固-液復合鑄造錘頭的組織與性能

程巨強，彌國華，李 夢，劉志學

（西安工業大學，陜西西安 710032）

錘頭是錘式破碎機主要易磨損件之一。錘式破碎機破碎物料時,主要是利用高速旋轉的錘頭沖擊物料將其破碎，錘頭的工作條件極其苛刻，消耗量很大。為了減小錘頭的磨損，提高錘頭的使用壽命，針對破碎機錘頭的工作特點，采用復合鑄造的方法生產錘頭，可以發揮各自材料的性能優勢，能夠提高錘頭的使用壽命及降低生產成本。復合錘頭鑄造時，錘頭部分可以用高硬度和高耐磨性的材料，如高鉻鑄鐵或硬質合金，錘柄部分可以用一定強度和良好韌性的材料，如低合金鋼或碳素鑄鋼。目前，用鑄造方法生產破碎機錘頭的方法主要有整體鑄造、固-液復合鑄造[1～3]、液-液復合鑄造[4～5]等方法。整體鑄造法熔煉及澆注一種錘頭材料，高錳鋼及合金鋼錘頭可以用整體鑄造法生產[6～7]。固-液復合法又可分為鑲鑄法和包覆鑄造復合法，固-液及液-液復合鑄造適用于高鉻鑄鐵和碳鋼或低合金鋼的復合鑄造。本文研究了高鉻鑄鐵和碳鋼固-液復合鑄造錘頭的組織和性能，為固-液復合鑄造錘頭生產奠定實驗基礎。

1 實驗材料及其實驗過程

固-液復合錘頭破碎物料的工作部分采用高鉻鑄鐵，其化學成分范圍為2.8%～3.3%w(C)、18%～22%w（Cr）、0.5%～1.5%w（Ni）、0.5%～1.0%w（Mo）、0.5%～1.0%w（Si）、0.5%～1.0%w（Mn）。錘柄部分用碳素鑄鋼，牌號為ZG270-500。固-液復合鑄造示意圖如圖1所示。鑄造生產時先鑄造碳鋼的錘柄材料，鑄造后清理，復合鑄造時把鑄造的錘柄部分放入鑄型，并進行預熱，合箱澆注高鉻鑄鐵錘頭頭部，形成復合錘頭。復合錘頭的熱處理工藝為1 000℃正火+200℃回火。

圖1 固-液復合錘頭鑄造示意圖

用NIKON EPIHOT300型金相顯微鏡觀察試樣的金相組織，組織的腐蝕液為8%的硝酸酒精溶液。采用FEIQuanta 400FEG型掃描電子顯微鏡觀察沖擊斷口形貌及復合面的組織形貌，利用XRD-6000 X射線衍射儀檢測材料的物相。采用HRC150型洛氏硬度計測定沖擊試樣的硬度。

2 實驗結果及其分析

2.1 固-液復合鑄造錘頭復合面硬度分布

圖2是固-液復合材料錘頭熱處理后復合界面硬度分布[8]。從圖可看出,錘頭復合面左邊高鉻鑄鐵硬度較高,而且隨離復合界面距離的增加,硬度提高，最高硬度可達HRC63。右邊硬度較低是鑄造碳鋼的硬度,而且隨離復合界面距離增加,碳鋼的硬度減小，界面附近硬度最高，可達HRC32。復合界面出現硬度變化的原因為,高鉻鑄鐵的含碳量以及合金元素含量較高,具有較高的淬透性，正火熱處理后具有較高的硬度，靠近復合面鑄鐵材料硬度降低,碳鋼材料硬度有所增加,這與澆注高鉻鑄鐵后界面發生高鉻鑄鐵的碳原子及合金元素向碳鋼界面的擴散有關。

圖2 固液復合鑄造錘頭復合界面硬度分布

2.2 復合鑄造錘頭的組織及物相分析

復合鑄造錘頭熱處理后高鉻鑄鐵錘頭部分的金相組織如圖3所示[8]。結合XRD衍射分析，確定遠離復合面高鉻鑄鐵組織為（Cr，Fe）7C3（M7C3）型碳化物+回火馬氏體+殘余奧氏體。由于高鉻鑄鐵澆注時錘柄部分為固態碳鋼件，澆注高鉻鑄鐵后心部靠近碳鋼部分冷卻速度較快，高鉻鑄鐵的凝固容易沿垂直于碳鋼錘柄表面方向進行，形成定向凝固組織。因此，高鉻鑄鐵錘頭部分的組織會出現各向異性。圖3a是從高鉻鑄鐵錘頭實體取樣平行于碳鋼錘柄表面的顯微組織，可以看出，初生M7C3型碳化物截面的形貌為六邊形，部分六邊形上還有黑色的孔洞或奧氏體的轉變產物，共晶碳化物形貌為M7C3型，呈菊花狀分布。垂直于碳鋼錘柄表面錘頭的組織，長條狀白色的部分為初析M7C3型碳化物，集束狀細小分布為M7C3共晶碳化物。因此，高鉻鑄鐵初析碳化物呈六角桿狀獨立分布在基體組織中。測得M7C3型初析碳化物其橫截面硬度值為HV1876（圖3c），縱截面硬度值為 HV1450（圖 3d），M7C3 型初析碳化物六邊形截面硬度要高于縱截面的硬度，對于固-液復合鑄造法生產的錘頭，進行破碎物料的工作面正好對應于組織中碳化物的橫截面，硬度較高，有利于提高錘頭的耐磨性。

圖3e～圖3h分別為復合面附近高鉻鑄鐵的金相組織，與遠離復合面組織比較，復合面附近高鉻鑄鐵組織主要為共晶組織和M7C3型初析碳化物，共晶碳化物呈典型的菊花狀形態，在共晶組織中間存在初析的M7C3碳化物，較細的共晶碳化物和較粗的初析M7C3截面主要為六角形、圓形桿狀獨立分布，某些M7C3碳化物的中心有一些孔洞。從圖看出，復合面高鉻鑄鐵組織中的碳化物明顯細化（圖3e），主要是由于澆入高鉻鑄鐵鐵液后受到柄部碳鋼的激冷作用，凝固的組織碳化物細化。盡管如此，實際生產中一般的固-液復合錘頭界面達不到冶金復合，只能通過錘柄部分沿軸線的變截面復合，來防止錘頭在使用過程錘頭工作部分高鉻鑄鐵的脫落。

鑄造碳鋼及其復合界面附近的金相組織如圖4所示。可以看出，復合鑄造錘頭碳鋼熱處理的組織，遠離復合面組織主要為珠光體和鐵素體組成（圖4a），組織中白色的鐵素體含量較多。黑色的塊狀組織為珠光體組織。復合面附近碳鋼的組織中，珠光體數量明顯增多，鐵素體數量減小（圖4b），少量的鐵素體存在于珠光體晶粒之間。根據鐵-碳二元相圖，碳鋼珠光體數量增多，說明復合面碳鋼中碳含量較高，碳含量升高與澆注高鉻鑄鐵后造成碳鋼的增碳有關，這也說明碳鋼與高鉻鑄鐵復合面碳元素發生了擴散，增加了碳鋼復合面的碳量。光學顯微鏡下珠光體組織為黑色塊狀（圖4b），在SEM下進行組織觀察，可觀察到珠光體層片狀的結構（圖4c）。

圖4 固-液復合錘頭碳鋼的組織

3 結論

（1）固-液復合錘頭頭部高鉻鑄鐵的組織由M7C3型碳化物+回火馬氏體+殘余奧氏體組成。初生碳化物和共晶碳化物均為M7C3型碳化物。固-液復合錘頭碳鋼錘柄部分，遠離復合面的碳鋼組織為珠光體和鐵素體組織，組織中鐵素體含量較多，復合面附近的碳鋼組織為鐵素體和珠光體，珠光體含量較多，鐵素體呈網狀分布在珠光體晶界處，珠光體含量較多的原因與固-液復合鑄造時鑄鐵中的碳元素向復合界面鑄鋼部分進行擴散有關。

（2）高鉻鑄鐵-碳鋼雙金屬復合材料經熱處理之后，高鉻鑄鐵的硬度值可達63 HRC，碳鋼的硬度值為28 HRC，靠近復合面高鉻鑄鐵的硬度有所降低，碳鋼部分硬度增加，復合面硬度過渡不平緩，沒有達到冶金復合，實際生產中通過碳鋼錘柄部分沿軸線方向的變截面與鑄鐵復合可以改善復合面強度，防止錘頭復合鑄鐵部分的脫落。

[1]李夢，程巨強，高滋辰，等.破碎機錘頭耐磨材料與制造工藝的發展[J].礦山機械，2012，40（7）：67～71.

[2]程紅曉，王超，沈衛東，等.錘頭的雙金屬復合鑄造工藝[J].中國鑄造裝備及技術，2004（2）：32～33.

[3]馮朝躍.雙金屬錘頭的生產及應用[J].鑄造，2000，49(9)：561-562.

[4]吳振卿，關紹康，孫玉福，等.鑲鑄雙金屬復合錘頭鑄造工藝的研究[J].鑄造技術，2005，26（3）：171～173.

[5]金旭多.一種錘頭的雙金屬復合鑄造方法[J].鑄造，1997（3）：46～47.

[6]柴增田，于立國.破碎機錘頭生產工藝發展現狀[J].礦山機械，2005,33（1）：24～26.

[7]程巨強，李少春.一種新型抗磨鑄鋼錘頭材料的研究[J].鑄造，2006，55（6）：575～577.

[8]李夢.高鉻鑄鐵復合錘頭熱處理組織和性能的研究[D].西安:西安工業大學碩士論文，2013.