高锰钢锤头的韧性好，在锤打冲击过程中不易断裂，虽然有加工硬化效果，但硬度很低，耐磨性极差。人们为了提高耐磨性，延长使用寿命，在锤头的工作面上，镶铸了钢结硬质合金棒或块及其它硬质材料，形成复合耐磨件使用。同时也有锤柄用低合金钢，锤头用高锰钢镶铸硬质合金或高铬铸铁的使用方法；更有先预制好锤柄，并将锤柄与锤头中的镶铸合金预埋好，再将锤头钢液浇入形成复合锤头的方法。在这些铸造方法中，其型腔不外乎为砂型、树脂砂型和消失模型等。这些型腔的优点是预埋合金棒或块及锤柄较方便，但它的铸造质量难以保证。因为它属于冷铁铸造，当钢水温度和浇注速度等因素不匹配时，冷态的合金棒或锤柄就相当于钢水形核的晶核，使钢水快速冷凝而结晶，阻碍钢水流动，在合金棒或锤柄的周围出现孔洞和冷隔，导致铸件报废。如果缺陷在内眼不可见的情况下，锤头在运行过程中基体被磨损时，硬质合金块或锤柄会产生脱落，不但影响使用寿命还给用户造成较大的经济损失，将破碎机损坏，造成停工停产，赔偿客户损失也是常见的事。
根据上述情况分析，为提高镶铸质量，使锤头基体能保护硬质合金不被冲击锤打脱落，硬质合金又保护基体不被过早的磨损，就是本发明的高温镶铸硬质合金制造复合耐磨锤头的方法，也就是要达到产生冶金结合的方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是，锤头基体金属液与冷态的锤柄和硬质合金浇注结合困难，硬质合金与锤头基体结合不牢，锤柄与硬质合金在锤头基体中容易脱落。
本发明的目的在于：提供一种高温镶铸硬质合金制造复合耐磨锤头的方法，使用本方法能使镶铸的锤柄和锤头中的硬质合金达到冶金结合，获得具有高强韧性和高耐磨性的复合锤头，满足各种工况条件下的使用要求。
本发明的技术方案是，提供一种高温镶铸硬质合金制造复合耐磨锤头的方法，复合耐磨锤头包括锤柄、锤头基体和镶铸在锤头基体中的硬质合金，该方法将硬质合金固定在铸型中，再将铸型加热至1100-1250℃，随即浇注锤头基体的金属液使锤头基体与硬质合金之间形成冶金结合，冷却后脱去模壳，得到复合耐磨锤头。
进一步地，所述硬质合金为碳化钛基钢结硬质合金。
进一步地，所述碳化钛基钢结硬质合金和锤头基体中均含有Mn元素。
进一步地，所述碳化钛基钢结硬质合金中的MnFe元素的重量百分比含量为4-7％，所述锤头基体由高锰钢制成。
进一步地，所述碳化钛基钢结硬质合金的原料中各成分及其重量百分比含量分别为TiC：32.0-35.0％，Cr：0.6-1.0％，Mo：0.8-1.4％，C：0.8-1.0％，MnFe合金粉：4.0-7.0％，Fe为余量。
进一步地，所述锤头基体由ZG120Mn13Cr2制成。
进一步地，利用熔模铸造实现镶铸。
进一步地，熔模铸造的模料为蜡料或泡沫塑料。
进一步地，该方法包括以下步骤：
(1)将锤柄和硬质合金预埋于蜡模中，合上蜡模，注入蜡液，蜡液凝固后开模，得到安装锤柄和硬质合金的蜡制锤头基体；
(2)制备蜡制浇冒口，将蜡制锤头基体与蜡制浇冒口组树，组树完成后制备模壳，风干；
(3)除去模壳内的蜡制锤头基体，再将脱蜡后的模壳再进行风干；
(4)将步骤(3)风干得到的模壳在1100-1250℃下煅烧20-40分钟后，随即将锤头基体的金属液浇注到模壳中，冷却后脱掉模壳，得到复合耐磨锤头。
进一步地，该方法包括以下步骤：
(1)用泡沫塑料雕刻锤头基体，预留预埋孔洞，并雕刻好浇冒口；
(2)将硬质合金安装到泡沫塑料雕刻的锤头基体中，并将锤头基体与浇冒口组树，组树完成后，制备模壳，风干；
(3)将步骤(2)风干的模壳经过煅烧脱去泡沫塑料的锤头基体，并继续升温至1100-1250℃，煅烧20-40分钟后，随即将锤头基体的金属液浇注到模壳中，冷却后脱掉模壳，得到复合耐磨锤头。
其中，当锤柄和锤头基体为不同材质时，预留锤柄和硬质合金的预埋孔洞；当锤柄和锤头基体为相同材质时，仅预留硬质合金的预埋孔洞；
进一步地，硬质合金上均连接有销钉，销钉的一端焊接在硬质合金上，销钉穿过模料并使销钉的另一端位于模具外。
下面对本发明的技术方案作进一步分析：对于镶铸的材料，锤柄选用低合金高强度钢，为预先铸造好，它的化学成分的质量分数为：C 0.32-0.38％，Mn 1.6-1.9％，Si1.45-1.75％，V 0.10-0.20％，机械性能为:σb＝1840MPa，σ0.2＝1580MPa。镶铸用合金(硬质合金)为碳化钛基钢结硬质合金棒，公司自我生产。它的成分质量分数为Cr 0.6-1.0％，Mo 0.8-1.4％，C 0.8-1.0％，MnFe粉4.0-7.0％，TiC 32.0-35.0％，Fe为余量；机械性能为：密度6.4g/㎝3，硬度HRC 63-65，抗弯强度1500-1800MPa，冲击值6.0-8.0J/㎝2。本发明选择的锤头基体材料为公知常识的ZG120Mn13Cr2，奥氏体锰钢，目的是需要它的高强度保护硬质合金，而硬质合金的高硬度来保护锰钢从而提高整体锤头的耐磨性和使用寿命。
从上述选择锤柄成分、锤头成分和钢结硬质合金的成分中可看出都含有锰元素，它们在合金中都起扩大奥氏体相区和稳定奥氏体的作用，也有利于配合锤头的后续热处理。特别是钢结硬质合金中的锰铁粉含量，它可以提高烧结过程中的合金化，降低合金的孔隙率，提高烧结体的致密度；当Mn的含量在一定量的范围(如质量分数为4-7％)内，经一千四百多度(如1400-1500℃)的真空烧结完成后，随炉冷却；产品就可获得奥氏体初晶，不需热处理烧结态的硬度高达HRC63-65，这种奥氏体初晶的组织状态很重要，因为它是单相组织，它的抗氧化性能很好，有利于高温镶铸。
本发明的制造方案，就是高温镶铸,实现高温镶铸靠模型，本发明利用熔模铸造实现高温镶铸，此过程有两种熔模铸造方式，即蜡模与塑料模。
1.蜡模铸造方式
蜡模镶铸适合于小锤头，如质量为10公斤的锤头，先将单个锤头的锤柄与要镶铸的硬质合金按图1的设计，埋入预先设计好的铝合金制作的模型中，并合好蜡模注入蜡浆，冷凝1分钟左右取出，它就是相当于一个镶铸了锤柄与合金棒的小锤头。然后将几个锤头与浇冒口组合起来(或叫组树)，进行粘砂制壳。第一层为270-300目锆英砂浆，第二层粘锆英砂粉，第三层粘200目锆英砂浆，第四层粘莫来石粉，第五层粘200目莫来石砂浆(叫封浆)，一般质量在100公斤以内的产品制壳五层就够了。蜡壳制作完成经4天风干后，送入8MPa的蒸汽脱蜡斧中脱蜡，脱蜡完成再经8-10小时风干，将风干后的模壳送入1200℃的高温煅烧炉中煅烧20-40分钟，一方面使模壳烧结增加强度，另一方面也使镶铸锤柄与硬质合金获得高温。当锤头钢水经熔炼脱氧去渣后，将高温模壳取出快速置入砂场立即进行浇注，就能获得优良冶金结合的复合耐磨锤头。
2.泡沫塑料模熔模铸造方式
本发明的第二种熔模技术是用泡沫塑料模(聚苯乙烯)，雕刻好锤头，并留下锤柄及合金棒的预埋孔洞，同时雕刻好浇冒口。当锤头锤柄为一种材质时，则更好雕刻，仅需留下预埋合金棒的孔，装上合金棒然后根据锤头的重量进行组树。当单个锤头质量在100公斤以上时，单个锤头与浇冒口组树为好；组树完成后按前述第一种蜡模制壳方式进行交替粘浆粘砂制壳，产品质量为100-300公斤锤头粘砂制壳7层，前三层为锆英砂浆或粉，后四层为莫来石砂浆或粉，粘砂制壳完成经4-5天风干后，送入高温煅烧炉中加热升温，让其烧掉塑料泡沫，当温度达到1200℃时，保温20-40分钟，即可取出浇注。
本发明优点如下：(1)选择高温镶铸的目的在于消除冷铁镶铸存在的缺陷，如冷隔造成镶铸合金块脱落，冷铁阻碍钢水流动与补缩，产生孔洞，阻碍气体排除造成气孔，同时也因温差大，冷却收缩时产生裂纹等缺陷。(2)选碳化钛钢结硬质合金作镶铸材料，是因为含贵金属少，密度低相对WC+Co类硬质合金，要低1.3倍，也就是说在相同重量的合金条件下，钢结硬质合金要多1.3倍的合金棒或块，价格也要低2倍多，所以它符合我国的产业化政策。(3)本发明选择含Mn钢结硬质合金，它的烧结态组织为奥氏体初晶，是在一千四百多度的真空高温烧结并随炉冷却而获得的奥氏体组织，它预埋入模壳中在一千二百多度高温下，不会改变组织状态，又由于其单相组织在高温下有较好的抗氧化性能，再是它的硬度较高，烧结态硬度为HRC63-65，适合于高温镶铸而不改***度，除非温度大大超过钢结合金的烧结温度，使合金中元素挥发或流失，改变了组织状态才会改***度，但这种情况是不会出现的。(4)本发明的熔模铸造实现高温镶铸有两种方式，即蜡模和塑料模，制模壳工艺简单，造价也低廉，最大的优势是实现了硬质合金与锤头基体的冶金结合，有效的利用了高锰钢基体的高强韧性，保护合金棒或块在锤打冲击过程中不脱落，又利用了硬质合金的高硬度保护锤头基体不被过早的磨损，至少延长锤头的使用寿命3倍以上。(5)模壳制作成本低，工艺简单，能获得镶铸锤头表面无飞边，光洁度高且规整的优质锤头，减少表面打磨的粉尘污染，且节约能源和人员工时费。
附图说明
图1表示本发明一种镶铸有锤柄与合金棒的复合耐磨锤头的主视示意图；
图2表示整体高锰钢锤头基体镶铸合金棒的复合耐磨锤头的主视示意图；
附图标记：1.锤柄、2.高锰钢、3.硬质合金棒、4.销钉。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明的技术解决方案，但不可理解为实施例是对技术方案的限制。
实施例1，本实施例锤头单重为10kg，该锤头锤柄采用低合金高强钢预先铸造而成，其中低合金高强钢的化学成分的质量份数为C 0.32-0.38％，Mn 1.6-1.9％，Si 1.45-1.75％，V 0.10-0.20％，余量为Fe,机械性能为σb 1840Mpa，σ0.2 1580MPa；镶铸用合金为碳化钛基钢结硬质合金TM65，其形状为棒状，尺寸为合金棒一端的中心焊有固定销钉，尺寸为均为本公司生产；其成分的质量份数为Cr0.6-1.0％，Mo0.8-1.4％，C 0.8-1.0％，MnFe粉4.0-7.0％，TiC 32.0-35.0％，余量为Fe；机械物理性能为：密度6.4g/㎝3，烧结态硬度HRC 63-65，抗弯强度1500-1800MPa，冲击韧性6.0-8.0J/㎝2；本发明选择的锤头材料为ZG120Mn13Cr2奥氏体锰钢；本发明的锤柄、锤头材料的熔炼，脱氧、造渣、铸造温度等均为现有技术，不必介绍。
本实施例是选择蜡模铸造，来实现高温镶铸；具体方法是按图1设计，将锤柄1和硬质合金棒3预埋于铝合金蜡模中，每个锤头2(即锤头基体)预埋七支合金棒(即硬质合金棒)，其中合金棒焊有销钉4的一端***铝合金模壳孔内，销钉便于制壳粘砂，然后合上铝合金模，并注入蜡液，待蜡液凝固开模取出便是形成了一个镶铸了锤柄与合金棒的完整蜡制锤头，再将几个蜡制锤头与蜡制浇冒口组合起来(本实施例为四个锤头相组或组树)，组树完成进行粘砂制壳；第一层粘270-300目的锆英砂浆，第二层粘锆英砂粉，第三层粘200目锆英砂浆，第四层粘莫来石粉，第五层封浆层粘200目莫来石砂浆；封浆后的模壳放置通风处，干燥4天，然后在8Mpa的蒸汽脱蜡斧中脱蜡，脱蜡完成再经8-10小时风干模壳，风干后的模壳送入1200℃的高温煅烧炉中煅烧20-40分钟；待锤头钢水熔炼、脱氧、除渣干净后，将高温模壳取出置入砂场立即进行浇注，镶铸锤头冷却后脱掉模壳，锯掉销钉进行热处理，检验产品合格出厂。用本发明生产的复合锤头，不仅内部质量都能产生冶金结合，而且外部质量平整光洁度高。
实施例2，整体锤头基体为高锰钢，单重110kg，锤头镶铸材料为碳化钛基钢结硬质合金TM65，形状为棒状，尺寸为和两种，棒的一端的中心焊接有定位销钉，尺寸为上述材料均为本公司生产。钢结硬质合金TM65的成分及其质量分数为：Cr 0.6-1.0％，Mo 0.8-1.4％，C 0.8-1.0％，MnFe粉4.0-7.0％，TiC 32.0-35.0％，余量为Fe；机械物理性能为：密度6.4g/㎝3，烧结态硬度HRC 63-65，抗弯强度1500-1800MPa，冲击韧性6.0-8.0J/㎝2；本发明的锤头基体材料为ZG120Mn13Cr2奥氏体锰钢；
本实施例利用泡沫塑料模实现高温镶铸。镶铸锤头的质量为110公斤，具体实施方法按图2设计方案，用泡沫塑料雕刻锤头2(即锤头基体)和锤头中预埋的硬质合金棒3的孔眼及其泡沫浇冒口，雕刻好后，将硬质合金棒3预埋，其中销钉4露出塑料模外便于制壳粘砂，这种较重锤头单个与浇冒口组合就行，组树完成后按前述第一种方式进行粘砂制壳；第一层粘270-300目锆英砂浆，第二层粘锆英砂粉，第三层粘200目锆英砂浆，第四层粘莫来石粉，第五层粘200目莫来石砂浆，第六层粘莫来石粉，第七层粘200目莫来石砂浆,封住模壳，封浆后的模壳风干4-5天，再送入高温煅烧炉中，随炉升温，塑料模随之自然烧掉，当温度达到1200℃时，保温20-40分钟，待钢水熔炼好后，取出模壳置入砂场立即浇注；即可获得内部质量为冶金结合；外部表面仅磨掉销钉就为光洁优质的复合耐磨锤头；最后锤头按公知常识进行热处理和质量检测，合格产品装箱出厂。

Claims (7)

1.一种高温镶铸硬质合金制造复合耐磨锤头的方法，复合耐磨锤头包括锤柄、锤头基体和镶铸在锤头基体中的硬质合金，其特征在于，该方法将硬质合金固定在铸型中，再将铸型加热至1100-1250℃，随即浇注锤头基体的金属液使锤头基体与硬质合金之间形成冶金结合，冷却后脱去模壳，得到复合耐磨锤头；
所述硬质合金为碳化钛基钢结硬质合金；
所述碳化钛基钢结硬质合金中的MnFe元素的重量百分比含量为4-7%，所述锤头基体由高锰钢制成；
所述锤头基体由ZG120Mn13Cr2制成；
所述模壳的结构为五层或者七层模壳结构，所述五层模壳结构为：第一层为270-300目锆英砂浆，第二层粘锆英砂粉，第三层粘200目锆英砂浆，第四层粘莫来石粉，第五层粘200目莫来石砂浆；
所述七层模壳结构为：第一层为270-300目锆英砂浆，第二层粘锆英砂粉，第三层粘200目锆英砂浆，第四层粘莫来石粉，第五层粘200目莫来石砂浆，第六层粘莫来石粉，第七层粘200目莫来石砂浆。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳化钛基钢结硬质合金和锤头基体中均含有Mn元素。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述碳化钛基钢结硬质合金的原料中各成分及其重量百分比含量分别为TiC：32.0-35.0%，Cr：0.6-1.0%，Mo ：0.8-1.4%，C：0.8-1.0%，MnFe合金粉：4.0-7.0%，Fe为余量。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用熔模铸造实现镶铸。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将锤柄和硬质合金预埋于蜡模中，合上蜡模，注入蜡液，蜡液凝固后开模，得到安装锤柄和硬质合金的蜡制锤头基体；
（2）制备蜡制浇冒口，将蜡制锤头基体与蜡制浇冒口组树，组树完成后制备模壳，风干；
（3）除去模壳内的蜡制锤头基体，再将脱蜡后的模壳再进行风干；
（4）将步骤（3）风干得到的模壳在1100-1250℃下煅烧20-40分钟后，随即将锤头基体的金属液浇注到模壳中，冷却后脱掉模壳，得到复合耐磨锤头；
所述步骤2中制备模壳的方式为多层粘砂制壳，所述砂分别为：第一层为270-300目锆英砂浆，第二层粘锆英砂粉，第三层粘200目锆英砂浆，第四层粘莫来石粉，第五层粘200目莫来石砂浆。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）用泡沫塑料雕刻锤头基体，预留预埋孔洞，并雕刻好浇冒口；
（2）将硬质合金安装到泡沫塑料雕刻的锤头基体中，并将锤头基体与浇冒口组树，组树完成后，制备模壳，风干；
（3）将步骤（2）风干的模壳经过煅烧脱去泡沫塑料的锤头基体，并继续升温至1100-1250℃，煅烧20-40分钟后，随即将锤头基体的金属液浇注到模壳中，冷却后脱掉模壳，得到复合耐磨锤头；
所述步骤2中制备模壳的方式为多层粘砂制壳，所述砂分别为：第一层为270-300目锆英砂浆，第二层粘锆英砂粉，第三层粘200目锆英砂浆，第四层粘莫来石粉，第五层粘200目莫来石砂浆，第六层粘莫来石粉，第七层粘200目莫来石砂浆。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，硬质合金上均连接有销钉，销钉的一端焊接在硬质合金上，销钉穿过模料并使销钉的另一端位于模具外。
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