双金属复合锤头生产的基本工艺与性能的研究分析

　　本文采用镶铸工艺铸造双金属复合锤头。锤端材料为含铬量18%的高铬铸铁，锤柄材

　　料为型号ZG35的中碳钢。造型时锤端和浇注系统浇道的成型分别采取了木模和消失模模型。

　　先铸造出锤柄材料，再在欲复合端浇注高铸铁液。复合时将砂型整体放频率为1400HZ的

　　入感应线圈中感应加热，加热过程中消失模受热汽化。当锤柄升到预定温度(800℃左右)

　　时，开始浇注复合层金属液。所得的界面为完全冶金结合。浇注温度为1500℃。复合部

　　分经热处理后组织为Cr7C3共晶碳化物+马氏体+少量残奥，基体为珠光体+铁素体。

　　随着工业的发展，对材料的要求日益提高，单一材料的零件难以满足生产的全部过程中多方

　　面的要求。在实际生产中，有些部件常要求材料既有良好的韧性，以抵抗工作过程中物料

　　的冲击作用，防止部件发生意外断裂，同时又要求其具有高的硬度及优良的磨损性能。对

　　于单一成分的材料，难以同时具有高韧性、高硬度和高耐磨性。为此，生产中常采用复合

　　工艺进行生产。复合双金属材料能在零件不一样的部位提供不同性能，通过表面材料与芯部材

　　料的合理组合，可以使材料获得所需的冶金性能。双金属复合铸件不仅可同时拥有良好的

　　力学性能和高的常规使用的寿命，而且适用面广、成本低廉。目前常用的复合铸造工艺分为液—

　　液和液—固两大类，其中又因液固复合铸造几乎不受铸件形状的影响以及其制造工艺简

　　界面是复合材料特有的非常非常重要的组成部分，双金属复合材料的性能与界面性质密

　　切相关。而复合工艺，必然的联系到复合材料性能的发挥，因此对复合工艺进行研究不仅具

　　双金属复合材料生产方法主要有：爆炸复合法、扩散焊接法、堆焊法、轧制复合法、

　　爆炸复合的优点是复合界面上看不到明显的扩散层，不会生成脆性的金属间化合物，

　　产品稳定性很高。缺点是由于射流的作用使复合界面呈波浪形，同时由于炸药的存放、爆破

　　地点的选择、噪音的处理、人身安全的保障及污染严重等一系列问题而使得该法不易被推

　　扩散焊接是一种精密连接方法，特别适合于异种金属材料、复合材料等之间的连接。

　　扩散焊接是在温度和压力的共同作用下完成的，但连接压力不能引起试件的宏观塑性变

　　形。固相扩散焊接时母材不发生熔化，液相扩散焊接时靠近界面处母材仅发生少量熔化。

　　堆焊法是采用普通钢材作为基体，在基体上堆焊一层或多层耐磨合金，使这些合金与

　　金属基体表面达到金属冶金结合，形成双金属复合材料进而达到零件表面耐磨的目的。堆

　　焊前需对基进行彻底的清理，对操作工人技术方面的要求高，如果操作方法和工艺不当易出现堆

　　焊层脱落、开裂和剥落、气孔等缺陷，焊渣不易清理。不适用于于大平面工件，而且成本

　　轧制复合法大体上分为热轧复合法和冷轧复合法等。热轧复合法是将待轧制金属材料加

　　热到在再结晶以上的轧制。金属在再结晶温度以下进行轧制变形叫冷轧，一般指不经加热

　　而在室温直接进行轧制加工。冷轧固相复合法加工温度低，所生产的复合带材具有综合强

　　挤压复合法是先把界面清洁的组元金属组装成挤压坯，选定合适的挤压比和温度等参

　　数挤压成型，是清洁金属表面在压力的作用下实现界面的冶金结合。挤压复合法主要用于

　　铸造复合法是应用最早的制备层状金属复合材料的一种方法。铸造复合法又具体有铸

　　铸渗法是将一定成分的合金粉末调成涂料或预制成块，涂刷(或放)在铸型的特定部位

　　（需要提高表面性能的部位）。通过浇注时金属液浸透涂料(或预制块)的毛细孔隙，使合金

　　粉末熔解、融化，并与基体金属融合为一体，从而在铸件表面上形成一层具有特殊组织和

　　性能的复合层。此方法具有合金层深度大，生产的基本工艺简便，成本低等优点，但是存在如下

　　问题：其一，铸渗过程中产生的气体、熔渣等不能及时排出，在合金化层中形成气孔、夹

　　渣，合金层质量较难控制。其二，铸渗效果对工艺参数的变化较为敏感，一定要具有良好的

　　双液双金属复合法的两种金属较易形成质量良好的冶金结合，双金属复合管件，目前

　　双金属复合管主要是采用离心铸造法，将固体外套和液体金属在离心条件下复合成型。如耐

　　磨套筒，其外层为低碳钢，层为高铬铸铁。通过冶金——离心铸造——热处理等工艺，使

　　套筒过度层组织逐渐变化而结合为一个整体，耐磨性能大幅度的提升。但是此工艺需要两台熔

　　炼炉一起进行两种金属的熔炼并同时浇注，其工艺过程较复杂，并且难以控制。此外，该

　　工艺在实际应用上也有其局限性，只适用于形状简单的铸件而无法用于形状复杂的铸件。

　　镶铸复合法是将一种材料(固相)和另一种材料(液相)在铸模进行组合，利用金属液的

　　热量，在铸件凝固时使液相材料与基体结合在一起的工艺。镶铸工艺简单易操作，形状简单

　　或复杂的耐磨铸件都可以加工，生产所带来的成本低，铸件综合性能优越，是双金属复合铸造中近

　　镶块工艺是采用类似固定冷铁的方法将具有一定形状的耐磨合金块（高铬铸铁）固定

　　在锤头型腔的端部，利用随后浇入的高温金属液的热量，在铸件凝固过程中使耐磨金属块

　　与基体结合在一起。由于铸件的形状决定镶块的大小和数量均受到限制，使用中可能会出

　　预置锤端的复合方法是将锤头使用的过程中真正起破碎作用的端部采用耐磨合金（高铬

　　铸铁）预制成形，放入锤头型腔然后浇入锤柄金属（普通碳钢），以此来实现端部与锤柄间

　　的结合，通常两者结合部位被设计成燕尾的形式以增加结合的可靠程度。由于后浇入钢液

　　预置锤柄的复合方法是将普通碳钢的锤柄预置在锤头型腔，然后浇入高铬铸铁金属

　　液，并使高铬铸铁包覆在锤柄的四周。通常芯材采用镂空方式，达到了机械和冶金的两重

　　本文主要对锤头进行工况分析，合理选择锤头的复合材质，使锤头达到生产中要求的

　　条件，意在提高双金属复合铸件界面结合质量上的问题并提高锤头的常规使用的寿命。本课题将进行

　　（2）从液体部分的浇注温度、芯材（锤柄）部分的预热温度、液固双金属界面冶金

　　锤式破碎机是冶金、矿山和建材等行业常用的破碎设备。锤头是其中的主要易磨损件，

　　目前主要用高锰钢制作，耐磨性差，常规使用的寿命短，需要频繁更换，既降低了设备运转率.

　　锤头的工几何形状见图1，锤式破碎机破碎物料的过程，主要是利用非常快速地旋转的锤头

　　将由高处落下的物料破碎。被破碎的物料以高速度向蓖条方向冲击，粒度较大的物料经过

　　反复破碎，当粒度合乎要求时即从蓖缝中排出。锤头边缘进行破碎的工作区域被称为工作

　　区。随着锤头不断被磨损，工作区将发生明显的变化，物料对锤头的磨损方式也将发生明显的变化。在

　　锤头工作初期，冲击为主要受力方式，而当锤头被磨极到某些特定的程度，物料对锤头工作面产

　　生冲刷作用。锤头磨损到某些特定的程度，破碎效率降低很多时，就必须倒换锤面或更换锤头。

　　锤柄：锤头工作过程中，锤柄主要承受物料破碎过程中所产生的弯曲冲击力，基本不

　　受物料直接的摩擦磨损，因此材质选择主要防止在使用的过程中出现弯曲折断以及孔轴拉长

　　锤端：工作区域主要受物料的摩擦磨损和冲击，因此对锤端既要要求高的耐磨性能，

　　锤柄：由锤头的工况决定采用锤柄为ZG35，中碳钢的韧性非常好，但是若在生产过

　　程中经过反复高温加热，晶粒粗大，导致韧性大幅度降低，加上锤头的冲击力大，可能会

　　出现断裂，为此在浇注前在浇包里加钛铁，细化晶粒能很好的解决这一问题。ZG35 的

　　抗压强度为500MPa，屈服强度为200Mpa，轴孔采用氧——乙炔火焰喷焊方法喷焊一层

　　锤端：目前所使用的各种抗磨材料，在冲击力不十分大的情况下，就抗磨性而言，应

　　首推高铬铸铁。高铬铸铁经过适当的热处理，其组织为：Cr7C3 型碳化物+马氏体+弥散分

　　布的二次碳化物+残奥。宏观硬度达 HRC60 以上，且具有一定的冲击韧性。因此锤头端

　　高铬铸铁中 C，Cr 是决定组织中碳化物数量和形态的最重要的因素，同时其含量对基

　　体组织也有相当的影响。其中铬增加碳化物数量的效果远比碳差，因此工艺上常常用调整

　　碳量来达到改变碳化物数量的目的。高铬铸铁化学成分中提高 C 量可提高材料硬度和强

　　度，来提升材料的耐磨性。但C 量过高会降低材料的抗裂性和抗剥落性。铬含量一般在

　　12%以上。碳含量和铬含量之比决定着碳化物的类型及数量，随着Cr/C 比值增加，依次

　　出现 M3C、M7C3、M23C6 型碳化物。碳质量分数为 3%而铬质量分数低于 12%时，碳化

　　物为 M3C+ M7C3。提高碳含量能增加显微组织中碳化物的体积，来提升高铬铸铁的

　　耐磨性。但是超过共晶碳含量时，会形成粗大的过共晶碳化物，导致韧性明显降低。同时

　　由于过多的铬与碳形成碳化物，降低了固溶体中的铬含量，也会引起高铬铸铁的淬透性降

　　低。在亚共晶含 C 量围，当含量Cr 小于 11%时，碳化物是 M3C 型，呈网状分布，硬度

　　偏低，仅为HV1000～1100；当含量Cr 大于20%时，将大量出现M23C6 型以铬为主的复

　　杂间隙碳化物，硬度并不高，消耗大量的Cr，造成成本价格高；当含Cr 量大于30％时，

　　基体变成铁基体，虽对耐蚀性好，但是耐磨性大幅度的降低。当含Cr 量为12％～20％时，碳

　　化物主要为 M7C3 型，呈颗粒状、条块状，硬度为 HV1300～1800。M7C3 型碳化物基本

　　上是以孤立的条状形态存在，与呈网状连续分布的 M3C 型碳化物相比，大大增强了基体

　　的连续性，因而明显提高整体材料的韧性。为了在组织中形成高硬孤立条状的M7C3 碳化

　　物，Cr 的含量应大于12 %，Cr/C 应大于3.5。从控制碳化物数量来看，碳化物的数量与

　　碳化物的数量在很大程度上决定着材料的耐磨性能，对韧性也有一定的影响。在碎煤

　　这种工况条件下，碳化物数量控制在25%左右较为合适。一般Cr/C 大于5 就能获得大部

　　分的 M7C3 型碳化物；同时铬碳比越高，铸铁的淬透性也增加。从淬透性来看，为了使材

　　料具有良好的淬透性并在热处理后获得马氏体组织，实际控制的 Cr/C 应大于 6，根据以

　　上几个要求，确定锤端高铬铸铁碳、铬含量如下：C：2.5%；Cr：18%，Cr/C=7，碳化

　　物数量：25.6%。不含其他合金元素的高铬铸铁，空淬能淬透的最大直径大约20mm，说

　　高铬铸铁中除C， Cr 外，合金元素还有：Si，Mo，Cu ，Ni，Ti ，V，B 等。

　　其中 Si 在高铬铸铁中有孤立细化碳化物并增加其数量的作用。同时也可对基体产生

　　强烈的固溶强化作用，但 Si 易使高铬铸铁脆性转变温度提高，降低淬透性，因此其含量