（材料加工工程专业论文）大型多元低合金铸钢锤头的制备及组织性能调控技术研究.pdf

s t u d yo fp r e p a r a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo nt h es t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c ef o rl a r g e - s i z em u l t i e l e m e n th a m m e ro fl o w a l l o y c a s ts t e e l b y l il o u m i n g b e ( n a n c h a n gh a n g k o n gu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f s c i e n c e m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v is o r p r o f e s s o rz h a n gf u q u a n a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律后果由本人承担。 作者签名：李耄i 司 日期：加1 1 年r 月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密函。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：。孝差日日 导师签名：弦沩锣 日期：沙年岁月2 7 e l 吼少膊夕月7 日 大型多元低合金铸钢锤头的制各及组织性能调控技术研究 摘要 破碎机广泛用于水泥、矿山、交通、建材、电厂、冶金等行业。目前，广泛 使用的大型破碎机耐磨锤头主要有高锰钢系列和多种材质的复合锤头系列。普通 高锰钢锤头因初始硬度低，在低应力磨损条件下使用时耐磨性能差，使用寿命普 遍不高；复合锤头系列由于复合工艺原因，两种材质的结合不理想，易发生断裂 现象，严重影响设备的使用安全性。为避免上述缺陷，本文通过对锤头进行组织 和性能设计、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， 研制了适于在中、低载荷下使用的单一材质大型多元低合金铸钢耐磨锤头。 由锤头的工况要求可知，打击部位与物料发生撞击后受到强烈冲击磨损而失 效，安装部位起固定作用，只需保证锤头在使用过程中的安全性。本文利用低合 金钢材质可在大范围内调整硬度和韧性的特点，对锤头进行了组织和性能设计， 将锤头设计成打击部位、安装部位和中间连接部位三部分，通过调整化学成分和 热处理工艺，使锤头打击部位获得马氏体+ 下贝氏体的复相组织，硬度5 0 h r c ， 冲击韧性a k 1 5 j c m 2 ；安装部位获得铁素体+ 珠光体类型的复相组织，硬度2 5 - - 3 7 h r c ，0 【k 1 0 0 j c m 2 ；中间连接部位保证锤头不断裂，性能介于安装部位和打击 部位之间，整体性能呈梯度变化。 为获得优质铸件，采用模拟软件p r o c a s t 优化铸造工艺参数。设计了立浇和 卧浇两种浇注方案，并分别对两种浇注方案进行了温度场、流场和应力场的数值 模拟分析，主要分析了铸件在铸造过程中产生的缩孔、缩松等严重影响铸件质量 的缺陷。针对各个工艺参数下产生的缩孔和缩松缺陷的位置和大小，通过优化工 艺参数来消除缩孔和缩松等缺陷，在保证无缩孔、缩松的前提下，预测铸件产生 热裂的倾向和变形大小，最终在上述两种方案中的最佳工艺参数下进行试验研究。 试验研究结果表明，立浇方案得到了无缩孔缩松缺陷铸件，且批量生产时质量稳 定；卧浇方案经批量生产后出现了质量不稳定现象，采用保温发热冒口后，得到 了无缺陷铸件，但铸件表面质量较立浇方案差。锤头经铸造成型后，两种方案均 未出现热裂现象，且变形较小，符合尺寸要求。 为实现锤头的梯度性能变化，本文选用合理的奥氏体化温度、退火温度、淬 火温度、淬火介质和回火温度等热处理工艺参数，对安装部位和打击部位采用不 同的热处理工艺。其中安装部位选用的热处理工艺为：预处理_ 淬火_ 高温回火 _ 低温回火；打击部位的热处理工艺为：预处理一淬火_ 二次淬火一低温回火。 并对热处理后的锤头各部位进行宏观硬度、冲击韧性、金相显微组织、扫描显微 组织以及耐磨性等性能测试，并将测试结果与梯度性能变化设计进行对比，在满 i i 硕士学位论文 足性能要求的前提下，进行工业应用试验研究。试验结果表明：锤头经热处理后 安装部位和打击部位的组织分别为铁素体+ 回火索氏体+ 回火屈氏体复相组织和 马氏体+ 下贝氏体复相组织；硬度分别为3 4 h r c 和5 1 4 h r c ；冲击韧性分别超过 1 0 0 j c m 2 和3 0 j c m 2 。经对锤头的整体硬度进行测试，锤头的硬度值符合体系性能 变化的设计要求，使用寿命比高锰钢( z g m n l3 c r 2 ) + 堆焊锤头提高1 倍以上。 关键词：低合金钢；数值模拟；缩孑l 和缩松；硬度；冲击韧性 i i i a bs t r a c t c r u s h e rh a m m e r sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r i a lf i e l d ss u c ha sc e m e n t ， m i n i n g ，t r a n s p o r t a t i o n ，b u i l d i n gm a t e r i a l s ，e l e c t r i c i t ya n dm e t a l l u r g y a tp r e s e n t ，t h e l a r g eh a m m e r sa r em a i n l ym a d eo fh i g hm a n g a n e s es t e e l a n dt w oo rm o r em e t a l c o m p o s i t em a t e r i a l s h o w e v e r , t h ec o m m o nh i g hm a n g a n e s es t e e lh a m m e r d u et ot h e l o w e ri n i t i a lh a r d n e s sa n dt h er e s u l t a n tp o o rw e a rr e s i s t a n c eu n d e rt h ec o n d i t i o n so f 1 0 ws t r e s sa b r a s i o n t h et w oo rm o r em a t e r i a l si n v o l v e di nt h ec o m p o s i t eh a m m e r a r e d i f f i c u l tt oi n t e g r a t ew i t he a c ho t h e r ，w h i c hs e v e r e l y a f f e c t st h es a f e t yi ni t s u t i l i z a t i o nd u et ot h ee a s yr u p t u r e i nt h i sp a p e r ，t h el a r g e - s i z em u l t i 。e l e m e n tw e a r r e s i s t a n c el o wa l l o yc a s ts t e e lh a m m e ra p p l i e du n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h em i d d l eo r t h el o wl o a d sh a sb e e nd e v e l o p e db ym i c r o s t r u c t u r e a n dp e r f o r m a n c e sd e s i g n ， r e a s o n a b l ec h e m i c a lc o m p o s i t i o nm a t c h ，c a s t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na n d s u i t a b l eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e sf o r m u l a t i o nt oa v o i dt h ed e f e c t sm e n t i o n e da b o v e w i t ht h er e q u i r m e n t so fw o r k i n gc o n d i t i o n sw h i c ht h eb e a ta r e a sa r ed i r e c t l y s t r i k es t r o n g l yw i t ht h ec l i n k e ra n dt h ei n s t a l l a t i o np a r t sn e e dt oe n s u r et h es e c u r i t yo f t h ep r o c e s s t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e so ft h eh a m m e rw e r ed e s i g n e dw i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh a r d n e s sa n dt o u g h n e s so fl o wa l l o yc a s ts t e e lm a t e r i a l sc a n b ea d ju s t e di naw i d er a n g e m e n t ，t h eh a m m e rw a sd i v i d e di n t ot h eh a m m e rs i d e ，t h e h a m m e rh a n d l ea n dt h ei n t e r m e d i a t ejo i n t s ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h eh a m m e rs i d e i se x p e c t l yt oa c q u i r ed u p l e xm i c r o s t r u c t u r eo fm a r t e n s i t ea n db a i n i t e ，t h eh a r d n e s si s h i g h e rt h a n5 0 h r ca n dt h ei m p a c tt o u g h n e s s ( a oi sh i g h e rt h a n15 j c m z ；t h eh a m m e r h a n d l ea c q u i r e sd u p l e xm i c r o s t r u c t u r eo ff e r r i t ea n dt y p e so fp e a r l i t e ，h a r d n e s sw i t hi n t h er a n g eb e t w e e n2 5 h r ca n d37 h r c ，a ki sh i g h e rt h a n10 0 j c m z ；t h ei n t e r m e d i a t e j o i n t se n s u r en oe a s yr u p t u r ep h e n o m e n o ne m e r g e sd u r i n gt h ew o r k i n gp e o c e s sa n d i t s p e r f o r m a n c eb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c eo fh a m m e rh a n d l ea n dh a m m e rs i d eu r g et h e o v e r a l lp e r f o r m a n c es h o w sg r a d i e n tc h a n g e s t h ep r o g r a mo fv e r t i c a lc a s t i n ga n dh o r i z o n t a lc a s t i n gw e r ed e s i g n e di no r d e rt o o b t a i nh i g hq u a l i t yc a s t i n g s ，a n dt h et e m p e r a t u r ef i e l d ，f l o wf i e l da n ds t r e s sf i e l dw e r e s i m u l a t e db yf i n i t ee l e m e n tc a es i m u l a t i o ns o f t w a r ep r o c a s tt oo p t i m i z ec a s t i n g p r o c e s sp a r a m e t e r sb ya n a l y s i n gp o r o s i t ya n ds h r i n k a g ed e f e c t sd u r i n gt h ec o u r s eo f c a s t i n g ，o p t i m i z et h ec a s t i n gp e o c e s sp a r a m e t e r sa c c o r d i n g t ot h el o c a t i o na n ds i z e so f p o r o s i t ya n ds h r i n k a g ed e f e c t s t h e n ，t h eh o tt e a r i n gt e n d e n c ya n dd e f o r m a t i o ns i z e s i v 硕士学位论文 u n d e rt h ep r o g r a mo fn os h r i n k a g ew e r ep r e d i c t e d ，a n dc o n d u c te x p e r i m e n t a ls t u d r i e s u n d e rt h eb e s ts o l u t i o no ft h et w op r o g r a m se v e n t u a l l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a t ，t h ep r o g r a mo fv e r t i c a lc a s t i n gh a sg o td e f e c t f r e ec a s t i n g sa n dt h ep r o d u c t i o n q u a l i t yi ss t a b i l i t y ，t h ep r o d u c t i o nq u a l i t yo ft h ep r o g r a mo fh o r i z o n t a lc a s t i n gi s i n s t a b i l i t y d u et ot h eb a d l e g i s l a t i o n b u tt w oo p t i o n sw e r en o ta p p e a r a e dt h e p h e n o m e n o no fh o tc r a c k i n g ，a n dl i t t l ed i s t o r t i o n ，a l lm e e tt h es i z er e q u i r e m e n t sa f t e r t h eh a m m e rc a s t i n gm o l d i n g t h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sp a r a m e t e r so fa u s t e n i t i z i n g t e m p e r a t u r e ，a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e ，q u e n c h i n gt e m p e r a t u r e ，q u e n c h i n gm e d i u ma n dt e m p e r i n gt e m p e r a t u r e w e r ef o r m u l a t e dt oa c h i e v et h ec h a n g e so fg r a d i e n tp e r f o r m a n c e s t h eh e a tt r e a t m e n t p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h eh a m m e rh a n d l ea n dt h eh a m m e rs i d ep o s i t i o nw i t hd i f f e r e n t h e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e s ，w h i c ht h eh a m m e rh a n d l e i s p r e t r e a t m e n t - q u e n c h i n g - - - , h i g ht e m p e r a t u r et e m p e r i n g - q o wt e m p e r a t u r et e m p e r i n g ，a n dt h eh a m m e rs i d ei s p r e t r e a t m e n t q u e n c h i n g s e c o n dq u e n c h i n g - , l o wt e m p e r a t u r et e m p e r i n g a f t e rt h e h e a tt r e a t m e n t ，t h ep e r f o r m a n c eo fm a c r o h a r d n e s s ，t o u g h n e s s ，m i c r o s t r u c t u r ea n d w e a rr e s i s t a n c ew e r et e s t e da n dt h ep e r f o r m a n c et e s tr e s u l t sa n dc h a n g e si nt h ed e s i g n o fg r a d i e n tc o n t r a s tw e r ec o n t r a s t e d ，a n dt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o nw e r et e s t e dw i t h t h ep e r f o r m a n c ei n g o o dq u a l i f i c a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ei n s t a l l p a r t s a c q u i r e sd u p l e xm i c r o s t r u c t u r eo ff e r r i t e ，t e m p e r i n gs o r b i t ea n dt r o o s t i t e ，h a r d n e s s w e r e34 h r ca n dt o u g h n e s si sm o r et h a n10 0 j c m 2 ，a n dt h es t r i k ep a r k sa c q u i r e s d u p l e xm i c r o s t r u c t u r eo fm a r t e n s i t ea n dl o w e rb a i n i t e ，h a r d n e s sw e r e51 4 h r ca n d t o u g h n e s si sm o r et h a n30 j c m za f t e rh e a tt r e a t m e n t t h eo v e r a l lh a r d n e s so ft h e h a m m e rm e e t st h e d e s i g nr e q u i r e m e n t sf o rs y s t e mp e r f o r m a n c ec h a n g e s ，a n dt h e s e r v i c el i f e i so n et i m e sl o n g e rt h a nt h a to ft h eh i g hm a n g a n e s e s t e e l ( z g m n 13c r 2 ) b yd e p o s i tw e l d i n g k e y w o r d s ：l o wa l l o ys t e e l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p o r o s i t ya n ds h r i n k a g e ； h a r d n e s s ；t o u g h n e s s v 大型多元低合金铸钢锤头的制备及组织性能调控技术研究 目录 学位论文原创性声明和版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t 1 1 0 r 第1 章绪论1 1 1 锤头常用耐磨材料发展概况_ 1 1 1 1 抗磨白口铸铁1 1 1 2 高锰钢3 1 1 3 低合金耐磨铸钢3 1 1 3 1 低合金耐磨钢发展现状4 1 1 3 2 低合金耐磨钢的特点5 1 1 3 3 常用低合金耐磨铸钢5 1 2 锤式破碎机锤头失效机理6 1 2 1 锤式破碎机工作原理6 1 2 2 锤头失效机理研究现状7 1 2 3 大型锤头失效机理分析8 1 3 破碎机锤头的主要生产工艺8 1 3 1 单一材质铸造成型9 1 3 2 多金属材质复合铸造成型9 1 3 2 1 机械结合复合锤头1 0 1 3 2 2 冶金结合复合锤头1 1 1 4 铸造c a e 仿真技术1 2 1 4 1 铸造c a e 国内外发展概况1 2 1 4 2p r o c a s t 介绍1 3 1 5 本文研究目的及内容1 4 1 5 1 研究目的1 4 1 5 2 研究内容1 5 第2 章锤头的组织、性能及化学成分设计l6 2 1 锤头的组织和性能设计1 6 2 2 低合金钢化学成分设计1 8 2 3 本章小结2l v l 硕士学位论文 第3 章锤头的铸造工艺设计及优化2 2 3 1 铸造工艺设计2 2 3 1 1 铸件尺寸、结构及工艺分析2 2 3 1 2 冒口设计2 3 3 1 3 浇注系统设计2 3 3 1 4 浇冒系统三维实体一2 4 3 1 5 合金熔炼及浇注2 5 3 2 仿真模型一2 6 3 2 1 数学计算模型2 6 3 2 2 缩孔、缩松及热裂预测模型2 7 3 2 3 有限元模型2 8 3 2 4 边界条件2 9 3 3 充型凝固过程数值模拟3 0 3 3 1 热节部位及大小预测的数值模拟3 0 3 3 2 设置保温冒口的数值模拟研究3 1 3 3 3 立浇方案发热保温冒口的数值模拟3 5 3 3 4 补浇工艺的数值模拟研究3 7 3 4 铸件热裂和变形预测3 9 3 4 1 铸件热裂预测3 9 3 4 2 铸件变形预测4 0 3 5 铸件试验验证一4 1 3 6 本章小结41 第4 章锤头的热处理工艺研究及其组织和性能特征4 3 4 1 热处理工艺及参数制定4 3 4 1 1 f 氐合金铸钢相变特征点研究4 4 4 1 2 预处理工艺4 5 4 1 3 淬火工艺一4 6 4 1 4 回火工艺4 9 4 2 组织及力学性能特征5 0 4 2 1 显微组织5 0 4 2 2 硬度测试5 2 4 2 3 冲击韧性5 4 4 2 4 断口扫描5 5 4 2 5 分析与讨论5 5 v i i 大型多元低合金铸钢锤头的制各及组织性能调控技术研究 4 3 工业应用效果5 8 4 4 本章小结5 8 结论6 0 参考文献6 2 致谢6 6 附录a 攻读硕士学位期间发表的主要论文6 7 v i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 锤头常用耐磨材料发展概况 近年来水泥行业的迅速发展，尤其在2 0 世纪8 0 年代末至2 1 世纪初是水泥行 业发展的高峰时期，为破碎行业和耐磨材料研究与发展带来了生机，同时也对破 碎机械中各耐磨零部件提出了更多、更高的要求。长期以来，破碎行业的发展都 以新型耐磨材料的应用为支柱，伴随着破碎机械行业的不断发展，如破碎领域的 不断扩大和破碎机械设备耐久耐用等要求对耐磨材料提出了更高的要求，各种耐 磨材料正面临着新的挑战。面对来自破碎行业各方面的要求，研究者根据零部件 的磨损情况，研制出了各种中锰钢、改性高锰钢、超高锰钢等锰钢系列耐磨材料； 铬系、锰系、硼系白口铸铁及马氏体、贝氏体抗磨球墨铸铁等抗磨合金白口铸铁 系列耐磨材料；低、中、高碳等各种耐磨合金钢系列耐磨材料；不同方法生产的 双金属复合耐磨材料以及通过表面技术处理的耐磨材料等【l 】。锤头是破碎机的关 键耐磨零部件，每年因磨损而消耗大量金属材料，目前广泛应用于锤头的耐磨材 料主要有以下三大系列：抗磨白口铸铁系列、高锰钢系列和耐磨合金铸钢系列。 1 1 1 抗磨白口铸铁 抗磨白口铸铁因其硬度高而在各类抗磨材料中的耐磨性居首位，在工业生产 中的应用已有较长历史。普通白口铸铁因生产成本低廉，可在化铁炉中直接熔炼 而受到高度关注，但由其质脆且耐磨性较低，由此研究者在不耐磨的普通白口铸 铁基础上发展了抗磨白口铸铁系列耐磨材料。2 0 世纪3 0 年代至今，国内外学者 一直对此进行了大量研究，如通过在普通自口铸铁中加入4 6 的镍元素发展了 镍硬抗磨白口铸铁，其组织主要为马氏体，并伴随有少量的残余奥氏体分布在基 体上，其抗磨性与普通白口铸铁相比有所提高，但仍较脆，而在镍硬白口铸铁中 继续加入6 1 0 的铬元素，组织中碳化物的形态有较大改变，韧性得到提高。 美国研究者早期研发了含铬白口铸铁，其含铬量最高达到3 0 ；法国研究者通过 在普通白口铸铁中加入铬、钒等合金元素研制了铬钒白口铸铁；英国研究了含锰、 铜、铬、钼的多元合金自口铸铁；前苏联和日本研制了高钒和高钨等白口铸铁【2 1 。 近年来，我国通过加入硼、钨、锰或稀土等合金元素在白口铸铁合金中也进行研 究，生产的合金耐磨铸铁在工业中已得到了广泛的应用。 抗磨白口铸铁类抗磨材料其优点是在高应力磨料磨损和冲击作用不太强的磨 损条件下表现出较高耐磨性。目前，在耐磨合金铸铁系列中被应用于锤头的主要 是铬系耐磨铸铁中的高铬铸铁，至今一直被作为主要的抗磨材料使用1 3 】，也广泛 大型多元低合金铸钢锤头的制备及组织性能调控技术研究 用在其它易磨损件上，如碎矿辊、球磨机衬板等零部件。高铬铸铁的成分中含铬 量一般都在1 2 以上，铬的存在不仅能使铸件较易获得白口组织，其性能也得到 较大的改善。近2 0 年来，随着国内学者对铬系白口铸铁的不断研究深入，在合金 化理论及生产工艺等各方面都取得了突破性进展，如低铬、中铬、高铬、超高铬 磨球、衬板、锤头，以及高铬铸铁与钢的双金属复合铸造衬板、磨辊、轧辊等都 己达到国际先进水平【3 】。随着对耐磨铬系白口铸铁的不断深入研究，该材料在耐 磨材料领域占有越来越重要的地位。目前国外常用的高铬白口铸铁的典型牌号及 相关性能如表1 1 所示。 表1 1 国外常用高铬白1 2 1 铸铁的典型牌号及相关性能【2 】 高铬铸铁的抗磨能力和力学性能与碳化物体积分数及基体性质密切相关【4 5 j 。 铁铬碳合金的组织与性能主要取决于铬和碳的含量【6 j ，由于铬与碳的亲和力强于 铁与碳的亲和力而会形成如c r t c 3 、c r 2 3 c 6 等一系列稳定的铬碳化物，碳化物类型 及数量主要由碳和铬元素含量之比决定。有研究者通过磨粒磨损实验表明1 7 】，碳 化物数量并非越多越好，耐磨性先随碳化物数量增加而提高，但碳化物数量增加 到一定程度后耐磨性并未呈现明显增加。高铬铸铁虽具有优良的耐磨性能，但由 其含有大量的铬元素，需经高温热处理且必须用电炉熔化的特点，价格较昂贵； 此外，高铬铸铁中碳化物含量一般超过2 0 。虽然块状c r 7 c 3 型碳化物比普通m 3 c 型碳化物韧性高，但其韧性一般0 【k 在5 - - 一9 j c m 2 范围内。在高冲击载荷条件下使 用的工件容易出现脆性断裂现象，应用范围受到较大限制。 2 硕士学位论文 1 1 2 高锰钢 高锰钢是一种已有百年悠久历史的奥氏体耐磨钢，其经水韧处理后可获得单 相奥氏体组织，具有优良韧性和无磁性等优点，广泛用于建材、电力、运输和矿 山等行业。目前，国内外有关高锰钢的研究主要集中在提高屈服强度和改善磨料 磨损性能方面，而实现这个目标的主要途径基本都是通过合金化和采用新工艺产 生沉淀强化、细晶强化等来达到性能要求，充分发挥和改善其加工硬化效果【8 】。 常见高锰钢的力学性能如表1 2 所示。 表1 2 高锰钢的力学性能【9 】 然而研究者通过实验研究表明：高锰钢一般只有在冲击力足够大、应力足够 高和磨料足够硬的工况下才体现其优良的耐磨性，且由于其屈服强度低而容易产 生变形。对磨损后的高锰钢衬板解剖后发现【9 】，其表面初始硬度约为3 0 - 4 0h r c ， 硬化层深度只有o 1 0 5 o 1 1 0 m m ，衬板磨损较严重。目前，在某些工况下使用的 大型破碎机锤头还大范围地使用高锰钢材质制作，然而实际工况条件相当复杂， 并不能在任何时候都能发挥其加工硬化效果而耐磨。高锰钢只有在强冲击和高应 力作用下才迅速产生加工硬化，形成硬而耐磨的表面层而显示出优良的耐磨性能。 一旦处于低应力磨损条件，则不能充分地加工硬化，锤头因耐磨性难发挥而在使 用过程中早期失效。 针对高锰钢在冲击负荷小或应力磨损低条件下加工硬化效果不显著而不耐磨 的缺点，铸冶工作者发展了一系列较易加工硬化的中锰钢、低锰钢、基于高碳锰 钢改性的高锰钢，其初始硬度和耐磨性均有较大提高【1 ，m 1 2 】；为使铸件的厚大中 心部位也得到全奥氏体组织，提高加工硬化能力，又发展了z g m n l 5 、z g m n l 7 、 z g m n 2 0 、z g m n 2 5 等一系列超高锰钢；针对结构复杂和易产生裂纹的铸件，研 制出了7 5 m n l 3 、5 0 c r 2 m n l 4 、6 0 c r 5 m n l 2 、5 5 c r 5 m n 9 等一系列低碳高锰钢来满 足市场需要【i3 1 。但在某些领域，如水泥行业应用的破碎机锤头，因其加工硬化效 果很难得到充分发挥，已有逐渐被其它耐磨材料所替代的趋势【l 引。 1 1 3 低合金耐磨铸钢 合金耐磨铸钢的研制始于2 0 世纪3 0 年代，一直以来新型耐磨铸钢种类层出 不穷，综合力学性能、耐磨性能和使用寿命均逐渐提高，因在磨损条件下具有较 高的强韧性和耐磨性而在建材、冶金和矿山等行业中得到广泛的应用。耐磨合金 铸钢根据化学成分中合金元素的含量可依次分为微合金钢、低合金钢、中合金钢 和高合金钢。低合金钢由于合金元素含量少，生产成本较低，依靠水淬或油淬等 3 大型多元低合金铸钢锤头的制备及组织性能调控技术研究 热处理工艺来提高硬度即能满足易损件的要求，现被广泛应用于破碎机耐磨锤头 等各类耐磨零部件中。以下主要介绍下低合金耐磨钢的发展现状和特点。 1 1 3 1 f 氏合金耐磨钢发展现状 低合金耐磨铸钢是在普通碳素钢中加入一定量的合金元素来改善材料的组织 和性能，国内外学者对此进行了大量的实验研究。有美国研究人员【2 】通过在碳素 钢中加入一定量合金元素，并采用新的热处理工艺技术在较宽的范围内调整其综 合性能，研制出c r m o n i s i 等低合金铸钢，其淬透截面深度达1 2 5 c m 以上，热 处理后硬度可超过5 0 h r c ，冲击值a k 超过2 0 j c m 2 。张金山等【1 5 】研究了新型贝氏 体铸钢的组织、性能和奥氏体化温度之间的关系，并指出新型贝氏体铸钢具有优 良的力学性能和耐磨性。徐志辉【l6 】研制出一种高韧性耐磨钢z g 3 5 c r m n n i m o ，在 同等条件下，其耐磨性达到z g m n l 3 的3 5 倍。 我国的低合金耐磨铸钢的发展结合了国内资源和借鉴了国外合金钢牌号，主 要以s i 、m n 等合金元素为基础，添加其它合金元素( 相当一部分加入了硼和各 种稀土元素) ，通过合理的热处理工艺来实现的。经过多年努力已取得了一定成绩， 但我国的低合金耐磨铸钢的推广应用还十分有限，尤其是在冶金、矿山等领域的 推广应用还存在空白【l7 1 。表1 3 是国内常用的低合金耐磨铸钢的成分及其性能。 表1 3 国内常用低合金耐磨铸钢的成分和性能【1 7 】 4 硕士学位论文 目前，低合金耐磨铸钢的研究正朝着利用废旧资源来开发多元素微合金化耐 磨铸钢、简化热处理工艺以及进一步降低生产成本和提高性能等方向发展【1 7 】。随 着低合金耐磨铸钢的推广应用，在建材、冶金、水泥、矿山等部门已用低合金铸 钢代替高锰钢制作球磨机衬板等耐磨零部件，其使用寿命显著增加，取得了可观 的经济效益和社会效益。 1 1 3 2 低合金耐磨钢的特点 通常低合金耐磨铸钢以高强韧性、高硬韧性著称【l7 1 ，通过调整化学成分和热 处理工艺能在较大范围内合理匹配低合金耐磨钢的硬度和韧性等力学性能，使其 满足不同磨损工况条件下的性能需求【l 引。在保证不因脆性而引起断裂的前提下， 低合金耐磨铸钢的耐磨性一般随硬度的提高而提高，硬度和强度均优于耐磨锰钢， 且在非大冲击磨损工况条件下可代替锰钢，其塑性、韧性也优于耐磨白口铸铁， 在一定冲击载荷的磨损工况条件下，其使用寿命高于耐磨白口铸铁。将其与高锰 钢相比，低合金耐磨钢显微组织为马氏体或马氏体+ 贝氏体、贝氏体+ 奥氏体的复 相组织，其初始硬度比高锰钢高，通过调整碳和其它合金元素含量，不仅能实现 强度和硬度远高于高锰钢，其冲击韧性也仅次于高锰钢，可在很多应用领域替代 高锰钢。低合金耐磨钢具有以下特点【l9 】： 1 ) 合金元素含量较低，一般为3 5 。所加的合金元素常为c r 、s i 、m n 、b 、 r e 等国内丰富资源元素，而少含或不含n i 、m o 等贵重稀缺元素，经济合算，易 于推广应用。 2 ) 具有较高硬度和优良韧性等综合性能，在硬度大于5 0 h r c 的工况下，韧性 o 【k 值可达2 0 - - 一4 0 j c m 2 。采用低含量、多样化合金元素及复合合金化获得淬硬态 组织，在较大范围内合理控制硬度和韧性的匹配，可满足各类磨料磨损工况中的 耐磨性需求。 3 ) 具有良好淬透性。通过适当调整c r 、n i 等合金元素含量可使各种尺寸的工 件都得到淬透性，也为空冷淬硬而简化热处理工艺提供了条件。 4 ) 生产灵活易行，价格相对低廉，经济效益较高。 1 1 3 3 常用低合金耐磨铸钢 目前常用的低合金耐磨铸钢按组织分类主要有：低合金马氏体耐磨铸钢和低 合金贝氏体铸钢、马氏体+ 贝氏体复相耐磨铸钢两大类【2 0 1 。 1 ) 低合金马氏体铸钢 低合金马氏体耐磨钢中的碳含量一般为0 2 o 6 之间，视含碳量又可将其 分为低碳马氏体钢、中碳马氏体钢和高碳马氏体钢三种。通常根据强度、冲击韧 性和耐磨性能等性能的差异需求，添加c r 、n i 、m o 等合金元素和调整热处理工 艺主要得到马氏体组织，并伴随有细小碳化物颗粒弥散地分布在基体上强化基体， 5 大型多元低合金铸钢锤头的制备及组织性能调控技术研究 细小碳化物的存在可阻碍局部变形，基体得到均匀强化，提高其耐磨性【2 1 1 。为提 高中碳马氏体钢的韧性，有研究者对其进行变质处理1 22 。，如采用r e b 变质处理 改善马氏体形态、细化晶粒，改善钢中夹杂物的形态和分布。如z g 3 0 c r n i m o 、 z g 3 0 c r n i s i m o 、z g 3 0 c r n i 2 s i 等的硬度均约为4 5 h r c ，抗拉强度可达1 5 0 0 m p a 以上，屈服强度可达1 3 0 0 m p a 以上，无缺口冲击试样的韧性可高于6 0 j c m 2 。 2 ) 贝氏体、马氏体贝氏体耐磨铸钢 在低合金耐磨铸钢中，贝氏体耐磨铸钢尤其是下贝氏体耐磨铸钢具有优异的 综合力学性能，一直受到人们的广泛关注。贝氏体基体型耐磨钢基体组织是以贝 氏体、贝氏体+ 马氏体、贝氏体+ 奥氏体或贝氏体+ 马氏体+ 残余奥氏体的复相组织。 2 0 世纪5 0 年代pbp i c k e t i n g 等人【2 3 】发明了m o b