原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法及锤头的制作方法
专利名称:原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法及锤头的制作方法
技术领域：
本发明属于金属基复合材料工件制备技术领域：
，特别是涉及一种制造高耐磨长寿命锤式破碎机锤头的方法。
背景技术：
锤式破碎机是一种直接将最大粒度为600 1800毫米的物料破碎至25或25毫米以下的破碎用破碎机，被破碎物料为矿石、煤、盐、白垩、石膏、砖瓦、石灰石等。由于锤式破碎机广泛应用于选矿、建材、化工、电力、冶金等工业部门，其工作量及其繁重，且工作条件及其苛刻，锤式破碎机的核心零部件是耐磨件锤头，锤头是其主要的易磨损件，消耗量极大，因此锤头的质量直接影响破碎机的生产成本和工作效率。
现有技术中，破碎机锤头大部分使用高锰钢或锻钢材质，其耐磨性不高，锤头更换频繁。在高锰钢中加入Cr等元素，可使锤头大大强化，但在破碎铁矿石等一些比较坚毅的石头时，使用寿命相比于普通的高锰钢材质锤头提高有限，此外，还出现了镶嵌钨钛合金或高铬合金的复合锤头，但由于工艺复杂、材料成本过高性价比低等问题制约了其推广应用。一般来说，硬度越大的锤头其耐磨性也愈大。要提高锤头的耐磨性，就要增加其硬度，但随着硬度的提高，锤头的抗冲击韧性就会降低。因此，如何兼顾锤头适宜的硬度和良好的抗冲击韧性是提高锤头耐磨性的关键。
CN1307017C的中国专利公开了一种复合材料锤头及其铸造方法，首先采用电炉熔炼金属母体材料形成金属液，然后将WC颗粒与粘结剂混制成膏状并置于锤头模具的型腔的端面侧，烘干后形成预制层，启动立式离心铸机控制其转速，然后进行金属液浇注，浇注完毕后将立式离心铸机的转速提高，转动3-10min，停机冷却即可，此方法成型简单，由于复合材料层中陶瓷颗粒的高硬度与高耐磨性，保护了基体免于进一步磨损，但是通过此方法铸造的锤头用于某些大型粉碎设备时，需要承受物料强烈的冲击作用，使得锤头在实际运行过程中往往发生复合材料层与金属母体发生分离，造成锤头过早失效。公开号为CN102000621A的中国专利公开描述了一种破碎机锤头，其包括锤柄和锤端，锤柄用钢板经切割与切削加工制作，锤端采用合金高铬铸铁经金属模复合铸造在锤柄上成整体锤头，在复合过程中镶铸硬质合金棒。此方法的缺点是铸造工艺十分复杂繁琐，且利用此方法制造出来的锤头，应用范围很窄，仅适用于破碎石英类岩石的破碎机。
发明内容
TiC和WC莫氏硬度为9. 5和9.0，是所有已知碳化物中硬度最高的，TiC、WC基硬质合金具有高硬度、高耐磨性的特点。本发明的目的是利用钢液的高温引发自蔓延合成反应，得到包含有原位合成碳化钛和碳化钨基钢结硬质合金块的锤头，硬质合金块镶嵌在锤头工作面钢基体中，充分发挥硬质合金耐磨和合金钢耐冲击的复合优势，起到耐磨耐冲击提高锤头寿命的作用，此外还具有工艺简单、成本低、生产效率高等优点。
为实现上述目的，本发明提供了一种原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其采用以下技术方案
—种原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，包括使用钢液对锤头模型进行浇注，并包含以下步骤
(I)将钛(Ti)粉、石墨粉、钨(W)粉和金属粉末按质量比13-70% 3-25% 5-75% 2. 5-40%进行配料，在球磨机中混合1-24小时制成混合粉末；
(2)然后在混合粉末中按质量比为O. 01-0. I 1的比例加入粘结剂，搅拌混匀制成粉末涂料膏剂；
(3)采用涂抹填充方式将粉末涂料膏剂填充在事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部分的补强沟槽或孔洞内，沟槽或孔洞深度为5-200mm，沟槽宽度5_30mm，孔洞直径 5_30mm ；
(4)将制备好的铸件模型外涂挂一层防粘砂涂料，在40_50°C温度范围内烘干，烘干时间为12-48小时；
(5)在中频感应电炉中熔炼钢水，然后进行浇注，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应Ti+C — TiC, W+C — WC,形成TiC+WC基硬质相；钢液填充硬质相间隙形成含有碳化钨和碳化钛的钢结补强硬质合金块或硬质合金柱体；
(6)锤头进行热处理，冷却到室温后进行表面清理、打磨，即得原位钢结硬质合金铸造复合锤头。
其中，铸造过程采用真空消失模铸造工艺。
自蔓延高温合成(Self-propagating High-temperature Synthesis,缩写 SHS)，是利用化学反应自身放热制备材料的新技术，其最显著的特点是充分利用元素间形成化合物的高能放热反应，除了引发合成反应所必须的少量外加能量，整个反应过程主要依靠物料自身的放热来支持。
如上所述的方法，其浇注的钢液即钢基体材料为高锰钢、中锰钢、碳钢、高铬铸铁钢或其他合金钢中的任意一种。
优选的是，浇注的钢液为高铬铸铁钢。
如上所述的方法，其金属粉末包括Ni、Cr、Si、B、Co、Cu和Fe中的任意组合。
优选的是，金属粉末组份及其质量比为Ni :0-60%, Cr :0-30%, Si :0-11%, B 0-8%, Co :0-20%, Cu0-10%，其余为 Fe。
如上所述的方法，Ti粉粒度1-20 μ m、石墨粉粒度l_20ym、W粉粒度1-8μπκ金属粉末粒度:1-180 μ m。
如上所述的方法，其粘结剂为橡胶汽油溶液、聚乙二醇水溶液或聚乙烯醇水溶液中的任意一种。
优选的是，粘结剂为浓度10%wt的橡胶汽油溶液。
更优选的是，粘结剂为浓度10%wt的分子量为6000的聚乙二醇水溶液。
最优选的是，粘结剂为浓度8%wt的聚乙烯醇水溶液。
如上所述的方法，其防粘砂涂料为镁砂粉。
通过如上所述的方法，得到钢结硬质合金铸造复合锤头，包含补强硬质合金部分和钢基体组织部分，补强硬质合金槽或孔洞深度为5-200mm，沟槽宽度5_30mm，孔洞直径5-30mm。合金部分由钢基体组织(即纯钢液形成的部分)及分布其上的TiC颗粒、WC颗粒和合金碳化物组成，其中TiC颗粒体积百分数为10-80%，WC颗粒体积百分数为0-40%，合金碳化物体积百分数为1_15%，其余为钢基体组织，合金涂层硬度HRC50-75。
使用原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头方法制造的整体式硬质合金复合高铬铸铁锤头，其工作部分存在填充有补强硬质合金的孔洞或至少I条填充有硬质合金的补强沟槽。
如上所述的锤头，其钢基体组织材料为高铬铸铁。
使用原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头方法制造的分体锤把式硬质合金复合高铬铸铁锤头，其工作部分存在填充有补强硬质合金的孔洞或至少I条填充有硬质合金的补强沟槽。
如上所述的锤头，其钢基体组织材料为高铬铸铁，锤把为高锰钢、碳钢或合金钢中的任意一种。
使用原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头方法制造的整体捶把式硬质合金复合锤头，其工作部分存在填充有补强硬质合金的孔洞或至少I条填充有硬质合金的补强沟槽。
如上所述的锤头，其钢基体组织材料为高锰钢或合金钢。
如上所述的锤头，补强硬质合金沟槽宽度5-30mm,孔洞直径5_30mm。
本发明的优点在于铸件的表面质量好，硬质合金与铸件结合牢固，在使用过程中具有高耐磨性、耐冲击、耐磨合金不脱落，并且工艺简单，成本较低，适于工业化生产。
I、钢基体组织部分；2、补强硬质合金部分；3、捶把；
图I为本发明所提供的方法铸造的整体式硬质合金复合高铬铸铁锤头结构示意图；
图2为本发明所提供的方法铸造的分体锤把式硬质合金复合高铬铸铁锤头结构示意图；
图3为本发明所提供的方法铸造的整体锤把式硬质合金复合锤头结构示意图。
具体实施方式
实施例I :
步骤I :称取平均粒度为5 μ m的Ti粉O. 5kg，5 μ m的石墨粉O. 2kg，3-4. 5 μ m的W 粉 O. 2 kg 和 2-20 μ m 的金属粉末(Ni 60%wt, Cr 5% wt, Cu 5% wt, B 3% wt,其余为Fe) O. 2kg,在球磨机中混合4个小时；
步骤2 :在混合粉末中加入50g聚乙烯醇(浓度8%wt)水溶液，搅拌混匀制成粉末涂料骨剂；
步骤3 :事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部位割出5条20mm宽，深60mm的槽的,将粉末涂料膏剂填充在沟槽内；
步骤4 :外挂约2mm厚的镁砂粉防粘砂涂料，在45°C干燥36小时；
步骤5 :组装浇注装置，熔炼高铬铸铁钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1400—1500 0C，真空度为O. 06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温弓I发自蔓延合成反应；
6[0045]步骤6 :铸件埋砂冷却到200°C以下，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到原位合成硬质合金复合锤头的铸件，硬质合金块与基体呈冶金结合，表面质量好，铸件经过900°C正火和300— 550°C回火处理后，即得到成品整体式硬质合金复合高铬铸铁锤头。
实施例2
步骤I :称取平均粒度为15 μ m的Ti粉O. 25kg，IOym的石墨粉O. 15kg，5. 5 μ m的W粉O. I kg和 10-80 μ m 的金属粉末(Ni 20%wt,Cr :30% wt,Cu :10% wt，，其余为 Fe) O. lkg,在球磨机中混合4个小时；
步骤2 :在混合粉末中加入30g聚乙烯醇(浓度8%wt)水溶液，搅拌混匀制成粉末涂料骨剂；
步骤3 :事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部位割出3条15mm宽，深40mm深槽的,将粉末涂料膏剂填充在沟槽内；
步骤4 :外挂约2mm厚的镁砂粉防粘砂涂料,在45°C干燥24小时；
步骤5 :将事先做好的碳钢、合金钢或高锰钢锤柄插到锤头型模中，必要时锤柄应作硬质合金涂层处理以增加耐磨性；
步骤6 :组装浇注装置，熔炼高铬铸铁钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1400—1500 0C，真空度为O. 06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温弓I发自蔓延合成反应；
步骤7 :铸件埋砂冷却到200°C以下，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到原位合成硬质合金复合锤头的铸件，硬质合金块与基体呈冶金结合，表面质量好，铸件经过900°C正火和300— 550°C回火处理后，即得到分体锤把式硬质合金复合高铬铸铁锤头。
实施例3
步骤I :称取平均粒度为20μπι的Ti粉O. 1kg，10 μ m的石墨粉O. 15kg,2. 5μπι的 W 粉 O. 6 kg 和 15-64 μ m 的金属粉(Co 20%wt, Cr :20% wt, B :8% wt, Si :5%wt，其余为Fe)0. lkg,在球磨机中混合4个小时；
步骤2 :在混合粉末中加入30g聚乙烯醇(浓度8%wt)水溶液，搅拌混匀制成粉末涂料骨剂；
步骤3 :事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部位两侧及底面钻出密布的0 10— 20 mm孔，孔深15 — 40mm，将粉末涂料膏剂填充在孔内；
步骤4 :外挂约2mm厚的镁砂粉防粘砂涂料,在45°C干燥48小时；
步骤5 :组装浇注装置，熔炼Mnl3高锰钢钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1400— 1500°C，真空度为O. 06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应；
步骤6 :铸件冷却到1100°C时，落砂翻出铸件，立即淬入水温为20°C的水箱中，进行铸件余热水韧化处理，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的整体锤把式硬质合金复合锤头。
实施例4:
步骤I :称取平均粒度为15 μ m的Ti粉O. 25kg，IOym的石墨粉O. 15kg，8 μ m的W 粉 O. 3 kg 和 5-100 μ m 的金属粉(Co 20%wt, Cr :20% wt, B :2% wt, Si :10%wt，其余为Fe)0. lkg,在球磨机中混合4个小时；
步骤2 :在混合粉末中加入30g聚乙烯醇(浓度8%wt)水溶液，搅拌混匀制成粉末涂料膏剂；[0064]步骤3 :事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部位割出3条15mm宽，深40mm深槽的,将粉末涂料膏剂填充在沟槽内；
步骤4 :外挂约2mm厚的镁砂粉防粘砂涂料,在45°C干燥48小时；
步骤5 :组装浇注装置，熔炼35CrMo合金钢钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1400— 15000C，真空度为O. 06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温弓I发自蔓延合成反应；
步骤6 :铸件埋砂冷却到500°C以下，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到原位合成硬质合金复合锤头的铸件，硬质合金块与基体呈冶金结合，表面质量好，铸件经过900°C正火和300— 550°C回火处理后，即得到整体锤把式沟槽补强锤头。
实施例5
步骤I :称取平均粒度为15μπι的Ti粉O. 45kg，10ym的石墨粉O. 05kg，5. 5μπι的 W 粉 O. 05 kg 和 150-180 μ m 的金属粉末(Ni 55%wt, Si: 11%，Cu 5% wt, B :3%，其余为Fe) O. 3kg,在球磨机中混合10个小时；
步骤2 :在混合粉末中加入15g的橡胶汽油溶液(浓度10%wt)，搅拌混匀制成粉末涂料骨剂；
步骤3 :事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部位割出5条15mm宽，深IOOmm深槽的,将粉末涂料膏剂填充在沟槽内；
步骤4 :外挂约2mm厚的镁砂粉防粘砂涂料,在45°C干燥24小时；
步骤5 :将事先做好的碳钢、合金钢或高锰钢锤柄插到锤头型模中，必要时锤柄应作硬质合金涂层处理以增加耐磨性；
步骤6 :组装浇注装置，熔炼高铬铸铁钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1400—1500 0C，真空度为O. 06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温弓I发自蔓延合成反应；
步骤7 :铸件埋砂冷却到200°C以下，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到原位合成硬质合金复合锤头的铸件，硬质合金块与基体呈冶金结合，表面质量好，铸件经过900°C正火和300— 550°C回火处理后，即得到分体锤把式硬质合金复合高铬铸铁锤头。
实施例6
步骤I :称取平均粒度为15μπι的Ti粉O. 30kg，10 μ m的石墨粉O. 15kg,5. 5μπι的 W 粉 O. 25 kg 和 10-80 μ m 的金属粉末(Si :10%，Cr 30% wt, Cu 5% wt, Co : 15%，其余为Fe) O. 05kg,在球磨机中混合4个小时；
步骤2 :在混合粉末中加入30g聚乙二醇(浓度8%wt)水溶液，搅拌混匀制成粉末涂料骨剂；
步骤3 :事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部位割出10条IOmm宽，深60mm深槽的,将粉末涂料膏剂填充在沟槽内；
步骤4 :外挂约2mm厚的镁砂粉防粘砂涂料,在45°C干燥24小时；
步骤5 :将事先做好的碳钢、合金钢或高锰钢锤柄插到锤头型模中，必要时锤柄应作硬质合金涂层处理以增加耐磨性；
步骤6 :组装浇注装置，熔炼高铬铸铁钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1400—1500 0C，真空度为O. 06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温弓I发自蔓延合成反应；
步骤7 :铸件埋砂冷却到200°C以下，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到原位合成硬质合金复合锤头的铸件，硬质合金块与基体呈冶金结合，表面质量好，铸件经过900°C正火和300— 550°C回火处理后，即得到分体锤把式硬质合金复合高铬铸铁锤头。
本发明不局限于上述实施方式，应当理解，本发明的构思可以按其他种种形式实施运用，它们同样落在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，包括使用钢液对铸造模型进行浇注，其特征在于包含以下步骤(1)钛(Ti)粉、石墨粉、钨(W)粉和金属粉末按质量比13-70% 3-25% 5-75% 2. 5-40%进行配料，在球磨机中混合2-24小时制成混合粉末，所述的金属粉末包括Ni、Cr、Si、B、Co、Cu和Fe中的任意组合；(2)在混合粉末中按质量比为O.01-0. I 1的比例加入粘结剂，搅拌混匀制成粉末涂料膏剂，所述粘结剂为橡胶汽油溶液、聚乙二醇水溶液或聚乙烯醇水溶液中的任意一种；(3)采用涂抹填充方式将粉末涂料膏剂填充在事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部分的补强沟槽或孔洞内；(4)将制备好的铸件模型外涂挂一层防粘砂涂料，在40-50°C温度范围内烘干，烘干时间为12-48小时；(5)在中频感应电炉中熔炼钢水，然后采用真空消失模铸造工艺进行浇注，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应Ti+C — TiC, W+C — WC，形成TiC+WC基硬质合金相，钢液填充硬质相间隙形成钢结硬质合金块或钢结硬质合金柱体；(6)锤头进行热处理，冷却到室温后进行表面清理、打磨，即得原位钢结硬质合金铸造复合银头。
2.根据权利要求
I所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于锤头钢基体材料为高锰钢、中锰钢、碳钢、高铬铸铁或其他合金钢中的任意一种或二种分体组合。
3.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于，金属粉末组份质量比为Ni :0-60%, Cr :0-30%, Si :0-11%, B :0_8%，Co :0_20%，Cu 0-10%，其余为Fe。
4.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于，Ti粉粒度为1-20 μ m、石墨粉粒度为HOynuW粉粒度为1_8 μ m、金属粉末粒度为1-180μ m。
5.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于所述橡胶汽油溶液粘结剂为10%wt的橡胶汽油溶液。
6.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于所述聚乙二醇水溶液粘结剂为10%wt的分子量为6000的聚乙二醇水溶液。
7.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于所述聚乙烯醇水溶液粘结剂为8%wt的聚乙烯醇水溶液。
8.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于所述补强沟槽或孔洞，其深度为5-200mm，沟槽宽度为5_30mm，孔洞直径5_30mm。
9.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于锤头的工作部分，只部分包含补强硬质合金。
10.使用权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头方法制造的锤头，其特征在于该锤头为整体式硬质合金复合高铬铸铁锤头。
11.根据权利要求
10所述的锤头，其特征在于该锤头的工作部分包括有孔洞或至少I条沟槽，其填充有补强硬质合金。
12.根据权利要求
10所述的锤头，其特征在于该锤头的钢基体组织材料为高铬铸铁。
13.根据权利要求
10所述的锤头，其特征在于，锤头的补强硬质合金部分，TiC颗粒体积百分数为10-80%，WC颗粒体积百分数为0-40%，合金碳化物体积百分数为1-15%。
14.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头方法制造的锤头，其特征在于该锤头为分体锤把式硬质合金复合高铬铸铁锤头。
15.根据权利要求
14所述的锤头，其特征在于该锤头的工作部分包括有孔洞或至少I条沟槽，其填充有补强硬质合金。
16.根据权利要求
14所述的锤头，其特征在于该锤头部分的钢基体组织材料为高铬铸铁，锤把部分为碳钢或合金钢。
17.根据权利要求
14所述的锤头，其特征在于该锤头部分的钢基体组织材料为高铬铸铁，锤把部分为高锰钢。
18.根据权利要求
14所述的锤头，其特征在于，锤头的补强硬质合金部分，TiC颗粒体积百分数为10-80%，WC颗粒体积百分数为0-40%，合金碳化物体积百分数为1-15%。
19.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头方法制造的锤头，其特征在于该锤头为整体锤把式硬质合金复合锤头。
20.根据权利要求
19所述的锤头，其特征在于该锤头的工作部分包括有孔洞或至少I条沟槽，其填充有补强硬质合金。
21.根据权利要求
19所述的锤头，其特征在于该锤头的钢基体组织材料为合金钢。
22.根据权利要求
19所述的锤头，其特征在于该锤头的钢基体组织材料为高锰钢。
23.根据权利要求
19所述的锤头，其特征在于，锤头的补强硬质合金部分，TiC颗粒体积百分数为10-80%，WC颗粒体积百分数为0-40%，合金碳化物体积百分数为1-15%。
专利摘要
一种原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其采用真空消失模铸造工艺，将Ti粉、石墨粉、W粉和金属粉末混合，加入粘结剂制成粉末涂料膏剂，填充在锤头铸件EPS泡沫塑料模型的工作部分补强沟槽或孔洞内，在浇注过程中，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应，发生Ti+C→TiC和W+C→WC反应，形成TiC和WC基硬质合金相，钢液填充硬质相间隙得到原位合成碳化钛和碳化钨钢结硬质合金，硬质合金镶嵌在锤头工作部分钢基体内。使用原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法制造的锤头，硬质合金与铸件完全冶金结合，结合牢固，在使用过程中具有高耐磨性和耐冲击性，并且工艺流程简单，生产成本低，适合大规模工业化生产。
文档编号B22D19/16GKCN102423799 B发布类型授权 专利申请号CN 201110410796
公开日2013年2月13日 申请日期2011年12月12日
发明者王振明, 程军, 冯凤鸣, 周生永, 郭志猛, 王刚, 杨永义 申请人:广东新劲刚超硬材料有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan
技术领域：
本发明属于金属基复合材料工件制备技术领域：
，特别是涉及一种制造高耐磨长寿命锤式破碎机锤头的方法。
背景技术：
锤式破碎机是一种直接将最大粒度为600 1800毫米的物料破碎至25或25毫米以下的破碎用破碎机，被破碎物料为矿石、煤、盐、白垩、石膏、砖瓦、石灰石等。由于锤式破碎机广泛应用于选矿、建材、化工、电力、冶金等工业部门，其工作量及其繁重，且工作条件及其苛刻，锤式破碎机的核心零部件是耐磨件锤头，锤头是其主要的易磨损件，消耗量极大，因此锤头的质量直接影响破碎机的生产成本和工作效率。
现有技术中，破碎机锤头大部分使用高锰钢或锻钢材质，其耐磨性不高，锤头更换频繁。在高锰钢中加入Cr等元素，可使锤头大大强化，但在破碎铁矿石等一些比较坚毅的石头时，使用寿命相比于普通的高锰钢材质锤头提高有限，此外，还出现了镶嵌钨钛合金或高铬合金的复合锤头，但由于工艺复杂、材料成本过高性价比低等问题制约了其推广应用。一般来说，硬度越大的锤头其耐磨性也愈大。要提高锤头的耐磨性，就要增加其硬度，但随着硬度的提高，锤头的抗冲击韧性就会降低。因此，如何兼顾锤头适宜的硬度和良好的抗冲击韧性是提高锤头耐磨性的关键。
CN1307017C的中国专利公开了一种复合材料锤头及其铸造方法，首先采用电炉熔炼金属母体材料形成金属液，然后将WC颗粒与粘结剂混制成膏状并置于锤头模具的型腔的端面侧，烘干后形成预制层，启动立式离心铸机控制其转速，然后进行金属液浇注，浇注完毕后将立式离心铸机的转速提高，转动3-10min，停机冷却即可，此方法成型简单，由于复合材料层中陶瓷颗粒的高硬度与高耐磨性，保护了基体免于进一步磨损，但是通过此方法铸造的锤头用于某些大型粉碎设备时，需要承受物料强烈的冲击作用，使得锤头在实际运行过程中往往发生复合材料层与金属母体发生分离，造成锤头过早失效。公开号为CN102000621A的中国专利公开描述了一种破碎机锤头，其包括锤柄和锤端，锤柄用钢板经切割与切削加工制作，锤端采用合金高铬铸铁经金属模复合铸造在锤柄上成整体锤头，在复合过程中镶铸硬质合金棒。此方法的缺点是铸造工艺十分复杂繁琐，且利用此方法制造出来的锤头，应用范围很窄，仅适用于破碎石英类岩石的破碎机。
发明内容
TiC和WC莫氏硬度为9. 5和9.0，是所有已知碳化物中硬度最高的，TiC、WC基硬质合金具有高硬度、高耐磨性的特点。本发明的目的是利用钢液的高温引发自蔓延合成反应，得到包含有原位合成碳化钛和碳化钨基钢结硬质合金块的锤头，硬质合金块镶嵌在锤头工作面钢基体中，充分发挥硬质合金耐磨和合金钢耐冲击的复合优势，起到耐磨耐冲击提高锤头寿命的作用，此外还具有工艺简单、成本低、生产效率高等优点。
为实现上述目的，本发明提供了一种原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其采用以下技术方案
—种原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，包括使用钢液对锤头模型进行浇注，并包含以下步骤
(I)将钛(Ti)粉、石墨粉、钨(W)粉和金属粉末按质量比13-70% 3-25% 5-75% 2. 5-40%进行配料，在球磨机中混合1-24小时制成混合粉末；
(2)然后在混合粉末中按质量比为O. 01-0. I 1的比例加入粘结剂，搅拌混匀制成粉末涂料膏剂；
(3)采用涂抹填充方式将粉末涂料膏剂填充在事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部分的补强沟槽或孔洞内，沟槽或孔洞深度为5-200mm，沟槽宽度5_30mm，孔洞直径 5_30mm ；
(4)将制备好的铸件模型外涂挂一层防粘砂涂料，在40_50°C温度范围内烘干，烘干时间为12-48小时；
(5)在中频感应电炉中熔炼钢水，然后进行浇注，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应Ti+C — TiC, W+C — WC,形成TiC+WC基硬质相；钢液填充硬质相间隙形成含有碳化钨和碳化钛的钢结补强硬质合金块或硬质合金柱体；
(6)锤头进行热处理，冷却到室温后进行表面清理、打磨，即得原位钢结硬质合金铸造复合锤头。
其中，铸造过程采用真空消失模铸造工艺。
自蔓延高温合成(Self-propagating High-temperature Synthesis,缩写 SHS)，是利用化学反应自身放热制备材料的新技术，其最显著的特点是充分利用元素间形成化合物的高能放热反应，除了引发合成反应所必须的少量外加能量，整个反应过程主要依靠物料自身的放热来支持。
如上所述的方法，其浇注的钢液即钢基体材料为高锰钢、中锰钢、碳钢、高铬铸铁钢或其他合金钢中的任意一种。
优选的是，浇注的钢液为高铬铸铁钢。
如上所述的方法，其金属粉末包括Ni、Cr、Si、B、Co、Cu和Fe中的任意组合。
优选的是，金属粉末组份及其质量比为Ni :0-60%, Cr :0-30%, Si :0-11%, B 0-8%, Co :0-20%, Cu0-10%，其余为 Fe。
如上所述的方法，Ti粉粒度1-20 μ m、石墨粉粒度l_20ym、W粉粒度1-8μπκ金属粉末粒度:1-180 μ m。
如上所述的方法，其粘结剂为橡胶汽油溶液、聚乙二醇水溶液或聚乙烯醇水溶液中的任意一种。
优选的是，粘结剂为浓度10%wt的橡胶汽油溶液。
更优选的是，粘结剂为浓度10%wt的分子量为6000的聚乙二醇水溶液。
最优选的是，粘结剂为浓度8%wt的聚乙烯醇水溶液。
如上所述的方法，其防粘砂涂料为镁砂粉。
通过如上所述的方法，得到钢结硬质合金铸造复合锤头，包含补强硬质合金部分和钢基体组织部分，补强硬质合金槽或孔洞深度为5-200mm，沟槽宽度5_30mm，孔洞直径5-30mm。合金部分由钢基体组织(即纯钢液形成的部分)及分布其上的TiC颗粒、WC颗粒和合金碳化物组成，其中TiC颗粒体积百分数为10-80%，WC颗粒体积百分数为0-40%，合金碳化物体积百分数为1_15%，其余为钢基体组织，合金涂层硬度HRC50-75。
使用原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头方法制造的整体式硬质合金复合高铬铸铁锤头，其工作部分存在填充有补强硬质合金的孔洞或至少I条填充有硬质合金的补强沟槽。
如上所述的锤头，其钢基体组织材料为高铬铸铁。
使用原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头方法制造的分体锤把式硬质合金复合高铬铸铁锤头，其工作部分存在填充有补强硬质合金的孔洞或至少I条填充有硬质合金的补强沟槽。
如上所述的锤头，其钢基体组织材料为高铬铸铁，锤把为高锰钢、碳钢或合金钢中的任意一种。
使用原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头方法制造的整体捶把式硬质合金复合锤头，其工作部分存在填充有补强硬质合金的孔洞或至少I条填充有硬质合金的补强沟槽。
如上所述的锤头，其钢基体组织材料为高锰钢或合金钢。
如上所述的锤头，补强硬质合金沟槽宽度5-30mm,孔洞直径5_30mm。
本发明的优点在于铸件的表面质量好，硬质合金与铸件结合牢固，在使用过程中具有高耐磨性、耐冲击、耐磨合金不脱落，并且工艺简单，成本较低，适于工业化生产。
I、钢基体组织部分；2、补强硬质合金部分；3、捶把；
图I为本发明所提供的方法铸造的整体式硬质合金复合高铬铸铁锤头结构示意图；
图2为本发明所提供的方法铸造的分体锤把式硬质合金复合高铬铸铁锤头结构示意图；
图3为本发明所提供的方法铸造的整体锤把式硬质合金复合锤头结构示意图。
具体实施方式
实施例I :
步骤I :称取平均粒度为5 μ m的Ti粉O. 5kg，5 μ m的石墨粉O. 2kg，3-4. 5 μ m的W 粉 O. 2 kg 和 2-20 μ m 的金属粉末(Ni 60%wt, Cr 5% wt, Cu 5% wt, B 3% wt,其余为Fe) O. 2kg,在球磨机中混合4个小时；
步骤2 :在混合粉末中加入50g聚乙烯醇(浓度8%wt)水溶液，搅拌混匀制成粉末涂料骨剂；
步骤3 :事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部位割出5条20mm宽，深60mm的槽的,将粉末涂料膏剂填充在沟槽内；
步骤4 :外挂约2mm厚的镁砂粉防粘砂涂料，在45°C干燥36小时；
步骤5 :组装浇注装置，熔炼高铬铸铁钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1400—1500 0C，真空度为O. 06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温弓I发自蔓延合成反应；
6[0045]步骤6 :铸件埋砂冷却到200°C以下，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到原位合成硬质合金复合锤头的铸件，硬质合金块与基体呈冶金结合，表面质量好，铸件经过900°C正火和300— 550°C回火处理后，即得到成品整体式硬质合金复合高铬铸铁锤头。
实施例2
步骤I :称取平均粒度为15 μ m的Ti粉O. 25kg，IOym的石墨粉O. 15kg，5. 5 μ m的W粉O. I kg和 10-80 μ m 的金属粉末(Ni 20%wt,Cr :30% wt,Cu :10% wt，，其余为 Fe) O. lkg,在球磨机中混合4个小时；
步骤2 :在混合粉末中加入30g聚乙烯醇(浓度8%wt)水溶液，搅拌混匀制成粉末涂料骨剂；
步骤3 :事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部位割出3条15mm宽，深40mm深槽的,将粉末涂料膏剂填充在沟槽内；
步骤4 :外挂约2mm厚的镁砂粉防粘砂涂料,在45°C干燥24小时；
步骤5 :将事先做好的碳钢、合金钢或高锰钢锤柄插到锤头型模中，必要时锤柄应作硬质合金涂层处理以增加耐磨性；
步骤6 :组装浇注装置，熔炼高铬铸铁钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1400—1500 0C，真空度为O. 06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温弓I发自蔓延合成反应；
步骤7 :铸件埋砂冷却到200°C以下，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到原位合成硬质合金复合锤头的铸件，硬质合金块与基体呈冶金结合，表面质量好，铸件经过900°C正火和300— 550°C回火处理后，即得到分体锤把式硬质合金复合高铬铸铁锤头。
实施例3
步骤I :称取平均粒度为20μπι的Ti粉O. 1kg，10 μ m的石墨粉O. 15kg,2. 5μπι的 W 粉 O. 6 kg 和 15-64 μ m 的金属粉(Co 20%wt, Cr :20% wt, B :8% wt, Si :5%wt，其余为Fe)0. lkg,在球磨机中混合4个小时；
步骤2 :在混合粉末中加入30g聚乙烯醇(浓度8%wt)水溶液，搅拌混匀制成粉末涂料骨剂；
步骤3 :事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部位两侧及底面钻出密布的0 10— 20 mm孔，孔深15 — 40mm，将粉末涂料膏剂填充在孔内；
步骤4 :外挂约2mm厚的镁砂粉防粘砂涂料,在45°C干燥48小时；
步骤5 :组装浇注装置，熔炼Mnl3高锰钢钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1400— 1500°C，真空度为O. 06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应；
步骤6 :铸件冷却到1100°C时，落砂翻出铸件，立即淬入水温为20°C的水箱中，进行铸件余热水韧化处理，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到表面原位合成碳化钛基硬质合金涂层的整体锤把式硬质合金复合锤头。
实施例4:
步骤I :称取平均粒度为15 μ m的Ti粉O. 25kg，IOym的石墨粉O. 15kg，8 μ m的W 粉 O. 3 kg 和 5-100 μ m 的金属粉(Co 20%wt, Cr :20% wt, B :2% wt, Si :10%wt，其余为Fe)0. lkg,在球磨机中混合4个小时；
步骤2 :在混合粉末中加入30g聚乙烯醇(浓度8%wt)水溶液，搅拌混匀制成粉末涂料膏剂；[0064]步骤3 :事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部位割出3条15mm宽，深40mm深槽的,将粉末涂料膏剂填充在沟槽内；
步骤4 :外挂约2mm厚的镁砂粉防粘砂涂料,在45°C干燥48小时；
步骤5 :组装浇注装置，熔炼35CrMo合金钢钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1400— 15000C，真空度为O. 06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温弓I发自蔓延合成反应；
步骤6 :铸件埋砂冷却到500°C以下，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到原位合成硬质合金复合锤头的铸件，硬质合金块与基体呈冶金结合，表面质量好，铸件经过900°C正火和300— 550°C回火处理后，即得到整体锤把式沟槽补强锤头。
实施例5
步骤I :称取平均粒度为15μπι的Ti粉O. 45kg，10ym的石墨粉O. 05kg，5. 5μπι的 W 粉 O. 05 kg 和 150-180 μ m 的金属粉末(Ni 55%wt, Si: 11%，Cu 5% wt, B :3%，其余为Fe) O. 3kg,在球磨机中混合10个小时；
步骤2 :在混合粉末中加入15g的橡胶汽油溶液(浓度10%wt)，搅拌混匀制成粉末涂料骨剂；
步骤3 :事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部位割出5条15mm宽，深IOOmm深槽的,将粉末涂料膏剂填充在沟槽内；
步骤4 :外挂约2mm厚的镁砂粉防粘砂涂料,在45°C干燥24小时；
步骤5 :将事先做好的碳钢、合金钢或高锰钢锤柄插到锤头型模中，必要时锤柄应作硬质合金涂层处理以增加耐磨性；
步骤6 :组装浇注装置，熔炼高铬铸铁钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1400—1500 0C，真空度为O. 06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温弓I发自蔓延合成反应；
步骤7 :铸件埋砂冷却到200°C以下，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到原位合成硬质合金复合锤头的铸件，硬质合金块与基体呈冶金结合，表面质量好，铸件经过900°C正火和300— 550°C回火处理后，即得到分体锤把式硬质合金复合高铬铸铁锤头。
实施例6
步骤I :称取平均粒度为15μπι的Ti粉O. 30kg，10 μ m的石墨粉O. 15kg,5. 5μπι的 W 粉 O. 25 kg 和 10-80 μ m 的金属粉末(Si :10%，Cr 30% wt, Cu 5% wt, Co : 15%，其余为Fe) O. 05kg,在球磨机中混合4个小时；
步骤2 :在混合粉末中加入30g聚乙二醇(浓度8%wt)水溶液，搅拌混匀制成粉末涂料骨剂；
步骤3 :事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部位割出10条IOmm宽，深60mm深槽的,将粉末涂料膏剂填充在沟槽内；
步骤4 :外挂约2mm厚的镁砂粉防粘砂涂料,在45°C干燥24小时；
步骤5 :将事先做好的碳钢、合金钢或高锰钢锤柄插到锤头型模中，必要时锤柄应作硬质合金涂层处理以增加耐磨性；
步骤6 :组装浇注装置，熔炼高铬铸铁钢水后抽真空进行浇注，浇注温度为1400—1500 0C，真空度为O. 06MPa，在浇注过程中，利用钢液的高温弓I发自蔓延合成反应；
步骤7 :铸件埋砂冷却到200°C以下，冷却到室温后，进行表面清理、打磨即得到原位合成硬质合金复合锤头的铸件，硬质合金块与基体呈冶金结合，表面质量好，铸件经过900°C正火和300— 550°C回火处理后，即得到分体锤把式硬质合金复合高铬铸铁锤头。
本发明不局限于上述实施方式，应当理解，本发明的构思可以按其他种种形式实施运用，它们同样落在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，包括使用钢液对铸造模型进行浇注，其特征在于包含以下步骤(1)钛(Ti)粉、石墨粉、钨(W)粉和金属粉末按质量比13-70% 3-25% 5-75% 2. 5-40%进行配料，在球磨机中混合2-24小时制成混合粉末，所述的金属粉末包括Ni、Cr、Si、B、Co、Cu和Fe中的任意组合；(2)在混合粉末中按质量比为O.01-0. I 1的比例加入粘结剂，搅拌混匀制成粉末涂料膏剂，所述粘结剂为橡胶汽油溶液、聚乙二醇水溶液或聚乙烯醇水溶液中的任意一种；(3)采用涂抹填充方式将粉末涂料膏剂填充在事先制备好的锤头铸件EPS泡沫塑料模型工作部分的补强沟槽或孔洞内；(4)将制备好的铸件模型外涂挂一层防粘砂涂料，在40-50°C温度范围内烘干，烘干时间为12-48小时；(5)在中频感应电炉中熔炼钢水，然后采用真空消失模铸造工艺进行浇注，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应Ti+C — TiC, W+C — WC，形成TiC+WC基硬质合金相，钢液填充硬质相间隙形成钢结硬质合金块或钢结硬质合金柱体；(6)锤头进行热处理，冷却到室温后进行表面清理、打磨，即得原位钢结硬质合金铸造复合银头。
2.根据权利要求
I所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于锤头钢基体材料为高锰钢、中锰钢、碳钢、高铬铸铁或其他合金钢中的任意一种或二种分体组合。
3.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于，金属粉末组份质量比为Ni :0-60%, Cr :0-30%, Si :0-11%, B :0_8%，Co :0_20%，Cu 0-10%，其余为Fe。
4.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于，Ti粉粒度为1-20 μ m、石墨粉粒度为HOynuW粉粒度为1_8 μ m、金属粉末粒度为1-180μ m。
5.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于所述橡胶汽油溶液粘结剂为10%wt的橡胶汽油溶液。
6.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于所述聚乙二醇水溶液粘结剂为10%wt的分子量为6000的聚乙二醇水溶液。
7.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于所述聚乙烯醇水溶液粘结剂为8%wt的聚乙烯醇水溶液。
8.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于所述补强沟槽或孔洞，其深度为5-200mm，沟槽宽度为5_30mm，孔洞直径5_30mm。
9.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其特征在于锤头的工作部分，只部分包含补强硬质合金。
10.使用权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头方法制造的锤头，其特征在于该锤头为整体式硬质合金复合高铬铸铁锤头。
11.根据权利要求
10所述的锤头，其特征在于该锤头的工作部分包括有孔洞或至少I条沟槽，其填充有补强硬质合金。
12.根据权利要求
10所述的锤头，其特征在于该锤头的钢基体组织材料为高铬铸铁。
13.根据权利要求
10所述的锤头，其特征在于，锤头的补强硬质合金部分，TiC颗粒体积百分数为10-80%，WC颗粒体积百分数为0-40%，合金碳化物体积百分数为1-15%。
14.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头方法制造的锤头，其特征在于该锤头为分体锤把式硬质合金复合高铬铸铁锤头。
15.根据权利要求
14所述的锤头，其特征在于该锤头的工作部分包括有孔洞或至少I条沟槽，其填充有补强硬质合金。
16.根据权利要求
14所述的锤头，其特征在于该锤头部分的钢基体组织材料为高铬铸铁，锤把部分为碳钢或合金钢。
17.根据权利要求
14所述的锤头，其特征在于该锤头部分的钢基体组织材料为高铬铸铁，锤把部分为高锰钢。
18.根据权利要求
14所述的锤头，其特征在于，锤头的补强硬质合金部分，TiC颗粒体积百分数为10-80%，WC颗粒体积百分数为0-40%，合金碳化物体积百分数为1-15%。
19.根据权利要求
I或2所述的原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头方法制造的锤头，其特征在于该锤头为整体锤把式硬质合金复合锤头。
20.根据权利要求
19所述的锤头，其特征在于该锤头的工作部分包括有孔洞或至少I条沟槽，其填充有补强硬质合金。
21.根据权利要求
19所述的锤头，其特征在于该锤头的钢基体组织材料为合金钢。
22.根据权利要求
19所述的锤头，其特征在于该锤头的钢基体组织材料为高锰钢。
23.根据权利要求
19所述的锤头，其特征在于，锤头的补强硬质合金部分，TiC颗粒体积百分数为10-80%，WC颗粒体积百分数为0-40%，合金碳化物体积百分数为1-15%。
专利摘要
一种原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法，其采用真空消失模铸造工艺，将Ti粉、石墨粉、W粉和金属粉末混合，加入粘结剂制成粉末涂料膏剂，填充在锤头铸件EPS泡沫塑料模型的工作部分补强沟槽或孔洞内，在浇注过程中，利用钢液的高温引发自蔓延合成反应，发生Ti+C→TiC和W+C→WC反应，形成TiC和WC基硬质合金相，钢液填充硬质相间隙得到原位合成碳化钛和碳化钨钢结硬质合金，硬质合金镶嵌在锤头工作部分钢基体内。使用原位合成钢结硬质合金铸造复合锤头的方法制造的锤头，硬质合金与铸件完全冶金结合，结合牢固，在使用过程中具有高耐磨性和耐冲击性，并且工艺流程简单，生产成本低，适合大规模工业化生产。
文档编号B22D19/16GKCN102423799 B发布类型授权 专利申请号CN 201110410796
公开日2013年2月13日 申请日期2011年12月12日
发明者王振明, 程军, 冯凤鸣, 周生永, 郭志猛, 王刚, 杨永义 申请人:广东新劲刚超硬材料有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan
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