辽宁朝阳隆云机械厂

1.力学性能及耐磨性能

1.1锤头热处理后的性能

对锤头整体热处理是为了消除铸造应力和细化晶粒，提高母材的综合机械性能，防止锤柄工作时折断。本试验为缓慢加热到960℃(加热速率为100℃/h)，保温4h，出炉强制风冷淬火。当铸件温度低于100℃时，再次入炉进行回火处理，回火温度为250℃，保温2h，出炉空冷。

2.2界面金相组织

本试验采用的外材和芯材体积比为8∶1，液态高铬铸铁的浇注温度为1500℃，所得到的界面结合情况如图2所示。从金相图中可以观察，图2(a)基本结合，图2(b)结合良好。经空淬+低温回火后的镶块金相组织为马氏体+共晶碳化物，镶铸件熔合处已完全结合在一起，没有冷隔、裂纹和夹杂等缺陷，组织致密。

2.3材质选取的依据

笔者所研究的具体零件是双金属复合锤头，锤头的工作表面与物料接触，产生高应力磨损。通过对锤头表面微观形貌进行分析，发现锤头的磨损过程是变
变形和冲击磨损综合作用的结果，而且只是锤端磨损严重，锤柄基本上没有磨损，只是受应力作用。因此，利用高铬铸铁的优异抗磨能力和碳钢的优良韧性，采用高铬铸铁-碳钢复合的办法制造锤头。
2.4工艺参数对性能的影响

在砂型复合铸造条件下，提高外材高铬铸铁的浇注温度、液固体积比和芯材的预热温度，均可以提高双金属复合材料的界面结合强度。虽然提高体积比可以明显增加界面的结合强度，但也会明显降低复合材料的整体强韧性。而提高高铬铸铁的浇注温度既可以提高界面结合强度，又不会降低复合材料的整体强韧性，但是加热效率较低，同时由于固体部分的激冷作用，在液体金属浇入铸型后靠近固体部分的液体金属立即在固体表面凝固，这层快速凝固的金属极易出现裂纹，对界面结合不利。对芯材预热将是一个很好的办法，减少了高温金属液的浪费，同时可以生产体积比较小的铸件，为双金属复合材料多样性的开发提供了一个基础平台。但需要注意的是碳钢在预热过程中如保护不当，其表面将会出现氧化皮，从而降低界面结合强度。


3.锤头的工业

性试验试验是在国内某钢铁企业的烧结厂进行的，用于破碎石灰石(白云石)，用上述材料和工艺生产的复合锤头进行试验。结果表明，铸造复合锤头运行时间为21~24h，高锰钢锤头运行时间为9~11h，在相同工况条件下，用镶铸法生产的复合锤头，其寿命是高锰钢的2倍多。


4分析与讨论

试验表明，在镶铸体积比为8∶1时，芯材经过预热处理后，结合界面明显较好，而没有经过预热处理的芯材，在界面处只能形成部分结合，并且伴随一定的裂纹出现。由于只有当浇注的金属液提供足够高的热量才能使芯材表面熔化，实现界面的完全冶金结合，当芯材预热时，减少了芯材对外材金属液的激冷作用，形成相对较小的温度梯度；同时，芯材温度提高，相对减少了液态高铬铸铁的热量损失，增强了表面熔融程度，极大地推动原子的迁移，从而形成良好的冶金结合。

而采用表面喷涂合金处理芯材时，由于喷涂层的阻碍作用，限制了外层材料中的原子向芯材的扩散。高温融合合金粉和芯材时，合金粉表面产生了一层氧化皮，由于氧化皮的存在，金属液不能与芯材浸润，表面张力阻碍两者的结合；同时在高温下，氧化皮易与金属液发生物理化学反应，产生气体等附加产物，从而在界面处产生空洞等缺陷。虽然在理论上有利于双金属复合材料整体性能的提高，但在这种试验条件下，外材与芯材的结合并不理想。针对预热芯材对双金属复合界面的结合会产生很大的影响，笔者进行了试验研究。当预热温度提高时，界面结合情况明显变好；当温度提高时，增加了芯材熔化的趋势和能量；当外材浇注时又带入大量的热量，使芯材表面迅速出现熔融，原子扩散迁移的动力大大增强，克服原子势垒形成金属键合的能力增强。因为形成良好界面的前提是2种材料的原子能够实现扩散融合，预热芯材正好增加了芯材的原子能量，减少了对浇注金属液的激冷，整体复合材料的温度提高，界面处热作用时间变长，原子扩散能力加强，所以随着温度的提高，双金属复合的界面出现完全冶金结合。

锤头采用高铬铸铁，具有良好的耐磨性能；锤柄采用ZG270-550，韧性好，成本低。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+少量残余奥氏体，硬度≥58HRC，冲击韧性ak>12J/cm2；锤柄组织为：珠光体+铁素体。提高浇注时复合试样的整体温度有利于使界面两侧的扩散层变宽，对提高界面的结合强度、减少界面应力有利。提高体积比、芯材的预热温度和金属液浇注温度都可以改善界面结合状况，提高界面结合强度。

5.结论

(1)在砂型复合铸造条件下，提高外材高铬铸铁的浇注温度、液固体积比和芯材的预热温度，均可以提高双金属复合材料的界面结合强度。

(2)复合锤头具有较高的力学性能，在相同工况条件下，用镶铸法生产的复合锤头，其寿命是高锰钢的2倍多，且生产工艺简单，成本低。

(3)体积比、芯材表面处理和浇注温度是影响扩散层的重要因素。

(4)工艺参数的选择对复合界面有很大的影响。提高浇注时复合试样的整体温度加大了界面两侧的原子扩散量，增强了原子扩散能力，提高了界面的冶金结合。