液/半固態雙金屬鑄造復合工藝準則研究

朱永長，楊涵崧，宋春梅，夏春艷，榮守范，賈克明，呂 鵬，葉 丹

（佳木斯大學材料科學與工程學院，黑龍江 佳木斯 154007）

雙金屬復合材料至少是兩種材料間的復合，既要考慮到耐磨材料的高硬度和一定程度的抗沖擊韌性，又要顧及到基體材料具有適當硬度和較好的斷裂韌度[1-3]。在工作面和基體材料同步工藝處理后需要給出二者工藝相容性的定量評價[4，5]。雙金屬復合材料內存在著化學成分、熱脹系數差異等特征，可以采用熱膨脹系數差綜合表征材料內部的差異性。在復合鑄造產品中表現的熱脹系數差越大，相應的產品出現的開裂現象越嚴重[6，7]。現有研究表明，不同的金屬材料在材質相容性上已形成一定的材質匹配模式。通常使用韌性好的低碳鋼、中碳鋼或低合金鋼充當基體材料；工作端則選用硬度較高和抗磨性較好的高鉻鑄鐵、硬質合金、髙硼鑄鐵和高錳鋼等[8，9]。鑄造復合法制備方法較多，根據復合前金屬材料的初始物理狀態具體分為：固-液復合和液-液復合材料技術[10-12]。隨著雙金屬復合鑄造工藝的發展及材料性能的提升，拓展了雙金屬復合零部件的應用空間，在礦山機械中的應用較為常見，主要有各式破碎機用邊護板、襯板、反擊板、顎板等抗磨零部件，鑄造復合工藝在各類耐磨產品上的應用越加廣泛[13-15]。

雙金屬復合材料制備方法是建立在兩種或多種金屬材料能夠實現復合的基礎之上，材料之間的結合性能和發揮不同部位應用功能是復合材料設計成功的關鍵，具體應用與研究涉及到不同材料制備金屬復合材料時的相容性關系[16，17]。因此，復合準則的提出對于指導應用研究與生產實踐尤為重要，本文在傳統雙液雙金屬復合工藝基礎上，提出了液/半固態雙金屬鑄造復合工藝準則，為雙液鑄造復合材料設計提供了理論指導和設計依據。

1 雙金屬復合工藝分析

界面結合層厚度、組織結構、元素分布狀態等都會對產品的使用壽命產生影響，因此，在確定復合工藝時需要根據實際使用經驗和相關文獻闡述來論證分析，哪些因素是影響復合金屬材料使用壽命的關鍵因素，并且要知道哪些因素對使用性能或力學性能產生了直接的或間接的影響，以保證研究角度切入的準確性和有效性。

1.1 研究對象的確立

按照鑄造工藝學鑄件類型定義，寬厚比a/b≥6為桿狀件，寬厚比a/b<6 為板狀件，結合常用耐磨鑄件結構特征可以分類如下。

（1）第一類鑄件：大平板類鑄件，如襯板，如圖1所示。

凝固時第一種金屬上側金屬層存在三種狀態（此時鑄件較薄，水平方向溫度分布相對較為均勻）：

1）完全液態

此種情況下，易發生沖混、混料現象，因此不作為建模選定標準。

2）固液混合態

此種情況下，固態金屬組織骨架與液體金屬并存，澆注時，可能存在重熔及少量混料現象，但是在澆注第二種金屬液時，提前澆入的第一種金屬已處于固相，便于根據物理狀態進行判斷第二種金屬澆注時間點。

3）完全固態

此種情況下，在發生重熔的前提下，混料可能性相對最低，雖然不容易判斷第二種金屬液澆注時間點，但是較為理想的建模選定標準。

（2）第二類鑄件：長方體類鑄件，如錘頭（存在兩種情況）；凝固時第一種金屬上側金屬層也存在三種狀態（此時鑄件較后，水平方向溫度分布相不均勻）：

1）完全液態

此種情況下，鑄件中間區域與兩側相比較散熱較慢，溫度場水平方向差異較大，中間區域液相量較多，比較容易發生沖混、混料現象，因此不作為研究或建立溫度場模型選定標準。

2）固液混合態

此種情況下，固態金屬組織骨架與液體金屬并存，但水平方向兩側散熱較快，可能已處于固相，如圖2 所示。當澆注第二種金屬液時，存在水平方向兩側重熔及中間區域少量混料現象，不容易根據物理狀態判斷第二種金屬澆注時間點。

圖2 錘頭鑄件的固液混合態凝固行為示意圖

3）完全固態

此種情況下，在發生重熔的前提下，混料可能性相對最低，但溫度場分布不均勻，也容易在內部形成縮孔縮松等缺陷，如圖3 所示。從而降低鑄件質量，影響使用壽命，不適合建立溫度場研究模型。

圖3 錘頭鑄件的完全固態凝固行為示意圖

（3）研究對象的最后確立

1）根據實際生產中反饋回的信息，平板類鑄件雙金屬復合難度較大，同時結合無限大平板的非穩態導熱理論分析，擬定以襯板為主要研究對象，這樣可以簡化研究對象，將其抽象成平板類鑄件，為研究的可行性提供保證；

2）便于利用無限大平面傳熱學原理，建立溫度場模型，將澆注溫度，時間間隔，澆注速度等參數納入溫度場研究體系。

1.2 溫度場模型建立與分析

液/半固態雙金屬鑄造復合工藝中，先澆注的第一種金屬液為低碳鋼，第二種金屬液為高鉻鑄鐵，相關工藝參數設計如下。

（1）鑄件關鍵參數

第一種金屬液澆注溫度T1（固定值：1 550 ℃）；第二種金屬液澆注溫度T2（變量）；兩種金屬澆注時間間隔Δt（變量）；

計算結合層的理論厚度（建立起利用上述相關參數與結合層厚度的關系式的模型）。

（2）假設條件：

1）第一種金屬液進入型腔后形成的凝固曲面為水平態；

2）在第二種金屬液澆注前，第一種金屬液面層處可能處于三種狀態：a）完全固態S，具有較高的初始溫度T1＜1 148 ℃（可能低于過冷溫度）；b）固液混合態或稱為半凝固態S+L，初始溫度為T1≤1 148 ℃（可能等于或低于于過冷溫度）；c）完全處于液態L，初始溫度為T1＞1 148 ℃（可能高于過冷溫度）；

3）第二種金屬液澆注時為瞬時充滿，無紊流狀態，也無層流狀態。

（3）建模參照標準

1）選擇完全凝固態為建模標準；

2）選擇第一種金屬凝固層上方中心為計算點，計算一維傳熱問題；

3）臨界值溫度以第一種金屬凝固層上方中心剛完全凝固完畢，在獲得第二重金屬液提供足夠熱量開始重熔為準。

4）建模完成后，對于實際鑄件第一種金屬邊角處在相對較低溫前提下，是否能夠獲得足夠熱量重熔應給予驗證，實現冶金結合；因為此部位先凝固而且降溫相對中心部位臨界凝固溫差較大。

5）平板類鑄件較薄，這樣形成的溫度場曲線較為平直差異較小，便于界定界面。可能出現情況如圖4 所示。

圖4 平板類鑄件雙液金屬復合材料復合層可能出現的情況

2 液/半固態雙金屬板制備及分析

2.1 材質的確定

因目前生產應用中，傳統雙液金屬復合主體都在鋼/鋼之間或鋼/耐磨鑄鐵之間，依據目前應用最廣的低碳合金鋼/高鉻鑄鐵復合材料，液/半固態雙金屬鑄造復合板在選擇研究體系時，確立單側為低碳鋼（不加合金，且設為定量）/高鉻鑄鐵（分別調整碳、鉻含量，分別設定為變量）為主體研究材料，具體成分如表1 所示。

表1 高鉻鑄鐵和低碳鋼的化學成分（質量分數，%)

2.2 試驗設備及制備工藝

采用唐山豐潤區華強電源配件廠生產的KGPS-800 型20 kg 和50 kg 中頻熔煉爐，分別熔煉低碳鋼和高鉻鑄鐵。采用稀土硅鐵進行孕育處理，同時放入少量鋁絲脫氧。液/半固態雙金屬鑄造復合工藝中，因為低碳鋼熔點較高，澆注溫度較高，所以先澆注低碳鋼。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，如圖5 所示。首先從澆口杯Ⅰ澆注低碳鋼，低碳鋼液在鑄型型腔底部放置的冷卻介質激冷作用下，實現自下而上的逐層凝固。低碳鋼凝固末期，在冒口處采用紅外線測溫槍進行溫度測定，判斷上表面溫度在凝固點附近時，然后從澆口杯Ⅱ澆注高鉻鑄鐵。當高鉻鑄鐵液與低碳鋼半固態區內的液相接觸后，實現低碳鋼和高鉻鑄鐵的完全結合。

圖5 液/半固態雙金屬鑄造復合板工藝示意圖

2.3 雙金屬板及界面層微觀組織

采用液/半固態雙金屬鑄造復合工藝制備的低碳鋼/高鉻鑄鐵復合板，完全實現了冶金結合，界面層清晰平直，未見夾雜、氣孔等缺陷，如圖6 a)所示。在雙金屬復合板的界面層，低碳鋼和高鉻鑄鐵之間，由于基材C、Cr 和Fe 元素含量相差較大，為元素的擴散提供了動力學條件，對界面層及其附近區域進行分析，如圖6b）所示。從低碳鋼至高鉻鑄鐵依次可以分為：低碳鋼→珠光體過渡層→復合層→高鉻鑄鐵過渡層→高鉻鑄鐵[18]。低碳鋼主要為α-Fe 和P 組成。高鉻鑄鐵主要是優先生長的先共晶（Fe，Cr）7C3組織，其棒狀的六棱柱形斷面存在內腔，內部為奧氏體，高鉻鑄鐵凝固末期發生共晶轉變形成γ-Fe+（Fe，Cr）7C3共晶組織。界面層上清晰的看到由低碳鋼過渡層，界面層和高鉻鑄鐵過渡層組成。根據上述分析低碳鋼側至高鉻鑄鐵側顯微組織可以詳細分為：低碳鋼（α-Fe+P）→低碳鋼過渡層（P）→復合層（γ-Fe+Cr7C3）→高鉻鑄鐵過渡層（樹枝狀先共晶奧氏體（γ-Fe）+共晶組織（γ-Fe+（Fe，Cr）7C3））→高鉻鑄鐵（先共晶碳化物（（Fe，Cr）7C3）+共晶組織（γ-Fe+（Fe，Cr）7C3））.

圖6 低碳鋼/高鉻鑄鐵鑄造復合板及界面層微觀組織

3 液/半固態鑄造復合工藝準則

通過試驗分析，當第一種基底金屬上表面為半固態時，半固態區內的上側存在的液相容易保證基底金屬與后澆注的第二種耐磨層金屬實現大平面冶金結合，充分證明了液/半固態雙金屬鑄造復合工藝的可靠性和實用性。基于以上試驗及分析，鑄型底部采用冷卻介質，在基底金屬的縱向形成較大的溫度梯度，可控制兩種金屬間混料量的同時，便于氧化夾雜的去除，保證液-半固態鑄造復合耐磨板界面層的冶金結合質量。因此，初步提出了液-半固態鑄造耐磨薄板的復合工藝準則；

（1）基底金屬凝固溫度范圍較窄，凝固過程以層狀凝固為主；

（2）基底金屬的化學成分與耐磨層金屬化學成分應具有相容性，合金元素的微量混入及擴散不會惡化金屬間的組織結構和力學性能；

（3）對于基底金屬，鑄型型腔底部必須采用激冷材料，保證基底金屬縱向斷面具有較大的溫度梯度，使金屬液從下至上實現逐層凝固，縮小半固態區寬度，防止過度混料的出現；

（4）基底金屬從底部向上凝固的過程中應具有較快的凝固速度，便于消除先澆注的基底金屬邊緣過早凝固，保證水平方向溫度場分布均勻，利于液-半固態鑄造復合工藝的應用；

（5）基底金屬應控制在一定厚度范圍內。如果基底金屬自下至上凝固時間過長，半固態區上表面形成凝固殼層，凝固殼層在澆入的高鉻鑄鐵沖刷下上浮或停留在高鉻鑄鐵內，凝固后獲得的鑄造復合板易產生分層結構和嚴重的成分不均勻，降低復合板的使用壽命。

4 結論

（1）在液/半固態雙金屬鑄造復合工藝基礎上，對低碳鋼/高鉻鑄鐵雙金屬鑄造復合工藝進行了系統性分析；

（2）液/半固態雙金屬鑄造復合工藝不但可以實現兩種材質大面積平面冶金復合，又能有效避免因表面完全凝固后出現氧化夾雜難于去除的技術瓶頸；

（3）在液/半固態雙金屬鑄造復合工藝基礎上，給出了相應的鑄造復合工藝準則。