錘式破碎機錘頭在工作時受力復雜，工況條件惡劣，要受到沖擊、擠壓、剪切及接觸疲勞應力的反復作用，磨損嚴重，因此選用材料必須能夠耐沖擊，同時又具有較高的耐磨性能。為了有效防止使用中斷裂，同時又賦予產品高的抗磨性，人們很早就提出了雙金屬復合鑄造的方法生產抗磨制品，以實現材料性能與服役要求的良好匹配。所謂雙金屬復合，就是通過將材料的性能特點與工件不同部位的服役要求進行恰當的匹配，來解決單一材料同時具有高硬度和高韌性的困難。
    雙金屬復合錘頭制造中的關鍵技術是雙金屬復合鑄造工藝。廣義的雙金屬復合工藝方法可以根據材料狀態分為固／固、固／液、液／液復合三大類，具體成形工藝方法有軋制、焊接、鑄造等多種。由于破碎機錘頭形狀復雜，軋制復合法無法應用，只有焊接復合法和鑄造復合法兩大類。具體包括鑲鑄法、包覆鑄造法、復合鑄造法和焊接法4種。近年來，這4種方法的研究和應用都取得了較大進展。本研究圍繞破碎機錘頭雙金屬復合鑄造工藝技術進行綜合分析后，提出了技術關鍵和今后的發展趨勢。
1、鑲鑄復合法及其進展
    所謂鑲鑄復合是一種雙金屬液／固復合方法，包括分散鑲鑄和集中鑲鑄兩種，如圖1所示。分散鑲鑄就是將設計合理的抗磨鑲件分散開來，預制成一定形狀的框架多孔2結構，經過預熱后置入鑄造型腔，隨后澆入另一種金屬液（稱為基體），將抗磨鑲件牢固地鑲嵌于其中，在高溫作用下實現抗磨鑲件與基體金屬之間的良好結合。這種鑲鑄方法中，抗磨鑲件在鑄造上相當于內冷鐵，見圖l(a)。
    集中鑲鑄與分散鑲鑄的區別在于抗磨體的尺寸和分布上。集中鑲鑄中將抗磨體集中為一兩個較大的條塊，鑲鑄在基體材料之中。鑲件數量少，分布簡單，見圖l(b)。
    鑲鑄鑄鋼／高鉻鑄鐵和高錳鋼／低合金鋼復合錘頭在實際生產中取得了良好的效果，分別比單一高錳鋼錘頭和低合金錘頭提高3—4倍，證明鑲鑄復合錘頭具有實際應用價值。但是，鑲鑄法制備雙金屬復合材料是靠外層材料澆入時帶入的過熱熱量來獲得界面結合的，其關鍵參數是外層材料與芯材之間的體積比（稱為鑲鑄比），只有在合理的鑲鑄比條件下，才可能獲得良好的界面結合。在小鑲鑄比條件下，由于外層材料帶人熱量較少，液固作用時間較短，無法獲得良好的界面結合。提高鑲鑄比有利于界面結合，但同時降低了復合材料的整體韌性和經濟性，這與目前對雙金屬復合材料的整體強韌性能和經濟性要求不相適應。因而控制液固作用時間以及控制液態金屬的溫度是鑲鑄法制備雙金屬復合錘頭的關鍵。劉耀輝利用改進鑲鑄法，在可控條件下，提高了液固相互作用時間，制備了高碳高釩系高速鋼/45號鋼雙金屬復合材料，研究了雙金屬復合材料的界面結構及其影響因素，為復合錘頭的制備提供了重要參考。
    此外，進行抗磨體形狀和尺寸的合理設計以及其合理布局和數量設計是鑲鑄復合中的另一個關鍵。遺憾的是，目前這些設計原則還不明確，有待深入細致地研究。將計算機模擬技術用于鑲鑄過程的傳熱與凝固計算，可望建立起抗磨體的設計準則。所以，鑲鑄復合法制備破碎機錘頭是一條可行的技術路線，今后的研究重點是借助計算機模擬技術，針對一定的鑲鑄比進行復合工藝設計，形成鑲鑄工藝設計準則。
2、包覆鑄造復合法及其進展
    該方法與鑲鑄法類似，不同的是錘頭柄部為預制件，而端部抗磨材料為液態，通過澆注抗磨材料實現端部對柄部的包覆連接。這種方法得到的整個錘頭由錘柄和端部兩部分組成，兩者通過澆注過程結合為一個整體，屬于液／固復合的范疇，但其鑲件并不被基體完全包覆。為提高結合力，常在錘柄被包覆部位，預制一長園形孔，如圖2所示。這樣當鐵水充入鑄型時，同時充入該孔內，端部鐵水冷卻后該園孔內的金屬就充當一機械連接銷，可有效防止錘頭工作過程中端部和錘柄之間出現松動和脫落。這種方法簡單易行，實際應用顯示了較好的效果
    該方法的主要問題是因被包覆部分與包覆金屬之間的體積比（稱為包覆比）較小，界面結合狀態難以達到良好的冶金結合，盡管輔助鋸齒狀或銷釘結構實現機械結合，但包覆部位的外層金屬容易出現開裂，導致使用中發生剝落和崩塊。
    為了強化包覆鑄造中的冶金結合，采用傾斜澆注工藝，并在錘端放置壓冒口，見圖3。
    這樣鐵水在充型過程中首先接觸錘柄被包覆起來，然后逐漸充滿錘端整個型腔，最后充入壓邊冒口。傾斜澆注主要是為了保證充型的平穩，并便于渣氣的排除。壓邊冒口可保證渣氣的順利排除，并對錘頭端部進行一定的補縮，特別是由于壓邊冒口的設置，增加了鐵水沖刷錘柄的時間，可有效地增加錘頭和錘柄之間的冶金結合，并可有效地防止氣孔、砂眼、裂紋的發生。利用這種方法研制的高鉻鑄鐵／鑄鋼雙金屬復合錘頭，其中錘柄采用ZG35，錘端采用高鉻鑄鐵，在某焦化廠碎煤車間試用發現，不出現異常斷裂，磨損量只有高錳鋼錘頭的1/4。
    在包覆鑄造方面，張軍等人的研究值得借鑒。錘端采用高鉻鑄鐵，錘柄采用ZC270 - 550。圖
4、為錘頭的鑄造工藝圖。
    每箱放置8個錘頭，呈圓周方向均勻分布。錘端、澆口窩和內澆道采用消失模型，冒口、冒口頸和直澆道采用木模模型。造型時將預先制作出的錘柄，清除復合部位表面雜物，涂附保護劑，套上錘端消失模放人砂型直接造型。復合前將整個砂型放人中頻感應線圈內，通過中頻感應對錘柄進行預熱，預熱過程中泡沫塑料模型受熱汽化。當錘柄達到需要的溫度（800℃左右）時，開始澆注金屬液，邊澆注邊加熱。當錘端型腔充滿金屬液時，停止加熱，繼續澆注直到充滿整個冒口。待金屬液冷卻凝固后，吊出砂型，打箱。在砂型復合鑄造條件下，提高外材高鉻鑄鐵的澆注溫度、液固體積比和芯材的預熱溫度均可提高雙金屬復合材料的界面結合強度。采用淬火+回火的熱處理工藝。錘頭加熱到960℃，保溫4h，出爐強制風冷淬火。回火溫度250℃，保溫2h，出爐空冷。由于復合部分材質不同，升溫速率不同，易產生溫差造成復合層開裂。因此，加熱速率應控制在一定范圍內(<100℃/h)。采用這種工藝，復合錘頭的使用壽命為高錳鋼錘頭的5倍左右。
    錘頭的包覆復合鑄造法應用受到材料熱處理工藝匹配性的限制，一旦兩種材料的熱物理性能差距顯著，在成形和熱處理環節復合界面或整體就可能出現裂紋。所以，這種方法的前景并不樂觀。針對這一問題，今后的研究重點應當放在材料匹配性和界面相容性的研究方面。
3、雙液鑄造復合法
    雙液鑄造復合法也叫雙金屬復合鑄造工藝。它屬于液／液復合的范疇，在軋輥／管件生產中早有應用。這種復合方法的成敗關鍵在于兩種金屬的界面熔合優劣和接合強度的高低。利用這種方法生產高鉻鑄鐵/ZG35雙金屬破碎機錘頭也獲得了成功。
    雙液鑄造復合法基本要求是首先在不使其混合的情況下，使兩種金屬熔為一體，其次要有盡可能大的接合面積。為此，采取了如下措施：接合面取在最大截面A處；底部設置U形冷鐵，以保證ZG35由下而上的凝固順序；設溢流口B，確保接合面的位置不變；為防止在澆注高鉻鑄鐵時，ZG35被沖混，高鉻鑄鐵澆口設在C，D處，以求水頭平穩。
    雙液復合法制備復合錘頭磨損速度均勻整齊，壽命大概是包覆鑄造錘頭的2倍，適合多種型號錘頭采用，是提高錘頭壽命的有效工藝措施。但是，這種工藝控制困難，特別是澆注量及界面組織結構的控制有一定難度。要解決這個問題，需要研制專業設備。
    總體上看，破碎機錘頭屬于小型零件，零件越小，雙液復合的工藝控制難度越大。所以，雙液復合法在錘頭生產中并不易發揮優勢。
4、焊接復合法
    廣義的焊接復合法中最為有效的是爆炸焊，但爆炸焊無法用于錘頭生產。在焊接復合錘頭中，主要的做法是將抗磨材料焊接在抗磨性要求高的部位，而其他部位則是一般材料。郭長慶[IO]的研究證明，高錳鋼與硬質合金焊接復合錘頭的使用壽命是超高錳鋼錘頭的1.5倍。
    這種方法的難點是異種材料的焊接，需要針對具體的材料匹配探索具體的焊接工藝。目前的焊接質量難以穩定，使用中時有開焊脫落現象，應用越來越少。但是，將這一思路用于錘頭的修復正在深入研究，以取得不斷進展。
    除了上述4種復合方法外，北京交通大學半固態成形研究中心將半固態擠壓鑄造技術用于復合錘頭的制造，其技術關鍵是在壓力作用下實現鑲鑄或包覆鑄造，以此來改善界面結合狀態，取得了較好的效果。這種方法簡稱流變復合，它既保留了鑲鑄復合的靈活性，又發揮了壓力成形產品致密的優勢，不僅生產成本低，而且性能好，是破碎機錘頭復合鑄造的一個新的發展方向。
5、值得關注的問題
    在破碎機錘頭研究與應用中，盡管已經取得了較大進展，但錘頭仍然是壽命最短、消耗量最大的抗磨制品之一，雙金屬復合是解決這一問題的有效途徑。但真正取得突破性進展，必須關注材質相容性、界面控制和復合準則3個關鍵問題。
    (1)材質相容性。無論那種復合方法，都存在兩種或兩種以上的材料。這些材料之間的結合以及使用功能上的合理分工與協調是成功設計復合錘頭的關鍵，這就是所謂的材料相容性，包括功能相容性、工藝相容性和性能相容性三大方面。目前的材質匹配模式基本上是錘柄為韌性良好的中低碳鋼或低合金鋼，而端部是高硬度和抗磨性的硬質合金、高鉻鑄鐵、超高錳鋼、高硼鑄鐵等。但這種匹配的相容性還有待系統研究。
    (2)界面控制。復合錘頭中兩種材料的界面結合狀態是復合成敗的關鍵，一般都追求冶金結合。如何評定界面結合狀態目前尚無統一標準。
    習慣上將界面結合狀態分為機械結合和冶金結合兩大類，但很多情況都是冶金結合與機械結合共存。界面結合狀態可以考慮用冶金結合率來表達，即用發生冶金結合的界面面積占總界面面積的百分數來表征結合狀態。只要冶金結合率大于一個臨界值，就可以認為結合良好。這種結合狀態的判斷帶有很多主觀性和專業性，如何簡易直觀地定量表征界面結合狀態還需要進行深入細致的研究。
    除了結合狀態的表征外，結合狀態的控制也是一個值得研究的界面問題。
    (3)復合準則的研究。強化相的尺寸、數量和分布是復合材料設計、制備以及性能評價中的一個關鍵問題。對于復合錘頭也是如此。但對于錘頭這樣的大尺度增強體復合材料而言，復合準則又將如何表示是值得研究的一個重要課題。這里，以抗磨性或硬度H為性能指標，以抗磨體占復合錘頭的體積分數為f、以及各組分的硬度H為自變量，其復合準則的通式表示為
    初步研究已經發現，從復合效果角度考慮，存在一個臨界體積分數。但從性能來說，是否也存在一個最優體積分數，這兩個最優體積分數一般來說是不一致的，如何協調這種不一致也是需要研究的。
6、結論
    提高破碎機錘頭使用壽命的有效途徑是采用雙金屬復合鑄造技術。分散鑲鑄和流變復合可以獲得冶金結合的界面并起到節約材料、顯著提高壽命的作用，代表了雙金屬復合錘頭制造技術的發展方向。復合準則、材質相容性和界面結合狀態的研究是今后的研究重點。


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