摘要：研制了一种新型高铬铸铁耐磨材料大型锤头，对其材料设计、铸造与热处理工艺、显
微组织和机械性能进行了研究．材料热处理后的组织为马氏体。试验根据结果得出：该锤头材料
具有足够的淬透性，较高的强度和韧度，热处理后的硬度ＨＲＣ＞６０，冲击韧度ｑｋ可达ｌＯＪ／ｃｍ２
ＬｉＦｅｎｇ－ｃｈｕｎ，ＸｉａｏＹｏｎｇ－ｈｕａＱｉｕＹｉ—ｌｕｎ，ＹａｎｇＣａｉ－ｌｉａｎｇ，ＬｉＣｈａｎｇ－ａｎ
（ＩｎｉｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＭａｎｔｉｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇＹ．ＣＡＥＰＭｉａａＹａｎｇ．Ｓｉｅｈｕａｎ６２１９００）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｎｅｗｋｉｎｄｏｆＨｉｇＩｌ－ＣｈｒｏｍｉｕｍＣａｓｔＩｒｏｎｗａｓｍａｄｅ，ａｎｄｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅｍｏｌｄ
ｄｅｓｉｇｎ．ｔｈｅｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇ｝ｌ－Ｃ１１ｒｏｍｉｕｍＣａｓｔＩｒｏｎ，ｈｅａｖｙｈａｍｍｅｒｈａｒｄｅｎａｂｉｌｉｔｙ
作为一种重要的材料破碎机械，锤式破碎机在矿山、冶金、电力、建材、化工等行业的应用越
来越广泛。锤头是此类机械的最主要研磨部件。锤式破碎机在工作状态下，锤头以较大的速度和惯
性力与物料和衬板发生强烈的摩擦与冲击，而且这种摩擦与冲击是高频率周期性重复作用的，因此
要求耐磨件本身不仅具备足够的抗冲击能力和良好的抗疲劳性能以防止发生断裂，而且还必须具有
当前国内破碎机使用的锤头大多为中小型锤头，其重量一般在几公斤到几十公斤，而在欧美等
工业发达国家普遍采用大型锤式破碎机，其锤头单个重量为２００ｋｇ～５００ｋｇ，是一般锤头的几倍到几
十倍。为了进一步提生产效率，近年来国内不少企业引进了这种大型的破碎机，但是作为易损件的
从破碎机锤头的材质来看，目前国内使用最多的是高锰钢，另有部分材质为中、低铬白口铸铁
和少量高铬白口铸铁。众所周知，高锰钢经过水韧处理后获得的奥氏体组织虽然具备极高的韧性，
但当其在低冲击条件下工作时，由于加工硬化效果差，常规使用的寿命大幅度缩短；此外，中、低铬系白
口铸铁由于硬度值并不太高，而且其韧性较低，抗冲击磨损的能力很低，锤头的常规使用的寿命也难以保
证。而且随着铸件尺寸的增大，淬透性一般较难保证，硬度均匀性也难以控制，冲击韧性将明显下
降。因此生产这种超大型锤头对材质的选择和其牛产工艺的控制将更加困难。为此，本研究在已开
发成功的高铬铸铁抗磨材料的基础上，通过合理的合金成分设计，严格的生产的基本工艺控制，研制了一
种新型多元合金高铬铸铁抗磨材料，通过对其铸造工艺和热处理工艺的研究，使其满足大型锤头的
为了满足试验产品的性能要求，必须对合金材料的成分做到合理的设计。材料设计过程中旨先
作者简介：李风春：男，（１９７４一），２００１年７月毕业于四川大学，硕士，工程师。现从事新材抖与铸造工艺研究。
通讯地址：四川省绵阳市９１９信箱６０５分箱（邮编：６２１９００）。联系方式：****－*****７０Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｆｃｈｕｎ＠ｓｉｎａ
必须考虑合金材料的硬度的韧性达到较为合理的匹配，此外，由于产品为厚大铸件，怎么样提高材料
从化学成分方面。第一步是要考虑选用何种合金元素来提高高铬白口铸铁的淬透性。提高淬透性
的首选元素是钢【３】，另一种有效的元素是镍。但是由于铜铁与镍价格都十分昂贵，如果全部采用钼
与镍来提高淬透性，材料的成本将有大幅度的提高。文献【４。１表明，在铬系自口铸铁中加入适量的铜、
锰均可提高淬透性。但是铜、锰两种元素的加入量过大将会使材料的丛体中存在大最的残余奥氏体，
对材料机械性能不利，而且铜在奥氏体中的溶鳃度也是有限的，因此不可能全部采用铜、锰两种元
素来代替钼元素和镍元素的作用。据此，在研究方案中，将钥元素的含量确定在Ｏ．３％～１％，镍元素
含量确定在１％～２％，锰元素的含量确定在１．２％～２．ｏ％，铜元素的含量确定在Ｏ．５％～１．ｏ％。
如何选用合适的孕育剂以细化高铬铸铁的初晶和其晶碳化物，是男一个需要仔细考虑的问题。文献
№１７１表明，适当的铝可以细化铬系白口铸铁中的初晶和菸晶碳化物。还有一些资料表明［８】’采用稀土
元素进行变质处理，可以对合金液起到净化作用，同时也可以轻松又有效地改善初晶和共晶碳化物的形态，
从而有效地提高铬系抗磨材料的品质。因此实验中用铝进行脱氧净化处理，用稀土变质剂进行变质
高铬铸铁中Ｃｒ／Ｃ比的改变将会改变其组织中（Ｆｅ，Ｃｒ）３Ｃ与（Ｆｅ，Ｃｒ），Ｃ３的相对比例、碳化物总量以
及台金元素在基体和碳化物中的分配比例，进而影响其性能，因此，一定要选择合适的铬碳比以提高
试验用合金材料在０．５ｔ中频感应电炉中进行熔炼，采用生铁、废钢、铬铁、锰铁、电解镍、电
解铜、钼铁等原材料配制合金。熔炼过程中按照一定的顺序加入台金原材料，熔清后取样分析，根
据分析结果凋整金属液元素含量，当成分和温度达到出炉温度要求时，首先采用硅铁和锰铁对合金
液进行变质处理．然后采用铝对合金液进行净化处理，最后在台金液出炉过程中用钇基重稀土进行
试验选择了某砂厂大型破碎机上的锤头作为样件。此破碎机工作时锤头在非常快速地旋转的状态下将
鹅卵石打击成建筑用砂，工作条件极为恶劣。锤头的外观尺寸为１０５０ｍｍｘ３６０ｍｍｘｌｌｏｒａｍ，单件重
量约３３０ｋｇ。在两个大平面上各有一个梯形的凸条和两个方形的凹槽用于锤头的定位。（如图１所示）
为了保证锤头的定位准确，凸条和凹槽的形位公差要求比较高，在９３０ｍｍ的长度方向上不超过３ｒａｍ。
通过工艺试验，发现普通于型的造型方法不太适合。原因是普通于型不但劳动条件差，不易实
现机械化生产，而且由于砂型有必要进行长时间烘烤，既造成了能源的浪费，提高了生产所带来的成本，又容
易造成砂型变形，铸件的尺寸没办法保证。因此，试验最终选择了生产条件好、生产效率高，砂型强
试验发现，工艺设计中浇注系统的搭接方式和铸件在砂箱的摆放位置这两个因素对最终的铸件
浇注系统模块设计中采用横浇道搭接压边冒Ｅｌ的铸造工艺方案既可以轻松又有效地为铸件提供补缩，又利
从铸造工艺设计的角度来讲，对于如试件的大平面，一般应将其放置于底面，即如图２Ａ）所示
的浇注位置，以利于保证大平面的浇注质量。但是从实际的试验效果来看，铸件的下表面虽然表面
质量较好，但是上袁面有可能会出现由于补缩不足而造成的铸造缺陷。分析缺陷产生的原因，’认为可能
通过进一步的工艺分析，试验选择了如图２Ｂ）所示的侧屯式铸造工艺方案，同时在局部采用冷
采用箱式ＪⅡ阻炉加热铸件，奥氏体化温度确定为（１０２０±－１０）℃，保温６ｈ。采用快速风冷。
利用ＪＳＭ一５９００ＬＶ型扫描电子显微镜分析合金的组织状态，可见组织中板条状的马氏体组织分
布比较均匀，如图４所示。图５为组织的放大照片。图６为高铬铸铁材料的Ｘ．射线高铬铸铁ＸＲＤ分析｜璺｜谱
图５和表３中材料的Ｘ．射线衍射结果分析，可见材料中有大量的马氏体组织存在。衍射结果还显示，
合金的组织中出现了一些台金化合物，这中间还包括ＭｎＮｉ４Ｙ和ＹＮｉＢＭｓｉ２．等。这些板条状马氏体和合
采用ＨＲ一１５０Ｄ型洛氏硬度计，按照国标ＧＢ／Ｔ２３０．１９９１规定检测试样的硬度。热处理状态试
为了检测材料的冲击韧性，按照国标ＧＢ３１８０—８２之规定，浇注与试件相同炉次无缺口冲击试样，
试样尺寸２０ｍｍｘ２０ｍｍｘＩ１０ｒａｍ，与试件同炉处理。冲击试验方法按照国标ＧＢ／Ｔ２２９－１９９４之规定进
行。在ＪＢ５型摆锤式冲击韧性试验机上测量试样断裂的冲击功，测量结果如表４所示。
对研制的高铬铸铁大型锤头在某砂厂进行装机试验，其工作状况是将鹅卵石打击成建筑用砂，
八块锤头每天打砂约２００车，约１０００ｍ３，在剧烈的冲击跨料磨损的条件下，铸件使用了约１２天，
高铬铸铁锤头的常规使用的寿命比高锰钢锤头提高近ｌ倍。试验证明，利用新研制的大型锤头可以有效地
１）新研制的多元合金高铬铸铁抗磨材料的化学成分（质量分数）为：２．４％～３．４％ｃ，０．８％～１．２％
Ｓｉ，１．５％～２，Ｏ％Ｍｎ，１７％～２２％Ｃｒ，ｌ％～３％Ｎｉ，ｌ％～２％Ｍｏ，０．５％～１．５％Ｃｕ，Ｐ＜０．０５％，Ｓ＜
３）多元合金高铬铸铁经淬火＋回火热处理工艺，获得了以马氏体为基体的组织。由于这种组织
具有高的硬度（ＨＲＱ６１）和较高冲击韧性（Ⅱ＞８Ｊ－ｃｍ４），并且硬度和冲击韧性的匹配较为合理，
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