錘式破碎機錘頭在工作狀態(tài)下高速旋轉(zhuǎn)，與物料發(fā)生猛烈撞擊后受到強烈沖擊磨損，工作部位產(chǎn)生疲勞剝落和形成犁溝而失效，實際生產(chǎn)中要求錘頭的打擊部分具有高硬度和一定韌性、安裝部分具有高韌性和一定硬度。目前廣泛使用的大型錘頭主要有高錳鋼系列和兩種或兩種以上材質(zhì)的復(fù)合錘頭系列。高錳鋼系列主要包括ZGMn13、ZGMn18、ZGMn25和各種高錳鋼堆焊錘頭，復(fù)合錘頭系列主要是碳鋼（或低合金鋼、高錳鋼等）與高鉻鑄鐵或硬質(zhì)合金之間的復(fù)合。普通高錳鋼錘頭在強沖擊條件下可產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，但初始硬度低，在低應(yīng)力磨損條件下使用時耐磨性能差，錘頭壽命普遍不高。為解決以上問題而開發(fā)的高錳鋼堆焊錘頭，雖提高了錘頭打擊部分硬度，但該類錘頭的堆焊層磨損后，材料的耐磨性能迅速下降；復(fù)合錘頭系列由于復(fù)合工藝原因，兩種材質(zhì)結(jié)合不好，易發(fā)生斷裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響設(shè)備使用的安全性，此外，該類錘頭工藝復(fù)雜，對生產(chǎn)過程控制要求嚴(yán)格。低合金鋼材質(zhì)以高強韌性、高硬韌性著稱，通過調(diào)整化學(xué)成分與熱處理工藝，可在較大范圍內(nèi)控制硬度和韌性的匹配。為此，試驗綜合考慮物料形式、錘頭失效機理、耐磨性要求、錘頭尺寸和成本等因素，研制硬度和韌性等性能呈梯度變化的大型多元低合金鋼耐磨錘頭。
1、試驗方法
1.1錘頭梯度性能變化設(shè)計
    破碎機錘頭的耐磨性能及其使用安全性是評價錘頭使用性能的重要指標(biāo)。通常大型錘頭可分為打擊部位、安裝部位和過渡部位（中間連接部位），如圖l所示。一般情況下，錘頭的打擊部位直接與物料發(fā)生撞擊，需有較高的強度和耐磨性，而安裝部位不直接參與磨損，只需具備足夠的韌性和強度，中間連接部位保證錘頭不斷裂。按照上述要求，所設(shè)計錘頭的打擊部位和安裝部位不應(yīng)一味追求高耐磨性或韌性，可通過合理選擇基體組織，即錘頭打擊部位獲得馬氏體或馬氏體+下貝氏體的復(fù)相組織，硬度HRQ50，沖擊韌性；而安裝部位獲得鐵素體+珠光體類型的復(fù)相組織，硬度HRC25～37，可滿足錘頭的工作要求，提高錘頭的使用壽命。錘頭整體的硬度和韌性的梯度變化示意圖如圖2所示。
1.2化學(xué)成分設(shè)計
    圖3是某公司生產(chǎn)的水泥用破碎機耐磨錘頭的三維示意圖，錘頭重量為122kg，外形尺寸為463mmx350mmx138mm，屬厚大型錘頭。參考國內(nèi)外資料及反復(fù)試驗研究，選用表1所示的化學(xué)成分生產(chǎn)錘頭。
1.3鑄造工藝
    采用廢鋼、生鐵、鉻鐵、硅鐵、錳鐵、鉬鐵、鎳板等爐料在500kg中頻感應(yīng)電爐（鎂砂爐襯）中熔煉，鋼水出爐前進行化學(xué)成分光譜分析，嚴(yán)格控制化學(xué)成分在要求范圍內(nèi)。出爐前約按lkg/t的比例插入鋁板進行終脫氧，出鋼溫度不低于1600℃。
    錘頭平做立澆，采用開放式澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆口開設(shè)在錘頭軸孔部位附近，錘頭的打擊部位在鑄型上部，其頂部安放發(fā)熱保溫冒口保證鑄件的順序凝固。合箱前在型腔和砂芯表面涂刷醇基鋯英粉涂料2次并烘干，澆注溫度為1500～1560℃。
1.4熱處理工藝
    為合理匹配錘頭的硬度和韌性，本文主要采用預(yù)處理、淬火+回火的熱處理工藝，并選用合理的淬火介質(zhì)，以實現(xiàn)上圖2所示的梯度性能變化。
    預(yù)處理采用井式電阻爐，以不大于70℃m的加熱速度將鑄件加熱至900～950℃保溫5h，以消除鑄件應(yīng)力、減小化學(xué)成分偏析及組織的不均勻性，并細化晶粒：為實現(xiàn)錘頭打擊部位獲得高硬度、安裝部位獲得高韌性，對錘頭打擊部位和安裝部位采用不同的淬火+回火的熱處理工藝（錘頭打擊部位采用局部淬火，安裝部位采用局部高溫回火）。淬火介質(zhì)選用特制的水玻璃水溶液，其冷卻能力介于水和油之間，攪拌均勻后，通過嚴(yán)格控制水溫及錘頭各部分的入水時間，可保證錘頭在淬火過程中無開裂現(xiàn)象。
    樣品分別在810℃、825℃和840℃進行淬火處理，在560℃和650℃高溫回火。最后將整體錘頭在250～300℃范圍內(nèi)進行低溫回火。整個工藝過程主要是為了使錘頭打擊部位獲得較多的回火馬氏體+貝氏體和少量的殘余奧氏體組織，使錘頭的安裝部位獲得回火索氏體組織。
2、試驗結(jié)果
2.1不同熱處理工藝試樣的組織特征
    圖4所示810℃和840℃淬火+300℃回火時其組織。300℃中溫回火時，回火組織為回火屈氏體，是鐵索體基體上分布著極細的滲碳體的混合組織。回火屈氏體保留了以前馬氏體和貝氏體的位向關(guān)系，組織比較細小均勻，如圖4(a)所示。但是，奧氏體化溫度為840℃時，組織長大比較明顯，淬火后形成的淬火馬氏體晶粒較大，這樣在回火過程中難以發(fā)生大范圍的原子擴散，在低溫回火時又不能發(fā)生鐵素體的回復(fù)和再結(jié)晶，就使得回火組織較為粗大，如圖4(b)所示。
    圖5為高溫回火試樣的顯微組織，可見，高溫回火組織為回火索氏體。它也是鐵素體加滲碳體的混合組織，組織均勻，同樣保留了以前馬氏體的位向關(guān)系。并且高溫回火時，片狀滲碳體球化，鐵素體相回復(fù)，位錯密度降低。圖5(a)中鐵素體保持板條狀或片狀；圖5(b)、5(c)中球化滲碳體聚集粗化，鐵素體再結(jié)晶成為等軸晶粒。試樣微觀組織是粗大的索氏體和完全析出長大的滲碳體，可能導(dǎo)致材料的力學(xué)性能較差。不同溫度奧氏體化處理的試樣因淬火組織不同，回火組織的大小和均勻性也不同。
    回火索氏體組織在保持較高強度的同時，具有優(yōu)良的塑性和良好的綜合力學(xué)性能，能滿足使用要求。
2.2試樣的硬度測試
    回火處理后試樣硬度值如表2所示。可以看出，隨著回火溫度的升高，試樣的硬度值呈下降趨勢。這是因為隨著回火溫度的升高，馬氏體基體中的合金元素含量減少，導(dǎo)致合金對試樣的強化效果降低，從而使得硬度降低。
    文獻指出，300℃中溫回火的目的主要是降低淬火應(yīng)力，使材料獲得較高的屈服極限和強度極限。因而經(jīng)中溫回火的試樣硬度相對于淬火態(tài)硬度有一定程度的降低，但仍然保持在較高水平。560℃和650℃高溫回火，幾乎能完全消除淬火應(yīng)力，提高材料的塑性和韌性。經(jīng)過這兩個溫度回火的試樣，硬度比淬火態(tài)有較大幅度的下降，有利于材料獲得良好的綜合力學(xué)性能。
    根據(jù)文獻，在低溫回火時，合金鋼中的鉻、鎳等合金元素，增大了低溫回火鋼的抗彎脆性強度，少量的鉬和鈦也起著良好的作用，而硅、錳沒有影響。硅、鎳可以顯著改善合金鋼中回火馬氏體的韌性。在高溫回火時，由于合金鋼中含有鉻、鎳、釩等合金元素，合金碳化物的聚集過程減慢，因此合金鋼在較高溫度回火后，仍具有較高的強度和硬度。硅、錳等合金元素由于增加了鐵素體的強度，所以高溫回火后的索氏體組織也具有很高的強度和韌性。因此，可以看出用試樣3號和4號得到的硬度是比較符合使用要求的。
2.3錘頭的整體硬度
    將錘頭從正中心軸剖開以檢測錘頭內(nèi)部各部位硬度。圖6是錘頭中心截面中依次從安裝部位到打擊部位的洛氏硬度測量結(jié)果，其中線2為剖開截面的正中心線上的硬度測量結(jié)果，線1和線3分別為剖開截面正中心線與表面兩端的中心線上的硬度測量結(jié)果。可知，錘頭軸孔兩邊硬度變化較小，均在HRC25～37范圍內(nèi)；打擊部位硬度均大于50HRC，中間連接部位硬度呈梯度變化，整體的硬度分布符合設(shè)計要求；三個部位的硬度結(jié)果相差不大，說明錘頭的淬透性好，淬硬層深度大，心部硬度也能達到設(shè)計要求。
2.4錘頭的沖擊韌性
    為檢測錘頭安裝部位和打擊部位的沖擊韌性，在打擊部位和安裝部位取樣，分別制作了3個10mmx10mmx55mm的無缺口沖擊試樣，采用總沖擊功為250J的擺錘沖擊彎曲試驗來測定沖擊負荷能力，其中安裝部位的3個沖擊試樣均未斷（圖7所示），打擊部位的沖擊試樣所測得的結(jié)果如圖8所示。可見，安裝部位韌性較高，均大于100J/cm2;打擊部位的沖擊韌性J大于30J/cm2，均達到了設(shè)計要求。
    圖9是錘頭打擊部位沖擊試樣的斷口掃描圖。從圖8a中可看出，有許多蜂窩狀的小型韌口窩，圖8b中箭頭所指的地方可看出有許多河流狀的沖擊坑，圖8c中可看出試樣斷裂時，有很多細小的撕裂帶。整體來看，打擊部位具有一定韌性，是韌性斷裂和脆性斷裂綜合作用的結(jié)果。
3、工業(yè)應(yīng)用效果
   該類錘頭在安徽海螺水泥集團某水泥廠的1370單鍛式破碎機進行了批量使用考核，實際破碎天數(shù)均達45天以上，破碎石料量超過了38萬噸，與高錳鋼(ZGMn13Cr2)+堆焊錘頭相比，實際破碎能力提高100%以上（表3所示），且在使用過程中破碎情況更穩(wěn)定，無卡料現(xiàn)象，大大減少了錘頭拆裝工作量，提高了破碎機的破碎效率和工作時間。
4、結(jié)論
   1)根據(jù)破碎機錘頭的工作要求，采用不同的熱處理工藝制備了性能梯度變化的低合金鋼大型錘頭，825℃淬火+560℃回火能較好保證錘頭安裝部位的使用性能。該錘頭的打擊部位硬度為50～52HRC、沖擊韌性大于30J/cm2:安裝部位的硬度為HRC25～37，韌性大于100J/cm2。
   2)低合金鋼大型錘頭生產(chǎn)工藝簡單、打擊部位初始硬度高，與高錳鋼相比，在物料硬度高、沖擊作用低的工況下，可明顯提高錘頭的使用壽命；與雙金屬復(fù)合鑄造錘頭相比，該大型錘頭的韌性好，可保證使用過程中不發(fā)生斷裂現(xiàn)象，提高了錘頭的使用安全性。
   3)在相同的工況條件下，該錘頭的破碎能力和使用壽命均比高錳鋼(ZGMn13Cr2)+堆焊錘頭提高1倍以上。