第 2 章　液/半固態(tài)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(tǒng)進(jìn)入砂型型腔內(nèi)的流動(dòng)皆為紊流，同步產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的沖刷作用。先澆入第一種金屬液表面上出現(xiàn)輕微的氧化物及澆注鋼液時(shí)內(nèi)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(shì)上浮脫離兩種金屬液流接觸區(qū)，液流間產(chǎn)生的熔合連接現(xiàn)象保證了兩種金屬間的大平面冶金結(jié)合。采用液/半固態(tài)雙金屬鑄造技術(shù)制備復(fù)合耐磨材料時(shí)，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(shí)際生產(chǎn)中，可以根據(jù)工況需求，調(diào)整不同金屬材料的化學(xué)成分，以提高金屬?gòu)?fù)合材料應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況的適應(yīng)性。

根據(jù)液/半固態(tài)雙金屬鑄造復(fù)合材料的特點(diǎn)，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(shí)，當(dāng)?shù)吞间摫砻鏋榘牍虘B(tài)時(shí)，半固態(tài)區(qū)內(nèi)上側(cè)存在的液相，容易保證低碳鋼與后澆注高鉻鑄鐵液實(shí)現(xiàn)大平面冶金結(jié)合。在低碳鋼實(shí)際凝固過程末期，上表面處于半固態(tài)區(qū)的寬度是重要參數(shù)。首先，低碳鋼上側(cè)半固態(tài)區(qū)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(jìn)入高鉻鑄鐵的質(zhì)量較多，對(duì)最初設(shè)計(jì)的復(fù)合板尺寸及成分影響明顯；其次，低碳鋼半固態(tài)區(qū)較寬，當(dāng)上表面與固態(tài)區(qū)重合，此時(shí)上表面已經(jīng)形成的氧化層成為后續(xù)澆注高鉻鑄鐵與低碳鋼銜接的嚴(yán)重阻礙，即使?jié)沧囟群芨撸拱牍虘B(tài)層重新變?yōu)橐合啵趸镒罱K也可能形成夾雜物留在兩種金屬間，惡化復(fù)合板的力學(xué)性能。

選用金屬材料制備雙金屬鑄造復(fù)合耐磨材料時(shí)，應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

① 基底材料化學(xué)成分與工作層化學(xué)成分應(yīng)具有相容性，避免脆性相的出現(xiàn)，惡化復(fù)合板界面層力學(xué)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(tài)區(qū)的存在，進(jìn)而保證液/半固態(tài)雙金屬鑄造復(fù)合工藝的順利實(shí)現(xiàn)；

③ 基底材料與耐磨層材料間的膨脹系數(shù)不應(yīng)存在較大差異，以防雙金屬鑄造復(fù)合材料應(yīng)力增加，避免基底材料與耐磨層材料之間出現(xiàn)裂紋；

④ 兩種金屬材料之間的熔點(diǎn)溫度差控制在100～200℃之間為宜，避免較大的溫度差導(dǎo)致澆注過程中出現(xiàn)混料現(xiàn)象。

根據(jù)液/半固態(tài)雙金屬鑄造復(fù)合板的特點(diǎn)，所用基底材料和耐磨層材料的化學(xué)成分見表2-1。按化學(xué)成分范圍中間值確定低碳鋼和高鉻鑄鐵的化學(xué)成分，選用鑄造22?生鐵、45?廢鋼、硅鐵、鉻鐵、鉬鐵、錳鐵進(jìn)行配料計(jì)算。

2.1.2　熔煉設(shè)備及制備工藝流程

（1）熔煉設(shè)備及工藝過程

采用唐山豐潤(rùn)區(qū)華強(qiáng)電源配件廠生產(chǎn)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(jìn)行孕育處理，同時(shí)放入少量鋁絲脫氧。首先澆注低碳鋼，當(dāng)先澆入的低碳鋼液態(tài)金屬在一定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需要的凝固層厚度后，上表面處于半固態(tài)時(shí)開始澆入液態(tài)高鉻鑄鐵。

重力鑄造澆注條件下，液態(tài)高鉻鑄鐵沿著澆注系統(tǒng)進(jìn)入水玻璃砂型腔內(nèi)的流動(dòng)皆為紊流，這也直接導(dǎo)致高鉻鑄鐵液澆注時(shí)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的沖刷作用。在冷卻介質(zhì)的作用下，先澆入的低碳鋼上表面處于半固態(tài)，后澆入的高鉻鑄鐵液與低碳鋼半固態(tài)層中液相瞬間結(jié)合，兩種金屬間產(chǎn)生的液相連接現(xiàn)象可以保證界面層區(qū)域的大平面冶金結(jié)合，同時(shí)低碳鋼上表面臨時(shí)出現(xiàn)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(shì)上浮脫離兩種金屬液流接觸區(qū)，此種方法可以稱為液/半固態(tài)雙金屬鑄造復(fù)合工藝。

（2）溫度場(chǎng)測(cè)試分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)溫設(shè)備型號(hào)為XJY-160智能巡檢儀。利用北京鎢鉬材料廠生產(chǎn)的直徑0.3mm的鎢錸絲作為測(cè)溫絲。WRe3作為正極，WRe25作為負(fù)極。為了防止測(cè)溫時(shí)鎢-錸熱電偶絲熔斷，需要在其外側(cè)套上石英管進(jìn)行保護(hù)，絕緣體使用外徑3mm、內(nèi)徑0.8mm的石英陶瓷管，熱電偶測(cè)溫范圍為0～2000℃。采用巡檢儀測(cè)量記錄液/半固態(tài)雙金屬鑄造復(fù)合過程低碳鋼的溫度變化數(shù)據(jù)，測(cè)試裝置如圖2-2所示。

鑄造復(fù)合結(jié)合區(qū)內(nèi)，后澆注的高鉻鑄鐵液的流動(dòng)及重熔區(qū)的熔化狀態(tài)難以觀察，因此，只能通過溫度場(chǎng)的變化對(duì)界面前沿的元素?cái)U(kuò)散及凝固行為進(jìn)行間接分析。為了采集溫度場(chǎng)變化的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，可以利用巡檢儀進(jìn)行多點(diǎn)同步測(cè)量的功能。本實(shí)驗(yàn)通過巡檢儀獲取了澆注的低碳鋼溫降及凝固區(qū)域變化數(shù)據(jù)，同時(shí)也根據(jù)后澆注的高鉻鑄鐵溫度的上升和下降，全面記錄重熔區(qū)出現(xiàn)到結(jié)束的整個(gè)過程的溫度場(chǎng)變化數(shù)據(jù)。最后將采集的多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析得到溫度-時(shí)間曲線，從而為界面形成規(guī)律的研究提供了溫度場(chǎng)變化的有效數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行相關(guān)工藝設(shè)計(jì)時(shí)，采用雙澆注系統(tǒng)分別澆注低碳鋼和高鉻鑄鐵，并將雙金屬?gòu)?fù)合界面置于分型面處。低碳鋼和高鉻鑄鐵的內(nèi)澆道分別設(shè)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(jìn)入型腔的沖刷作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度場(chǎng)需要，將電偶絲插入到相應(yīng)的位置（分型面附近重熔區(qū)范圍），熱電偶外端用補(bǔ)償導(dǎo)線連接到巡檢儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度可視化的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖2-3所示。

（3）凝固層厚度測(cè)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(tài)，因此，采用傳統(tǒng)的“傾倒法”測(cè)量凝固厚度是無法實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)低碳鋼凝固特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了低碳鋼凝固厚度測(cè)量裝置，如圖2-4所示。根據(jù)探桿置于低碳鋼上表面深度的平均值，間接計(jì)算得到最終低碳鋼凝固厚度值。