大型多元低合金铸钢锤头的制备及组织性能调控技术研究

论文摘要

破碎机广泛用于水泥、矿山、交通、建材、电厂、冶金等行业。目前,广泛使用的大型破碎机耐磨锤头主要有高锰钢系列和多种材质的复合锤头系列。普通高锰钢锤头因初始硬度低,在低应力磨损条件下使用时耐磨性能差,使用寿命普遍不高;复合锤头系列由于复合工艺原因,两种材质的结合不理想,易发生断裂现象,严重影响设备的使用安全性。为避免上述缺陷,本文通过对锤头进行组织和性能设计、合理匹配化学成分、优化铸造工艺参数及制定合理的热处理工艺,研制了适于在中、低载荷下使用的单一材质大型多元低合金铸钢耐磨锤头。由锤头的工况要求可知,打击部位与物料发生撞击后受到强烈冲击磨损而失效,安装部位起固定作用,只需保证锤头在使用过程中的安全性。本文利用低合金钢材质可在大范围内调整硬度和韧性的特点,对锤头进行了组织和性能设计,将锤头设计成打击部位、安装部位和中间连接部位三部分,通过调整化学成分和热处理工艺,使锤头打击部位获得马氏体+下贝氏体的复相组织,硬度≥50HRC,冲击韧性αk≥15J/cm 2 ;安装部位获得铁素体+珠光体类型的复相组织,硬度25～37HRC,αk≥100J/cm 2 ;中间连接部位保证锤头不断裂,性能介于安装部位和打击部位之间,整体性能呈梯度变化。为获得优质铸件,采用模拟软件ProCAST优化铸造工艺参数。设计了立浇和卧浇两种浇注方案,并分别对两种浇注方案进行了温度场、流场和应力场的数值模拟分析,主要分析了铸件在铸造过程中产生的缩孔、缩松等严重影响铸件质量的缺陷。针对各个工艺参数下产生的缩孔和缩松缺陷的位置和大小,通过优化工艺参数来消除缩孔和缩松等缺陷,在保证无缩孔、缩松的前提下,预测铸件产生热裂的倾向和变形大小,最终在上述两种方案中的最佳工艺参数下进行试验研究。试验研究结果表明,立浇方案得到了无缩孔缩松缺陷铸件,且批量生产时质量稳定;卧浇方案经批量生产后出现了质量不稳定现象,采用保温发热冒口后,得到了无缺陷铸件,但铸件表面质量较立浇方案差。锤头经铸造成型后,两种方案均未出现热裂现象,且变形较小,符合尺寸要求。为实现锤头的梯度性能变化,本文选用合理的奥氏体化温度、退火温度、淬火温度、淬火介质和回火温度等热处理工艺参数,对安装部位和打击部位采用不同的热处理工艺。其中安装部位选用的热处理工艺为:预处理→淬火→高温回火→低温回火;打击部位的热处理工艺为:预处理→淬火→二次淬火→低温回火。并对热处理后的锤头各部位进行宏观硬度、冲击韧性、金相显微组织、扫描显微组织以及耐磨性等性能测试,并将测试结果与梯度性能变化设计进行对比,在满足性能要求的前提下,进行工业应用试验研究。试验结果表明:锤头经热处理后安装部位和打击部位的组织分别为铁素体+回火索氏体+回火屈氏体复相组织和马氏体+下贝氏体复相组织;硬度分别为34HRC和51.4HRC;冲击韧性分别超过100J/cm 2和30J/cm 2。经对锤头的整体硬度进行测试,锤头的硬度值符合体系性能变化的设计要求,使用寿命比高锰钢（ZGMn13Cr2）+堆焊锤头提高1倍以上。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章论
• 1.1 锤头常用耐磨材料发展概况
• 1.1.1 抗磨白口铸铁
• 1.1.2 高锰钢
• 1.1.3 低合金耐磨铸钢
• 1.1.3.1 低合金耐磨钢发展现状
• 1.1.3.2 低合金耐磨钢的特点
• 1.1.3.3 常用低合金耐磨铸钢
• 1.2 锤式破碎机锤头失效机理
• 1.2.1 锤式破碎机工作原理
• 1.2.2 锤头失效机理研究现状
• 1.2.3 大型锤头失效机理分析
• 1.3 破碎机锤头的主要生产工艺
• 1.3.1 单一材质铸造成型
• 1.3.2 多金属材质复合铸造成型
• 1.3.2.1 机械结合复合锤头
• 1.3.2.2 冶金结合复合锤头
• 1.4 铸造 CAE 仿真技术
• 1.4.1 铸造 CAE 国内外发展概况
• 1.4.2 ProCAST 介绍
• 1.5 本文研究目的及内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 第2章头的组织、性能及化学成分设计
• 2.1 锤头的组织和性能设计
• 2.2 低合金钢化学成分设计
• 2.3 本章小结
• 第3章 锤头的铸造工艺设计及优化
• 3.1 铸造工艺设计
• 3.1.1 铸件尺寸、结构及工艺分析
• 3.1.2 冒口设计
• 3.1.3 浇注系统设计
• 3.1.4 浇冒系统三维实体
• 3.1.5 合金熔炼及浇注
• 3.2 仿真模型
• 3.2.1 数学计算模型
• 3.2.2 缩孔、缩松及热裂预测模型
• 3.2.3 有限元模型
• 3.2.4 边界条件
• 3.3 充型凝固过程数值模拟
• 3.3.1 热节部位及大小预测的数值模拟
• 3.3.2 设置保温冒口的数值模拟研究
• 3.3.3 立浇方案发热保温冒口的数值模拟
• 3.3.4 补浇工艺的数值模拟研究
• 3.4 铸件热裂和变形预测
• 3.4.1 铸件热裂预测
• 3.4.2 铸件变形预测
• 3.5 铸件试验验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 锤头的热处理工艺研究及其组织和性能特征
• 4.1 热处理工艺及参数制定
• 4.1.1 低合金铸钢相变特征点研究
• 4.1.2 预处理工艺
• 4.1.3 淬火工艺
• 4.1.4 回火工艺
• 4.2 组织及力学性能特征
• 4.2.1 显微组织
• 4.2.2 硬度测试
• 4.2.3 冲击韧性
• 4.2.4 断口扫描
• 4.2.5 分析与讨论
• 4.3 工业应用效果
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士学位期间发表的主要论文