77铸造工艺对双金属复合材料性能的影响.pdf

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1、2010 中国铸造活动周论文集-1-铸造工艺对双金属复合材料性能的影响 荣守范1，郭继伟1，朱永长1，边文丽2，杜杰敏1（1.佳木斯大学，黑龙江 佳木斯 154007；2.浙江水利水电专科学校，浙江 杭州 310018）摘要：根据双液双金属复合材料界面特性，借助 SEM、EDAX、TEM 等现代分析方法，研究了双金属复合铸造工艺对材质复合界面组织、综合力学性能、耐磨性的影响。结果表明：复合铸造工艺不仅影响材料表面质量、应力状态，而且对界面结构、形貌及相组成等都有很大影响。采取特殊铸造工艺方法制备的双液双金属复合材料，没有冲混现象，界面呈良好的冶金结合状态，具有很高的工作安全性；产品工艺成品率达

2、到 95以上，使用寿命比国内其它材质的同类产品提高 50以上。关键词：铸造工艺；耐磨材料；复合材料；机械性能 Influence of Casting Technique to Two Metals Composite Material Properties RONG Shoufan1,GUO Jiwei1,ZHU Yongchang1,BIAN Wenli2,DU Jiemin1(1.Jiamusi University,Heilongjiang Province 154007,China;2.Zhejiang Conservancy and Hydropower College,Zheji

3、ang Province 310018,China)Abstract:According to the characteristic of two liquid and two metals composite material interface,interface microstructure and wear and comprehensive properties were researched by scanning electronic microscope(SEM)and energy dispersive X-ray analysis(EDAX)and transmission

4、 electron microscope(TEM),The results show that composite casting technique has an effect on material surface quality and stress state,and even interface microstructure,morphology and composite phase,etc.The interface of two liquid and two metals composite material adopting special casting technique

5、 presents better metallurgical fusion without the phenomenon of washing under higher working security.The rate of final products achieves 95%,and service life is higer 50%than one of like products.Key words:casting process;Wear-resistant materials;Composite materials;Mechanical properties 1 前言 双金属复合

6、材料是利用复合技术使两种不同物理、化学性能的金属在整个接触面上相互牢固地结合在一起，从而获得的一种新型材料。它克服了两种金属各自的缺点，发挥两种金属的优点，使部件具有特殊的性能以适应各种恶劣工况，延长部件使用寿命 13。双金属复合材料具有良好性能，廉价的成本，并在资源的合理利用方面表现出明显的优势，因而在航空、石油、化工、造船、汽车、电子、原子能等工业领域中得到广泛应用4，5。黑龙江省基金重点 zd200909；06 攻关（GC06A211）；黑龙江省教育厅课题“双液双金属完整大复合界面的形成和作用机理研究”；佳木斯大学科技创新（KF2009-023）等基金资助 2010 中国铸造活动周论文集

7、-2-双液双金属复合铸造是指两种液体金属在一定的浇注温度下，先后浇注到同一个铸型中，获得具有两种材料特性的耐磨零件，它克服了两种金属各自的缺点，发挥两种金属的优点，使部件具有特殊的性能以适应各种恶劣工况，延长部件使用寿命。但实际工艺控制有较大的难度，尤其对矿用颚板等耐磨零件在批量生产上有较大难度，加之可靠性差等严重阻碍了实用化进程。影响复合材料性能的主要问题是界面的结合质量，铸造工艺是保证获得良好复合界面的关键因素。本文针对不同铸件结构与使用条件，采取特殊的铸造工艺方法，保证结晶界面与基体具有一定的温度梯度和一定厚度及均匀、完整的结合界面，制备出具有无混料、大复合界面的双金属复合材料，为复合材

8、料的研究、应用提供新的工艺；为双金属复合材料的界面设计和制备，为先进抗磨复合材料的工业化、实用化提供理论依据和实用技术，具有极大的经济效益和学术价值。2 实验材料及实验方法 2.1 实验材料 碳：碳是钢中的主要元素，对钢的基体组织起决定性作用。少量碳固溶于铁素体，其余碳都以渗碳体形式存在6。碳含量增加，钢的韧性降低，过高的碳含量是不利的。但碳含量过低，钢的淬硬性差，耐磨性低。应控制在满足强度、硬度的情况下，保持最低值。硅：硅在贝氏体转变过程中具有强烈抑制碳化物析出的特点，在钢中以固溶体的形态存在于铁素体和奥氏体中，使钢的强度和硬度上升，塑性有所下降。锰：锰在铸造抗磨钢中，主要作用是脱氧，中和硫

9、的有害作用，防止铸件产生热裂缺陷7。锰能显著降低钢的 Ac3温度和奥氏体分解速度。与硅配合能提高强度、硬度，又能保持较高的冲击韧度7。但锰含量较高时，有使钢晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆性敏感性。铬：铬是耐磨材料的基本元素之一，主要作用是提高钢的淬透性，同时固溶强化基体，显著改善钢的抗氧化作用，增加其抗腐蚀的能力，铬既能固溶于铁素体中，又能与钢中的碳形成多种碳化物。当含铬量较高时，在钢中可形成复杂型碳化物，如 Cr23C6和 Cr7C3。它们在钢中弥散析出，可起沉淀强化作用。基于以上思想，根据耐磨材料的使用工况，实验钢成分设计列于表 1。表1 化学成分（wt%）Table 1 Chemist

10、ry composition C Si Mn Cr 低碳钢 0.25-0.35 0.5-0.6 0.2-0.3 0.3-0.4 高碳钢 0.75-0.85 1.2-1.8 1.6-1.7 2-3 2.2 热处理工艺 从双金属复合材料的整体性能考虑，本实验的热处理温度为 86090min+29040min。2.3 实验方法 实验钢用 65kg 和 150kg 中频感应电炉，在酸性坩埚中熔炼，浇注温度 1550；湿砂型浇注后加工成10 10 55 冲击韧性试样，利用奥林巴斯 GX71 倒置式金相显微镜进行组织分析；冲击韧性测试使用 ZBC300B 全自动金属摆锤冲击实验机；硬度测试采用 HRC15

11、0A 硬度计；热处理在全纤维箱式电炉和等温淬火炉进行；磨损试验在 MLD-10 动载荷磨料磨损试验机上进行，对比试样为高锰钢；采用 Philips 2010 中国铸造活动周论文集-3-CM-12 型透射电子显微镜进行仔细的组织观察。2.4 铸造工艺 采用两个浇注系统，先浇入低碳钢，当钢液达到工艺要求的复合界面或稍下一点时，根据铸件大小，间隔 1580 秒，之后，再浇入高碳钢，其中一组在两种材质的连接部位放置激冷材料，以保证结晶界面与基体具有一定的温度梯度，和一定厚度及完整的结合界面，另一组不加激冷材料。2.5 磨损试验 本实验采用 MLD-10 动载荷磨料磨损试验机对复合铸造的衬板进行磨损实验

12、，模拟在相似工况条件下，材质的使用寿命。上试样为 10mm10mm30mm 复合材料的高碳钢部分。对比材料为 105060min 水淬处理后的 Mn13 钢。在磨损前后采用 FA2104 型万分之一分析天平对试样重量进行测试，测试前、后试样的磨损面用无水乙醇清洗烘干。用 JMS-6360LV 型扫描电子显微镜观察磨损表面形磨损。3 实验结果分析 3.1 铸造工艺对组织的影响 图 1 是双金属复合材料结合处的微观组织，可以看出，界面区域的宽度很小，两种金属结合良好；由于在高碳钢浇注时低碳钢已经结晶，在高温铁水作用下，低碳钢只是表面熔化很薄的一层，结合区复合界面交界线呈犬牙交错状，发生了熔融和相互

13、渗透，组织致密，证实了中间结合面得到了有效的冶金结合，复合界面没有发生冲混现象。图 1 双金属复合材料结合处的微观组织 这是由于采用了特殊的双液双金属复合铸造工艺，把第二层高碳钢的浇注时间，放在第一层低碳钢基本上凝固完毕时。因此时高碳钢的温度很高，既能均匀熔化一小薄层低碳钢，又能使低碳钢液在一定时间内保持液态，这样就能得到防止双金属结合部位处的钢层表面在高温下氧化的良好效果。3.2 实验材质的力学性能 材料的冲击断口在高碳低合金贝氏体钢部位，说明实验钢的融合区韧性高于高碳低合金贝氏体钢，其冲击韧性 ak 平均值为 16 J；高碳钢层 HRC 为 5157，融合区 HRC 为 4751，低碳钢层

14、 HRC 为 4548。从实验结果可以看出，双金属结合处的冲击韧性比高碳低合金贝氏体抗磨钢高；融合区的硬度比高碳低合金贝氏体抗磨钢低，比中碳钢低合金贝氏体抗磨钢高，这正适合于零件的工况要求。图2 为等温淬火温度试样高碳钢冲击断口的 SEM 照片，断口中除了具有扇形花样断口以外，还有大量的撕裂棱、大小不等的圆形或椭圆形的深韧窝，说明该材质具有良好的韧性。2010 中国铸造活动周论文集-4-3.3 实验材质的耐磨性 表 2 为实验材料的动载冲击磨损失重。可以看出，经过相同的磨损时间，实验钢材料的动载磨损失重量明显小于高锰钢。这是因为实验钢以挤出舌和浅层剥落为主8，具有较好的组织和综合力学性能。因此

15、，在磨损过程中既可以抵抗石英砂磨粒的切削，又可以减少表面金属的剥落，表现出较佳的耐磨性。表 2 磨损失重 Table 2 Weightlessness of wear 磨损前 磨损后 失重（g）复合材料 21.1748 21.0562 0.0086 Mn13 15.7659 15.4727 0.2932 为了验证实际工况条件下，复合材料的使用性能，我们用实验材质生产的石墨矿球磨机衬板，经过黑龙江省某石墨矿使用验证，寿命比该厂原来使用的高锰钢提高 50，比中碳贝氏体抗磨钢提高 30。4 结论（1）为了保证衬层完整性，必须在两种金属结合部位至先冷却的区域之间形成较大的温度梯度，以保证在浇入第二种金

16、属时，衬层不会被熔化掉。（2）复合材料界面结合部位的硬度值从低碳钢往高碳钢处是逐渐增加的。（3）复合材料融合区韧性高于高碳低合金贝氏体钢，复合材料的冲击断口在高碳钢部位，冲击韧性ak 平均为 16 J。参考文献：1 田德旺,应保胜.双金属复合材料冷扎变形行为及结合强度的研究D.武汉:武汉科技大学,2007,3.2 Prasad B K,Modi O P,Patwardhan A K.Effects of Some Material and Experimental Variables on the Slurry Wear Characteristics of Zinc-Aluminum All

17、oysJ.Mater Eng.Perform,2001,10(1):75-80.3 Yang Y S,Qu J X.The interaction of corrosive wear of two metallic materialJ.Tribology,1996(6):47-52.4 Suresh S,Mortensen A(李守新等译).功能梯度材料基础制备及热机械行为M.北京:国防工业出版社,2000.5 向云贵,廖丕博.双金属复合铸造球磨机衬板工艺研究J.南方金属,2007(2):28-30.图 2 实验钢冲击断口 2010 中国铸造活动周论文集-5-6 郭继伟.碳和硅含量及热处理参数对贝氏体钢性能的影响J.机械工程师,2003(3):39-41.7 荣守范,张寅,郭继伟.铸造低合金贝氏体抗磨钢挖掘机铲齿材质的研究J.铸造,2007,56(4):416-418.8 Archard J F.Wear theory and mechanism from wear control handbook.edited by M.B.Peterson and W.O.WinerM.The ASME United Engineering Center,1980.