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超高鉻鑄鐵板錘的研制與應用

導讀:大型反擊式破碎機具有結構簡單、破碎比大、效率高等優點,廣泛應用于礦山、水泥、冶金、電力、耐火材料、玻璃及化工等行業。板錘是大型反擊式破碎機關鍵而又易磨損的零件之一,以楔塊固定式安裝固定于破碎機的轉子上。破碎機工作時,高速旋轉的轉子帶動板錘以30~40 m/s的線速度物料撞擊破碎礦石,礦石塊度<1500mm,磨損十分嚴重,沖擊力很大,因此要求板錘具有較高的耐磨性和抗沖擊能力。

傳統的高錳鋼雖具有較高韌性,但耐磨性不高,磨損消耗太大。普通的高鉻鑄鐵雖具有很高的硬度,但韌性不高,易于斷裂。針對大型反擊式破碎機板錘的工況條件和結構特點,我們在現有普通高鉻鑄鐵基礎上,通過優化成分設計和熱處理工藝,研制出具有較高綜合耐磨性能的超高鉻鑄鐵板錘,使用壽命為普通高錳鋼的3倍以上。 

2 化學成分的設計 

 2.1碳含量的確定

碳是影響材料機械性能的關鍵元素之一,尤其對材料硬度和沖擊韌性的影響較為明顯。材料的硬度隨著碳含量的增加而顯著上升,沖擊韌性則較大幅度降低。隨著碳量的提高,高鉻鑄鐵中碳化物數量增多,硬度增加,耐磨性增加但韌性下降。為獲得較高的硬度并保證足夠的韌性,碳含量設計為2.6~3.0%。  2.2鉻含量的確定
鉻是高鉻鑄鐵中主要的合金元素,隨著鉻量的增加,碳化物類型發生變化,碳化物形式由MC3向M7C3、M23C6過渡。在碳化物中M7C3硬度高,顯微硬度可達到HV1300~1800。隨著鉻固溶在基體中數量的增加,殘余奧氏體量增加,硬度下降。為保證較高的耐磨性,控制Cr/C=8~10,可獲得數量較多的斷網狀M7C3型共晶碳化物;同時為獲得較高的韌性,綜合考慮,鉻含量設計為25~27%。  2.3鉬含量的確定
鉬在高鉻鑄鐵中一部分溶入基體,提高淬透性;一部分形成MoC碳化物,提高顯微硬度。鉬與錳、鎳、銅聯合使用,對于厚壁件來說淬透性效果會更好。由于板錘較厚,考慮到鉬鐵價格較貴,鉬含量控制在0.6~1.0%。  2.4鎳和銅含量的確定
鎳和銅是固溶強化基體的主要元素,提高鉻鑄鐵的淬透性和韌性。二者均是非碳化物形成元素,全部溶入奧氏體,穩定奧氏體。加入量大時,殘余奧氏體量增加,硬度降低。考慮到生產成本和銅在奧氏體中溶解度有限,鎳含量控制在0.4~1.0%,銅含量控制在0.6~1.0%。  2.5硅、錳含量的確定
硅、錳在高鉻鑄鐵中是常規元素,其主要作用是脫氧脫硫。硅降低淬透性但提高Ms點;同時硅阻礙碳化物形成,有利于促進石墨化和鐵素體的形成,含量過高,基體硬度下降厲害,因此將硅含量控制在0.4~1.0%。錳擴大高鉻鑄鐵奧氏體相區,固溶在奧氏體中,提高淬透性,降低馬氏體轉變溫度。錳含量增加,殘余奧氏體量增加,硬度降低,影響耐磨性,因此將錳含量控制在0.5~1.0%。  2.6 其它
S.P為有害元素,在生產中一般控制在0.05%以下。RE、V、Ti等作為復合變質劑和復合孕育劑加入,細化晶粒,凈化晶界,提高高鉻鑄鐵的沖擊韌性。  板錘成分設計如表1所示:  表1 板錘化學成分(%)  C Cr Mo Ni Cu Si Mn S、P 2.6~3.0 25~28 0.6~1.0 0.4~1.0 0.6~1.0 0.4~1.0 0.5~1.0 ≤0.05  3 鑄造工藝的確定  3.1造型工藝
板錘重約285kg,外形尺寸見圖1。為確保板錘安裝要求,板錘平面彎曲變形量≤2mm。由于板錘表面要求極高,不得有任何的凹陷或凸起,為確保鑄件致密,我們采用強度高的樹脂砂造型,線收縮率取2.4~2.8%,澆注系統截面比例按ΣF內:ΣF橫:ΣF直 = 1:0.75:1.1進行設計。采用水平造型傾斜澆注,同時輔助發熱保溫冒口和直接外冷鐵,工藝出品率控制在70~75%。
生產試制過程中,我們先后采用圖2、圖3、圖4三種造型工藝。澆注打磨后發現,采用圖2和圖3工藝生產的板錘都有不同程度的表面凹陷和彎曲變形,采取加大冒口的辦法也不能消除表面凹陷和彎曲變形,達不到安裝要求。
在總結圖2和圖3造型工藝試制生產經驗的基礎上,我們決定采用圖4所示的水平造型傾斜澆注的造型工藝,澆注打磨后的板錘表面沒有凹陷和彎曲變形,變形量≤2mm,滿足安裝要求。具體生產制作過程為:砂型水平制作合箱后,將砂型的一端抬起一定的高度,形成一定傾斜角度(實際生產中,砂型傾斜的角度一般根據鑄件的外形尺寸、重量、結構特點而定,傾斜角度一般控制在8~20°。),鐵水從澆口引入,先進入型腔內的鐵水到達最低處,受外冷鐵的激冷作用首先凝固,后引入的鐵水對先引入的鐵水產生重壓力,直到冒口澆注滿鐵水時達到最大值,冒口最后凝固,實現順序凝固,從而獲得組織致密、無縮孔的鑄件。
3.2熔煉與變質孕育工藝
采用1000kg中頻電爐(石英砂爐襯)熔煉生產,熔煉前加入石灰石+碎玻璃復合造渣劑,待大部分爐料熔化后扒渣,然后加入硅鐵、錳鐵脫氧,按1kg/t的量插入鋁絲進行終脫氧后出爐澆注,熔煉溫度控制在1500~1550℃。  為進一步提高板錘的綜合耐磨性能,我們通過復合變質與孕育處理工藝改善高鉻鑄鐵碳化物形態,減少夾雜、凈化鐵液、細化晶粒,增強厚大鑄件斷面組織和性能的一致性。具體操作為:將澆包預熱至400~600℃,澆注前在澆包內加入一定量的Re-A1-Bi-Mg復合變質劑和V-Ti-Zn復合孕育劑【1,2】,鐵水倒入澆包后拋撒聚渣劑,使得殘余熔渣迅速聚集,進一步凈化鐵水,同時形成一層保溫覆蓋膜有利于鑄件澆注成型。鐵水鎮靜2~3分鐘后澆注,澆注溫度控制在1380~1420℃。  4 熱處理工藝的確定
在超高鉻鑄鐵高溫淬火升溫過程中,合金元素在奧氏體中的溶解度隨溫度的升高而增大。當淬火溫度較低時,由于碳、鉻在奧氏體中的溶解度較低,保溫時將有較多的二次碳化物析出,雖然大部分奧氏體能轉變成馬氏體,但由于馬氏體的含碳量及合金元素含量較低,因而硬度不高。隨著淬火溫度的提高,奧氏體中的含碳量及合金含量愈高,轉變后形成的馬氏體愈硬,因而淬火硬度提高。淬火溫度過高時,高溫奧氏體的含碳量及合金含量太高,穩定性過高,冷卻速度愈快,析出的二次碳化物就愈少,殘留奧氏體就愈多,淬火硬度也就愈低【3,4】。  隨著淬火保溫時間的增加,超高鉻鑄鐵的宏觀硬度先升高后降低。奧氏體化保溫時間對超高鉻鑄鐵硬度的影響,實質上是二次碳化物的析出、溶解反應與平衡態的接近程度對高溫奧氏體的含碳量及合金含量的影響。鑄態超高鉻鑄鐵加熱到奧氏體化溫度以后,奧氏體中過飽和的碳及合金元素以二次碳化物析出,這是一個擴散過程。保溫時間太短時,二次碳化物的析出量太少,奧氏體因含有較多的碳及合金元素,穩定性過高,淬火時馬氏體轉變不完全,淬火硬度較低。隨保溫時間的延長,二次碳化物的析出量增加,奧氏體的穩定性下降,淬火時形成的馬氏體數量增加,淬火硬度增加。當保溫一定時間后,奧氏體中的含碳量及合金含量達到平衡。如繼續延長保溫時間,奧氏體晶粒變粗,導致殘留奧氏體數量增加,降低淬火硬度。

5 工業應用效果
我們研制的超高鉻鑄鐵板錘應用在頁巖反擊破碎機上,原使用的普通高錳鋼板錘每套可破碎頁巖10萬噸左右,改用超高鉻鑄鐵后可破碎頁巖30萬噸以上,使用壽命提高3倍多。在運轉過程中板錘沒有出現斷裂現象,大大降低了金屬材料消耗,同時減少了更換板錘所需要的人工、材料等費用,具有較高的經濟效益和社會效益。  6 結語
(1) 采用水平制作傾斜澆注,輔助發熱保溫冒口和直接外冷鐵,板錘表面無凹陷和凸起,彎曲變形≤2mm,組織致密,滿足安裝要求。
(2) 板錘熱處理工藝為:1020℃(保溫3~4h)高溫霧淬,3~5分鐘后空冷,400℃高溫回火(保溫4~6h,散開空冷至室溫),淬火回火組織為回火馬氏體+共晶碳化物M7C3+二次碳化物+殘余奧氏體。熱處理后硬度58~62 HRC,沖擊韌性8.5J/cm2。  (3)超高鉻鑄鐵板錘使用壽命為普通高錳鋼的3倍以上。

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