鑄造工藝對雙金屬復合材料性能的影響

摘 要：本文從雙液雙金屬復合鑄造以及雙金屬復合材料的定義著手，對其進行概述，從而加強對這方面的了解。并采用SEM、EDAX、TEM等現代分析方法，就鑄造工藝對雙金屬復合材料性能的影響進行實驗，實驗結果表明復合鑄造工藝不僅對材料表面的質量、應力狀態有影響，而且對界面結構、形貌及相組成均有很大的影響。通過這次實驗得出的結論對于今后制造雙金屬復合材料具有重要的指導意義。

關鍵詞：鑄造工藝；雙金屬復合材料；性能；影響

前言

本文依據不同的鑄造結構與使用條件，采取特殊的鑄造工藝方法，在保證結晶界面與基體的溫度、梯度、厚度等均是一定的，并確保結合界面是均勻、完整的前提下，從而制備出無混料、大復合界面的雙金屬復合材料，這無論是對復合材料的進一步研究和應用，還是對雙金屬復合材料的界面設計和制備，均是十分有利的，且具有極大的經濟效益和學術價值。

1 對雙液雙金屬復合鑄造的概述

所謂的雙液雙金屬復合鑄造主要指的是在一定的澆注溫度下，將兩種液體金屬按照先后的順序澆筑到同一個鑄型中，從而獲得的耐磨零件，既克服了兩種金屬的缺點，同時也充分發揮了兩種金屬的優點，具有兩種金屬的特性，促使零件能夠適應各種惡劣工況，延長部件的使用壽命。但是在實際的操作中的難度是十分大的，尤其是對礦用鄂板等耐用零件的批量生產的難度系數更是高，加之可靠性差等因素等對其實用化進程造成了嚴重的阻礙。而且通過鑄造，我們了解到界面的結合質量是影響復合材料性能的主要原因，而鑄造工藝則是保證獲得良好復合界面的關鍵因素。

2 對雙金屬復合材料的概述

通過采用復合技術，將兩種完全不同的，尤其是物理性能和化學性能不同的金屬的接觸面相互固牢并結合在一起，從而獲得的一種新型材料稱為雙金屬復合材料。這種雙金屬復合材料具有特殊的性能，不僅能夠適應各種惡劣的工作環境，而且能夠延長部件的使用壽命。它具有成本低、性能好、合理利用資源等特點，因此在工業領域，如：石油、造船、汽車、航空等中得到了廣泛的應用。由此可見，它的市場前景十分廣闊。

3 鑄造工藝對雙金屬復合材料性能影響的實驗

接下來本文主要就鑄造工藝對雙金屬復合材料的材質復合界面組織、耐磨性、綜合力學性能等方面的影響進行實驗和論述。以供參考。

3.1 實驗材料

本次實驗所需的材料主要有四種，分別是碳、硅、錳、鉻。其中碳是鋼中的主要元素，決定著鋼的基本組織。在實驗中，少量碳固溶于鐵素體，其余的均以滲碳體的形式而存在。而且要注重碳的含量，碳量過高或過低均會影響鋼的質量，當碳量過低時，鋼的淬硬性、耐磨性會較差；當碳量過高時，鋼的韌性就會降低。因此，要控制碳的含量，保持鋼的強度和硬度。硅在鋼中所起的作用是當貝氏體轉變過程中能夠強烈的抑制碳化物的析出，它在鋼中的形態是固溶體并存在于奧氏體和鐵素體中，通過使用硅能夠增加鋼的硬度和強度，降低鋼的塑性。錳在鑄造鋼時所起的作用也是不可替代的，它主要的功能是脫氧、中和硫的有害作用，從而防止鑄件產生熱烈缺陷。除此之外，錳具有降低鋼的AC3溫度和減緩奧氏體的分解速度的作用，與硅配合使用，還能有效的提高鋼的強度、硬度和韌度。但需要注意的是要將錳的含量控制在一定的范圍內，不可過高，避免出現鋼晶粒粗化，增加鋼的回火脆性敏感性的現象。

鉻是一種活性比較大的耐磨材料的元素，它既可以固溶于鐵素體中，又能與鋼中的碳組合形成多種碳化物。它的主要作用是促使鋼的淬透性得到提高，同時增加鋼的抗氧化能力和抗腐蝕能力。如果鉻在鋼中的含量較高也不需要過分擔心，它不會產生負面影響，雖然會在鋼中形成復雜型的碳化物， 如Cr23C6和Cr7C3但是它們會在鋼中彌散析出，從而起到沉淀強化作用。

3.2 實驗方法

3.2.1 具體方法。使用酸性坩堝熔煉實驗鋼，并采用65kg和150kg中頻感應電爐，將澆注溫度定為1550℃，濕砂型澆注后加工成10mm×10mm×55mm沖擊韌性試樣。主要對鋼的材質復合界面組織、耐磨性、綜合力學性能三方面進行分析和觀察。其中，采用的器具主要有ZBC-300B全自動金屬擺錘沖擊實驗機，負責沖擊韌性測試；HRC-150A硬度計負責硬度測試；MLD-10動載荷磨料磨損試驗機負責磨損試驗。最后采用奧林巴斯GX71倒置式金相顯微鏡進行組織分析，從而得出結論。

3.2.2 鑄造工藝。實驗時采用兩個澆注系統，分別澆入低碳鋼和高碳鋼，時間上要間隔15-80秒，而且需要注意的是澆入低碳鋼后，當鋼液已經趨近工藝要求的復合界面或已達到時，根據鑄件的大小才可以澆入高碳鋼。其中任選一組將激冷材料放置在兩種材質的連接部位，從而保證結晶界面與基體間存在一定的溫度梯度以及厚度，另一組則不需要添加激冷材料。

3.3 實驗結果

3.3.1 對復合界面組織的影響

通過圖片我們可以看出兩種金屬的結合狀態十分好，界面區域的寬度也很小。這是由于采用特殊的雙液雙金屬復合鑄造工藝，當低碳鋼結晶后才進行高碳鋼的澆筑，然后經過高溫鐵水的作用，致使低碳鋼能夠保存的很好，只是表面熔化很薄的一層，而且結合區復合界面的交界線處相互交錯，產生了熔融和相互滲透的現象，這是從圖片上清晰可見的，這就說明兩種材質的中間結合面實現了有效的冶金結合，而且復合界面并沒有發生沖混現象。

3.3.2 對耐磨性的影響。通過實驗，我們可以總結出：將實驗鋼材料和高錳鋼進行相同時間的磨損，發現前者的動載磨損失重量要明顯小于后者。這是由于實驗鋼以擠出和淺層剝落為主，無論是組織上還是綜合力學性能均高于高錳鋼，具有較強的抵抗石英砂磨粒的切削的能力，這就減少了磨損過程中表面金屬的剝落，呈現出較好的耐磨性能。

3.3.3 對力學性能的影響

此圖片為等溫淬火溫度試樣高碳鋼沖擊斷口的SEM照片，從圖片上我們可以看出斷口的形狀是扇形花樣，而且還有大量的撕裂棱以及大大小小的圓形或橢圓形的深韌窩，這就說明該材質的韌性是十分好的。

4 結束語

綜上所述，從實驗結果可以得出：鑄造工藝對雙金屬復合材料性能的影響是十分大的，采取特殊的鑄造工藝方法，不僅可以提高復合材料的組織界面的冶金結合狀態，而且還可以提高其耐磨性能和力學性能，從而提高產品工作的安全性。

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