【文章內(nèi)容簡介】 水玻璃砂大都由石英砂，%～%的鈉水玻璃配置而成，它的流動性好，這樣造型容易控制，性能良好。對于外材金屬液，經(jīng)驗上認(rèn)為澆注溫度越高，結(jié)合界面的性能越好，結(jié)合強度也越高。澆注溫度過低，鑄件的結(jié)合面處容易產(chǎn)生冷隔、縮孔等缺陷。但是，如果澆注溫度過高，容易產(chǎn)生熱裂缺陷，凝固緩慢，碳化物生長較為粗大，共晶組織粗化，導(dǎo)致大大降低高鉻鑄鐵的抗磨能力和力學(xué)性能。故采用在20kg酸性感應(yīng)爐內(nèi)熔煉高鉻鑄鐵，其出爐溫度1500℃，澆注溫度1480℃。型砂緊實后取出錘端木模，并用特制的水玻璃沙板（冒口徑）放在上面，在錘端頂部設(shè)置補縮出氣冒口。澆口窩和內(nèi)澆道采用消失模型，冒口和直澆道采用木模模型（如圖3所示）。復(fù)合前整個砂型放入感應(yīng)線圈內(nèi)，通過電磁感應(yīng)加熱的原理對錘柄進行預(yù)熱，當(dāng)錘柄達(dá)到需要的溫度時開始澆注金屬液，邊澆注邊加熱，待錘端型腔充滿時，停止加熱，繼續(xù)澆注直到充滿整個冒口，整個過程泡沫塑料模型受熱汽化，待金屬液冷卻凝固后，吊出砂型，打箱?！崽幚砉に嚫咩t鑄鐵要求具有強韌堅硬的基體組織，這樣才能滿足零件要求的高抗磨能力。而鑄造組織一般不能滿足這一要求。鑄件在鑄型中的凝固過程與冷卻速率受到許多因素的影響，如由于鑄件壁厚不均勻、不同的散熱條件、澆注后型內(nèi)鐵水溫度的差異等在加熱、冷卻以及相變過程中會產(chǎn)生效應(yīng)力和組織應(yīng)力，鑄件各部分的鑄造組織很難達(dá)到均勻一致，存在著偏析使鑄鐵中元素分布不均勻，鑄造殘余應(yīng)力使鑄件性能大大降低。高鉻鑄鐵是熱導(dǎo)率較低和熱膨脹系數(shù)較高的金屬材料。鑄件快速加熱，表面和心部會出現(xiàn)較陡峭的溫度梯度。因此不同部位的溫度差異會使鑄件內(nèi)產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。所以應(yīng)采用緩慢加熱，加熱速度應(yīng)控制在100℃以下，這樣有利于降低因溫度梯度而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力水平，防止鑄件變形、開裂。[6]隨加熱溫度的升高，碳及合金元素的擴散能力逐漸增加，將導(dǎo)致顆粒狀或針條狀的二次碳化物析出；加熱溫度低于一定溫度時，二次碳化物以析出為主，加熱溫度高于一定溫度時，二次碳化物則以溶入為主。保溫過程是加熱過程的繼續(xù)，二次碳化物是進一步析出還是溶入，主要取決于保溫溫度。熱處理冷卻過程中，由于奧氏體中碳及合金元素的溶解度減小，將可能引起二次碳化物再度析出，這主要取決于冷卻速度?？焖倮鋮s時，二次碳化物的析出受抑制，緩慢冷卻時，二次碳化物將充分析出。二次碳化物的析出，將使奧氏體中碳及合金元素的含量降低，提高馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms和Mf，有利于空淬時增加馬氏體數(shù)量，減少殘余奧氏體量。同時，亦導(dǎo)致奧氏體轉(zhuǎn)變曲線左移，降低淬透性。[5],[7]淬火時加熱溫度的選擇是至關(guān)重要的。一般應(yīng)根據(jù)含鉻量和零件壁厚來選擇最佳淬火溫度。淬火溫度越高，淬透性越高，但淬火后形成的殘余奧氏體數(shù)量也有可能越多。隨合金中含鉻量的增加，二次碳化物開始析出到轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀苋霝橹鞯臏囟确秶蚋邷胤较蛞苿?，故合適的淬火溫度也將隨含鉻量而變。含鉻15%的白口鑄鐵，得到最大硬度的淬火溫度是940～970℃，而鉻為20%時，則為960～1010℃。同時，淬火溫度與鑄件壁厚密切相關(guān)，壁越厚，淬火溫度應(yīng)選得越高。保溫時間一般可根據(jù)壁厚，選擇為2～4h。厚壁零件可適當(dāng)延長至4～6h。淬火后的高鉻鑄鐵件，由于存在較大的內(nèi)應(yīng)力，需要應(yīng)盡快回火處理。960℃淬火的高鉻鑄鐵，在250℃回火時，硬度基本上不發(fā)生變化，材料的韌性大大提高。同時，回火處理還能使殘余奧氏體減少，淬火馬氏體變?yōu)榛鼗瘃R氏體。綜上所述，本實驗采用緩慢加熱到960℃（加熱速率≤100℃/h），保溫4小時，出爐強制風(fēng)冷淬火。當(dāng)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2小時，出爐空冷?！「咩t鑄鐵的組織觀測和性能測試　硬度的測試對鑄件進行淬火+回火，淬火溫度分別選用960℃、980℃、1000℃、1080℃保溫4h,風(fēng)冷。在960℃淬火溫度下分別進行250℃、350℃和500℃回火,保溫為2h,風(fēng)冷,制得各試樣。分別對各式樣通過HR－150型洛氏硬度計進行洛氏硬度（HRC）測試。試驗方法：洛氏硬度計是以測量壓痕深度來表示材料的硬度值，壓頭采用圓錐角α=120176。的金剛石圓錐體。為了保證壓頭與試樣表面接觸良好，試驗時先加初試驗力F0(指針轉(zhuǎn)三圈)在試樣表面得一壓痕，深度為h0。此時壓痕深度的指針在表盤上歸零。然后加上主試驗力F1，壓痕深度為h1。表盤上指針逆時針方向轉(zhuǎn)動到相應(yīng)位置。試樣在F1作用下產(chǎn)生的總變形中h1包括彈性變形與塑性變形，當(dāng)試驗力F1卸除后，總變形中的彈性變形恢復(fù)，使壓頭回升一端距離(h1－h(huán))，這時試樣表面殘留的塑性變形深度h即為壓痕深度。隨著彈性變形的恢復(fù)，指針順時針方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動停止時所指的數(shù)值就是壓痕深度所對應(yīng)的洛氏硬度值。洛氏硬度值是以壓痕深度h來計算的，h越大，硬度值越低，反之越高。每組試樣測三次，最后求平均硬度?！_擊韌性的測定試驗?zāi)康模簺_擊韌性是材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形和斷裂功的能力，通過測量沖擊韌性和對沖擊試樣進行斷口掃描分析，不僅可以揭示材料中的冶金缺陷及檢查鑄造和熱處理缺陷，還可以得到材料沖擊韌度的好壞及原因。試樣尺寸為10 10 60mm，將試樣在JB30型擺錘式?jīng)_擊實驗機上進行沖擊實驗。試驗方法：試驗在擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行沖擊，將試樣水平地放在支座上，然后將一定重量的擺錘提升至一定高度H1，以使其獲得GH1的勢能，釋放擺錘使其沖斷試樣，擺錘在沖斷試樣后達(dá)到HZ的高度，剩余能量為GH2，則擺錘在沖擊試樣時失去的能量為GH1－GH2，此能量即為試樣變形和斷裂時消耗的功，稱為沖擊吸收功，以W表示，單位為J，試樣截面積為S，則試樣的沖擊韌度為αk=W/S,單位為J/cm2。每組試樣為三個，最后求平均αk值?！〗鹣嘟M織觀察用線切割機從沖擊試樣的一截上截取201010（非斷口端）試樣。砂紙打磨水沖洗—拋光—水沖洗—酒精棉球清洗—浸蝕，浸蝕劑(3%的硝酸酒精)—酒精棉球清洗—烘干。用OLYMPUS BH–2金相顯微鏡采集系統(tǒng)觀察至清晰的組織并照相分析?！‰p金屬結(jié)合界面的測試硬度再一定程度上反映材料的抗磨能力，同時也綜合體現(xiàn)材料的一些物理性質(zhì)，如彈性模量、屈服強度、加工硬化性質(zhì)等。同時，為了研究復(fù)合層擴散界面過渡區(qū)的性能，對界面附近硬度的測試也很重要。使用金相顯微組織測試法，觀察結(jié)合界面周圍的金相組織并測試其硬度分布。澆注的鑄件通過線切割加工，然后按粗磨、細(xì)磨、拋光、浸蝕、吹干的順序制備好金相試樣。與普通金屬相比，雙金屬復(fù)合試樣在處理的時候需要浸蝕均勻，腐蝕強度相對提高。由于兩種金屬的耐腐蝕性不同，所以采用的腐蝕劑的配方為：鹽酸（d＝）5cm3，苦味酸1g，乙醇100cm3。把浸蝕好的試樣放OLYMPUS BH–2金相顯微鏡下觀察，通過金相照相機Leica DML系列進行拍照。同時采用HBV－1000型顯微硬度計對各試樣界面附近的組織進行顯微硬度（HV）測試。3　實驗結(jié)果與討論雙金屬復(fù)合錘頭的性能測試包括高鉻鑄鐵的性能測試和復(fù)合界面性能測試兩部分?！「咩t鑄鐵的性能測試硬度是高鉻鑄鐵和碳鋼復(fù)合錘頭需要檢測的一個重要方面。高鉻鑄鐵的表面硬度在一定程度上反映材料的抗磨能力，同時也綜合體現(xiàn)材料的一些物理性質(zhì)，如彈性模量、屈服強度、加工硬化性質(zhì)等。所得結(jié)果如表1所示：表1　實驗數(shù)據(jù) experimental findings編號熱處理工藝硬度（HRC）沖擊韌性αk（J/cm2）1鑄態(tài)－2退火態(tài)－3淬火態(tài) 960。C 4h 風(fēng)冷回火 C 2h4淬火態(tài) 960。C 4h 風(fēng)冷回火 350。C 2h5淬火態(tài) 960。C 4h 風(fēng)冷回火 500。C 2h由表1可以看出,在960℃之后隨著淬火溫度的升高，由于奧氏體晶粒長大導(dǎo)致硬度降低。同時隨回火溫度的升高，沖擊韌性也有所下降。采用加熱到960℃，保溫4小時，風(fēng)冷，250℃回火，保溫2小時的這種熱處理工藝得到的試樣洛氏硬度（HRC）與沖擊韌性（αk）為所有試樣中最好的，具有較高的耐磨性和較好的抗沖擊性能，復(fù)合錘頭工作條件的要求。　高鉻鑄鐵的金相組織的觀察本實驗采用緩慢加熱到960℃（加熱速率，100℃/h），保溫4小時，出爐強制風(fēng)冷淬火。當(dāng)鑄件溫度降至100℃以下時,入爐進行回火處理，回火溫度為250℃，保溫2小時，出爐空冷。所得金相組織為M7C3共晶碳化物+馬氏體+少量殘余奧氏體。如圖4所示：150μm60μm圖4　金相組織圖 Metallograp　雙金屬復(fù)合材料界面的測試結(jié)果本實驗通過測試界面兩側(cè)顯微硬度的情況，反應(yīng)結(jié)合處兩種金屬的過渡層情況。良好的界面結(jié)合的顯微硬度變化情況為界面兩側(cè)的硬度差異很大，而過渡區(qū)是平滑的過渡。硬度測試結(jié)果如圖5圖5 界面顯微硬度圖 the microhardness of interface結(jié)合界面兩側(cè)顯微硬度差別很大，而在兩者之間的界面處顯微硬度值在HV600左右，界面處過度比較平緩，因此兩種材料的結(jié)合情況良好。圖6 結(jié)合界面的金相圖 Metallograp of interface4　結(jié) 論本文研究了高鉻鑄鐵——碳鋼液固結(jié)合雙金屬復(fù)合錘頭的制備工藝、熱處理工藝、界面結(jié)合性能、界面顯微組織和型內(nèi)感應(yīng)預(yù)熱。通過一系列的實驗以及所得出的數(shù)據(jù)，可得出如下結(jié)論：對復(fù)合錘頭界面的硬度測試表明：界面結(jié)合良好的復(fù)合錘頭界面處的硬度是呈線性變化的，在組織和性能上存在一個穩(wěn)定的過渡區(qū)。說明錘端高鉻鑄鐵的成分選擇合適，采用淬火+回火的熱處理工藝，得到的組織為斷續(xù)分布的M7C3共晶碳化物+馬氏體+少量殘余奧氏體，使力學(xué)性能得到了保證，達(dá)到了雙金屬復(fù)合的目的且性能優(yōu)良。由于是采用鑲鑄工藝，復(fù)合界面出現(xiàn)了少量微小氣孔，但綜合力學(xué)性能依然很好，比原來的高錳鋼錘頭高出五倍以上。錘柄采用型內(nèi)感應(yīng)預(yù)熱，加熱效率高，加熱方便，加熱時間容易控制，表面溫度變化小，且不易氧化，有利于界面的冶金結(jié)合。同時，型內(nèi)感應(yīng)預(yù)熱保證了工件的定位準(zhǔn)確和尺寸精度，無需來回移動和定位，提高了生產(chǎn)效率，同時勞動環(huán)境較好。參考文獻[1] 許春偉, 李炎, 魏世忠, 龍銳. 液固雙金屬復(fù)合界面研究新進展. 熱加工工藝. 35(20)(2006). 7073[2] 管平, 馬青圃, 胡祖堯, 杜月春. 雙金屬耐磨件復(fù)合鑄造工藝試驗. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報. 37(7)(2006). 174177[3] 柴增田. 現(xiàn)代復(fù)合錘頭鑄造技術(shù). 礦山機械. 04(2003), 1516