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1、郑州大学毕业设计（论文）题 目：双金属复合锤头生产工艺及性能的研究Research on Production Technology and Performance of Bimetal Hammers指导教师： 职称： 教授 学生姓名： 学号： 专 业： 材料成型及控制工程 院（系）： 材料科学与工程学院 完成时间： 2008年5月30日 2008年 6月 2日38摘 要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内浇道的成型分别采用木模和消失模模型。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
2、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。HRC58，ak6 Jcm2。锤头使用寿命是同等工况下高锰钢的5倍左右。关键词：双金属；锤头；型内感应加热；消失模。AbstractThe inlay casting was used to cast the bi-metal hammer in this paper. The hammer head of bi-metal hammer i
3、s made up of high-chromium cast iron and base matrix material of hammer handle is ZG35. The combining technology is carried out by in-mold induction heating with a frequency of 1400HZ. The hammer handle with foam pattern of hammer head is placed in the sand mold when molding. The hammer handle was f
4、ist casted and then was the hammer head. The sand mold with the hammer handles and foam pattern of hammer head is wholly placed in the induction-heat ring. The hammer handle is preheated by the intermediate frequency induction heating. While its temperature is raising the foam pattern is gradually v
5、aporized. The pour is begun when the temperature(about 800) is reached . The composite interface of bi-metal is wholly metallurgical bonding. The composite bed is Cr7C3 eutectic carbide + marten site + little residual austenite. HRC58, ak6 Jcm2 .Matrix is pearlier + ferrite. The service life of this
6、 kind of hammer is about 5 times over austenitic manganese steel.Key words: Bi-metal; Hammer; In-mold induction heating; Lost form casting.目录摘 要iAbstractii1概 述11.1研究的目的和意义11.2常用双金属复合工艺现状及发展11.3研究目标和研究内容32实验方法42.1工况分析42.2成分设计52.3加工工艺与过程72.2.1复合工艺方案的制定72.2.2复合铸造工艺82.2.3热处理工艺92.4高铬铸铁的组织观测和性能测试102.4.1硬度
7、的测试102.4.2冲击韧性的测定112.4.3金相组织观察112.5双金属结合界面的测试113实验结果与讨论123.1高铬铸铁的性能测试123.2高铬铸铁的金相组织的观察123.2双金属复合材料界面的测试结果134结 论15参考文献16附件118附件219附件320附件421附件522外文翻译23外文原文30致谢351概 述1.1研究的目的和意义随着工业的发展，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
8、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同部位提供不同性能，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使用寿命，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单，所以越来越受到人们的重视 界面是复合材料特有的极其重要的组成部分，双金属复合材料的性能与界面性质密切相关。而复合工艺，直接关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有较高的理论价值，而且具有一定的实用价值。11.2常用双
9、金属复合工艺现状及发展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、挤压复合法和铸造复合法等。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，产品性能稳定。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广使用。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
10、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从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，而且成本高。轧制复合法一般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度高，复层厚度变化范围广且层厚比稳定，尺寸精度高等特点。挤压复合法是先
11、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生产双金属管、棒、线材。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渗法、双液双金属复合法、镶铸法等。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，生产工艺简便，成本低等优点，但是存在如下问题：其一，铸渗
12、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，必须具备良好的设备条件和严格的工艺条件才能在批量生产中得到质量稳定可靠的铸渗件。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，内层为高铬铸铁。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，耐磨性能大大提高。但是此工艺需要两台熔炼炉同时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
13、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。2镶铸复合法是将一种材料(固相)和另一种材料(液相)在铸模内进行组合，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。镶铸工艺操作简单，形状简单或复杂的耐磨铸件都可以加工，生产成本低，铸件综合性能优越，是双金属复合铸造中近乎完美的一种工艺方法。双金属复合铸造工艺已经在世界范围内得到良好的发展。常见的复合锤头镶铸工艺可归结为镶块、预置锤柄和预置锤端三种工艺。镶块工艺是采用类似固定内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
14、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，使用中可能会出现脱落现象。预置锤端的复合方法是将锤头使用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，放入锤头型腔内然后浇入锤柄金属（普通碳钢），从而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。由于后浇入钢液温度较高，高铬铸铁产生热应力交变较大，容易出现裂纹。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内，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结合。1.3研究目标和研究内容本文主要对锤头进行工况分析，合理选择锤头的复合材质，
15、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问题并提高锤头的使用寿命。本课题将进行如下的研究内容：（1）分析各种元素在高铬铸铁中的作用，选择合适的化学成分。（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结合关系的研究中，提出优化的工艺参数。（3）选择合适的热处理方法，使其达到最优的力学性能。2实验方法2.1工况分析图1锤头形状Fig.1 the shape of hammer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，使用寿命短，需要频繁更换，既降低了设备运转率.影响正常生产，又增大了
16、工人劳动强度。锤头的工几何形状见图1，锤式破碎机破碎物料的过程，主要是利用高速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，工作区将发生变化，物料对锤头的磨损方式也将发生变化。在锤头工作初期，冲击为主要受力方式，而当锤头被磨极到一定程度，物料对锤头工作面产生冲刷作用。锤头磨损到一定程度，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
17、过程中出现弯曲折断以及孔轴拉长磨损。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，又要具有一定的韧性防止脱落过快。32.2成分设计锤柄：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，细化晶粒可以很好的解决这一问题。ZG35的抗压强度为500MPa，屈服强度为200Mpa，轴孔内采用氧乙炔火焰喷焊方法喷焊一层0.1MM的铁基耐磨层。4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
18、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。因此锤头端部选用高铬铸铁材质。锤端化学成分的选择（1）C，Cr高铬铸铁中C，Cr是决定组织中碳化物数量和形态的最主要因素，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，从而提高材料的耐磨性。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
19、、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。提高碳含量可以增加显微组织中碳化物的体积，从而提高高铬铸铁的耐磨性。但是超过共晶碳含量时，会形成粗大的过共晶碳化物，导致韧性显著降低。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量范围内，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HV10001100；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
20、性大大降低。当含Cr量为1220时，碳化物主要为M7C3型，呈颗粒状、条块状，硬度为HV13001800。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，因而显著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C，Cr含量之间存在如下的关系：Cm=12. 33C+0.5Cr15.2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
21、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，说明淬透性是很低的，要提高淬透性，必须加入其他合金元素。5（2）其他合金元素高铬铸铁中除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
22、铸铁脆性转变温度提高，降低淬透性，因此其含量不能过高。钼能够有效地提高高铬铸铁淬透性并有提高Ms点的作用。对于抗磨金属材料，淬透性是材料的重要工艺性质。为了提高抗磨能力，高铬铸铁应能在避免产生裂纹情况下充分硬化。因此，高铬铸铁件（特别是厚壁零件）往往需要添加钼。这部分钼能直接起到提高淬透性的作用，特别是在钼含量较高时，作用更加明显。钼元素在各相中的分配是这样的：有50%进入Mo2中，约有25%进入M7C3型碳化物中，溶入基体的钼量大约占总含量的23%左右。这部分钼能直接起到提高淬透性的作用。钼对马氏体开始转变温度影响不大。钼如能与铜、锰联合应用时，其提高淬透性的效果更好。但由于Mo是贵重的元素
23、，为了降低成本，确定其加人量为2.0%左右。锰既进入碳化物又溶入基体。锰对稳定奥氏体很有效。锰对高铬铸铁凝固过程的主要影响是改变初生奥氏体的析出温度和合金凝固温度范围。由于锰对凝固过程的这些影响，使含锰较高的高铬铸铁初生奥氏体枝晶细化，数量增加，相应的减小了共晶组织的尺寸。锰推迟珠光体转变孕育期，调整高铬铸铁的铬碳比、硅锰比（提高硅含量）、控制合适的加锰量，还可以通过热处理（铸件奥氏体化后空冷）手段制造出具体所需要马氏体或者奥氏体贝氏体组织的高铬铸铁，此时高铬铸铁的综合机械性能和抗磨能力都是很好的。但锰含量过高将降低耐磨性且剧烈的降低Ms点，故一般控制在1.0%以下。铜不溶于碳化物，完全溶于金
24、属基体中，因此可以充分发挥它提高淬透性的作用，当铜的含量低于1%时，铸态硬度随含铜量增加而急剧上升，因为铜有助于碳化物的细化，并使之呈现不连续状；加铜量超过1%时，硬度反而下降，因为析出的铜聚集成较大颗粒，不但已经失去强化作用，而且由于软质相的存在，降低了基体硬度。并且铜降低Ms温度，会造成较多的残余奥氏体，且铜在奥氏体中的溶解度也不高，一般在1%左右。钒能细化共晶组织。铸铁中增加钒含量，能有效地提高高铬铸铁的抗砂子冲蚀磨损能力。钛起变质的作用，抑制夹杂物在晶界的偏聚，改善晶界状况，细化共晶组织。一般与V、B一起加入进行复合变质处理，提高铸铁的力学性能。高铬铸铁由于淬裂倾向大，所以要加人一定的
25、Ni，一方面可提高淬透性，另一方面可增加组织中的残奥量，减少开裂倾向。为了提高材料的韧性，炉前采用稀土，钛及微量B进行变质处理。5综合考虑以上因素，高铬铸铁化学成分确定如下W（）：2.5C，0.51.0Si，0.61.0Mn，0.05 P，0.05 S，18Cr，2.0Mo， 1.0Cu。其中Re，Ti，B均为加人量。2.3加工工艺与过程2.2.1复合工艺方案的制定采用预置锤柄的浇注方式，中碳钢的锤柄与高温铁水温差非常大，碳钢对高铬铸铁有较强的激冷作用，高铬铸铁导热率低，急剧冷却时铸件中容易产生陡峭的热梯度，这可导致复合界面结合不合格。6锤头复合过程中必须让固体部分达到一定温度才能形成有效的结
26、合。为达到复合界面有效的结合在复合铸造前需考虑两个问题：其一是预置锤柄的表面处理，芯材在复合前的表面状况是结合成败与否的关键因素。如果芯材（碳钢）表面不经过预处理，当浇入金属液时，铁锈受热将产生大量的气体，当金属凝固时，气体溶解度大大降低，气体不能及时排出从而在界面处形成气孔，从而降低了界面结合的性能。而且某些杂质将与金属液中的合金元素发生化学反应，在界面处形成化合物，这些化合物阻碍界面原子的扩散，在金属凝固过程中在界面处形成夹杂。所以提高芯材（锤柄）的表面性能是很重要的。故在浇注前要先用砂轮打磨掉表面的棱角和氧化皮及其它杂物。其二是预置锤柄达到一定的温度，金属液浇注到型砂中时如果芯材没有进行
27、预热，外材冷却速度很大，收缩较大，从而无法与芯材进行有效的结合，最终生成了机械结合的界面，还有可能在结合面的内表面形成裂纹。只有当芯材的表面发生熔融时，外材和芯材才能实现冶金结合。芯材温度越高界面处原子具有的能量越高，原子摆脱金属键的能力就越强，原子在界面处扩散的范围就越大，扩散层就越宽，两部分结合的也就越好。但由于浇注前的预热一般是在加热炉中进行，在合箱浇注前，将预热件取出放入到铸型中，然后合箱浇注。显然，在加热炉中加热，由于加热时间长，被加热件易氧化。另外，由于预热件从加热炉中取出到浇注，这中间的时间一般不易控制，导致复合前预热件的实际温度变化较大，无法稳定地保证复合界面的质量。而采用高温
28、金属液对固体部分进行长时间的冲刷，加热效率低，浪费大量的高温金属，同时由于固体部分的激冷作用，在液体金属浇入铸型后靠近固体部分的液体金属立即在固体表面凝固，这层快速凝固的金属中极易出现裂纹，使用中裂纹易扩散。4如若采用型内感应加热则能有效解决这些问题。型内感应加热的原理是利用导体在高频磁场作用下产生的感应电流（涡流损耗）。以及导体内磁场的作用（磁滞损耗）引起导体自身发热而进行加热的。原理图如图2所示：图2感应加热的原理图Fig. 2 Schematic diagram of induct heating型内感应加热相对来说具有以下优点：第一：加热温度高，效率高，速度快，被加热物表面氧化少，有利
29、与外材和芯材界面的冶金结合；第二：感应加热相对与用加热炉来说减少了芯材从加热炉取出到放置到砂型中这一过程，锤柄的加热在型内直接进行，无须在加热后来回移动和定位能更加准确的控制温度。容易保证铸件的尺寸精度，并且温度也容易控制。第三：浇注过程中继续加热，感应加热金属时，强大的变频电流经感应线圈产生很强的磁场，产生磁力。被熔化的金属受到电磁力的作用产生强烈搅拌。根据电流通过俩导体产生的邻近效应，感应线圈中电流与熔化金属中的感应电流相反，线圈与铁液之间有斥力，线圈受到向外推力，熔化金属则受到坩埚中心的径向作用力。熔化金属之间，可以看成很多同方向平行载流导线，相互间有压缩力。铁液受斥力和压缩力合成作用结
30、果，使熔化金属产生运动，这种运动称为电磁搅拌。利用电磁搅拌作用，增强液体金属对锤柄的冲刷，促进两者之间的物质和能量到交流，从而大大提高界面的冶金结合。62.2.2复合铸造工艺采用复合铸造工艺生产复合铸件，最关键的技术问题是要保证复合层和基体金属之间良好的冶金结合。采用湿砂造型，砂型为CO2硬化水玻璃砂。砂中使用的主要是钠水玻璃，CO2钠水玻璃砂大都由石英砂，加入4.5%8.0%的钠水玻璃配置而成，它的流动性好，这样造型容易控制，性能良好。对于外材金属液，经验上认为浇注温度越高，结合界面的性能越好，结合强度也越高。浇注温度过低，铸件的结合面处容易产生冷隔、缩孔等缺陷。但是，如果浇注温度过高，容易
31、产生热裂缺陷，凝固缓慢，碳化物生长较为粗大，共晶组织粗化，导致大大降低高铬铸铁的抗磨能力和力学性能。故采用在20kg酸性感应炉内熔炼高铬铸铁，其出炉温度1500，浇注温度1480。型砂紧实后取出锤端木模，并用特制的水玻璃沙板（冒口径）放在上面，在锤端顶部设置补缩出气冒口。浇口窝和内浇道采用消失模型，冒口和直浇道采用木模模型（如图3所示）。复合前整个砂型放入感应线圈内，通过电磁感应加热的原理对锤柄进行预热，当锤柄达到需要的温度时开始浇注金属液，边浇注边加热，待锤端型腔充满时，停止加热，继续浇注直到充满整个冒口，整个过程泡沫塑料模型受热汽化，待金属液冷却凝固后，吊出砂型，打箱。2.2.3热处理工艺
32、高铬铸铁要求具有强韧坚硬的基体组织，这样才能满足零件要求的高抗磨能力。而铸造组织一般不能满足这一要求。铸件在铸型中的凝固过程与冷却速率受到许多因素的影响，如由于铸件壁厚不均匀、不同的散热条件、浇注后型内铁水温度的差异等在加热、冷却以及相变过程中会产生效应力和组织应力，铸件各部分的铸造组织很难达到均匀一致，存在着偏析使铸铁中元素分布不均匀，铸造残余应力使铸件性能大大降低。高铬铸铁是热导率较低和热膨胀系数较高的金属材料。铸件快速加热，表面和心部会出现较陡峭的温度梯度。因此不同部位的温度差异会使铸件内产生较高的热应力和组织应力。所以应采用缓慢加热，加热速度应控制在100以下，这样有利于降低因温度梯度
33、而产生的内应力水平，防止铸件变形、开裂。6随加热温度的升高，碳及合金元素的扩散能力逐渐增加，将导致颗粒状或针条状的二次碳化物析出；加热温度低于一定温度时，二次碳化物以析出为主，加热温度高于一定温度时，二次碳化物则以溶入为主。保温过程是加热过程的继续，二次碳化物是进一步析出还是溶入，主要取决于保温温度。热处理冷却过程中，由于奥氏体中碳及合金元素的溶解度减小，将可能引起二次碳化物再度析出，这主要取决于冷却速度。快速冷却时，二次碳化物的析出受抑制，缓慢冷却时，二次碳化物将充分析出。二次碳化物的析出，将使奥氏体中碳及合金元素的含量降低，提高马氏体转变温度Ms和Mf，有利于空淬时增加马氏体数量，减少残余
34、奥氏体量。同时，亦导致奥氏体转变曲线左移，降低淬透性。5,7淬火时加热温度的选择是至关重要的。一般应根据含铬量和零件壁厚来选择最佳淬火温度。淬火温度越高，淬透性越高，但淬火后形成的残余奥氏体数量也有可能越多。随合金中含铬量的增加，二次碳化物开始析出到转变为以溶入为主的温度范围向高温方向移动，故合适的淬火温度也将随含铬量而变。含铬15%的白口铸铁，得到最大硬度的淬火温度是940970，而铬为20%时，则为9601010。同时，淬火温度与铸件壁厚密切相关，壁越厚，淬火温度应选得越高。保温时间一般可根据壁厚，选择为24h。厚壁零件可适当延长至46h。淬火后的高铬铸铁件，由于存在较大的内应力，需要应尽
35、快回火处理。960淬火的高铬铸铁，在250回火时，硬度基本上不发生变化，材料的韧性大大提高。同时，回火处理还能使残余奥氏体减少，淬火马氏体变为回火马氏体。综上所述，本实验采用缓慢加热到960（加热速率100/h），保温4小时，出炉强制风冷淬火。当铸件温度低于100时，再次入炉进行回火处理，回火温度为250，保温2小时，出炉空冷。2.4高铬铸铁的组织观测和性能测试2.4.1硬度的测试对铸件进行淬火+回火，淬火温度分别选用960、980、1000、1080保温4h,风冷。在960淬火温度下分别进行250、350和500回火,保温为2h,风冷,制得各试样。分别对各式样通过HR150型洛氏硬度计进行洛
36、氏硬度（HRC）测试。试验方法：洛氏硬度计是以测量压痕深度来表示材料的硬度值，压头采用圆锥角=120的金刚石圆锥体。为了保证压头与试样表面接触良好，试验时先加初试验力F0(指针转三圈)在试样表面得一压痕，深度为h0。此时压痕深度的指针在表盘上归零。然后加上主试验力F1，压痕深度为h1。表盘上指针逆时针方向转动到相应位置。试样在F1作用下产生的总变形中h1包括弹性变形与塑性变形，当试验力F1卸除后，总变形中的弹性变形恢复，使压头回升一端距离(h1h)，这时试样表面残留的塑性变形深度h即为压痕深度。随着弹性变形的恢复，指针顺时针方向转动，转动停止时所指的数值就是压痕深度所对应的洛氏硬度值。洛氏硬度
37、值是以压痕深度h来计算的，h越大，硬度值越低，反之越高。每组试样测三次，最后求平均硬度。2.4.2冲击韧性的测定试验目的：冲击韧性是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形和断裂功的能力，通过测量冲击韧性和对冲击试样进行断口扫描分析，不仅可以揭示材料中的冶金缺陷及检查铸造和热处理缺陷，还可以得到材料冲击韧度的好坏及原因。试样尺寸为10 10 60mm，将试样在JB-30型摆锤式冲击实验机上进行冲击实验。试验方法：试验在摆锤式冲击试验机上进行冲击，将试样水平地放在支座上，然后将一定重量的摆锤提升至一定高度H1，以使其获得GH1的势能，释放摆锤使其冲断试样，摆锤在冲断试样后达到HZ的高度，剩余能量为GH2
38、，则摆锤在冲击试样时失去的能量为GH1GH2，此能量即为试样变形和断裂时消耗的功，称为冲击吸收功，以W表示，单位为J，试样截面积为S，则试样的冲击韧度为k=W/S,单位为J/cm2。每组试样为三个，最后求平均k值。2.4.3金相组织观察用线切割机从冲击试样的一截上截取201010（非断口端）试样。砂纸打磨-水冲洗抛光水冲洗酒精棉球清洗浸蚀，浸蚀剂(3%的硝酸酒精)酒精棉球清洗烘干。用OLYMPUS BH2金相显微镜采集系统观察至清晰的组织并照相分析。2.5双金属结合界面的测试硬度再一定程度上反映材料的抗磨能力，同时也综合体现材料的一些物理性质，如弹性模量、屈服强度、加工硬化性质等。同时，为了研
39、究复合层扩散界面过渡区的性能，对界面附近硬度的测试也很重要。使用金相显微组织测试法，观察结合界面周围的金相组织并测试其硬度分布。浇注的铸件通过线切割加工，然后按粗磨、细磨、抛光、浸蚀、吹干的顺序制备好金相试样。与普通金属相比，双金属复合试样在处理的时候需要浸蚀均匀，腐蚀强度相对提高。由于两种金属的耐腐蚀性不同，所以采用的腐蚀剂的配方为：盐酸（d1.19）5cm3，苦味酸1g，乙醇100cm3。把浸蚀好的试样放OLYMPUS BH2金相显微镜下观察，通过金相照相机Leica DML系列进行拍照。同时采用HBV1000型显微硬度计对各试样界面附近的组织进行显微硬度（HV）测试，所加的载荷为1.98
40、N。3实验结果与讨论双金属复合锤头的性能测试包括高铬铸铁的性能测试和复合界面性能测试两部分。3.1高铬铸铁的性能测试硬度是高铬铸铁和碳钢复合锤头需要检测的一个重要方面。高铬铸铁的表面硬度在一定程度上反映材料的抗磨能力，同时也综合体现材料的一些物理性质，如弹性模量、屈服强度、加工硬化性质等。所得结果如表1所示：表1实验数据Tab.1 experimental findings编号热处理工艺硬度（HRC）冲击韧性k（J/cm2）1铸态51.42退火态38.53淬火态 960。C 4h 风冷回火 250。C 2h64.77.24淬火态 960。C 4h 风冷回火 350。C 2h64.15.85淬火
41、态 960。C 4h 风冷回火 500。C 2h60.26.2由表1可以看出,在960之后随着淬火温度的升高，由于奥氏体晶粒长大导致硬度降低。同时随回火温度的升高，冲击韧性也有所下降。采用加热到960，保温4小时，风冷，250回火，保温2小时的这种热处理工艺得到的试样洛氏硬度（HRC）与冲击韧性（k）为所有试样中最好的，具有较高的耐磨性和较好的抗冲击性能，复合锤头工作条件的要求。3.2高铬铸铁的金相组织的观察本实验采用缓慢加热到960（加热速率，100/h），保温4小时，出炉强制风冷淬火。当铸件温度降至100以下时,入炉进行回火处理，回火温度为250，保温2小时，出炉空冷。所得金相组织为M7C
42、3共晶碳化物+马氏体+少量残余奥氏体。如图4所示：150m60m图4金相组织图Fig.4 Metallograp3.2双金属复合材料界面的测试结果本实验通过测试界面两侧显微硬度的情况，反应结合处两种金属的过渡层情况。良好的界面结合的显微硬度变化情况为界面两侧的硬度差异很大，而过渡区是平滑的过渡。硬度测试结果如图5图5 界面显微硬度图Fig.5 the microhardness of interface结合界面两侧显微硬度差别很大，而在两者之间的界面处显微硬度值在HV600左右，界面处过度比较平缓，因此两种材料的结合情况良好。图6 结合界面的金相图Fig.6 Metallograp of in
43、terface4结 论本文研究了高铬铸铁碳钢液固结合双金属复合锤头的制备工艺、热处理工艺、界面结合性能、界面显微组织和型内感应预热。通过一系列的实验以及所得出的数据，可得出如下结论：对复合锤头界面的硬度测试表明：界面结合良好的复合锤头界面处的硬度是呈线性变化的，在组织和性能上存在一个稳定的过渡区。说明锤端高铬铸铁的成分选择合适，采用淬火+回火的热处理工艺，得到的组织为断续分布的M7C3共晶碳化物+马氏体+少量残余奥氏体，使力学性能得到了保证，达到了双金属复合的目的且性能优良。由于是采用镶铸工艺，复合界面出现了少量微小气孔，但综合力学性能依然很好，比原来的高锰钢锤头高出五倍以上。锤柄采用型内感应
44、预热，加热效率高，加热方便，加热时间容易控制，表面温度变化小，且不易氧化，有利于界面的冶金结合。同时，型内感应预热保证了工件的定位准确和尺寸精度，无需来回移动和定位，提高了生产效率，同时劳动环境较好。参考文献1 许春伟, 李炎, 魏世忠, 龙锐. 液-固双金属复合界面研究新进展. 热加工工艺. 35(20)(2006). 70-732 管平, 马青圃, 胡祖尧, 杜月春. 双金属耐磨件复合铸造工艺试验. 农业机械学报. 37(7)(2006). 174-1773 柴增田. 现代复合锤头铸造技术. 矿山机械. 04(2003), 15-164 吴振卿, 卢广玺, 汤文博. 高铬铸铁-铸钢双金属复
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