1.力學(xué)性能及耐磨性能

1.1錘頭熱處理后的性能

對(duì)錘頭整體熱處理是為了消除鑄造應(yīng)力和細(xì)化晶粒，提高母材的綜合機(jī)械性能，防止錘柄工作時(shí)折斷。本試驗(yàn)為緩慢加熱到960℃(加熱速率為100℃/h)，保溫4h，出爐強(qiáng)制風(fēng)冷淬火。當(dāng)鑄件溫度低于100℃時(shí)，再次入爐進(jìn)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(yàn)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(jié)合情況如圖2所示。從金相圖中可以觀察，圖2(a)基本結(jié)合，圖2(b)結(jié)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(jié)合在一起，沒有冷隔、裂紋和夾雜等缺陷，組織致密。

2.3材質(zhì)選取的依據(jù)

筆者所研究的具體零件是雙金屬?gòu)?fù)合錘頭，錘頭的工作表面與物料接觸，產(chǎn)生高應(yīng)力磨損。通過對(duì)錘頭表面微觀形貌進(jìn)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(jié)果，而且只是錘端磨損嚴(yán)重，錘柄基本上沒有磨損，只是受應(yīng)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(fù)合的辦法制造錘頭。
2.4工藝參數(shù)對(duì)性能的影響

在砂型復(fù)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(yù)熱溫度，均可以提高雙金屬?gòu)?fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度。雖然提高體積比可以明顯增加界面的結(jié)合強(qiáng)度，但也會(huì)明顯降低復(fù)合材料的整體強(qiáng)韌性。而提高高鉻鑄鐵的澆注溫度既可以提高界面結(jié)合強(qiáng)度，又不會(huì)降低復(fù)合材料的整體強(qiáng)韌性，但是加熱效率較低，同時(shí)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(duì)界面結(jié)合不利。對(duì)芯材預(yù)熱將是一個(gè)很好的辦法，減少了高溫金屬液的浪費(fèi)，同時(shí)可以生產(chǎn)體積比較小的鑄件，為雙金屬?gòu)?fù)合材料多樣性的開發(fā)提供了一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。但需要注意的是碳鋼在預(yù)熱過程中如保護(hù)不當(dāng)，其表面將會(huì)出現(xiàn)氧化皮，從而降低界面結(jié)合強(qiáng)度。


3.錘頭的工業(yè)

性試驗(yàn)試驗(yàn)是在國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)的燒結(jié)廠進(jìn)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(fù)合錘頭進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，鑄造復(fù)合錘頭運(yùn)行時(shí)間為21~24h，高錳鋼錘頭運(yùn)行時(shí)間為9~11h，在相同工況條件下，用鑲鑄法生產(chǎn)的復(fù)合錘頭，其壽命是高錳鋼的2倍多。


4分析與討論

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

    而采用表面噴涂合金處理芯材時(shí)，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(kuò)散。高溫融合合金粉和芯材時(shí)，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(rùn)，表面張力阻礙兩者的結(jié)合；同時(shí)在高溫下，氧化皮易與金屬液發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，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?gòu)?fù)合材料整體性能的提高，但在這種試驗(yàn)條件下，外材與芯材的結(jié)合并不理想。針對(duì)預(yù)熱芯材對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合界面的結(jié)合會(huì)產(chǎn)生很大的影響，筆者進(jìn)行了試驗(yàn)研究。當(dāng)預(yù)熱溫度提高時(shí)，界面結(jié)合情況明顯變好；當(dāng)溫度提高時(shí)，增加了芯材熔化的趨勢(shì)和能量；當(dāng)外材澆注時(shí)又帶入大量的熱量，使芯材表面迅速出現(xiàn)熔融，原子擴(kuò)散遷移的動(dòng)力大大增強(qiáng)，克服原子勢(shì)壘形成金屬鍵合的能力增強(qiáng)。因?yàn)樾纬闪己媒缑娴那疤崾?種材料的原子能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)散融合，預(yù)熱芯材正好增加了芯材的原子能量，減少了對(duì)澆注金屬液的激冷，整體復(fù)合材料的溫度提高，界面處熱作用時(shí)間變長(zhǎng)，原子擴(kuò)散能力加強(qiáng)，所以隨著溫度的提高，雙金屬?gòu)?fù)合的界面出現(xiàn)完全冶金結(jié)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(fù)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(shí)復(fù)合試樣的整體溫度有利于使界面兩側(cè)的擴(kuò)散層變寬，對(duì)提高界面的結(jié)合強(qiáng)度、減少界面應(yīng)力有利。提高體積比、芯材的預(yù)熱溫度和金屬液澆注溫度都可以改善界面結(jié)合狀況，提高界面結(jié)合強(qiáng)度。

5.結(jié)論

(1)在砂型復(fù)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(yù)熱溫度，均可以提高雙金屬?gòu)?fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度。

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

(3)體積比、芯材表面處理和澆注溫度是影響擴(kuò)散層的重要因素。

(4)工藝參數(shù)的選擇對(duì)復(fù)合界面有很大的影響。提高澆注時(shí)復(fù)合試樣的整體溫度加大了界面兩側(cè)的原子擴(kuò)散量，增強(qiáng)了原子擴(kuò)散能力，提高了界面的冶金結(jié)合。