双金属复合锤头的消失模铸造工艺

摘要：从锤头材质选择、复合工艺设计和热处理工艺等方面研究双金属复合锤头的铸造工艺技术。结果表明，采用镶铸工艺时，液态-固态体积比大于8∶1，其结合面牢固，结合质量良好。用消失模生产双金属复合锤头，工艺技术简单，产品生产成本低，成品率高，使用寿命为高锰钢的3~4倍。

关键词:锤头；镶铸工艺；双金属；消失模铸造；热处理

中图分类号：TG2文献标识码： A 文章编号：

前言

锤头是建材、矿山、化工等行业使用的锤式破碎机上的关键配件, 也是易损件。传统锤头多以高锰钢铸造, 利用高锰钢在受到冲击载荷下发生加工硬化的特点来提高耐磨性, 但其耐磨性远不适于高效低耗的现代化生产需要[1-2]。由于锤头寿命短而频繁停机更换, 降低了设备运转率, 故有必要寻求一种新材料新工艺, 以提高锤头的性能和使用寿命。双金属复合锤头锤柄采用韧性良好的材质, 锤端采用耐磨性良好的材质, 并采用一定的生产工艺将两者有机地结合起来, 使锤头同时满足韧性和耐磨性的要求。

一、复合锤头材质的设计

锤头的失效主要是在工作状态下高速旋转,与物料发生猛烈碰撞, 工作部位受到强烈冲击磨损。因此, 锤柄只需较高的强韧性。锤头的传统材质高锰钢是一种纯奥氏体组织耐磨钢, 具有出色的力学性能, 其抗拉强度可以达到1000MPa 以上, 伸长率最高可以达到100%,冲击韧度达到300J/cm2, 硬度可达200HB 左右。高铬铸铁是一种优良的耐磨材料, 但具有较低的强韧性, 冲击韧度一般只有5～7 J /cm2, 受到冲击时易发生断裂。因此以高铬铸铁为工作端硬质点, 以高锰钢作为支撑相和锤柄。采用高铬铸铁和高锰钢生产双金属复合锤头, 使其接合面为冶金结合, 可以更好地满足锤头的要求。组成锤头的两种材料的化学成分如表1 所示。

二、试验方法

熔炼锤头材料的设备为1.0 t中频感应炉。用自制电阻丝切割机制作聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）模样，混制涂料设备为球磨搅拌机，五面壁抽式专用砂箱，一维振动台振实型砂，远红外烘烤房烘烤模样，SK-20水环式真空泵系统抽真空，RT2-220-12台车式热处理炉进行锤头热处理。

三、结果与分析

1、锤头材料选择及复合工艺设计

2.1 材料选择

头部材质要求具有高耐磨性，且有良好的抗冲击性，这两点决定了其使用寿命。高铬铸铁是第3代耐磨材料，是目前国内外耐磨性能良好的材料，广泛应用于研磨体的生产。试验选用高铬铸铁为锤头的头部材质，化学成分的质量分数为：2.70%~3.00%C，0.60%~1.00%Si，1.00%~1.50%Mn，16.0%~18.0% Cr，0.80%~1.00% Cu，0.50%~0.70%Mo，S≤0.06%，P≤0.10%。柄部材料对耐磨性要求不高，但要求有较高的韧性，以保证工作时不断裂。柄部的材质选用中碳钢，化学成分的质量分数为0.42%~0.46%C，0.30%~0.50%Si，0.50%~0.80%Mn，P≤0.04%，S≤0.04%。

2.2复合工艺设计

用消失模铸造的方法，将头部的高铬铸铁（液体）和柄部的碳钢（固体）有效地结合为双金属复合锤头。锤头的复合铸造模型，如图1所示。双金属复合铸造的液体金属体积与固体金属体积比为5∶1，两种金属的结合形式为机械结合；当体积比为8∶1，结合牢固形成良好结合；当体积比为10∶1，属于冶金结合，结合面极其牢固。经过实验确定头部液体金属体积为7 432 cm3，柄部复合部位固体金属体积为858 cm3，两种金属体积比为8.7∶1，符合结合牢固的要求。

2.3浇注系统确定

2.3.1 柄部浇注系统

柄部截面厚为40~50 mm，毛坯质量为24.8 kg。由于柄部壁厚均匀，消失模铸造在真空浇注下具有金属液体补缩性能良好等特性，柄部不设冒口。浇注方式为水平放置，浇注系统为开放式。

2.3.2 头部浇注系统

头部截面厚为35~130 mm，质量为57.2 kg。由于柄部复合部位为固体金属，在头部液体中起到内冷铁作用，设计冒口时可以变小，提高铸件的出品率。选择冒口尺寸为：直径120 mm，高130 mm。冒口根部尺寸为：长90 mm，宽40 mm，高30 mm。在距铸件表面3mm处，四周切割深为5 mm V型缺口，以便锤击去除冒口。冒口质量为12 kg。浇注方式为竖立放置，浇注系统为开放式。采用该浇注系统，铸件成品率100%，确保了锤头内在质量。

2.4 泡沫塑料模样制作工艺

头部和柄部的模型均采用聚苯乙烯泡沫塑料制作。确定泡沫塑料密度很重要，较高的密度增加模样的刚度，防止在刷涂料、组模和装箱填砂时模型发生变形，而过大的密度会增加气孔、夹渣等缺陷。经过试验确定泡沫塑料密度为0.018~0.020 g/cm3。头部和柄部模型铸造缩率均为2.0%。用电阻丝切割机切割泡沫塑料模型。用泡沫专用胶粘结模型，尽量减少用胶量以防止产生过多的气体和残渣。柄部模型复合部位打磨成圆角过渡，以防铸件产生裂纹。

2.5涂料及涂敷工艺

涂料的耐火骨料为53 μm的石英粉，粘结剂采用白乳胶，悬浮剂为纤维素，溶剂为水。将这些物料按一定比例加入球磨搅拌机内搅拌4 h出料。每层涂料经55~58 ℃烘干后再刷一层厚为1~2 mm的涂料。

2.6 模型装箱和紧实

为提高双金属结合面的质量，先铸成的柄部铸件，外表应无氧化皮、铁锈、油污和砂粒。结合面不许有尖角存在，防止产生应力而出现裂纹缺陷。将清理好的柄部铸件插入头部模型的预留孔内，复验锤头旋转部位尺寸应符合222 mm，粘结浇、冒口。然后用白乳胶和纸质材料封堵缝隙，涂刷涂料。将组装好的锤头模型放入烘烤房烘干。壁抽气式砂箱尺寸为2 100 mm×1 100 mm×800mm，型砂使用850～425 μm 石英砂，砂箱底部铺放200 mm厚的干砂，经振动紧实后，再放入组装好的锤头模型，竖立放置。

2.7 浇注工艺

头部材料在1.0 t中频炉内熔炼，高铬铸铁铁液出炉温度为1 480~1 500 ℃，浇注温度为1 400~1 420 ℃。采用1.0 t底注包浇注，一包铁液浇注两个砂箱铸件。浇注时，负压控制在0.04~0.05 MPa。开始浇注速度不宜太快，避免铁液反喷，中间应加大浇注速度，保持浇口杯中存在一定量的铁液，当铁液上升到冒口部位时，则降低浇注速度以便补缩。浇注结束后，维持0.03MPa负压35 min，然后关闭真空泵。铸件在砂箱内保温8 h后出箱。

2.8 浇冒口的清除

采用锤击方式去除铸件的浇冒口，冒口根部的多余量用臂式砂轮机磨除，打磨时用力不宜过大，以防铸件磨面发生微裂纹。

2.9锤头使用效果

实验采用两台锤式破碎机, 对结合好的双金属复合锤头与高锰钢锤头进行对比, 破碎机转速为750 r/min, 电机功率为130 kW,破碎物料为石灰石。实际使用结果表明, 双金属复合锤头比高锰钢锤头的耐磨性提高了3~4 倍。在运行了7h以后, 从外观上可以看到高锰钢锤头的一个角已磨掉, 而高铬铸铁锤头磨损不严重, 仅在表面有小的凹坑, 没有出现脱落现象。

结束语

采用消失模铸造工艺制造出的双金属锤头与高锰钢锤头相比, 耐磨性提高了3~4 倍。虽然双金属抗磨锤头的铸造工艺比较复杂, 影响的因素很多, 但只要严格的控制生产过程, 可以获得质量优良的产品。

参考文献

[1]郭永亮，吕建军，郭在在，等. 铸钢电石坩埚的消失模铸造工艺［J］. 兵器材料科学与工程，2012，35（3）：72.

[2]冯朝跃.双金属锤头的生产及应用［J］.铸造，2000，49（9）：561.

[3]郭长庆. 多元合金化复合变质处理对高铬铸铁锤头组织和性能的影响[J].铸造, 2010, 5: 482-485.