破碎机锤头是矿山机械行业中重要的易磨损零件，需随时更换，在我国水泥机械行业中，每年锤头的破损都要消耗数万吨的金属材料。目前，水泥行业使用的破碎机锤头主要有复合和镶铸两种类型，其中镶铸类使用高锰钢作为锤体，TiC基高锰钢结合金作为打击面镶嵌块，以此强化耐磨性能，提高使用寿命[1]。据调查，用于岩金矿的一个高锰钢(ZGMn13)锤头的使用寿命大约是10～12 h，而用普通低合金铸钢生产的锤头，其使用寿命则更低，只有6～8h，因此需要通过增强工作面硬度来提高锤头的耐磨性[2]。为进一步降低成本，双金属耐磨材料复合工件成了研究热点，该复合方式综合了两种金属材料的优点，能够提升材料性能并实现完美匹配，在冶金、矿山等工业领域得到了广泛应用。制备双金属耐磨材料复合工件的常见铸造方法有铸渗法、镶铸法和双液双金属法[3]。其中镶铸法是通过高温金属母液凝固的余热使镶柱与母液间形成良好的冶金结合[4]。镶柱可根据复合工件的不同使用要求，选择使用不同形状、厚度和材质的镶块；镶铸件表面质量较容易控制，工艺简便，不需要增加新设备；在普通铸造条件下就能够实现生产，成本大大减少。我国在镶铸方面的研究和应用取得了一定成果[5-7]。通过镶铸可以制备如锤头等耐磨产品，铸钢/高铬铸铁和高锰钢/低合金钢复合锤头在实际生产中取得了良好效果，使用寿命分别比单一高锰钢锤头和低合金锤头提高3～4倍，然而这一技术的关键是进行抗磨体形状、尺寸及其合理布局和数量设计，目前这些设计原则还不明确，有待深入研究[8]。
此外，在镶铸相关研究中，消失模铸造因能简化复杂镶铸成型，实现多材质结合，提升构件整体性而广受关注，优点有：①铸件质量良好，成本低，不限材质，大小均可；②铸件尺寸精度高，表面平整光洁，内部缺陷降低，组织均匀致密，并且可以实现大规模、大批量生产。采用自动化流水线，可以改善生产环境、降低风险，稳定生产、减少能源消耗[9]。消失模铸造厂的工程设计也在不断优化完善，以适应国内环保、安全、绿色、节能的发展理念[10]。为了响应国家环保政策，消失模铸造技术在铸造行业中也得到很快发展[11-13]。
然而，镶铸工艺关键在于两种金属的界面融合优劣和结合强度的高低[14]。在实际生产中仍然存在许多问题，如界面夹渣、气孔、未熔合、结合区强度差等。其中，母材与镶柱性能之间的匹配尤为重要，为满足破碎机锤头工作所需的韧性与硬度要求，需对母材及耐磨镶柱进行慎重筛选。高锰钢有比较高的机械强度，也有很好的韧性，在未进行任何处理时，其组织中含有大量碳化物，从而导致其脆性较大，需要进行水韧处理后才可直接使用，硬度才会得到提高。高锰钢中Mn元素的含量最高，既能扩展又能稳定γ相区，因此高锰钢材料经水韧处理后的组织为单相奥氏体，韧性较好。而TiC钢结硬质合金是以钢为黏结剂、TiC为硬质相的复合材料，既有硬质合金的高硬度、耐磨性和高强度，又具有钢的可加工性、可热处理性、可锻性和可焊接性[15]，更重要的是，TiC钢结硬质合金在耐磨领域中更具应用潜力，被广泛用于锤式破碎机锤头，是矿山、水泥、建筑行业中不可缺少的破碎工具材料之一。将钢结合金棒镶嵌在高锰钢锤头易损部位，是为了大大提高破碎锤头的使用寿命，提高工作效率。再与YG合金棒(钨钴硬质合金)相比，钢结硬质合金棒成本低，更耐磨，同时与高锰钢相结合发挥作用更大，故选择以TiC钢结硬质合金为镶柱。
本研究采用镶铸法结合消失模铸造技术，以高锰钢为母液，选择低成本高性能TiC钢结硬质合金作为耐磨材料制备破碎机复合锤头，探索其制备工艺，研究镶铸界面结合的形态及结构特征及热处理后锤头的硬度，为镶铸法制备破碎机锤头提供参考。
1 实验材料与方法
1.1 镶铸用硬质合金柱的选择
镶柱的选择主要是其材质与尺寸的选择，首先要求金属柱与本体材料能较好地形成冶金结合，热膨胀系数与金属母液相近；其次，材料应具有较高的硬度，以便镶铸后提高锤头的耐磨性；最后，镶铸后锤头进行热处理时基体与镶柱之间不开裂。根据上述要求，最终选择GT35钢结硬质合金柱来制作镶铸锤头，尺寸为φ12mm×25 mm，成分见表1。为方便镶柱在型腔中的固定，将其一端与铁钉相连，见图1。
图1 GT35钢结硬质合金柱宏观形貌
Fig.1 Macroscopic morphology of the GT35 steel-bonded cemented carbide column
表1 GT35镶柱成分
Tab.1 Chemical composition of the GT35 embedded column
(mass fraction/%)Component TiC C Cr Mo FeContent 35 0.5 2.0 2.0 Bal.
1.2 镶铸锤头铸造工艺
根据木头模样用CAD绘制二维图，如图2所示。根据图纸尺寸对泡塑板材(EPS材质)进行锤头制模，用泡沫切割机切割模样，如果外观出现珠子掉落、拉毛及波状的孔洞和凹凸表面等，通过填充、修补让锤头外观变得平整光洁，然后对其进行干燥，烘干模样中的水分。将制作好的模样运输至涂料间进行第1次浸刷涂料，烘干24h。由于高锰钢呈弱碱性，锆英粉呈弱酸性，而镁砂粉呈弱碱性，与高锰钢不发生反应，因此选用镁砂粉作为涂料进行浸刷。将模样运输至烘干室进行二次烘干，烘干时间为24h，烘房温度50～55 ℃。当涂层厚度达到1.5～2.5mm后则涂刷完成，对其进行最后修补，并将TiC钢结硬质合金放在模样工作面中，如图3所示。
图2 锤头：(a)模样二维图；(b)模样三维图；(c)模样实物
Fig.2 Hammerhead pattern:(a)2D image of the appearance;(b)3D image of the appearance;(c) physical appearance picture
图3 镶铸工艺：(a)镶柱安放位置示意图；(b)镶柱在泡沫模样中的实际位置
Fig.3 Insert casting process diagram:(a) schematic diagram of the inlaid column placement position;(b) actual position of the inlay in the foam pattern
将一种特殊的隔层砂箱置于振实设备平台上，在砂箱底部装入100 mm厚的底砂(底砂是干石英砂，粒径为20目左右)，然后打开振动装置把干石英砂振实，刮平表面。将做好的锤头放在砂箱底部固定位置，把需要的模样预留浇口和浇冒口连接起来，再用干砂重新填充砂箱后把干石英砂刮平，再次振动，将箱口处的干石英砂刮平。图4为造型后的合箱图。
图4 镶铸锤头合箱图：(a)上砂箱图；(b)合箱图
Fig.4 Casting box diagram of the inlaid hammer head:(a) upper sand box diagram;(b) combined box diagram
用塑料薄膜将箱口封好，在其浇口处放浇口杯，并用塑料薄膜将箱体的边缘压牢。箱体下面的管路连接真空系统软管，并对箱体进行吸真空操作，抽负压时间为浇注前3～5 min，负压值为0.06～0.08 MPa，在达到工艺规定的时间及工艺要求的干砂紧固度后，可采用中频感应电炉对高锰钢进行熔炼。
将ZGMn13放在中频感应电炉里进行熔炼，高锰钢熔炼出炉温度为1530 ℃左右。熔炼后的高锰钢液经过浇口杯浇注到锤头模样上，浇注温度为1 430 ℃，等待模样气化消失，高锰钢液取代箱体中模样的位置，在浇注口流出后，即浇注完成，依据工件大小及厚薄程度对其保压冷却8～15 min，一般为10min，保压结束后对其进行冷却。使铸件完全冷凝后进行翻箱，从干砂中取出铸造好的铸件。浇注系统示意如图5所示。
图5 锤头浇注系统示意图：(a)主视图；(b)俯视图
Fig.5 Schematic diagram of hammer pouring system:(a) main view;(b) top view
1.3 镶铸锤头的热处理
用热处理炉对铸件进行热处理实验及水韧处理。水韧处理是一种能提高普通铸造高锰钢性能的标准工艺方法，将高锰钢加热至奥氏体区温度并保温一段时间，使铸态组织中的碳化物基本都固溶到奥氏体中，然后淬入水中快速冷却，从而得到单一的过冷奥氏体组织[16]。该实验水韧高温段保温温度为1 080 ℃。保温时间为工件主要厚度除以25，所以根据厚度计算保温时间为2 h，水韧处理水温越低越好，入水温度30 ℃以下，出水温度不超过40 ℃。入水工件温度越高越好，尽快入水，必须大于950 ℃。入水时间越快越好，一般控制在60 s以内，看相关设备，叉车式的能达35 s以内。工件在水中一般保持1 h，工件出水温度越低越好，在100 ℃以下。对热处理后的锤头进行打磨，用角磨机将镶柱上的铁钉打磨光滑。
1.4 试样检测
用线切割机分别将铸件切割为长29 mm，宽16mm，厚6mm的厚片，将TiC硬质合金棒及镶铸部位切割为5 mm的厚片，分别用180#、600#、800#、1 000#金相砂纸对锤头和硬质合金进行打磨，并用粒度W2.5抛光剂进行抛光，之后用4%硝酸酒精(HNO3+CH3CH2OH)溶液腐蚀试样至表面变暗，腐蚀时间为8 s，随即用清水冲洗，并用吹风机吹干，用金相显微镜对铸态和热处理后的锤头试样进行观察。利用EVO182186型扫描电镜(SEM)、HV-1000STA型显微维氏硬度、HR-150A型洛氏硬度计和LEICA DM4000M型的金相显微镜对镶柱和复合锤头进行表征。
2 实验结果及讨论
2.1 镶铸锤头外观形貌
通过对锤头试样的打磨和抛光处理后，可以看到试样表面TiC钢结硬质金及高锰钢结合处结合良好，锤头的整体形貌如图6所示。测得单个锤头的质量为6kg左右。可以看到锤头表面平整光滑，几乎无宏观缺陷，结合处无任何缝隙。锤头使用中，主要磨损由硬质合金棒承担，因此本次实验制备的锤头使用寿命会得到极大提高。
图6 锤头整体外观形貌
Fig.6 Overall appearance of the hammer head
2.2 微观形貌分析
对TiC钢结硬质合金及锤头结合界面进行金相分析，图7a和b分别为TiC钢结硬质合金微观(100×和200×)图像，可以看到硬质合金中存在一定量的孔隙(图7中黑色部分)，这是因为TiC基钢结硬质合金主要是由硬质相TiC和粘接相钢两部分组成，压坯中原料粉末之间都会存在孔隙，孔隙是钢结合金致密化过程中留下来的缺陷。
图7 TiC钢结硬质合金及锤头微观形貌：(a,b)硬质合金；(c)基体组织；(d)结合处形貌
Fig.7 Microstructure morphology of TiC steel-bonded cemented carbide and hammer head:(a,b) cemented carbide;(c) matrix structure;(d) morphology of the bonding interface
图7c为热处理后硬质合金的组织形貌，与热处理前相比热处理后组织均匀，未发现渣质、气孔等缺陷，可知硬质合金和高锰钢结合得很好。与图7a和b相比，硬质合金的孔隙减少。图7d是TiC钢结硬质合金镶柱与高锰钢结合处的微观组织照片(100×)，可以看到两者结合痕迹不明显，说明硬质合金与高锰钢已融为一体，在高锰钢的位置可以看到分布稀疏的TiC颗粒。这是因为在浇注过程中，高锰钢有比较大的收缩率，可以将镶柱夹紧，并且浇注的高锰钢液使镶柱的表面开始熔化，产生合金化，使得TiC颗粒与母材融合在一起。TiC钢结硬质合金棒中的部分硬质相TiC向高锰钢的方向移动，冷却后硬质相随机分布在高锰钢中。因为高锰钢镶铸温度不能超过1 430～1 435 ℃，且钢液会很快围绕冷态镶铸块形核结晶和凝固，使扩散和飘移困难，所以图7d结合处未见冶金结合的犬牙状现象[7]。
图8a，c和d分别为100×，200×，300×的SEM像，可以清晰看到结合处结合的很好，几乎无空隙缺陷，说明液相反应充分。由图8d可知，深灰色区域主要为TiC颗粒，无明显棱角和规则的几何形状，边界清晰，并且硬质相没有很均匀的分布在钢基体中，存在TiC颗粒聚集区，而且部分硬质相颗粒较为粗大，当合金受到外加压力时有效地避免了合金沿脆性相开裂，增加消耗能量[17]。并且高锰钢一侧靠近结合处区域也分布着均匀稀疏的TiC颗粒，这是因为在金属液凝固过程中，Ti元素发生了一定的扩散，与基体中C元素相结合，形成TiC颗粒，因此，高锰钢区域分布着星星点点的TiC颗粒，说明TiC颗粒与高锰钢结合的非常牢固。
图8 镶铸界面SEM图像：(a)100×；(b)200×；(c)500×；(d)元素分布图
Fig.8 SEM images of the inlaid interface:(a)100×;(b)200×;(c)500×;(d) element distribution map
图9是锤头的元素线分布图，具体扫描位置见图8b。从图中可以看到，硬质合金中Ti元素的浓度远远大于基体浓度，所以得知硬质合金与基体冶金结合时，Ti是从硬质合金向基体扩散的，而且其扩散作用随远离结合处而逐渐减弱；Fe和Mn的波形高度从基体处到结合处逐渐降低，说明Fe和Mn的扩散也是随着远离结合处逐渐减弱。在图中除了Ti和Fe元素存在突变外，其他几种元素变化趋势都是缓和的。将紧挨硬质相边缘的基体相比于远离硬质相的基体中心，可以看到所有元素的含量相似。这表明在对锤头进行水韧处理过程中，进行了长期的高温保温，使锤头基体成分达到了较为全面、均匀的状态。在水韧处理过程中，高温保温并不能起到更好的增强效果，也不能起到两种元素之间互溶、扩散的效果，但却能使其中的元素分布较为均匀，从而改善TiC钢结硬质合金-高锰钢结合处的冶金结合。
图9 镶铸界面线扫描图
Fig.9 EDS line scanning image of the inlaid interface
2.3 硬度分析
图10为热处理后的锤头试样洛氏硬度测试结果，热处理前硬质合金的硬度保持在59～60HRC，硬质合金与高锰钢镶铸铸造的锤头经水韧处理后，硬质合金中心区域的硬度为60HRC左右，与热处理前相差无几。但靠近高锰钢的区域即硬质合金边缘，硬度降到30～50 HRC，高锰钢基体的硬度在22～24HRC，结合处的硬度远高于高锰钢基体硬度。并且高锰钢与硬质合金的硬度差异很大，高锰钢与硬质合金结合处的硬度处于两者之间，这是由于水韧处理时高锰钢液与硬质合金相互渗透，使得硬质合金与高锰钢结合得较好[18]。在液固结合条件下，界面结合状态主要分为冶金结合和机械结合，但大多数情况下界面都是冶金结合与机械结合共存的。其中是否形成冶金结合是复合锤头复合成功的关键[19]。冶金结合是指双金属在结合界面发生冶金(化学)反应所形成的金属间化合物由高熔点金属向低熔点金属生长，从而结合凝固后的低熔点金属[20]。TiC钢结硬质合金-高锰钢结合处形成了良好的冶金结合，即复合锤头复合成功。对复合锤头的端部使用高铬铸铁对其预制成形，将其放至锤头型腔内浇入锤柄金属液(普通碳钢)，接触时因导热性差，使得局部温度快速升高，结合处极易产生裂纹，会导致锤头在使用过程中脱落[21]。采用高锰钢作为复合锤头的锤柄，高耐磨的高铬铸铁作为锤头的打击部位，但因为破碎机的锤头小，高锰钢和高铬铸铁可以结合的面积也就较小，使得锤头的复合强度低，容易出现掉头现象[22]。本次实验采用的TiC钢结硬质合金-高锰钢复合锤头能解决上述锤头出现的问题，提高复合锤头的性能，减少成本。
图10 从镶柱到母材的硬度值(HRC)分析
Fig.10 Analysis of hardness values(HRC) from the inlaid column to the base metal
3 结论
(1)通过镶铸工艺能制备出高锰钢-TiC钢结硬质合金复合锤头，且经过水韧处理后，锤头的洛氏硬度能保持较高水平，该生产工艺简单、成本低、技术工艺先进。
(2)基体与镶块的冶金结合是高温下高锰钢液强烈的热作用，使得高锰钢液与镶柱结合处元素进行相互扩散并且形成良好的冶金反应，且结合良好，杂质及夹杂物少，具有良好的结合性能。
(3)基体与镶块及结合处的硬度存在差异，呈下降的趋势，基体和镶柱在性能上存在一个稳定的过渡区，进一步改善其元素分布均匀性，对结合面起到了优化作用，有利于改善锤头在使用的过程中受力状态，避免工作时在结合区发生断裂。
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