1、试验方法
1.1锤头梯度性能变化设计
破碎机锤头的耐磨性能及其使用安全性是评价锤头使用性能的重要指标。通常大型锤头可分为打击部位、安装部位和过渡部位（中间连接部位），如图l所示。一般情况下，锤头的打击部位直接与物料发生撞击，需有较高的强度和耐磨性，而安装部位不直接参与磨损，只需具备足够的韧性和强度，中间连接部位保证锤头不断裂。按照上述要求，所设计锤头的打击部位和安装部位不应一味追求高耐磨性或韧性，可通过合理选择基体组织，即锤头打击部位获得马氏体或马氏体+下贝氏体的复相组织，硬度HRQ50，冲击韧性；而安装部位获得铁素体+珠光体类型的复相组织，硬度HRC25～37，可满足锤头的工作要求，提高锤头的使用寿命。锤头整体的硬度和韧性的梯度变化示意图如图2所示。
1.2化学成分设计
图3是某公司生产的水泥用破碎机耐磨锤头的三维示意图，锤头重量为122kg，外形尺寸为463mmx350mmx138mm，属厚大型锤头。参考国内外资料及反复试验研究，选用表1所示的化学成分生产锤头。
1.3铸造工艺
采用废钢、生铁、铬铁、硅铁、锰铁、钼铁、镍板等炉料在500kg中频感应电炉（镁砂炉衬）中熔炼，钢水出炉前进行化学成分光谱分析，严格控制化学成分在要求范围内。出炉前约按lkg/t的比例插入铝板进行终脱氧，出钢温度不低于1600℃。
锤头平做立浇，采用开放式浇注系统，内浇口开设在锤头轴孔部位附近，锤头的打击部位在铸型上部，其顶部安放发热保温冒口保证铸件的顺序凝固。合箱前在型腔和砂芯表面涂刷醇基锆英粉涂料2次并烘干，浇注温度为1500～1560℃。
1.4热处理工艺
为合理匹配锤头的硬度和韧性，本文主要采用预处理、淬火+回火的热处理工艺，并选用合理的淬火介质，以实现上图2所示的梯度性能变化。
预处理采用井式电阻炉，以不大于70℃m的加热速度将铸件加热至900～950℃保温5h，以消除铸件应力、减小化学成分偏析及组织的不均匀性，并细化晶粒：为实现锤头打击部位获得高硬度、安装部位获得高韧性，对锤头打击部位和安装部位采用不同的淬火+回火的热处理工艺（锤头打击部位采用局部淬火，安装部位采用局部高温回火）。淬火介质选用特制的水玻璃水溶液，其冷却能力介于水和油之间，搅拌均匀后，通过严格控制水温及锤头各部分的入水时间，可保证锤头在淬火过程中无开裂现象。
样品分别在810℃、825℃和840℃进行淬火处理，在560℃和650℃高温回火。最后将整体锤头在250～300℃范围内进行低温回火。整个工艺过程主要是为了使锤头打击部位获得较多的回火马氏体+贝氏体和少量的残余奥氏体组织，使锤头的安装部位获得回火索氏体组织。
2、试验结果
2.1不同热处理工艺试样的组织特征
图4所示810℃和840℃淬火+300℃回火时其组织。300℃中温回火时，回火组织为回火屈氏体，是铁索体基体上分布着极细的渗碳体的混合组织。回火屈氏体保留了以前马氏体和贝氏体的位向关系，组织比较细小均匀，如图4(a)所示。但是，奥氏体化温度为840℃时，组织长大比较明显，淬火后形成的淬火马氏体晶粒较大，这样在回火过程中难以发生大范围的原子扩散，在低温回火时又不能发生铁素体的回复和再结晶，就使得回火组织较为粗大，如图4(b)所示。
图5为高温回火试样的显微组织，可见，高温回火组织为回火索氏体。它也是铁素体加渗碳体的混合组织，组织均匀，同样保留了以前马氏体的位向关系。并且高温回火时，片状渗碳体球化，铁素体相回复，位错密度降低。图5(a)中铁素体保持板条状或片状；图5(b)、5(c)中球化渗碳体聚集粗化，铁素体再结晶成为等轴晶粒。试样微观组织是粗大的索氏体和完全析出长大的渗碳体，可能导致材料的力学性能较差。不同温度奥氏体化处理的试样因淬火组织不同，回火组织的大小和均匀性也不同。
回火索氏体组织在保持较高强度的同时，具有优良的塑性和良好的综合力学性能，能满足使用要求。
2.2试样的硬度测试
回火处理后试样硬度值如表2所示。可以看出，随着回火温度的升高，试样的硬度值呈下降趋势。这是因为随着回火温度的升高，马氏体基体中的合金元素含量减少，导致合金对试样的强化效果降低，从而使得硬度降低。
文献指出，300℃中温回火的目的主要是降低淬火应力，使材料获得较高的屈服极限和强度极限。因而经中温回火的试样硬度相对于淬火态硬度有一定程度的降低，但仍然保持在较高水平。560℃和650℃高温回火，几乎能完全消除淬火应力，提高材料的塑性和韧性。经过这两个温度回火的试样，硬度比淬火态有较大幅度的下降，有利于材料获得良好的综合力学性能。
根据文献，在低温回火时，合金钢中的铬、镍等合金元素，增大了低温回火钢的抗弯脆性强度，少量的钼和钛也起着良好的作用，而硅、锰没有影响。硅、镍可以显著改善合金钢中回火马氏体的韧性。在高温回火时，由于合金钢中含有铬、镍、钒等合金元素，合金碳化物的聚集过程减慢，因此合金钢在较高温度回火后，仍具有较高的强度和硬度。硅、锰等合金元素由于增加了铁素体的强度，所以高温回火后的索氏体组织也具有很高的强度和韧性。因此，可以看出用试样3号和4号得到的硬度是比较符合使用要求的。
2.3锤头的整体硬度
将锤头从正中心轴剖开以检测锤头内部各部位硬度。图6是锤头中心截面中依次从安装部位到打击部位的洛氏硬度测量结果，其中线2为剖开截面的正中心线上的硬度测量结果，线1和线3分别为剖开截面正中心线与表面两端的中心线上的硬度测量结果。可知，锤头轴孔两边硬度变化较小，均在HRC25～37范围内；打击部位硬度均大于50HRC，中间连接部位硬度呈梯度变化，整体的硬度分布符合设计要求；三个部位的硬度结果相差不大，说明锤头的淬透性好，淬硬层深度大，心部硬度也能达到设计要求。
2.4锤头的冲击韧性
为检测锤头安装部位和打击部位的冲击韧性，在打击部位和安装部位取样，分别制作了3个10mmx10mmx55mm的无缺口冲击试样，采用总冲击功为250J的摆锤冲击弯曲试验来测定冲击负荷能力，其中安装部位的3个冲击试样均未断（图7所示），打击部位的冲击试样所测得的结果如图8所示。可见，安装部位韧性较高，均大于100J/cm2;打击部位的冲击韧性J大于30J/cm2，均达到了设计要求。
图9是锤头打击部位冲击试样的断口扫描图。从图8a中可看出，有许多蜂窝状的小型韧口窝，图8b中箭头所指的地方可看出有许多河流状的冲击坑，图8c中可看出试样断裂时，有很多细小的撕裂带。整体来看，打击部位具有一定韧性，是韧性断裂和脆性断裂综合作用的结果。
3、工业应用效果
该类锤头在安徽海螺水泥集团某水泥厂的1370单锻式破碎机进行了批量使用考核，实际破碎天数均达45天以上，破碎石料量超过了38万吨，与高锰钢(ZGMn13Cr2)+堆焊锤头相比，实际破碎能力提高100%以上（表3所示），且在使用过程中破碎情况更稳定，无卡料现象，大大减少了锤头拆装工作量，提高了破碎机的破碎效率和工作时间。
4、结论
1)根据破碎机锤头的工作要求，采用不同的热处理工艺制备了性能梯度变化的低合金钢大型锤头，825℃淬火+560℃回火能较好保证锤头安装部位的使用性能。该锤头的打击部位硬度为50～52HRC、冲击韧性大于30J/cm2:安装部位的硬度为HRC25～37，韧性大于100J/cm2。
2)低合金钢大型锤头生产工艺简单、打击部位初始硬度高，与高锰钢相比，在物料硬度高、冲击作用低的工况下，可明显提高锤头的使用寿命；与双金属复合铸造锤头相比，该大型锤头的韧性好，可保证使用过程中不发生断裂现象，提高了锤头的使用安全性。
3)在相同的工况条件下，该锤头的破碎能力和使用寿命均比高锰钢(ZGMn13Cr2)+堆焊锤头提高1倍以上。
