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《双金属复合锤头的铸造工艺》
《双金属复合锤头的铸造工艺》以高铬铸铁、碳钢为原材料,采用镶铸工艺制造双金属复合锤头。通过对双金属复合过程中各种参数的理论计算以及实际试验,得出一整套优化参数和双金属复合铸造锤头的理论,为双金属复合铸造锤头技术的推广提供支持。
以高铬铸铁、碳钢为原材料,采用镶铸工艺制造高铬铸铁/碳钢双金属复合锤。通过对双金属复合过程中各种参数的理论计算和实际试验,得出一套完整的优化参数和完整的双金属复合铸造锤头的理论,为双金属复合铸造锤头技术的推广提供支持。
关键词:双金属复合锤头;锤头;工艺
锤式破碎机是建材、冶金、化肥等工业部门广泛使用的生产设备,而锤头是消耗量很大的易磨损件。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屑脱落。分析锤头,只是锤端磨损严重,锤柄基本上没有磨损,只是受应力作用。
过去工厂一般采用高锰钢制造锤头,锤头在破碎过程中由于高锰钢加工硬化的特性能够保持很好的耐磨性能。虽然高锰钢的加工硬化特性能提高零件的耐磨性,但是在许多工况条件下其耐磨性能仍达不到要求。普通高锰钢锤头在低冲击应力作用下,锤头表层加工硬化效果差,其磨损发生过程是微粒的撞击使表面一薄层金属塑性变形,多次变形的材料碎裂剥落。同时,磨粒颗粒与高速运行的锤头表面接触时,磨粒动能转变为热能,使材料软化甚至被粘着撕下。目前,高铬铸铁基本上取代高锰钢制造耐磨零件。这些零件改用高铬铸铁后,使用寿命比高锰钢零件一般延长50%至200%。而锤头是高速冲击和挤切方式破碎物料,
如果整体采用高铬铸铁还是有问题,主要是难于避免零件在工作过程中的脆性断裂。如果为了保证零件的韧性而采用碳钢,则由于其强度、硬度太低而使得其使用寿命非常短,但其韧性特别好,用作锤柄材料是完全合适的。综上所述,利用高铬铸铁的优异抗磨能力和碳钢的优良韧性的特点,采用高铬铸铁/碳钢复合的办法制造锤头。
1、锤头生产设计
根据镶铸工艺的原理,把整个过程设计为:造型、预热、浇注金属液、冷却、打箱。每箱放置10个锤头,锤头呈圆周方向均匀布置,锤端和浇注系统浇口窝和内浇道采用消失模型,冒口和直浇道采用木模直接造型。造型时预先铸造出锤柄,清理后在复合表面涂敷一层抗氧化保护剂,然后套上锤端消失模型放入到砂型中直接造型。复合前将整个砂型放入到感应圈内,采用感应加热的原理对锤柄进行预热,在预热过程中,消失模型受热汽化。当锤柄达到一定温度后浇注锤端复合层金属液,浇注过程中继续进行加热。待锤端型腔充满后,停止加热,继续浇注,使己经浇注的金属液进入到冒口中直至冒口被充满。铸件冷却后,将砂型整体吊出,打箱。
2、预热装置设计
由于将常温下的碳钢与高温的高铬铸铁金属液结合成型,总的热量不足,复合材料界面难以达到冶金结合;复合材料界面存在很大的应力,界面的结合强度难以达到试验要求,明显影响试样的组织和性能。所以在试验时对芯材进行预热,使预热过的芯材与金属液结合成型,使两者达到良好的冶金结合,以减少残余应力的产生,提高界面结合强度。因此,在芯材进入液固作用之前,应该设计一预热装置,对芯材预热到一定的温度。
过去对芯材预热大多采用加热炉来完成,加热到需要的温度时,取出放入型腔中,然后合箱浇注金属液。整个过程由于加热时间长,被加热件易氧化;同时,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;另外,由于工作环境的恶劣,操作过程中容易出现芯材定位和工件尺寸不准确,增加了产品报废率。
如果加热件能在砂型内预热,将大大减少整个工艺的复杂性,一方面加热效率高,保证了芯材的温度;另一方面通过芯材表面涂覆保护剂可以防止表面氧化,同时保证了芯材的定位,提高了操作环境。因此,采用整体造型,然后放入感应线圈,通过电磁感应加热芯材,达到预定温度时浇注金属液将是一个非常好的办法。为此我们对线圈进行了详细的设计。
3、感应线圈截面设计
在进行感应加热时,感应线圈因为自身的电阻也会在大电流的情况下发热。如果不加以冷却,会导致感应线圈不断升温,感应线圈温度在不断上升的时候电阻率也不断的上升,导致更严重的温升。为了防止感应线圈温度过高,线圈一般采用铜管,铜管中通水冷却,这样可以有效的降低感应线圈的温度,并且提高线圈载流密度。
对于铜管截面的选择,主要考虑电流的环状效应。交流电流流过环状导体时,最大电流密度分布在环状导体内侧,这种效应叫做环状效应,如图1所示。环状效应使感应器上的电流密度集中到感应器内侧,对加热零件外表面十分有利,但对加热零件内孔表面时,会使电流远离被加热零件表面[1]。
4、感应线圈截面尺寸设计
矩形铜管的感应线圈截面的主要参数为:壁厚b、轴向宽度a,径向高度h。壁厚b影响感应线圈的电阻,它主要是由电流的透入深度决定的;轴向宽度a影响感应线圈的最大载流;径向高度h影响矩形铜管内孔的大小,进而影响感应线圈水冷系统。由于环状效应的存在,电流主要由矩形线圈的一侧流过,有效载流截面积为a×b。
铜管壁厚b的选择设在电源频率f下,电流在感应线圈内的透入深度为δ,则电流集中在厚度为1.57δ内,所以选择b=1.57δmm时感应线圈的电阻最小。
轴向宽度a的选择根据感应加热功率的要求,可以求出感应线圈的电流为i,而矩形铜管感应线圈的有效载流面积为a×b,所以a=i/(b×o),其中o为感应线圈的最大载流密度,对于水冷紫铜感应线圈取o<60A/mm2[3]。
5、感应线圈内径设计
零件与感应线圈之间的间隙大小,对感应线圈的电效率和功率因数均有很大的影响。当间隙越大时,零件与感应线圈之间的漏磁也就越严重,零件中通过的有效磁通就越少。所以,在设计感应加热器时,感应线圈内径D1与零件外经D2的比值在1.1~2.0之间有较好的总体效率。在确定了工件的外经后就可以确定感应线圈的内径了。
在感应线圈对芯材进行预热时,在砂型与感应线圈之间放入一保护套,防止在浇注金属液过程中,金属液流出损坏感应线圈。同时,在砂型与保护套之间填入保护材料对线圈进行保护。
6、冒口设计
由于锤端复合层厚度一般均超过60mm,因此需要采用冒口进行补缩。在最初设计补缩冒口时,将中间基体部分作为一个冷铁。因此,设计的冒口仅起出气和排渣作用,但所生产的铸件在复合层上出现较大的缩孔,特别是在冒口根部。分析原因,主要是由于采用型内感应加热,中间基体部分的预热温度较高,金属液浇注过程中同时对基体和复合层金属液进行加热,使基体金属的激冷作用大大降低,因此出现上述问题。
为了解决这一问题,对冒口重新进行了设计试验,不考虑锤头芯材对复合层的激冷作用,按复合层所需要的补缩直接设计补缩冒口。浇注试验后将铸件采用线切割的方法解剖,没有发现复合层内出现缩孔和缩松缺陷。
7、热处理工艺
锤头采用热处理工艺如下:升温时,锤端复合层和锤柄各部分加热速率不同,线膨胀不同,易造成复合界面及复合层的开裂,为此应尽量降低各部分的温差。在具体试验中,缓慢加热到960℃,保温4h,出炉强制风冷淬火。为了消除淬火应力的影响,当铸件温度低于100℃后,再次入炉,进行回火处理。回火温度250℃,保温2h,出炉空冷。
8、锤头性能测试和使用效果
对体积比为8:1、液态高铬铸铁的浇注温度为1500℃、芯材涂覆保护剂后预热温度为800℃和感应电磁频率为1400Hz的锤头经热处理后采用线切割工艺获取金相试样,其复合层金相组织为Cr7C3共晶碳化物、马氏体和少量残奥,基体为珠光体+铁素体,两者之间为过渡层。并在线切割后的解剖面上测量硬度,锤端各部位硬度为58¯62HRC,表明复合层淬透良好。
对一锤头进行破坏性试验,复合界面断口处没有发现冷隔、裂纹、夹杂等缺陷,而是呈新鲜的金属光泽且表面粗糙,说明金属间渗透强烈,冶金结合良好。
锤头耐用性的主要指标是抗耐磨能力和抗断裂能力。所生产的锤头分别在国内某钢铁企业的烧结厂和焦化厂分别用于破碎石灰石和炼焦用原煤,并与高锰钢锤头进行对比试验,试验数据如表1所示。为了保证试验数据的可比性,采用两台破碎机,分别装上此复合锤头和高锰钢锤头进行对比,破碎机转速为750r/min,电机功率为130kW,每天破碎量基本不变,整套锤头共50个,使用到不能正常破碎物料为止[4]。
表1锤头实际使用情况
物料种类    莫氏硬度    入料粒度    锤头种类    产品粒度    使用时间/天    耐磨性提高倍数
炼焦用原煤    1~2        复合锤头    <5mm    300~365    ≈5
            高锰钢锤头        60~70   
石灰石    3~4    <25mm    复合锤头        80~90    ≈3
            高锰钢锤头        25~30   
从使用效果上可以看出,采用双金属复合锤头,破碎石灰石及炼焦用原煤,其使用寿命分别比高锰钢锤头提高3倍和5倍左右,同时在使用过程中,没有发现双金属复合锤头出现断裂和脱落掉块现象,整体使用性能良好。
综合以上的生产过程及使用效果可以看出,该工艺具有如下的优点:①锤柄采用型内感应加热,加热效率高,加热方便,加热时间容易控制,表面温度变化小,且不易氧化,有利于界面的冶金结合。②由于电磁力的作用,金属液增加了对固体复合部位的冲刷时问,提高了原子扩散能量,增强了金属液与固体表层的金属原子间交换几率,从而大大提高界面的冶金结合。③金属液在电磁力的搅拌作用下,增强了流动性,使最先浇注金属液在固体表面的快速凝固出现重熔现象,并打破了枝晶末端,细化晶粒,使整个锤端组织均匀。④整个过程锤柄在型内加热,保证了工件的定位准确和尺寸精度,无需来回移动和定位,提高了生产效率,同时劳动环境较好。
9、结束语
(1)锤端采用高铬铸铁,具有良好的耐磨性能。锤柄采用ZG270-550韧性好,成本低。
(2)采用型内感应预热双金属复合工艺,即体积比为8:1、金属液温度为1500℃、芯材涂覆保护剂后预热到800℃,感应频率为1400Hz,所得到的双金属锤头复合界面为完全冶金结合。
(3)经过热处理后,锤端复合层组织为:断续分布的Cr7C3共晶碳化物、马氏体和少量残余奥氏体,硬度大于58HRC,基体组织为珠光体和铁素体。
(4)所研制的锤头用于破碎石灰石,使用寿命是高锰钢锤头的3倍左右,破碎炼焦用原煤,寿命是高锰钢的5倍左右。

参考文献:
[1]陈先朝.高铬铸铁———钢双金属焊铸初探[J].广东机械学院学报,1994,12(4):40-43.
[2]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册第一册[M].北京:机械工业出版社,2005.532-537.
[3]朴东学.白口铸铁———铸钢双金属复合材料及其工艺[J].球铁,1989,15(04):22-24.
[4]徐小慧.钢与高铬铸铁的复合铸造[J].铸造,1996,22(10):38-40.


 
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