复相组织低合金铸钢耐磨锤头

设计出一种高碳低合金复相组织耐磨锤头，其组织为贝氏体、奥氏体和少量马氏体。硬度高达HRC58．冲击韧性为9J／㎝2 。耐磨性为铸铁锤头的4倍、高锰铜锤头的2倍。

煤矸石粉碎机的锤头是易损件，工作中要承受冲击和磨料磨损。所以要求锤头的材质应具有良好的抗磨能力、足够的强度和一定的冲击韧性。目前常用的锤头有铸铁锤头， 其化学成分和金相组织不够稳定，耐磨性不高，韧性也不好，使用时易断裂。另一种为铸钢锤头，一般不经过强化处理，其韧性有余，而硬度不高，所以耐磨性不理想。而应用较多的是高锰钢锤头．经过水韧处理后为奥氏体组织， 有很高韧性，属低硬度高韧性锤头．加工硬化后的硬度可提高至450～550HB． 冲击越强烈．抗磨能力发挥得越好。但该锤头仅在强烈冲击、挤压，造成奥氏体向马氏体的相变及加工硬化的条件下，才有较高的耐磨性。所以用于煤矸石粉碎机锤头则表现出抗磨能力欠佳．寿命短的弊端。

为寻求在煤矸石粉碎中(中等冲击磨粒磨损条件下)具有高耐磨性的锤头，我们进行了多种研制试验。最后发现高碳低合金复相组织铸钢锤头具有良好的抗磨能力、足够的强度和一定的冲击韧性。

l 试验方法

1．1 成分的确定

为了保证铸钢锤头在铸态下有较高的耐磨性．使其硬度大于HRC55． k=5～8J／cm2，利用铸造余热进行正火处理可得到贝氏体、马氏体及残余奥氏体的复相组织．按以下原则确定材质的成分。碳和铬是碳化物形成元素，碳含量决定碳化物的数量，而铬含量决定碳化物的类型。两者对钢基体的抗磨性起着重要作用。低合金钢中碳含量小于1％时，锕的耐磨性随碳含量的增加而增加。为提高锤头的硬度及耐磨性，确定含碳量为0．8％ ～1．0％；为降低钢的临界冷却速度，提高淬透性，铬含量选在0．8％ ～1．2％ 。

锰是该锕中的主加元素．锰溶入铁索体和奥氏体，能显着提高锕的淬透性，锰溶入渗碳体能提高低合金钢的耐磨性。由锰钢组织图得知．含碳为0．9％的钢，含锰接近2％时，在空冷时能出现马氏体和托氏体组织，使硬度和强度都高于碳钢，同时具有足够的韧性，故选择含锰量为2．0％ ～3．0％。硅为非碳化物形成元素，可溶入铁索体和奥氏体，提高钢的淬透性。当钢含碳量足够高(>1．5％)时，硅可以溶入渗碳体中阻碍渗碳体析出，因而能提高钢舶淬透性，si含量在0．4％时效果不明显，故选 含量为1．0％～1．5％。另外。si溶入a相对耐磨性也有益处。

钼是碳化物形成元素， 只有少量的钼溶入基体中才能提高其淬透性，同时能降低锰的过热敏感性，所以控制钼在0．2％～O．4％。

为了脱硫去气．净化钢液．细化晶粒并改善铸态组织．加入微量稀土元素是十分必要的，一般稀土元素的加入量为0．04％～0．05％。

1．2 熔炼和铸造

用中频感应电炉熔炼．按设计成分配料。加入75％锰铁、66％铬铁和55％钼铁控制合金含量， 熔炼温度1550℃ ，浇注温度控制在1450℃ ，将熔炼好的钢液注入预先放有少量稀土的钢包中，然后进行浇注。当冷却到850℃ (先经不同时间试验)打箱、空冷(正火， 夏季吹风助冷)， 温度降至300℃ 时埋入准备好的砂中或放在保温箱里停留2h。

2 试验结果及分析

分别在HR1500-T型洛氏硬度计和JB-30A型冲击试验机上测定高碳低合金锤头的硬度和冲击韧性(硬度是在冲断的冲击试样上测定的)，测试结果见表1。 耐磨试验在ML-10型磨料磨损试验机上进行，采用180 标准刚玉砂布为磨料， 载荷为2kg； 铸铁锤头作为基准试样， 并与其它几种材料的试样相比较．结果见表2。为了考核锤头的使用性能，验证工艺的稳定性和生产技术水平，先后在几家烧结砖厂的煤矸石粉碎机上进行装机试验，分别与铸铁、铸钢、高锰钢等锤头进行同机对比．其结果见表3

表1 高碳低合金锤头的硬度和冲击韧性

Table 1 Hardness and impact toughness 0f High·carbon and l0w-ahoy hammer

试样

HRC

α∫（∫. ㎝2）

1

58

10.6

2

58

10.6

3

56

6.0

平均值

57.3

9.06

表2 不同种类锤头的硬度和耐磨性能

Table 2 Hardness and wear-rests lance of different hammers

试样

硬度

磨损量/g

抗磨系数

鋳铁锤头

HB200

0.201

1

普通鋳钢

HB200~250

0.152

1.32

中碳低合金钢

HRC49~51

0.110

1.82

高锰钢

HB200~300

0.104

1.93

高碳低合金钢

HRC56~68

0.050

3.80

表3 各类锤头的摩擦磨损性能对比

Table 3 The contrast of properties of friction and wear of different hammers

组号

锤头种类

磨损量/g

抗磨系数

1

高锰钢

高碳低合钢

387.5

175

1

2.21

2

鋳铁

高碳低合金钢

225

50

1

4.5

3

普通鋳钢

高碳低合金钢

225

75

1

3

4

中碳低合金钢

高碳低合金钢

125

50

1

2.5

通过金相显微组织分析发现，该锤头的金相组织为贝氏体、奥氏体和少量的马氏体，如下图所示

(a) 1000x (b)x

图 高碳低合金锤头的金相组职

因为锤头的组织中主要贝氏体, 贝氏体抗磨损性能随着含碳量的增加而提高。这与贝氏体中碳化物的析出量和残余奥氏体量及分布状态有关。而影响贝氏体强化的因素有如下几个方面L1)贝氏体中铁素体片的尺寸: (2) 贝氏体中碳化物的弥散度; (3) 固溶体中的含碳量; (4)位错密度的高低。随着钢中含碳量的增多。贝氏体转变温下降的同时, 这四种强化因将逐步增强、因而导致钢的含碳量愈高, 贝氏体的耐磨牲越好。此外贝氏体周围的残余奥氏体也增加金属的抗磨能力。残余奥氏体提高耐磨性的原因是: (1) 韧性的奥氏体膜包围着铁素体, 阻止裂纹的萌生与扩展; (2) 它能提高钢的加工硬化率和塑性 ; (3)残余奥氏体在摩擦过程中可能发生γ-α相变，造成压应力；(4)贝氏体与奥氏体的硬度差比马氏体与奥氏体的硬度差小，含有一定数量的残余奥氏体特别有益

结论

(1)高碳低合金复相组织铸钢耐磨锤头，硬度达到HRC57 3，冲击韧性达9．06J／Cm2．锤头的耐磨性是铸铁锤头的4倍多，是高锰钢锤头的2倍多。(2)高碳低合金复相组织铸钢耐磨锤头，其复合组织为下贝氏体+马氏体+奥氏体，这是用特定的高碳低台金成分(经科技项目检索，国内尚无先例)铸造后经正火得到的。这种复相组织的锤头具有良好的耐磨性，一定的强度和足够的冲击韧性。