1.力学性能及耐磨性能

1.1热处理后锤头的性能

锤头整体热处理是为了消除铸造应力，细化晶粒，提高母材的综合力学性能，防止锤柄在工作时断裂。本实验将温度缓慢升温至960℃(升温速率为100℃/h)，保温4小时，然后进行强制风冷淬火。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2h，出炉空冷却。

2.2界面金相组织

本实验中，外料与芯料的体积比为8∶1，液态高铬铸铁的浇注温度为1500℃。获得的界面结合如图2所示。从金相图可以看出，图2(a)基本结合，图2(b)结合良好。空淬火+低温回火后，镶块金相组织为马氏体+共晶碳化物，镶块与铸件的熔合已完全结合在一起，无冷隔、裂纹、夹杂等缺陷，组织致密。

2.3材料选择依据

作者研究的具体零件为双金属复合锤头，锤头工作表面与材料接触，产生高应力磨损。通过对锤头表面形貌的分析，发现锤头的磨损过程正在发生变化。

而且只有锤端磨损严重，锤柄基本没有磨损，只是受力。因此，利用高铬铸铁的优良耐磨性和碳钢的优良韧性，采用高铬铸铁-碳钢复合法制造锤头。

2.4工艺参数对性能的影响

在砂型复合铸造条件下，提高高铬铸铁芯材的浇注温度、液固体积比和预热温度，可以提高双金属复合材料的界面结合强度。虽然增加体积比可以明显提高界面的结合强度，但也会明显降低复合材料的整体强度和韧性。而提高高铬铸铁的浇注温度，既能提高界面结合强度，又不会降低复合材料的整体强度和韧性，但加热效率较低。同时，由于固体部分的激冷效应，靠近固体部分的液态金属在倒入模具后立即在固体表面凝固，这层快速凝固的金属容易产生裂纹，不利于界面结合。对芯材进行预热将是减少高温熔融金属浪费的好方法，同时可以生产出体积相对较小的铸件，为双金属复合材料的多样性发展提供了基础平台。但需要注意的是，如果碳钢在预热过程中保护不当，碳钢表面会被氧化，从而降低界面结合强度。

3.锤头工业

性能试验在国内某钢铁企业烧结厂进行，用于破碎石灰石(白云石)，试验采用上述材料和工艺生产的复合锤头。结果表明，铸造复合锤头的运转时间为21~24h，高锰钢锤头的运转时间为9~11h。在同等工况下，镶铸法生产的复合锤头的使用寿命是高锰钢的两倍以上。

4分析和讨论

试验表明，当镶铸体积比为8∶1时，预热处理后的芯材结合界面明显较好，而未经预热处理的芯材只能在界面形成部分结合，并伴有一些裂纹。由于只有在浇注的熔融金属提供足够热量的情况下，芯材表面才会熔化，实现界面的完全冶金结合，因此芯材预热时，芯材对外部熔融金属的激冷作用减小，形成相对较小的温度梯度；同时，随着芯材温度的升高，液态高铬铸铁的热损失相对减少，表面熔化程度增强，大大促进了原子的迁移，从而形成良好的冶金结合。

但是，当芯材经过表面喷涂合金处理后，由于喷涂层的阻挡，外层的原子向芯材的扩散受到限制。当合金粉末和芯材料在高温下熔化时，在合金粉末的表面上形成氧化层。由于氧化层的存在，熔融金属无法渗入芯材，表面张力阻碍了两者的结合。同时，在高温下，氧化皮容易与熔融金属发生物理化学反应，生成气体等附加产物，导致界面出现空孔洞等缺陷。虽然理论上有利于提高双金属复合材料的整体性能，但在本试验条件下，外层材料与芯层材料的结合并不理想。鉴于预热芯材对双金属复合界面结合的重大影响，作者进行了实验研究。预热温度升高，界面结合明显变好。当温度升高时，堆芯材料的熔化趋势和能量增加；外部材料浇注时带入大量热量，使芯材表面迅速熔化，大大增强了原子扩散和迁移的动力，增强了克服原子势垒形成金属键合的能力。因为形成良好界面的前提是两种材料的原子能够扩散融合，预热芯材正好增加了芯材的原子能，减少了金属液的激冷，提高了整个复合材料的温度，延长了界面处的热作用时间，增强了原子扩散能力。因此，随着温度的升高，双金属复合界面完全冶金结合。

锤头采用高铬铸铁，耐磨性好；锤柄为ZG270-550，韧性好，成本低。热处理后锤端复合层的显微组织为:断续的Cr7C3共晶碳化物+马氏体+少量残余奥氏体，硬度& ge58HRC，冲击韧性AK >；12J/cm2；手柄的组织是珠光体+铁素体。浇注时提高复合材料试样的整体温度有利于拓宽界面两侧的扩散层，提高界面结合强度，降低界面应力。提高体积比、芯材预热温度和金属液浇注温度可以改善界面结合状况，提高界面结合强度。

5.结论

(1)在砂型复合铸造条件下，提高高铬铸铁芯材的浇注温度、液固体积比和预热温度，可以提高双金属复合材料的界面结合强度。

(2)复合锤头具有较高的力学性能。在同等工况下，镶铸生产的复合锤头寿命是高锰钢的两倍以上，且生产工艺简单，成本低。

(3)体积比、芯材表面处理和浇注温度是影响扩散层的重要因素。

(4)工艺参数的选择对复合界面有很大影响。浇注过程中提高复合材料样品的整体温度增加了界面两侧的原子扩散，增强了原子扩散能力，改善了界面的冶金结合。