双金属复合高韧性高硼高速钢锤头及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及耐磨金属材料领域，尤其涉及一种双金属复合高韧性高硼高速钢锤头及其制备方法。
【背景技术】
[0002]锤式破碎机是建材、水泥、陶瓷、冶金、矿山、电力、耐火材料和化肥等行业广泛使用的破碎机械设备，而锤头是其用于破碎物料的主要部件和大宗易磨损件，消耗量很大。锤头的工作表面与物料接触，产生高应力磨损。由于被破碎物料一般是岩石、金属矿石等坚硬物体，零件的磨损是比较严重的。通过对锤头表面微观形貌分析，锤头的磨损过程属于变形和冲蚀磨损综合作用的结果。这是由于锤头表面的高速运转，锤头的运动惯性对物料进行打击和挤压破碎。在相对运动的过程中，这些物料与零件表面相互作用，不只是滑动，还有冲击、滚动、冲刷等方式。当磨料硬度超过材料硬度，磨料的棱角将刺入材料表面使材料发生塑性流动而挤压到凹坑的四周，材料变形到一定程度，磨料粒被压碎。多个颗粒与坑周围变形材料相接触，又使之变形，发生塑性流动，加工硬化程度进一步增高。当超过材料的应变疲劳极限时形成磨削脱落。
[0003]目前供应市场的锤头材料的种类很多，最常用的是高锰钢，最初是因其硬度和耐磨性都比较高，但是现在人们发现其实不然，有些场合高锰钢锤头并不耐磨，使用寿命短，究其原因，是高锰钢要在大的冲击力的情况下才能产生高硬度的表面硬化层，而冲击力小的情况下不耐磨；还有中锰钢锤头，因其有较高的硬度和韧性，在冲击力不太大的情况下较耐用，且有磁性；超高锰钢以及改性高锰钢锤头只有在强烈撞击的场合才耐磨，有局限性；锻造低合金钢锤头硬度低，耐磨性差；高铬铸铁锤头有优良的耐磨性，但是韧性较差，易发生脆性断裂。各种材料均不能达到最理想的效果，因此寻求合理的材料，开发简单实用的工艺，在保证使用要求的前提下节省资源和能源，已成为耐磨材料领域的热点和难点。
[0004]在物料破碎生产中，对锤头的韧性和耐磨性要求都非常高。锤头整体根据工作性质不同可以划分为锤柄与锤端两部分，不同部位要求具有不同的使用性能，锤柄要求具有综合机械性能，要有一定的强度和韧性；而锤头磨损的主要部位是锤端部，因此要求锤端具有较高的耐磨性能，才能延长锤头寿命，针对所分析的锤头不同部位要求具有不同的使用性能的情况，双金属复合是解决这一问题的有效途径，为此，人们开发了各种复合锤头的制造工艺。
[0005]但现有的镶铸工艺，复合过程中要保证液固界面产生有效的冶金结合，就必须使固体表面的温度达到液相线以上，而为了同时保证工件的韧性和耐磨性能，固体部分的金属必须具有一定的比例，其比例不得大于液体部分的1/10?1/8，在镶铸锤头工艺中要达到这一比例显然是不可能的。为解决这一问题，常用的工艺方法主要有两种:一是对镶铸的固体部分浇注前进行预热，另一种是加长高温金属液对固体部分的冲刷时间。但由于浇注前的预热一般是在加热炉中进行，在合箱浇注前，将预热件取出放入到铸型中，然后合箱浇注。显然，在加热炉中加热，由于加热时间长，被加热件易氧化。另外，由于预热件从加热炉中取出到浇注，这中间的时间一般不易控制，导致复合前预热件的实际温度变化较大，无法稳定地保证复合界面的质量。而采用高温金属液对固体部分进行长时间的冲刷，加热效率低，浪费大量的高温金属，同时由于固体部分的激冷作用，在液体金属浇入铸型后靠近固体部分的液体金属立即在固体表面凝固，这层快速凝固的金属中极易出现裂纹，使用中裂纹扩散。因此采用这种工艺，在工作过程中极易出现锤端断裂和脱落掉块，不仅造成锤头本身的损坏，还可能造成重大设备及人身事故，尽管这种工艺研究较多，但真正能在生产中应用的较少。
[0006]利用具有尚硬度的尚络铸铁制作缠头的端部，用初性金属制作缠头的柄部制造的双金属复合锤头，是目前较为理想的一种，但其制作工艺还较为复杂难以保证质量。为提高金属耐磨材料的抗磨性能，满足应用要求，近年来，国内外开展了大量的研究，开发出了大量的新型高性能耐磨材料。中国发明专利CN1039267公开了一种耐磨高铬铸铁的组成及其制备工艺，该材料的化学成分(按重量百分比)为:2.9?3.2% C，0.4?0.8% Si，0.4?1.0% Μη, 1.2 ?2.0% Mo, 18.0 ?20.0%Cr, 4.0 ?5.0% V，0.8 ?1.2% Cu，0.05 ?0.5% RE，P < 0.08%，S < 0.05%，其余为铁。该耐磨高铬铸铁与普通耐磨材料相比，具有耐磨损，机械性能好，热处理工艺简单，能耗低等优点，适合于制作工作环境苛刻的耐磨零部件。但该种耐磨铸铁中含有较多的钒、钼等合金元素，生产成本高，且还存在着高温热处理时易开裂，材料的脆性大，使用中易剥落甚至开裂等不足。为了提高高铬白口铸铁的韧性，中国发明专利CN1115339公开了铬系白口铸铁复合孕育剂，该孕育剂选用对铬系白口铸铁凝固起孕育作用的C、Cr, Fe三元素的同时，通过添加S1、Mg、RE合金元素，以改变第二相形态和分布，起到对金属熔体的变质作用，在工艺上采用了孕育与变质相结合的技术路线。采用该发明可以使铬系白口铸铁的冲击功达到4.5J，使冲击韧性提高60%，断裂韧性达到32MPa.m17 2,提高30%，抗拉强度达到668MPa。但该材料的脆性仍然较大，在重载、冲击磨损工况下使用，安全可靠性较低。
[0007]硼是我国富产元素，总贮量占世界第五位。大量研究表明，在钢中加入适量硼，通过调节合金中硼含量和碳含量可以实现对硼化物体积百分数及基体含碳量的控制，使材料具有优异的耐磨性和强韧性。在白口铸铁中加入微量硼还可以细化共晶碳化物，改善碳化物的形态和分布，提高白口铸铁力学性能。在工程应用中已经证实，硼加入结构钢中可以代替一部分或全部镍、铬、锰、钼等，在汽车工业中用硼钢代替40Cr钢，其使用寿命不低于铬钢。开发以硼为主要合金元素的金属耐磨材料，使其具有良好的淬硬性和淬透性，贵重合金元素加入量少，生产成本低廉，熔炼工艺简单，成形性好，无污染，同时采用金属熔体净化和变质处理工艺，改善含硼合金材料的组织形态，使其具有良好的强韧性和耐磨性，在耐磨材料领域将具有广泛的应用前景。为此中国发明专利CN1624180公开了一种高硼铸造铁基耐磨合金及其热处理方法，该高硼铸造铁基耐磨合金的主要化学成分(重量％)为:0.15?0.70% C，0.3 ?1.9% B，0.4 ?0.8% Si，0.6 ?1.3% Μη, 0.3 ?0.80% Cr, 0.05 ?0.25%Ce，0.02 ?0.10% La，0.005 ?0.018% Ca，0.04 ?0.18% Κ，0.08 ?0.25% Α1，Ρ < 0.04%，S < 0.04%，其余为Fe。该合金经热处理后可以获得板条状马氏体加高硬度硼化物组成的复合组织，使材料具有较好的综合性能，但硼化物呈连续网状分布，使材料的脆性较大。为提高高硼合金韧性，国内外进行了大量的研究。中国发明专利CN1804091公开了铸造高硼耐磨合金的韧化方法，该方法是将化学成分为:0.30?0.35% C，1.0?1.5% B，0.6?0.8%Si，0.8?1.0% Μη, Ρ<0.04%，S<0.04%，其余为Fe、Ti和不可避免的杂质元素，其中Ti是由变质剂钛铁带入的。其韧化方法为:先将钢液熔炼并用铝脱氧后，加入变质剂钛铁合金进行变质处理，待化清扒渣后进行浇注，浇注完成后进行韧化热处理，韧化热处理温度为1020°C?1050°C，保温时间为2?3小时，然后进行淬火或正火，最后回火:变质剂钛铁合金用量为铸造高硼耐磨合金的0.75?1.0%。经韧化处理后的砂型铸造高硼耐磨合金的共晶硼化物呈孤立状分布在基体中。由于该工艺没有将硼化物变成颗粒状，仅仅是大块状分布，因此仍然存在材料的脆性大，韧性不太高，仅为12.5J，无法满足在重载、冲击磨损工况下的安全使用。
[0008]前苏联专利号SU1，447，926公开的一种“高强度和高冲击韧性高硼合金制造方法”，该高硼合金的化学成分为:0.2?0.50% C，2.1?3.5% Β，0.15?0.6% Si，0.25?
0.80% Μη, 0.2?0.80% Sb，该合金组成中含有较多的锑，将显著增加高硼合金的生产成本，且含硼量较高，合金组织中硼化物数量增加，不利于高硼合金韧性的改善。
[0009]为提高高铬铸铁的耐磨性能，降低高铬铸铁的生产成本，日本专利JP3150334-A、JP93041691-B公开了一种含硼高铬铸铁，其主要化学成分为:2.7?3.5% C，0.2?1.0%Si，0.5 ?1.5% Μη, 27 ?34% Cr, 0.5 ?2.0% Mo，0.5 ?2.0% W,彡 0.1% B，该高硼高铬铸铁经过950?1100°C正火和200?500°C回火后，硬度达到62HRC以上，冲击强度超过
0.23。由于硼含量较少，为了提高淬透性，因此在合金中加入了 0.5?2.0%Mo，且含铬量较高，增加了生产成本。
[0010]为降低生产成本，提高高铬铸铁的性能，中国发明专利CN101260497A公开了含硼高铬耐磨铸铁及其制造方法，其特征在于含硼高铬耐磨铸铁的化学成分为(重量％):2.5?3.5% C，15 ?28% Cr, 0.5 ?1.2% Si，0.5 ?1.2%Mn，0.15 ?0.3%B，0.008 ?0.03% Ca，0，03 ?0.08% Ba，0.02 ?0.05% Sr，0.03 ?0.08% A1，0.20 ?0.50% Ti, 0.02 ?0.06%La，0.02 ?0.06% Ce, P < 0.04%，S < 0.04%，其余为 Fe，且 0.05% 彡 La+Ce 彡 0.10%，
6.0 ^ Cr+C ^ 8.0。该硼高铬耐磨铸铁的制造方法为:将废钢、铬铁和生铁混合放入炉中加热熔化，铁水熔清后加入硅铁和锰铁调整成分合格后将温度升至1560?1600°C，加入硅钙合金预脱氧，预脱氧1?2分钟后，加入铝终脱氧，终脱氧1?2分钟后，加入钛铁，钛铁加入1?2分钟后，加入硼铁，硼铁加入1?2分钟后出炉；将钡硅合金、锶硅合金、铝、钛铁、硼铁和镧铈混合稀土破碎至粒度为4?10mm的小块，经150?180°C烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行变质处理，然