高钒高速钢复合锤头铸造工艺及其性能_邵抗振.pdf

高钒高速钢复合锤头铸造工艺及其性能邵抗振1赵俊丽2(1.郑州机械研究所;2.郑州煤矿机械集团有限责任公司)摘要采用固液双金属复合铸造的方法制造了高钒高速钢/碳钢复合锤头,研究了锤柄在不同处理条件下的复合情况。结果表明,锤柄经过酸洗处理以后复合效果良好,能够实现冶金结合;而锤柄经过机械方法除锈或不处理,锤柄和锤头的复合不好。经过酸洗工艺生产的高钒高速钢复合锤头硬度满足要求,使用效果良好。关键词双金属复合;高钒高速钢;复合锤头;冶金结合中图分类号TB331文献标志码A 文章编号1001-2249(2009)08-0748-03DOI:10.3870/tzzz.2009.08.019收稿日期:2008-09-11;修改稿收到日期:2009-03-10第一作者简介:邵抗振,男,1980 年出生,工程师,郑州机械研究所精密铸造研究室,郑州(450052),电话:[phone],E-mail:锤式破碎机在矿山、冶金、水泥及建材等行业应用广泛,而锤头作为破碎机上的关键零部件,是易损件之一,其消耗量很大。长期以来,为了改善锤头的耐磨性能,延长锤头的使用寿命,减少设备的停机次数和检修时间,人们从改变锤头的材质方面做了深入的研究,材料也从高锰钢发展到高铬铸铁,耐磨性有了很大的提高 1,2。国内有研究机构开发出了新一代高钒高耐磨合金锤头,耐磨性是高铬铸铁的 3倍以上 3。目前复合锤头的生产工艺主要是镶铸、双液双金属复合和固液双金属复合。本课题从改变复合工艺方面进行试验,采用多种固/液双金属复合铸造工艺,通过对比研究,选出了一种最佳的复合工艺,为固/液双金属复合锤头在生产和应用上取得更好的经济效益奠定了基础。1 试验条件1.1复合锤头的化学成分在破碎的过程中,锤头既要满足强度和耐磨性的要求,又要满足韧性的要求,因此试验选用 ZG35 碳钢作为锤柄材料,高钒高速钢作为锤头的外层复合材料,材料的化学成分见表 1。表 1材料的化学成分%材料wBCSiMnPSCrMoCuV高钒高速钢2.300.881.32 0.05 0.055.450.960.608.10ZG350.32 0.420.20 0.450.50 0.80 0.05 0.05-1.2工艺设计试验采用固液双金属复合铸造工艺,浇注前把锤柄固定在铸造型腔要求的部位,当浇注完毕,液态金属在充满型腔的同时,也紧密包覆在固态锤柄的周围。包覆层在随后的液态降温、凝固和固态冷却过程中,释放出大量的热(Q=Q液+Q凝+Q固)4。这些热量,一部分被铸型吸收并通过铸型散失,另一部分则被锤柄吸收并使之温度升高,利用金属液的热量,在铸件凝固时,使耐磨材料和基体结合在一起。为了使锤柄能接近固相线温度,有利于结合,在浇注前要先把锤柄预热到一定的温度。在试验过程中,锤柄的复合部位采用 3 种不同的处理方法:用一定浓度的盐酸清洗一段时间;用机械方法除去表面的氧化皮;表面不处理。将以上 3 种不同方法处理的锤柄分成 3 组进行试验,将 3 组锤柄同时预热到 300 左右,放入铸型中相应的位置,见图 1。图 1造型示意图1.3 熔炼浇注熔炼高钒高速钢的主要合金原料有钒铁、铬铁、钼铁,由于 V 在600 以上极易被氧化,为防止 V 等合金元素的氧化,V 等合金元素应在熔化后期加入,加钒铁前进行预脱氧,加钒铁后尽量减少高温停留时间。为提高 V 的吸收率,出炉前加入 0.1%的纯铝进行终脱氧,再以包底冲入法操作进行稀土变质处理,这样可以改善碳化物的形态,使 VC 趋于球形或近似球形。合箱后立刻快速浇入高钒高速钢水,浇注温度在 1 500 1 600748复 合 材 料特种铸造及有色合金2009年第 29 卷第 8期 之间。1.4热处理工艺高钒高速钢的热处理工艺与其化学成分密切相关,V、C 含量不同,热处理工艺也不尽相同,其热处理工艺见图2 3,其中 t1和 t2可根据锤头的大小、使用工况来确定。图 2高钒高速钢锤头的淬火、回火工艺2 试验结果与分析2.1锤柄表面处理工艺对结合状况的影响将表面质量完好的锤头的复合部位用线切割的方法解剖,发现第 1 组酸洗的锤头复合很好(见图 3a),结合处形成了良好的冶金结合。第 2 组机械除氧化皮的锤头,90%复合较好,仅有少部分有明显的缝隙没有结合(见图 3b)。第 3 组复合效果最差,仅有少部分复合较好,其余部分界面出现很多夹杂(见图 3c)。(a)第 1 组(b)第 2 组(c)第 3 组图 3不同工艺高钒高速钢锤头结合情况一般情况下,锤柄表面会有铁锈,在复合的过程中,铁锈正好处于扩散层的位置,在复合层金属和锤柄之间形成了一层隔层,阻止了两种金属之间的扩散,不利于结合。通过打磨清理后,就可以把铁锈清理掉,但是由于锤柄表面凸凹不平,在机械清理的过程中,会有部分区域清理不掉,因此,会有少部分结合较差。经过酸洗以后,锤柄上的铁锈会被完全清理掉,提高了界面的洁净度,有利于两种材料的结合。2.2高钒高速钢锤头的显微组织与硬度2.2.1 高钒高速钢锤头的显微组织高钒高速钢锤头的显微组织为碳化物(主要是VC)和金属基体(主要是马氏体)。由图 4 可以看出,大量VC 弥散分布在金属基体上,其形态主要有团球状、短杆状和团块状,VC 的形态和分布增加了锤头的耐磨性。除了 VC,高钒高速钢组织中还有少量以 Cr 和 Mo 为主的碳化物(M7C3),M7C3是晶间分布的共晶碳化物。(a)高钒高速钢组织,低倍(b)高钒高速钢组织,高倍图 4高钒高速钢锤头的显微组织(SEM)2.2.2高钒高速钢锤头的硬度高钒高速钢组织中存在大量的 VC,其显微硬度(HV)为2 600 2 800 5,比高铬铸铁中 M7C3碳化物的硬度(HV1 200 1 800 6)高出许多。分别对 3组高钒高速钢复合锤头试样进行硬度测定,并与高铬铸铁锤头硬度对比。试验所用硬度仪是 HL-80里氏硬度仪,试验时在试样不同的部位测量 5个点,取平均值,结果见表2。表 2高钒高速钢锤头和高铬铸铁锤头的硬度试样硬度值(HRC)平均值高钒高速钢复合锤头 1 号63.564.565.061.863.763.7高钒高速钢复合锤头 2 号65.164.464.162.563.864.0高钒高速钢复合锤头 3 号60.359.358.561.060.860.0高铬铸铁复合锤头59.558.656.558.458.758.32.3 冶金结合复合界面的微观形貌与硬度分布2.3.1冶金结合复合界面的微观形貌取复合完好的第 1 组锤头,在复合界面处用线切割的方法取样,试样尺寸为 20 mm 20 mm 15 mm,试样经过预磨和抛光,然后在 JSM-5610LV 型扫描电镜上进行面扫描,并对铸态组织进行观察。图 5 为复合界(a)复合界面低倍组织(b)复合界面高倍组织图 5高钒高速钢复合锤头界面显微组织749高钒高速钢复合锤头铸造工艺及其性能 邵抗振 等面微观形貌。图 5中左部是高钒高速钢组织,右部是低碳钢,中间是结合界面。由于复合表面发生了熔融和相互渗透,组织致密,界面呈现良好的冶金结合状态。2.3.2 冶金结合复合界面的显微硬度分布用 HVS-1000 数显显微硬度仪测定复合界面附近的显微硬度,载荷为 1.96 N,结果见图 6。由图 6 可以看出,临近复合界面高钒高速钢一侧的显微硬度值(HV)在1 000左右,而低碳钢的显微硬度(HV)均在350 以下,结合界面两侧显微硬度差别很大。而在两者之间,显微硬度(HV)从1 000逐步降至 350,界面中心部位的显微硬度(HV)在 600 左右。图 6高钒高速钢与低碳钢复合界面显微硬度分布2.4装机试验结果装机试验是在浙江平湖第一建材机械厂的 NP-125系列破碎机上进行的。试验过程中,把高钒高速钢复合锤头和高铬铸铁锤头混装在一台破碎机上,一套 15 件,每个锤头的质量是 60 kg。试验结果见表 3,可以看出,高钒高速钢复合锤头的耐磨性是高铬铸铁的 3 倍以上。表 3锤头装机试验结果锤头种类每副锤头破碎的水泥/(105t)相对耐磨性高钒高速钢(V8)20.373.39高铬铸铁(Cr20)6.0113 讨论高钒高速钢复合锤头与高铬铸铁锤头相比,具有优良的耐磨性,主要有以下原因:VC 形态好,经变质处理后,其形状多为团球状和团块状(见图 4),而且呈离散分布,与呈板条状和杆状的 Cr7C3相比,既有利于提高冲击韧度,又有利于提高耐磨性;VC 硬度高,在较高的应力下不易破碎,既可以很好的保护基体,又能够有效地抵挡物料的切削;基体硬度高,高钒高速钢经1 050 淬火,550 回火的基体组织为马氏体和残余奥氏体,高钒高速钢锤头工作层的硬度(HRC)可达64.5,较高的硬度对耐磨性有利。4 结论(1)采用酸洗工艺对锤柄进行预处理,可以获得复合良好的耐磨锤头,硬度也满足要求。(2)高钒高速钢复合锤头具有良好的耐磨性,是高铬铸铁锤头的 3 倍以上。参考文献 1 金旭多.一种锤头的双金属复合铸造方法 J.铸造,1997(3):45-46.2 赵海军.镶铸式复合锤头的研制及应用 J.矿山机械,2003(7):17-19.3 魏世忠,龙锐.高钒高耐磨合金锤头的研制及使用 J.水泥,2001(8):31-33.4 姚三九,刘卫华.白口铸铁/碳钢液固复合铸造研究 J.铸造,2001(8):485-488.5 中国机械工程学会铸造分会编.铸铁手册 M.北京:机械工业出版社,2002.6 MCMANUS G J.Speedy advance predicted for high speed steel rolls J.Iron and Steel Engineer,1999(3):59-60.(编辑:刘 卫)诚达国际及商菱投资 3000 万美元注资永冠铸造据外电报道,韩国首尔投资机构 STIC Investments(诚达国际投资有限公司,Stic Investments Inc.)和 MC Cap-ital(亚洲商菱投资有限公司,MC Capital Asia Ltd.)日前向铸造零件供应商永冠铸造工厂股份有限公司(以下称“永冠”)注资 3000 万美元,获其约 30%的股权。其中 STICInvestments 出资 2000 万美元,MC Capital 出资 1000 万美元。该笔投资将主要用于增加永冠的产能及添置新的生产设备。STIC Investments 首席执行官 Kevin Lim 表示,永冠的铸件产品结构多元化,包括注坯模型、蒸汽轮机、风力发电机等,产品也更有吸引力,从而受金融危机影响很小。永冠成立于 1971 年夏天,自台湾设厂迄今已有近 30年,作为一个历史悠久的专业铸造厂,专业生产球状石墨铸铁及灰口铸铁,主要用于风力发电机、汽涡轮机、射出成型、压铸、汽车模具、产业机械的铸件。现有台湾桃园、广东东莞、宁波永祥、宁波陆霖及江苏钢锐五厂,合计月产铸件10 000 t以上,年营业额约 1.5 亿美元。今年 3月,韩国知识经济部承诺向 STIC Asia Mid-market Private Equity Fund II 注资 2000 万美元。该基金的目标规模达 5 亿美元,主要关注韩国的民营中小企业和与韩国有关或有意赴韩国寻求投资机会的亚洲公司。MC Capital 是日本最大的贸易公司三菱商事股份有限公司旗下的私募股权投资机构,通过对经济增长显著的中国、中国香港、中国台湾地区的未上市企业进行投资获取高额收益。MC Capital旗下管理着三菱亚洲私募投资基金(MC Capital Asia Pacific Private Equity Fund)和公司的自有基金。截至今年 4 月,该公司已经投资了逾 85 家企业,并支持其中的 26 家上市。(摘自 FSC网)750特种铸造及有色合金2009 年第 29 卷第 8 期 the desirable bonding between SiC particle and matrixalloy,which is responsible for the excellent mechani-cal properties of the composites sheet.Key Words:Heat Resistant Alloy,Composites,Spray-deposition,Hot Working,Mechanical PropertiesEffects of Sliding Speed on Dry Sliding Wear Propertiesof Al2O3-SiO2(sf)/AZ91D Composites Liu Guanjun,MaXiaoqin,Ma Lijie,Kong Xiaohong,Hu Zhigang,YuZetong(Department of Mechanical and Electronic En-gineering,Henan Institute of Science and Technolo-gy,Xinxiang,China)2009,29(8)0745 0747Abstract:Magnesiumalloymatrixcomposites(MMCs)with volumetric fraction of 15%,20%,25%and 30%were prepared with the preform made ofcrystallized aluminum silicate short fibers as reinforce-ment and aluminum phosphate as binder by squeezingcasting at high temperature.Dry sliding wear proper-ties of the composites were tested by using MM200wear tester(block-on-ring configuration)against ahardened alloy steel counterface with hardness of53H RC under loads of 10,20,30,40 and 50N andsliding velocities of 0.47 and 0.92 m/s,and wear mor-phology of the specimens was observed by SEM(scan-ning electron microscope).The results reveal thateffects of sliding speed on wear rate of the compositesare higher and more complex than on those of theAZ91D matrix alloy,which is closely related to notonly volumetric fraction in the composites but also ap-plied loads.Key Words:Aluminum Silicate Fiber,AZ91D Magnesi-um Alloy,Magnesium MatrixComposites,SlidingSpeed,Wear RateHigh Speed Steel Compound Hammerhead and Its Per-formance Shao Kangzhen1,Zhao Junli2(1.Zheng-zhou Research Institute of Mechanical Engineering,Zhengzhou,China;2.Zhengzhou Coal Mining Ma-chinery Group Co.,Ltd.,Zhengzhou,China)2009,29(8)0748 0750Abstract:High vanadium high speed steel/carbon steelcompound hammerhead was produced by liquid-solidbimetal compound method,and effects of differenttreatment conditions on compound role of hammerhandle were described.The results indicate that fullymetallurgical bonding in hammer handle treated byacid washing can be observed,exhibiting desirablecompound effects,while it can not be observed in thehammer handle treated by mechanical rust-removal ortreated-free.Hardness of high vanadium high speedsteel/carbon steel hammer head treated by acid wash-ing can fully meet the requirements,showing desirableworking performance.Key Words:Bimetal Compound,High Vanadium HighSpeed Steel,Compound Hammerhead,MetallurgicalBondingGrowth Behavior of SCN-5%Ethanol Model Alloy inUltrasonic Vibration Dong Huiying,Chen Changle,Duan Mengmeng(Shaanxi Key Laboratory of Con-densed Matter Structures and Properties,Northwest-ern Polytechnical University,Xi an,China)2009,29(8)0751 0754Abstract:Effects of ultrasonic vibration on morpholo-gy evolution of solid-liquid interface of SCN-5%etha-nol model alloy were observed during directional solid-ification.The results show that the growth of inter-face morphology of the model alloy can be restrainedas a result of ultrasonic field restricting solidified ve-locity during directional solidification.Grain size inthe alloy can be refined with applying-unloading ultra-sonic field resulting from the increase of interface tip.In addition,ultrasonic field can increase nucleationrate as a result of creation and grow th of bubbles tomerging and collapsing,resulting in the refinement ofgrain size in the model alloy.Key Words:Ultrasonic Vibration,Solidification,Mod-el Alloy,Real-time ObservationDelayed Phenomenon of Peritectic Reaction Under Non-equilibrium Cooling Sun Jianjun1,2,Tian Xuelei1,XiaJimei2(1.Key Laboratory of Liquid Structure andHeredity of Materials,Ministry of Education,Shan-dong University,Jinan,China;2.Shandong LabourVocational and Technology College,Jinan,China)2009,29(8)0754 0756Abstract:Peritectic reaction temperatures of Al-Ni al-loys and Sn-Sb alloys were measured by DSC.With agiven cooling rate,peritectic reaction temperature ofAl-Ni alloys is serious delayed,while that of Sn-Sb al-loys is nearly equal with equilibrium reaction tempera-tures,which is closely related to the structural differ-ence of primary phase and peritectic phase.With dif-ferent structure between primary phase and peritectic