镶铸式复合锤头的锤柄设计
张军
（湖北省机电研究设计院股份公司 武汉 430070）
摘要：合理的锤柄结构是锤端金属液与锤柄之间产生有效的冶金结合的关键。本文具体阐述了锤柄的设计及其对结合面的影响，对锤头的生产具有良好的指导作用。
关键词：镶铸 锤头 镶块 冶金结合
Design of Hammer Handle in Insert Casting
Zhang Jun
(Hubei Electrical and Mechanical Research and Design Institute Co., LTD，Wuhan 430070) Abstract: Proper hammer handle is necessary to metal-liquid and hammer handle with efficient metallurgical combination. The paper shows design of hammer handle in detail. So it is better guiding role to produce hammer.
Key words: insert casting, hammer , insert, metallurgical combination
0 前言
双金属复合锤头不但具有高的强度而且具有良好的耐磨性能，在实际生产中得到了广泛的应用。但是实际生产中，针对镶块的设计并没有一定标准，大多还是采用经验，不能保证金属液的热量能完全熔化镶块的表层形成有效的冶金结合，从而增加了产品的废品率。本着生产实际的需要，我们查阅了大量资料，做了大量实验，初步推导镶块的计算公式，并结合生产实际对锤柄的形状也进行了合理的设计，以求对生产具有较好的指导作用。
—1 锤柄复合部位（镶块）大小的确定[13]
为了保证两种材料结合良好，芯材与外材之间必须形成有效的冶金结合，既保证芯材从液体中所得到的热量能使其产生冶金反应。由于外材和芯材的体积比大小对双金属复合过程结合界面的强度影响很大，所以体积比是一个很重要的工艺参数。镶块的体积的设计计算如下：
金属液以一定的温度（假定为T j ）流经浇注系统进入型腔，型腔内合金液的平均上升速度为v p (其值的选择无普遍适用的公式，一般参考工厂里产生同类铸件的经验数据来选定) 。在金属液包围镶块的时间里金属液与镶块产生了热交换，可以写出傅立叶导热方程: q = λ·（dt/dx） （1） 当t|x=0 = 0 ，t|x=b = Tj 时，对（1）积分可得：q = （λ·T j ）/b 。
式中：q —— 热流密度，J/m·s ；b —— 型腔的垂直高度，m 。
所以，金属液在从开始浇注到完成的过程，放出的热量为：
Q 1 = （b/vp ）·A o ·（λ·T j ）/b =（λ·T j ·A o ）/vp （2） 式中：A o —— 铸件的表面积，m 2；
充型完后，金属液继续释放热量。假设金属液液相线的温度为2T i ，此时金属液冷却和
凝固时释放的可用于使镶块与母材熔合的最大热量为:金属液过热热量H 1 (金属液由高温
L m 降至液相线温度所释放的热量) 加上金属液由液相线温度降至固相线温度时由凝固潜热
释放的热量的1/3。可以得到这时金属液释放的最大热量为:
Q 2 = ρo ·（v o - vx ）·（L m /3 + H1） （3）
式中： ρ0—— 金属液的密度，kg/m；
vo —— 铸件的体积，m ； 32
H1—— 过热热量，其值为C m ·（T j – Ti ）；
Cm —— 金属液比热，J/Kg·℃；
Lm —— 凝固潜热，J/Kg。
在实际生产中，当镶块体积过大时，常通过冒口对凝固前的温度调节的作用来保证有效的熔合，此时作用在镶块上的最大热量为:
Q 3 = Vm ·ρm ·C m ·（T j –T m ） （4）
式中：V m —— 流入冒口中的金属液体积，m ；
Tm ——流入冒口中的金属液的温度，℃。
金属液释放的热量应该等于镶块吸收的热量。假设镶块的固相线温度为T g , 镶块的温度首先上升到固相线温度，此后镶块表面熔化，并与金属液熔合。镶块与金属液熔合所需的热量等于镶块从浇注时的温度上升到固相线温度所吸收的热量加上镶块表面熔化而吸收的熔化潜热。由实验及有关分析得出，当镶块吸收的熔化潜热达到保证将镶块完全熔化所需热量的1/ 5时，即可保证镶块表面发生有效的熔合。即:
Q4 = Vx ·ρx ·[（T g -T k ）·C x + Lx /5] （5） 式中： Vx —— 镶块的体积，m 3；
ρx ——镶块的密度，kg/ m3；
Tk ——镶块的初始温度，℃；
Cx ——镶块的比热，J/Kg·℃；
Lx ——镶块的凝固潜热，J/Kg。
根据热平衡原理，即: Q1+ Q2+ Q3 = Q4 , 经计算可得： 3
V x =
(λ⋅T j A 0) /l +ρm ⋅V 0⋅(L m /3+H 1) +V m ⋅ρm ⋅C m ⋅(T j -T m ) ρx ⋅[(Tg -T k ) C x +L x /5]+ρm (L m /3+H 1) （6）
2 锤柄结构设计[4—7]
预置锤柄体积较大，具有很强的激冷作用，如果复合部位结构设计不当，仍然导致结合部位高铬铸铁锤端产生裂纹。由于铸造过程中影响因素较多，虽然通过简单的数学模型推导出防止裂纹产生的高铬铸铁厚度公式以及芯材形状对结合面的影响。但这些对生产过程很难有实际的指导意义。生产中一般采用以下措施：（1）复合部位尽量采用镂空。（2）复合部位采用尽可能圆角过渡。（3）复合部位要有一定的锥度。具体情况见图：
图1 锤柄结构示意图
3 浇注前锤柄的处理[5—7]
锤柄在浇注前应对复合部位用砂轮打磨除锈，去除氧化皮和其他有碍冶金结合的杂物。同时将棱角打磨平。然后在煮沸的氧化膜保护层溶液中煮沸几分钟，在其表面沾附一层抗氧化保护剂。然后保存以被使用。
4 结论
在生产实际中，可以对选用的锤柄进行有效的估算，通过对各种影响因素的合理设计，从而避免锤柄复合部位外形与体积大小不清楚的情况，达到复合部位与金属液的有效冶金结合。
参考文献
[1] 李弘英 铸钢件的凝固和致密度的控制[M]，机械工业出版社1985。
[2] 曲卫淘 铸造工艺学[M]，西北工业大学出版社，1994。
[3] 刘炀 内冷铁在厚大铸钢件生产中的应用[J]，铸造技术，2004（7）557-559。
[4] 姚三九 液—固复合铸造及其应用[J]，中国铸造装备与技术，2000（4）17-19。
[5] 王超 程红晓 高铬铸铁—铸钢锤头的镶铸工艺[J]，铸造，2004（2）18-19。
[6] 张军 熊博文 吴振卿 镶铸双金属复合锤头铸造工艺的研究[J]，铸造技术，2005，
（10）：980-982。
[7] 张军 周金汉 双金属复合锤头界面结合性能的研究[J]，热加工工艺，2007，（21）：28-30。
镶铸式复合锤头的锤柄设计
张军
（湖北省机电研究设计院股份公司 武汉 430070）
摘要：合理的锤柄结构是锤端金属液与锤柄之间产生有效的冶金结合的关键。本文具体阐述了锤柄的设计及其对结合面的影响，对锤头的生产具有良好的指导作用。
关键词：镶铸 锤头 镶块 冶金结合
Design of Hammer Handle in Insert Casting
Zhang Jun
(Hubei Electrical and Mechanical Research and Design Institute Co., LTD，Wuhan 430070) Abstract: Proper hammer handle is necessary to metal-liquid and hammer handle with efficient metallurgical combination. The paper shows design of hammer handle in detail. So it is better guiding role to produce hammer.
Key words: insert casting, hammer , insert, metallurgical combination
0 前言
双金属复合锤头不但具有高的强度而且具有良好的耐磨性能，在实际生产中得到了广泛的应用。但是实际生产中，针对镶块的设计并没有一定标准，大多还是采用经验，不能保证金属液的热量能完全熔化镶块的表层形成有效的冶金结合，从而增加了产品的废品率。本着生产实际的需要，我们查阅了大量资料，做了大量实验，初步推导镶块的计算公式，并结合生产实际对锤柄的形状也进行了合理的设计，以求对生产具有较好的指导作用。
—1 锤柄复合部位（镶块）大小的确定[13]
为了保证两种材料结合良好，芯材与外材之间必须形成有效的冶金结合，既保证芯材从液体中所得到的热量能使其产生冶金反应。由于外材和芯材的体积比大小对双金属复合过程结合界面的强度影响很大，所以体积比是一个很重要的工艺参数。镶块的体积的设计计算如下：
金属液以一定的温度（假定为T j ）流经浇注系统进入型腔，型腔内合金液的平均上升速度为v p (其值的选择无普遍适用的公式，一般参考工厂里产生同类铸件的经验数据来选定) 。在金属液包围镶块的时间里金属液与镶块产生了热交换，可以写出傅立叶导热方程: q = λ·（dt/dx） （1） 当t|x=0 = 0 ，t|x=b = Tj 时，对（1）积分可得：q = （λ·T j ）/b 。
式中：q —— 热流密度，J/m·s ；b —— 型腔的垂直高度，m 。
所以，金属液在从开始浇注到完成的过程，放出的热量为：
Q 1 = （b/vp ）·A o ·（λ·T j ）/b =（λ·T j ·A o ）/vp （2） 式中：A o —— 铸件的表面积，m 2；
充型完后，金属液继续释放热量。假设金属液液相线的温度为2T i ，此时金属液冷却和
凝固时释放的可用于使镶块与母材熔合的最大热量为:金属液过热热量H 1 (金属液由高温
L m 降至液相线温度所释放的热量) 加上金属液由液相线温度降至固相线温度时由凝固潜热
释放的热量的1/3。可以得到这时金属液释放的最大热量为:
Q 2 = ρo ·（v o - vx ）·（L m /3 + H1） （3）
式中： ρ0—— 金属液的密度，kg/m；
vo —— 铸件的体积，m ； 32
H1—— 过热热量，其值为C m ·（T j – Ti ）；
Cm —— 金属液比热，J/Kg·℃；
Lm —— 凝固潜热，J/Kg。
在实际生产中，当镶块体积过大时，常通过冒口对凝固前的温度调节的作用来保证有效的熔合，此时作用在镶块上的最大热量为:
Q 3 = Vm ·ρm ·C m ·（T j –T m ） （4）
式中：V m —— 流入冒口中的金属液体积，m ；
Tm ——流入冒口中的金属液的温度，℃。
金属液释放的热量应该等于镶块吸收的热量。假设镶块的固相线温度为T g , 镶块的温度首先上升到固相线温度，此后镶块表面熔化，并与金属液熔合。镶块与金属液熔合所需的热量等于镶块从浇注时的温度上升到固相线温度所吸收的热量加上镶块表面熔化而吸收的熔化潜热。由实验及有关分析得出，当镶块吸收的熔化潜热达到保证将镶块完全熔化所需热量的1/ 5时，即可保证镶块表面发生有效的熔合。即:
Q4 = Vx ·ρx ·[（T g -T k ）·C x + Lx /5] （5） 式中： Vx —— 镶块的体积，m 3；
ρx ——镶块的密度，kg/ m3；
Tk ——镶块的初始温度，℃；
Cx ——镶块的比热，J/Kg·℃；
Lx ——镶块的凝固潜热，J/Kg。
根据热平衡原理，即: Q1+ Q2+ Q3 = Q4 , 经计算可得： 3
V x =
(λ⋅T j A 0) /l +ρm ⋅V 0⋅(L m /3+H 1) +V m ⋅ρm ⋅C m ⋅(T j -T m ) ρx ⋅[(Tg -T k ) C x +L x /5]+ρm (L m /3+H 1) （6）
2 锤柄结构设计[4—7]
预置锤柄体积较大，具有很强的激冷作用，如果复合部位结构设计不当，仍然导致结合部位高铬铸铁锤端产生裂纹。由于铸造过程中影响因素较多，虽然通过简单的数学模型推导出防止裂纹产生的高铬铸铁厚度公式以及芯材形状对结合面的影响。但这些对生产过程很难有实际的指导意义。生产中一般采用以下措施：（1）复合部位尽量采用镂空。（2）复合部位采用尽可能圆角过渡。（3）复合部位要有一定的锥度。具体情况见图：
图1 锤柄结构示意图
3 浇注前锤柄的处理[5—7]
锤柄在浇注前应对复合部位用砂轮打磨除锈，去除氧化皮和其他有碍冶金结合的杂物。同时将棱角打磨平。然后在煮沸的氧化膜保护层溶液中煮沸几分钟，在其表面沾附一层抗氧化保护剂。然后保存以被使用。
4 结论
在生产实际中，可以对选用的锤柄进行有效的估算，通过对各种影响因素的合理设计，从而避免锤柄复合部位外形与体积大小不清楚的情况，达到复合部位与金属液的有效冶金结合。
参考文献
[1] 李弘英 铸钢件的凝固和致密度的控制[M]，机械工业出版社1985。
[2] 曲卫淘 铸造工艺学[M]，西北工业大学出版社，1994。
[3] 刘炀 内冷铁在厚大铸钢件生产中的应用[J]，铸造技术，2004（7）557-559。
[4] 姚三九 液—固复合铸造及其应用[J]，中国铸造装备与技术，2000（4）17-19。
[5] 王超 程红晓 高铬铸铁—铸钢锤头的镶铸工艺[J]，铸造，2004（2）18-19。
[6] 张军 熊博文 吴振卿 镶铸双金属复合锤头铸造工艺的研究[J]，铸造技术，2005，
（10）：980-982。
[7] 张军 周金汉 双金属复合锤头界面结合性能的研究[J]，热加工工艺，2007，（21）：28-30。