1.力學性能及耐磨性能

1.1錘頭熱處理后的性能

對錘頭整體熱處理是為了消除鑄造應力和細化晶粒，提高母材的綜合機械性能，防止錘柄工作時折斷。本試驗為緩慢加熱到960℃(加熱速率為100℃/h)，保溫4h，出爐強制風冷淬火。當鑄件溫度低于100℃時，再次入爐進行回火處理，回火溫度為250℃，保溫2h，出爐空冷。

2.2界面金相組織

本試驗采用的外材和芯材體積比為8∶1，液態(tài)高鉻鑄鐵的澆注溫度為1500℃，所得到的界面結合情況如圖2所示。從金相圖中可以觀察，圖2(a)基本結合，圖2(b)結合良好。經(jīng)空淬+低溫回火后的鑲塊金相組織為馬氏體+共晶碳化物，鑲鑄件熔合處已完全結合在一起，沒有冷隔、裂紋和夾雜等缺陷，組織致密。

2.3材質選取的依據(jù)

筆者所研究的具體零件是雙金屬復合錘頭，錘頭的工作表面與物料接觸，產(chǎn)生高應力磨損。通過對錘頭表面微觀形貌進行分析，發(fā)現(xiàn)錘頭的磨損過程是變
變形和沖擊磨損綜合作用的結果，而且只是錘端磨損嚴重，錘柄基本上沒有磨損，只是受應力作用。因此，利用高鉻鑄鐵的優(yōu)異抗磨能力和碳鋼的優(yōu)良韌性，采用高鉻鑄鐵-碳鋼復合的辦法制造錘頭。
2.4工藝參數(shù)對性能的影響

在砂型復合鑄造條件下，提高外材高鉻鑄鐵的澆注溫度、液固體積比和芯材的預熱溫度，均可以提高雙金屬復合材料的界面結合強度。雖然提高體積比可以明顯增加界面的結合強度，但也會明顯降低復合材料的整體強韌性。而提高高鉻鑄鐵的澆注溫度既可以提高界面結合強度，又不會降低復合材料的整體強韌性，但是加熱效率較低，同時由于固體部分的激冷作用，在液體金屬澆入鑄型后靠近固體部分的液體金屬立即在固體表面凝固，這層快速凝固的金屬極易出現(xiàn)裂紋，對界面結合不利。對芯材預熱將是一個很好的辦法，減少了高溫金屬液的浪費，同時可以生產(chǎn)體積比較小的鑄件，為雙金屬復合材料多樣性的開發(fā)提供了一個基礎平臺。但需要注意的是碳鋼在預熱過程中如保護不當，其表面將會出現(xiàn)氧化皮，從而降低界面結合強度。


3.錘頭的工業(yè)

性試驗試驗是在國內某鋼鐵企業(yè)的燒結廠進行的，用于破碎石灰石(白云石)，用上述材料和工藝生產(chǎn)的復合錘頭進行試驗。結果表明，鑄造復合錘頭運行時間為21~24h，高錳鋼錘頭運行時間為9~11h，在相同工況條件下，用鑲鑄法生產(chǎn)的復合錘頭，其壽命是高錳鋼的2倍多。


4分析與討論

    試驗表明，在鑲鑄體積比為8∶1時，芯材經(jīng)過預熱處理后，結合界面明顯較好，而沒有經(jīng)過預熱處理的芯材，在界面處只能形成部分結合，并且伴隨一定的裂紋出現(xiàn)。由于只有當澆注的金屬液提供足夠高的熱量才能使芯材表面熔化，實現(xiàn)界面的完全冶金結合，當芯材預熱時，減少了芯材對外材金屬液的激冷作用，形成相對較小的溫度梯度；同時，芯材溫度提高，相對減少了液態(tài)高鉻鑄鐵的熱量損失，增強了表面熔融程度，極大地推動原子的遷移，從而形成良好的冶金結合。

    而采用表面噴涂合金處理芯材時，由于噴涂層的阻礙作用，限制了外層材料中的原子向芯材的擴散。高溫融合合金粉和芯材時，合金粉表面產(chǎn)生了一層氧化皮，由于氧化皮的存在，金屬液不能與芯材浸潤，表面張力阻礙兩者的結合；同時在高溫下，氧化皮易與金屬液發(fā)生物理化學反應，產(chǎn)生氣體等附加產(chǎn)物，從而在界面處產(chǎn)生空洞等缺陷。雖然在理論上有利于雙金屬復合材料整體性能的提高，但在這種試驗條件下，外材與芯材的結合并不理想。針對預熱芯材對雙金屬復合界面的結合會產(chǎn)生很大的影響，筆者進行了試驗研究。當預熱溫度提高時，界面結合情況明顯變好；當溫度提高時，增加了芯材熔化的趨勢和能量；當外材澆注時又帶入大量的熱量，使芯材表面迅速出現(xiàn)熔融，原子擴散遷移的動力大大增強，克服原子勢壘形成金屬鍵合的能力增強。因為形成良好界面的前提是2種材料的原子能夠實現(xiàn)擴散融合，預熱芯材正好增加了芯材的原子能量，減少了對澆注金屬液的激冷，整體復合材料的溫度提高，界面處熱作用時間變長，原子擴散能力加強，所以隨著溫度的提高，雙金屬復合的界面出現(xiàn)完全冶金結合。

   錘頭采用高鉻鑄鐵，具有良好的耐磨性能；錘柄采用ZG270-550，韌性好，成本低。經(jīng)過熱處理后，錘端復合層組織為：斷續(xù)分布的Cr7C3共晶碳化物+馬氏體+少量殘余奧氏體，硬度≥58HRC，沖擊韌性ak>12J/cm2；錘柄組織為：珠光體+鐵素體。提高澆注時復合試樣的整體溫度有利于使界面兩側的擴散層變寬，對提高界面的結合強度、減少界面應力有利。提高體積比、芯材的預熱溫度和金屬液澆注溫度都可以改善界面結合狀況，提高界面結合強度。

5.結論

(1)在砂型復合鑄造條件下，提高外材高鉻鑄鐵的澆注溫度、液固體積比和芯材的預熱溫度，均可以提高雙金屬復合材料的界面結合強度。

(2)復合錘頭具有較高的力學性能，在相同工況條件下，用鑲鑄法生產(chǎn)的復合錘頭，其壽命是高錳鋼的2倍多，且生產(chǎn)工藝簡單，成本低。

(3)體積比、芯材表面處理和澆注溫度是影響擴散層的重要因素。

(4)工藝參數(shù)的選擇對復合界面有很大的影響。提高澆注時復合試樣的整體溫度加大了界面兩側的原子擴散量，增強了原子擴散能力，提高了界面的冶金結合。