大型多元低合金铸钢耐磨锤头的研制2010-9.29

大型多元低合金铸钢耐磨锤头的研制及应用张福全1，李娄明1，陈玉祥2，舒震11.湖南大学材料科学与工程学院，长沙 410082；E-mail:zhangfq@2.常熟市电力耐磨合金铸造有限公司，常熟 215515E-mail:master@摘 要：针对单一材质锤头难以同时满足韧性好和硬度高的性能要求及双金属复合锤头在实际生产中易产生铸造缺陷和生产工艺复杂等问题。

本文通过合理匹配化学成分、优化铸造工艺参数及制定合理的热处理工艺，研制出一种硬度和韧性呈梯度变化的大型多元低合金铸钢耐磨锤头。

结果表明：该锤头打击部位硬而不脆，安装部位韧而坚，中间连接部位性能良好，且使用过程中不断裂，寿命比普通高锰钢（ZGMn13Cr2）+堆焊锤头提高1倍以上。

关键词：破碎机；低合金钢；耐磨锤头；硬度；冲击韧性；使用性能中图分类号：TG147.72 文献标识码：A 文章编号：Study and Application on Large Low Alloy Steel Wear-resistanceHammerZHANG Fu-quan1, LI Lou-ming1, CHEN Yu-xiang2, SHU Zhen11. School of Materials Science and Engineering, Hunan University, 410082,Changsha, P.R.China;E-mail:zhangfq@2.Changshu Power Industry-resisting Alloy Casting Co..Ltd, 215515, Changshu, P.R.ChinaE-mail:master@Abstract:A large low alloy steel wear-resistance hammer of gradient properties (hardness and toughness) was developed by matching chemical composition reasonably, optimizating the casting process parameters and developing heat reatment process to avoiding the single material has a contradiction performance of high hardness or high toughness and the double-metal materials hammes easy to bringabout casting defects during the production and the production process is very complex. The results show that: The hammer is in good conditions with the blow parts of the hammer is hard enough and not brittle,the installation parts is tough enough and has reasonable hardness,and the performance of the middle joints is reasonable. The life of the hammer is one times longer than the high manganese steel (ZGMn13Cr2)+ surfacing.Key words：Crusher; Low-alloy steel; Wear-resistance hammer; Hardness; Toughness; Performance 锤式破碎机锤头主要是在工作状态下高速旋转，与物料发生猛烈撞击后受到强烈冲击磨损，工作部位产生疲劳剥落和形成犁沟而失效[1]，实际生产中要求锤头的打击部分具有高硬度和一定韧性、安装部分具有高韧性和一定硬度。

目前广泛使用的大型锤头主要有高锰钢系列和两种或两种以上材质的复合锤头系列。

高锰钢系列主要包括ZGMn13、ZGMn18、ZGMn25和各种高锰钢堆焊锤头，复合锤头系列主要是碳钢（或低合金钢、高锰钢等）与高铬铸铁或硬质合金之间的复合[2]。

普通高锰钢锤头在强冲击条件下可产生加工硬化现象，但初始硬度低，在低应力磨损条件下使用时耐磨性能低，锤头寿命普遍不高。

为解决以上问题而开发的高锰钢堆焊锤头，虽提高了锤头打击部分硬度，但该类锤头当堆焊层磨损后，材料的耐磨性能迅速下降；复合锤头系列由于复合工艺原因，两种材质结合不好，易发生断裂现象，严重影响设备使用的安全性，此外，该类锤头工艺复杂，对生产过程控制要求严格[3]。

低合金钢材质以高强韧性、高硬韧性著称[4]，通过调整化学成分与热处理工艺，可在较大范围内控制硬度和韧性的匹配[5]。

为此，本文综合考虑物料形式、锤头失效机理、耐磨性此项工作得到湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室开放基金项目和产学研合作项目基金项目的支持，项目批准号：30815004的因素指标、锤头尺寸和合金元素价格等方面研制硬度和韧性等性能呈梯度变化的大型多元低合金钢耐磨锤头。

1 试验方法1.1 锤头梯度性能变化设计破碎机锤头的耐磨性能及其使用安全性是评价锤头使用性能的重要指标。

通常大型锤头可分为打击部位、安装部位和过渡部位（中间连接部位）三部分（图1所示），一般情况下，锤头的打击部位直接与物料发生撞击，需有较高的强度和耐磨性，而安装部位不直接参与磨损，只需具备足够的韧性和强度，中间连接部位保证锤头不断裂。

按照上述要求，所设计锤头的打击部位和安装部位不应该一味追求高耐磨性或韧性，可通过合理选择基体组织，即锤头打击部位获得马氏体或马氏体+下贝氏体的复相组织，硬度HRC≥50，冲击韧性αk≥15J/cm2；而安装部位获得铁素体+珠光体类型的复相组织，硬度HRC 25-37，αk≥100J/cm2，满足锤头的工作要求，从而提高锤头的使用寿命。

锤头整体的硬度和韧性的梯度变化示意图如图2所示。

图1 锤头各部位示意图图2 锤头梯度性能变化示意图1.2 化学成分设计锤头重量为122kg，外形尺寸为463mm×350mm×138mm，属厚大型锤头。

参考国内外资料[6-10]及通过反复试验研究，选用表1所示的化学成分生产锤头。

表1 合金元素化学成分W B（%）C Si Mn Cr Ni Mo Cu V P S0.3-0.5 0.3-1.5 0.5-1.5 1.5-3.5 0.3-1.5 0.3-1.5 0.3-1.5 0.05-0.3 0.05 ﹤0.051.3 铸造工艺采用废钢、生铁、铬铁、硅铁、锰铁、钼铁、镍板等炉料在500kg中频感应电炉（镁砂炉衬）中熔炼，钢水出炉前进行化学成分光谱分析，严格控制合金的化学成分。

出炉前约按1kg/t的量插入铝板进行终脱氧，出钢温度不低于1600℃。

锤头平做立浇，采用开放式浇注系统，内浇口开设在锤头轴孔部位附近，锤头的打击部位在铸型上部，其顶部安放发热保温冒口保证铸件的顺序凝固，并提高铸件的质量。

合箱前在型腔和砂芯表面涂刷醇基锆英粉涂料2次并烘干，浇注温度为1500～1560℃。

浇铸工艺如图3所示。

直浇道内浇道冒口锤头横浇道图3 锤头浇铸工艺1.4 热处理工艺为合理匹配锤头的硬度和韧性，本文主要采用预处理、淬火+回火的热处理工艺及选用合理的淬火介质来实现上图2所示的梯度性能变化。

预处理是以不大于70℃/h的加热速度将铸件在井式电阻炉中加热到900～950℃保温5h以消除铸件应力、减小化学成分偏析及组织的不均匀性，并细化晶粒；为实现锤头打击部位获得高硬度和安装部位获得高韧性的不同性能需求，对锤头打击部位和安装部位采用不同的淬火+回火的热处理工艺。

锤头打击部位采用局部淬火以获得高硬度；安装部位采用图4所示的中频回火装置进行局部高温回火以获得高韧性，回火时其它部位暴露在空气中，回火温度为580-650℃；淬火介质选用特制的水玻璃水溶液，其冷却能力介于水和油之间，搅拌均匀后，通过严格控制水温及锤头各部分的入水时间，可满足锤头在淬火过程中无开裂现象的要求；最后将锤头在250-300℃范围内进行低温回火。

整个工艺过程满足锤头打击部位获得较多的回火马氏体+贝氏体和少量的残余奥氏体组织，而锤头的安装部位采用局部高温回火以获得回火索氏体为主的珠光体类型组织。

图4 高温回火示意图2 试验结果2.1 硬度为检测整个锤头的硬度，将锤头从正中心轴剖开以观察锤头内部各部位硬度结果。

图5是锤头中心截面中依次从安装部位到打击部位的洛氏硬度测量结果，其中图中2为剖开截面的正中心线上的硬度测量结果，1和3分别为剖开截面正中心线和表面两端的中心线上的硬度测量结果。

由图5可知，锤头轴孔两边硬度变化较小，均在HRC 25-37范围内；打击部位硬度均大于50HRC，中间连接部位硬度呈梯度变化，整体的硬度结果符合设计结果；三个部位的硬度结果相差不大，锤头的淬透性好，淬硬层深度大，心部硬度也能达到设计要求。

硬度值(H R C )锤头长度(mm) 图5 锤头硬度分布示意图 2.2 冲击韧性 为检测锤头安装部位和打击部位的冲击韧性，在打击部位和安装部位取样，分别制作了3个10mm ×10mm ×55mm 的无缺口冲击试样，采用总冲击功为250J 的摆锤冲击弯曲试验来测定冲击负荷能力，其中安装部位的3个冲击试样均未断（图6所示），打击部位的冲击试样所测得的结果如图7所示，由图可知，安装部位韧性较高，均大于100J/cm 2；打击部位的冲击韧性均大于30J/cm 2，均达到了设计要求。

1# 2#3#01020304050607080冲击韧性(J /c m 2)试样序号图6 安装部位的冲击韧性测试结果 图7打击部位的冲击韧性测试结果 2.3 显微组织图8a 和图8b 分别是锤头安装部位和打击部位的金相组织，由图8a 可知，安装部位主要获得回火索氏体+回火屈氏体组织，图中白色部分为回火索氏体组织，黑色部分为回火屈氏体组织，白色的细小碳化物弥散的分布在基体上；图8b 和图8c 可看出，打击部位主要获得板条状马氏体+下贝氏体组织，细小碳化物弥散的分布在基体上，但碳化物数量相对图8a 要少。

由于安装部位进行高温回火，而打击部位回火温度低，所以，安装部位的碳化物较多。

碳化物的存在对材料的强度和硬度具有重要的意义。

b)a)c)a）安装部位金相组织；b）打击部位金相组织；c）打击部位扫描组织图8 安装部位和打击部位的金相组织2.4 冲击试样断口分析图9是锤头打击部位冲击试样的断口扫描图。