程巨強(qiáng)，彌國(guó)華，李 夢(mèng)，劉志學(xué)

（西安工業(yè)大學(xué)，陜西西安 710032）

錘頭是錘式破碎機(jī)主要易磨損件之一。錘式破碎機(jī)破碎物料時(shí),主要是利用高速旋轉(zhuǎn)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(duì)破碎機(jī)錘頭的工作特點(diǎn)，采用復(fù)合鑄造的方法生產(chǎn)錘頭，可以發(fā)揮各自材料的性能優(yōu)勢(shì)，能夠提高錘頭的使用壽命及降低生產(chǎn)成本。復(fù)合錘頭鑄造時(shí)，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(zhì)合金，錘柄部分可以用一定強(qiáng)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(chǎn)破碎機(jī)錘頭的方法主要有整體鑄造、固-液復(fù)合鑄造[1～3]、液-液復(fù)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(chǎn)[6～7]。固-液復(fù)合法又可分為鑲鑄法和包覆鑄造復(fù)合法，固-液及液-液復(fù)合鑄造適用于高鉻鑄鐵和碳鋼或低合金鋼的復(fù)合鑄造。本文研究了高鉻鑄鐵和碳鋼固-液復(fù)合鑄造錘頭的組織和性能，為固-液復(fù)合鑄造錘頭生產(chǎn)奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及其實(shí)驗(yàn)過程

固-液復(fù)合錘頭破碎物料的工作部分采用高鉻鑄鐵，其化學(xué)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(hào)為ZG270-500。固-液復(fù)合鑄造示意圖如圖1所示。鑄造生產(chǎn)時(shí)先鑄造碳鋼的錘柄材料，鑄造后清理，復(fù)合鑄造時(shí)把鑄造的錘柄部分放入鑄型，并進(jìn)行預(yù)熱，合箱澆注高鉻鑄鐵錘頭頭部，形成復(fù)合錘頭。復(fù)合錘頭的熱處理工藝為1 000℃正火+200℃回火。

圖1 固-液復(fù)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(fù)合面的組織形貌，利用XRD-6000 X射線衍射儀檢測(cè)材料的物相。采用HRC150型洛氏硬度計(jì)測(cè)定沖擊試樣的硬度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 固-液復(fù)合鑄造錘頭復(fù)合面硬度分布

圖2是固-液復(fù)合材料錘頭熱處理后復(fù)合界面硬度分布[8]。從圖可看出,錘頭復(fù)合面左邊高鉻鑄鐵硬度較高,而且隨離復(fù)合界面距離的增加,硬度提高，最高硬度可達(dá)HRC63。右邊硬度較低是鑄造碳鋼的硬度,而且隨離復(fù)合界面距離增加,碳鋼的硬度減小，界面附近硬度最高，可達(dá)HRC32。復(fù)合界面出現(xiàn)硬度變化的原因?yàn)?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(fù)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(fā)生高鉻鑄鐵的碳原子及合金元素向碳鋼界面的擴(kuò)散有關(guān)。

圖2 固液復(fù)合鑄造錘頭復(fù)合界面硬度分布

2.2 復(fù)合鑄造錘頭的組織及物相分析

復(fù)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(jié)合XRD衍射分析，確定遠(yuǎn)離復(fù)合面高鉻鑄鐵組織為（Cr，F(xiàn)e）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(shí)錘柄部分為固態(tài)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(jìn)行，形成定向凝固組織。因此，高鉻鑄鐵錘頭部分的組織會(huì)出現(xiàn)各向異性。圖3a是從高鉻鑄鐵錘頭實(shí)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(zhuǎn)變產(chǎn)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(zhǎng)條狀白色的部分為初析M7C3型碳化物，集束狀細(xì)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(dú)立分布在基體組織中。測(cè)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(duì)于固-液復(fù)合鑄造法生產(chǎn)的錘頭，進(jìn)行破碎物料的工作面正好對(duì)應(yīng)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(fù)合面附近高鉻鑄鐵的金相組織，與遠(yuǎn)離復(fù)合面組織比較，復(fù)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(tài)，在共晶組織中間存在初析的M7C3碳化物，較細(xì)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(dú)立分布，某些M7C3碳化物的中心有一些孔洞。從圖看出，復(fù)合面高鉻鑄鐵組織中的碳化物明顯細(xì)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(xì)化。盡管如此，實(shí)際生產(chǎn)中一般的固-液復(fù)合錘頭界面達(dá)不到冶金復(fù)合，只能通過錘柄部分沿軸線的變截面復(fù)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(fù)合界面附近的金相組織如圖4所示?？梢钥闯?，復(fù)合鑄造錘頭碳鋼熱處理的組織，遠(yuǎn)離復(fù)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(fù)合面附近碳鋼的組織中，珠光體數(shù)量明顯增多，鐵素體數(shù)量減小（圖4b），少量的鐵素體存在于珠光體晶粒之間。根據(jù)鐵-碳二元相圖，碳鋼珠光體數(shù)量增多，說明復(fù)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(guān)，這也說明碳鋼與高鉻鑄鐵復(fù)合面碳元素發(fā)生了擴(kuò)散，增加了碳鋼復(fù)合面的碳量。光學(xué)顯微鏡下珠光體組織為黑色塊狀（圖4b），在SEM下進(jìn)行組織觀察，可觀察到珠光體層片狀的結(jié)構(gòu)（圖4c）。

圖4 固-液復(fù)合錘頭碳鋼的組織

3 結(jié)論

（1）固-液復(fù)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(fù)合錘頭碳鋼錘柄部分，遠(yuǎn)離復(fù)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(fù)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(wǎng)狀分布在珠光體晶界處，珠光體含量較多的原因與固-液復(fù)合鑄造時(shí)鑄鐵中的碳元素向復(fù)合界面鑄鋼部分進(jìn)行擴(kuò)散有關(guān)。

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

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