1、試驗方法
1.1錘頭梯度性能變化設計
破碎機錘頭的耐磨性能及其使用安全性是評價錘頭使用性能的重要指標。通常大型錘頭可分為打擊部位、安裝部位和過渡部位（中間連接部位），如圖l所示。一般情況下，錘頭的打擊部位直接與物料發生撞擊，需有較高的強度和耐磨性，而安裝部位不直接參與磨損，只需具備足夠的韌性和強度，中間連接部位保證錘頭不斷裂。按照上述要求，所設計錘頭的打擊部位和安裝部位不應一味追求高耐磨性或韌性，可通過合理選擇基體組織，即錘頭打擊部位獲得馬氏體或馬氏體+下貝氏體的復相組織，硬度HRQ50，沖擊韌性；而安裝部位獲得鐵素體+珠光體類型的復相組織，硬度HRC25～37，可滿足錘頭的工作要求，提高錘頭的使用壽命。錘頭整體的硬度和韌性的梯度變化示意圖如圖2所示。
1.2化學成分設計
圖3是某公司生產的水泥用破碎機耐磨錘頭的三維示意圖，錘頭重量為122kg，外形尺寸為463mmx350mmx138mm，屬厚大型錘頭。參考國內外資料及反復試驗研究，選用表1所示的化學成分生產錘頭。
1.3鑄造工藝
采用廢鋼、生鐵、鉻鐵、硅鐵、錳鐵、鉬鐵、鎳板等爐料在500kg中頻感應電爐（鎂砂爐襯）中熔煉，鋼水出爐前進行化學成分光譜分析，嚴格控制化學成分在要求范圍內。出爐前約按lkg/t的比例插入鋁板進行終脫氧，出鋼溫度不低于1600℃。
錘頭平做立澆，采用開放式澆注系統，內澆口開設在錘頭軸孔部位附近，錘頭的打擊部位在鑄型上部，其頂部安放發熱保溫冒口保證鑄件的順序凝固。合箱前在型腔和砂芯表面涂刷醇基鋯英粉涂料2次并烘干，澆注溫度為1500～1560℃。
1.4熱處理工藝
為合理匹配錘頭的硬度和韌性，本文主要采用預處理、淬火+回火的熱處理工藝，并選用合理的淬火介質，以實現上圖2所示的梯度性能變化。
預處理采用井式電阻爐，以不大于70℃m的加熱速度將鑄件加熱至900～950℃保溫5h，以消除鑄件應力、減小化學成分偏析及組織的不均勻性，并細化晶粒：為實現錘頭打擊部位獲得高硬度、安裝部位獲得高韌性，對錘頭打擊部位和安裝部位采用不同的淬火+回火的熱處理工藝（錘頭打擊部位采用局部淬火，安裝部位采用局部高溫回火）。淬火介質選用特制的水玻璃水溶液，其冷卻能力介于水和油之間，攪拌均勻后，通過嚴格控制水溫及錘頭各部分的入水時間，可保證錘頭在淬火過程中無開裂現象。
樣品分別在810℃、825℃和840℃進行淬火處理，在560℃和650℃高溫回火。最后將整體錘頭在250～300℃范圍內進行低溫回火。整個工藝過程主要是為了使錘頭打擊部位獲得較多的回火馬氏體+貝氏體和少量的殘余奧氏體組織，使錘頭的安裝部位獲得回火索氏體組織。
2、試驗結果
2.1不同熱處理工藝試樣的組織特征
圖4所示810℃和840℃淬火+300℃回火時其組織。300℃中溫回火時，回火組織為回火屈氏體，是鐵索體基體上分布著極細的滲碳體的混合組織。回火屈氏體保留了以前馬氏體和貝氏體的位向關系，組織比較細小均勻，如圖4(a)所示。但是，奧氏體化溫度為840℃時，組織長大比較明顯，淬火后形成的淬火馬氏體晶粒較大，這樣在回火過程中難以發生大范圍的原子擴散，在低溫回火時又不能發生鐵素體的回復和再結晶，就使得回火組織較為粗大，如圖4(b)所示。
圖5為高溫回火試樣的顯微組織，可見，高溫回火組織為回火索氏體。它也是鐵素體加滲碳體的混合組織，組織均勻，同樣保留了以前馬氏體的位向關系。并且高溫回火時，片狀滲碳體球化，鐵素體相回復，位錯密度降低。圖5(a)中鐵素體保持板條狀或片狀；圖5(b)、5(c)中球化滲碳體聚集粗化，鐵素體再結晶成為等軸晶粒。試樣微觀組織是粗大的索氏體和完全析出長大的滲碳體，可能導致材料的力學性能較差。不同溫度奧氏體化處理的試樣因淬火組織不同，回火組織的大小和均勻性也不同。
回火索氏體組織在保持較高強度的同時，具有優良的塑性和良好的綜合力學性能，能滿足使用要求。
2.2試樣的硬度測試
回火處理后試樣硬度值如表2所示。可以看出，隨著回火溫度的升高，試樣的硬度值呈下降趨勢。這是因為隨著回火溫度的升高，馬氏體基體中的合金元素含量減少，導致合金對試樣的強化效果降低，從而使得硬度降低。
文獻指出，300℃中溫回火的目的主要是降低淬火應力，使材料獲得較高的屈服極限和強度極限。因而經中溫回火的試樣硬度相對于淬火態硬度有一定程度的降低，但仍然保持在較高水平。560℃和650℃高溫回火，幾乎能完全消除淬火應力，提高材料的塑性和韌性。經過這兩個溫度回火的試樣，硬度比淬火態有較大幅度的下降，有利于材料獲得良好的綜合力學性能。
根據文獻，在低溫回火時，合金鋼中的鉻、鎳等合金元素，增大了低溫回火鋼的抗彎脆性強度，少量的鉬和鈦也起著良好的作用，而硅、錳沒有影響。硅、鎳可以顯著改善合金鋼中回火馬氏體的韌性。在高溫回火時，由于合金鋼中含有鉻、鎳、釩等合金元素，合金碳化物的聚集過程減慢，因此合金鋼在較高溫度回火后，仍具有較高的強度和硬度。硅、錳等合金元素由于增加了鐵素體的強度，所以高溫回火后的索氏體組織也具有很高的強度和韌性。因此，可以看出用試樣3號和4號得到的硬度是比較符合使用要求的。
2.3錘頭的整體硬度
將錘頭從正中心軸剖開以檢測錘頭內部各部位硬度。圖6是錘頭中心截面中依次從安裝部位到打擊部位的洛氏硬度測量結果，其中線2為剖開截面的正中心線上的硬度測量結果，線1和線3分別為剖開截面正中心線與表面兩端的中心線上的硬度測量結果。可知，錘頭軸孔兩邊硬度變化較小，均在HRC25～37范圍內；打擊部位硬度均大于50HRC，中間連接部位硬度呈梯度變化，整體的硬度分布符合設計要求；三個部位的硬度結果相差不大，說明錘頭的淬透性好，淬硬層深度大，心部硬度也能達到設計要求。
2.4錘頭的沖擊韌性
為檢測錘頭安裝部位和打擊部位的沖擊韌性，在打擊部位和安裝部位取樣，分別制作了3個10mmx10mmx55mm的無缺口沖擊試樣，采用總沖擊功為250J的擺錘沖擊彎曲試驗來測定沖擊負荷能力，其中安裝部位的3個沖擊試樣均未斷（圖7所示），打擊部位的沖擊試樣所測得的結果如圖8所示。可見，安裝部位韌性較高，均大于100J/cm2;打擊部位的沖擊韌性J大于30J/cm2，均達到了設計要求。
圖9是錘頭打擊部位沖擊試樣的斷口掃描圖。從圖8a中可看出，有許多蜂窩狀的小型韌口窩，圖8b中箭頭所指的地方可看出有許多河流狀的沖擊坑，圖8c中可看出試樣斷裂時，有很多細小的撕裂帶。整體來看，打擊部位具有一定韌性，是韌性斷裂和脆性斷裂綜合作用的結果。
3、工業應用效果
該類錘頭在安徽海螺水泥集團某水泥廠的1370單鍛式破碎機進行了批量使用考核，實際破碎天數均達45天以上，破碎石料量超過了38萬噸，與高錳鋼(ZGMn13Cr2)+堆焊錘頭相比，實際破碎能力提高100%以上（表3所示），且在使用過程中破碎情況更穩定，無卡料現象，大大減少了錘頭拆裝工作量，提高了破碎機的破碎效率和工作時間。
4、結論
1)根據破碎機錘頭的工作要求，采用不同的熱處理工藝制備了性能梯度變化的低合金鋼大型錘頭，825℃淬火+560℃回火能較好保證錘頭安裝部位的使用性能。該錘頭的打擊部位硬度為50～52HRC、沖擊韌性大于30J/cm2:安裝部位的硬度為HRC25～37，韌性大于100J/cm2。
2)低合金鋼大型錘頭生產工藝簡單、打擊部位初始硬度高，與高錳鋼相比，在物料硬度高、沖擊作用低的工況下，可明顯提高錘頭的使用壽命；與雙金屬復合鑄造錘頭相比，該大型錘頭的韌性好，可保證使用過程中不發生斷裂現象，提高了錘頭的使用安全性。
3)在相同的工況條件下，該錘頭的破碎能力和使用壽命均比高錳鋼(ZGMn13Cr2)+堆焊錘頭提高1倍以上。
