- 液半固態雙金屬復合鑄造技術及應用
- 朱永長
- 2211字
- 2020-03-20 14:06:03
第 2 章 液/半固態雙金屬鑄造耐磨材料及研究方法
2.1 耐磨板常用材料及制備工藝
2.1.1 耐磨材料選取原則
重力鑄造澆注條件下,金屬液沿著澆注系統進入砂型型腔內的流動皆為紊流,同步產生較為強烈的沖刷作用。先澆入第一種金屬液表面上出現輕微的氧化物及澆注鋼液時內部形成的二次氧化夾雜,將隨著后澆入的第二種金屬液流的沖刷順勢上浮脫離兩種金屬液流接觸區,液流間產生的熔合連接現象保證了兩種金屬間的大平面冶金結合。采用液/半固態雙金屬鑄造技術制備復合耐磨材料時,先澆注的第一種金屬作為基底材料,可以選用普通低碳鋼或低碳合金鋼等;后澆注的第二種金屬作為耐磨層,可以選用高鉻鑄鐵或合金鋼等。實際生產中,可以根據工況需求,調整不同金屬材料的化學成分,以提高金屬復合材料應對復雜工況的適應性。
根據液/半固態雙金屬鑄造復合材料的特點,如果選用的基底材料和耐磨層材料分別為低碳鋼和高鉻鑄鐵時,當低碳鋼表面為半固態時,半固態區內上側存在的液相,容易保證低碳鋼與后澆注高鉻鑄鐵液實現大平面冶金結合。在低碳鋼實際凝固過程末期,上表面處于半固態區的寬度是重要參數。首先,低碳鋼上側半固態區較寬,較高溫度的高鉻鑄鐵可以提供足夠的熱量熔化低碳鋼上表面,低碳鋼表面局部被沖刷重熔,熔解進入高鉻鑄鐵的質量較多,對最初設計的復合板尺寸及成分影響明顯;其次,低碳鋼半固態區較寬,當上表面與固態區重合,此時上表面已經形成的氧化層成為后續澆注高鉻鑄鐵與低碳鋼銜接的嚴重阻礙,即使澆注溫度很高,使半固態層重新變為液相,氧化物最終也可能形成夾雜物留在兩種金屬間,惡化復合板的力學性能。
選用金屬材料制備雙金屬鑄造復合耐磨材料時,應具備以下特點:
① 基底材料化學成分與工作層化學成分應具有相容性,避免脆性相的出現,惡化復合板界面層力學性能,影響使用壽命;
② 選用的基底材料凝固過程以層狀凝固為主,確保其凝固末期半固態區的存在,進而保證液/半固態雙金屬鑄造復合工藝的順利實現;
③ 基底材料與耐磨層材料間的膨脹系數不應存在較大差異,以防雙金屬鑄造復合材料應力增加,避免基底材料與耐磨層材料之間出現裂紋;
④ 兩種金屬材料之間的熔點溫度差控制在100~200℃之間為宜,避免較大的溫度差導致澆注過程中出現混料現象。
根據液/半固態雙金屬鑄造復合板的特點,所用基底材料和耐磨層材料的化學成分見表2-1。按化學成分范圍中間值確定低碳鋼和高鉻鑄鐵的化學成分,選用鑄造22?生鐵、45?廢鋼、硅鐵、鉻鐵、鉬鐵、錳鐵進行配料計算。
表2-1 所用基底材料和耐磨層材料的化學成分(質量分數) 單位: %

2.1.2 熔煉設備及制備工藝流程
(1)熔煉設備及工藝過程
采用唐山豐潤區華強電源配件廠生產的KGPS-800型20kg和50kg中頻熔煉爐,分別熔煉低碳鋼和高鉻鑄鐵,如圖2-1所示。在低碳鋼液澆注之前,采用稀土硅鐵進行孕育處理,同時放入少量鋁絲脫氧。首先澆注低碳鋼,當先澆入的低碳鋼液態金屬在一定的時間內達到所需要的凝固層厚度后,上表面處于半固態時開始澆入液態高鉻鑄鐵。

圖2-1 液/半固態雙金屬鑄造熔煉設備
重力鑄造澆注條件下,液態高鉻鑄鐵沿著澆注系統進入水玻璃砂型腔內的流動皆為紊流,這也直接導致高鉻鑄鐵液澆注時產生了強烈的沖刷作用。在冷卻介質的作用下,先澆入的低碳鋼上表面處于半固態,后澆入的高鉻鑄鐵液與低碳鋼半固態層中液相瞬間結合,兩種金屬間產生的液相連接現象可以保證界面層區域的大平面冶金結合,同時低碳鋼上表面臨時出現的輕微的氧化物及澆注鋼液偶爾攜帶的少量夾渣,伴隨著高鉻鑄鐵液流的沖刷順勢上浮脫離兩種金屬液流接觸區,此種方法可以稱為液/半固態雙金屬鑄造復合工藝。
(2)溫度場測試分析
實驗測溫設備型號為XJY-160智能巡檢儀。利用北京鎢鉬材料廠生產的直徑0.3mm的鎢錸絲作為測溫絲。WRe3作為正極,WRe25作為負極。為了防止測溫時鎢-錸熱電偶絲熔斷,需要在其外側套上石英管進行保護,絕緣體使用外徑3mm、內徑0.8mm的石英陶瓷管,熱電偶測溫范圍為0~2000℃。采用巡檢儀測量記錄液/半固態雙金屬鑄造復合過程低碳鋼的溫度變化數據,測試裝置如圖2-2所示。

圖2-2 溫度場測試裝置
鑄造復合結合區內,后澆注的高鉻鑄鐵液的流動及重熔區的熔化狀態難以觀察,因此,只能通過溫度場的變化對界面前沿的元素擴散及凝固行為進行間接分析。為了采集溫度場變化的準確數據,可以利用巡檢儀進行多點同步測量的功能。本實驗通過巡檢儀獲取了澆注的低碳鋼溫降及凝固區域變化數據,同時也根據后澆注的高鉻鑄鐵溫度的上升和下降,全面記錄重熔區出現到結束的整個過程的溫度場變化數據。最后將采集的多點溫度數據進行處理分析得到溫度-時間曲線,從而為界面形成規律的研究提供了溫度場變化的有效數據。
實驗之前進行相關工藝設計時,采用雙澆注系統分別澆注低碳鋼和高鉻鑄鐵,并將雙金屬復合界面置于分型面處。低碳鋼和高鉻鑄鐵的內澆道分別設置在下箱和上箱,這樣不但可以有效控制低碳鋼的澆注高度,而且能夠緩解高鉻鑄鐵液進入型腔的沖刷作用。根據實驗測量溫度場需要,將電偶絲插入到相應的位置(分型面附近重熔區范圍),熱電偶外端用補償導線連接到巡檢儀,實現對溫度可視化的實時監控,如圖2-3所示。

圖2-3 液/半固態雙金屬鑄造復合測溫示意
(3)凝固層厚度測量裝置
低碳鋼在冷卻過程中,從下至上凝固厚度逐漸增厚,由于低碳鋼上表面金屬液相較少,甚至形成半固態,因此,采用傳統的“傾倒法”測量凝固厚度是無法實現的。根據低碳鋼凝固特點,設計了低碳鋼凝固厚度測量裝置,如圖2-4所示。根據探桿置于低碳鋼上表面深度的平均值,間接計算得到最終低碳鋼凝固厚度值。

圖2-4 低碳鋼凝固厚度測量裝置示意