0、前言
    大型反擊式破碎機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、破碎比大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于礦山、水泥、冶金、電力、耐火材料、玻璃及化工等行業(yè)。板錘是大型反擊式破碎機(jī)關(guān)鍵但易磨損的零件之一，以楔塊固定式安裝固定于破碎機(jī)的轉(zhuǎn)子上。破碎機(jī)工作時，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子帶動板錘以30～40 m/s的對線速度撞擊破碎礦石（礦石塊度<1500 mm），磨損十分嚴(yán)重，沖擊力很大，因此要求板錘具有較高的耐磨性和抗沖擊能力。
    傳統(tǒng)的高錳鋼雖具有較高韌性，但耐磨性不高，磨損消耗太大。普通的高鉻鑄鐵雖具有很高的硬度，但韌性不高，易于斷裂。針對大型反擊式破碎機(jī)板錘的工況條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過優(yōu)化成分設(shè)計和熱處理工藝，研制出具有較高綜合耐磨性能的超高鉻鑄鐵板錘，使用壽命為普通高錳鋼的3倍以上。
1、化學(xué)成分的設(shè)計
1.1碳含量的確定
    碳是影響材料機(jī)械性能（材料硬度和沖擊韌性）的關(guān)鍵元素之一。隨著碳量的提高，高鉻鑄鐵中碳化物數(shù)量增多，硬度增加，耐磨性增加但韌性下降。為獲得較高的硬度并保證足夠的韌性，碳含量設(shè)計為：w(C)=2.6%~3.0%。
1.2鉻含量的確定
    鉻是高鉻鑄鐵中主要的合金元素，隨著鉻量的增加，碳化物形式由MC3向過渡。在碳化物中M，C3硬度最高，顯微硬度可達(dá)到HV1300—1 800。隨鉻固溶在基體中數(shù)量的增加，殘余奧氏體量增加，硬度下降。為保證較高的耐磨性，控制w(Cr)/w(C)=8～10，可獲得數(shù)量較多的斷網(wǎng)狀M7C3型共晶碳化物；同時為獲得較高的韌性，綜合考慮，鉻含量設(shè)計為：加(Cr)=25%～27%。
1.3鉬含量的確定
    鉬在高鉻鑄鐵中一部分溶入基體，提高淬透性；一部分形成MoC，提高顯微硬度。鉬與錳、鎳、銅聯(lián)合使用，對于厚壁件來說淬透性效果會更好。由于板錘較厚，考慮到鉬鐵價格較貴，鉬含量控制在0.6%～1.0%。
1.4鎳和銅含量的確定
    鎳和銅是固溶強(qiáng)化基體的主要元素，提高鉻鑄鐵的淬透性和韌性。二者均是非碳化物形成元素，全部溶入奧氏體，穩(wěn)定奧氏體。加入量大時，殘余奧氏體量增加，硬度降低�？紤]到生產(chǎn)成本和銅在奧氏體中溶解度有限，鎳含量控制在0.4%～1.0%，銅含量控制在0.6%～1.0%。
1.5硅、錳含量的確定
    硅、錳在高鉻鑄鐵中是常規(guī)元素，其主要作用是
脫氧脫硫。硅降低淬透性但提高M(jìn)s點(diǎn)；同時硅阻礙
碳化物形成，有利于促進(jìn)石墨化和鐵素體的形成，含量過高，基體硬度下降厲害，因此將硅含量控制在0.4%~10%。錳擴(kuò)大高鉻鑄鐵奧氏體相區(qū)，固溶在奧氏體中，提高淬透性，降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度。錳含量增加，殘余奧氏體量增加，硬度降低，影響耐磨性，因此將錳含量控制在0.5%～1.0%。
1.6其它
    S、P為有害元素，在生產(chǎn)中其質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在0.055以下。Re、V、Ti等作為復(fù)合變質(zhì)劑和復(fù)合孕育劑加入，細(xì)化晶粒，凈化晶介，提高高鉻鑄鐵的沖擊韌性。板錘成分設(shè)計見表1。
2、鑄造工藝的確定
2.1造型工藝
    板錘重約285 kg，外形尺寸見圖1。為確保板錘安裝要求，板錘平面彎曲變形量≤2 mm。由于板錘表面要求極高，不得有任何的凹陷或凸起，為確保鑄件致密，我們采用強(qiáng)度高的樹脂砂造型，線收縮率取2.4%～2.8%，澆注系統(tǒng)截面比例按1：0.75:1.1進(jìn)行設(shè)計。采用水平造型傾斜澆注，同時輔助發(fā)熱保溫冒口和直接外冷鐵，工藝出品率控制在70%—75%。
    生產(chǎn)試制過程中，我們先后采用圖2和圖3所示的三種造型工藝。澆注打磨后發(fā)現(xiàn)，采用圖2中’1和#2工藝生產(chǎn)的板錘都有不同程度的表面凹陷和彎曲變形，采取加大冒口的辦法也不能消除表面凹陷和彎曲變形，達(dá)不到安裝要求。
    在總結(jié)圖2兩種造型工藝試制生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們決定采用圖3所示的水平造型傾斜澆注的造型工藝，澆注打磨后的板錘表面沒有凹陷和彎曲變形，變形量小于等于2 mm，滿足安裝要求。具體生產(chǎn)制。作過程為：砂型水平制作合箱后，將砂型的一端抬起一定的高度，形成一定傾斜角度（實(shí)際生產(chǎn)中，砂型傾斜的角度一般根據(jù)鑄件的外形尺寸、重量、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而定，傾斜角度一般控制在8 0—200），鐵水從澆口引入，先進(jìn)入型腔內(nèi)的鐵水到達(dá)最低處，受外冷鐵的激冷作用首先凝固，后引入的鐵水對先引入的鐵水產(chǎn)生重壓力，直到冒口澆注滿鐵水時達(dá)到最大值，冒口最后凝固，實(shí)現(xiàn)順序凝固，從而獲得組織致密、無縮孔的鑄件。
2.2熔煉與變質(zhì)孕育工藝
    采用1000 kg中頻電爐（石英砂爐襯）熔煉生產(chǎn)，熔煉前加入石灰石+碎玻璃復(fù)合造渣劑，待大部分爐料熔化后扒渣，然后加入硅鐵、錳鐵脫氧，按1kg/t的量插入鋁絲進(jìn)行終脫氧后出爐澆注，熔煉溫度控制在1500—1550℃。
    為進(jìn)一步提高板錘的綜合耐磨性能，我們通過復(fù)合變質(zhì)與孕育處理工藝改善高鉻鑄鐵碳化物形態(tài)，減少夾雜、凈化鐵液、細(xì)化晶粒，增強(qiáng)厚大鑄件斷面組織和性能的一致性。具體操作為：將澆包預(yù)熱至400--600℃，澆注前在澆包內(nèi)加入一定量的Re-Al-Bi-Mg復(fù)合變質(zhì)劑和V-Ti-Zn復(fù)合孕育劑，鐵水倒人澆包后拋撒聚渣劑，使得殘余熔渣迅速聚集，進(jìn)一步凈化鐵水，同時形成一層保溫覆蓋膜有利于鑄件澆注成型。鐵水鎮(zhèn)靜2～3min后澆注，澆注溫度控制在l380-1 420℃。
3、熱處理工藝的確定
  在超高鉻鑄鐵高溫淬火升溫過程中，合金元素在奧氏體中的溶解度隨溫度的升高而增大。當(dāng)淬火溫度較低時，由于碳、鉻在奧氏體中的溶解度較低，保溫時將有較多的二次碳化物析出，雖然大部分奧氏體能轉(zhuǎn)變成馬氏體，但由于馬氏體的含碳量及合金元素含量較低，因而硬度不高。隨著淬火溫度的提高，奧氏體中的含碳量及合金含量愈高，轉(zhuǎn)變后形成的馬氏體愈硬，因而淬火硬度提高。淬火溫度過高時，高溫奧氏體的含碳量及合金含量太高，穩(wěn)定性過高，冷卻速度愈快，析出的二次碳化物愈少，殘留奧氏體就愈多，淬火硬度也就愈低。
    隨著淬火保溫時間的增加，超高鉻鑄鐵的宏觀硬度先升高后降低。奧氏體化保溫時間對超高鉻鑄鐵硬度的影響，實(shí)質(zhì)上是二次碳化物的析出、溶解反應(yīng)與平衡態(tài)的接近程度對高溫奧氏體的含碳量及合金含量的影響。鑄態(tài)超高鉻鑄鐵加熱到奧氏體化溫度以后，奧氏體中過飽和的碳及合金元素以二次碳化物析出，這是一個擴(kuò)散過程。保溫時間太短時，二次碳化物的析出量太少，奧氏體因含有較多的碳及合金元素，穩(wěn)定性過高，淬火時馬氏體轉(zhuǎn)變不完全，淬火硬度較低。隨保溫時間的延長，二次碳化物的析出量增加，奧氏體的穩(wěn)定性下降，淬火時形成的馬氏體數(shù)量增加，淬火硬度增加。當(dāng)保溫一定時間后，奧氏體中的含碳量及合金含量達(dá)到平衡。如繼續(xù)延長保溫時間，奧氏體晶粒變粗，導(dǎo)致殘留奧氏體數(shù)量增加，降低淬火硬度。
    依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T8263-1999《抗磨白口鑄鐵件》熱處理工藝規(guī)范，參考文獻(xiàn)資料研究提出的二次碳化物析出與溶入的淬火溫度、回火溫度和保溫時間，確定板錘最佳熱處理工藝為：1 020 cc(保溫3--4 h)高溫霧淬，3—5 min后空冷，400℃高溫回火（保溫5—6 h，散開空冷至室溫）。淬火回火后基體組織為回火馬氏體+共晶碳化物M7C3+=次碳化物+殘余奧氏體。
    由于板錘較厚較重，為確保熱處理過程中鑄件不開裂，采用階梯升溫措施，熱處理工藝如圖4所示。板錘熱處理后硬度58—62HRC，沖擊韌性高達(dá)8.5 J/cm2 (10 mmxlo mmx55 mm無缺口試樣)。
4、工業(yè)應(yīng)用效果
    該超高鉻鑄鐵板錘在湖州南方水泥有限公司頁巖反擊破碎機(jī)上應(yīng)用，原使用的普通高錳鋼板錘每套可破碎頁巖10萬t左右，改用后可破碎頁巖30萬t以上，使用壽命提高3倍多。在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中板錘沒有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，大大降低了金屬材料消耗，同時減少了更換板錘所需要的人工、材料等費(fèi)用，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
5、結(jié)語
    (1)采用水平制作傾斜澆注，輔助發(fā)熱保濕冒口和直接外冷鐵，板錘表面無凹陷和凸起，彎曲變形≤2 mm，組織致密，滿足安裝要求。
    (2)板錘最佳熱處理工藝為：1020℃(保溫3—4 h)高溫霧淬，3—5 min后空冷，400℃高溫回火（保溫4—6 h，散開空冷至室溫），淬火回火組織為回火馬氏體+共晶碳化物M7C3+=次碳化物+殘余奧氏體。熱處理后硬度58—62 HRC，沖擊韌性8.5J/cm2。
    (3)超高鉻鑄鐵板錘使用壽命為普通高錳鋼的3倍以上。