離心澆鑄復合機筒雙金屬層開裂原因

翁文淵, 吳偉峰, 王 挺, 田光儉

(海天塑機集團有限公司, 寧波 315000)

雙金屬復合材料能夠滿足單一材料無法實現的功能,廣泛應用于注塑機等領域。隨著現代工藝技術的不斷發展,制備雙金屬復合材料的手段也越來越豐富,如：離心澆鑄、重力鑄造、半連續鑄造、消失模鑄造、擠壓鑄造及激光熔覆工藝等,在運用這些工藝時經常會產生裂紋、疏松、結合層結合不良、氣孔等制造缺陷,導致雙金屬材料無法正常投入使用,嚴重影響生產的安全穩定,因此分析復合材料缺陷的產生原因至關重要。

雙金屬復合機筒用離心澆鑄工藝制造,其結合了基材和合金層的特性,離心澆鑄后合金層與基材結合良好,合金層致密,硬度符合要求。在對某雙金屬復合機筒內壁進行鏜孔后,發現機筒開裂(見圖1),其內孔直徑為60 mm,將其編號為試樣1。在使用雙金屬復合機筒的過程中,發現機筒注射端發生了漏料現象(見圖2),其內孔直徑為63 mm,將其編號為試樣2。筆者采用一系列理化檢驗方法對機筒開裂的原因進行分析,以避免該類問題再次發生。

圖1 開裂雙金屬復合機筒內壁宏觀形貌

圖2 漏料雙金屬復合機筒注射端宏觀形貌

1 理化檢驗

1.1 低倍組織檢驗

對試樣1和試樣2進行低倍組織檢驗,結果如圖3所示。由圖3可知：試樣1和試樣2的基體組織致密,冶金質量良好。

圖3 試樣1和試樣2的低倍組織檢驗結果

1.2 化學成分分析

分別在試樣1和試樣2的基體上取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。分別在試樣1和試樣2雙金屬層上取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表2所示。由表1,2可知：試樣1和試樣2基體的主要化學成分符合技術要求,試樣1和試樣2雙金屬層的主要化學成分與供應商的配方吻合。

表1 試樣1和試樣2基體的化學成分分析結果 %

表2 試樣1和試樣2雙金屬層的化學成分分析結果 %

1.3 金相檢驗

分別在試樣1和試樣2雙金屬層上取金相試樣,對試樣進行金相檢驗,結果如圖4,5所示。由圖4,5可知：試樣1和試樣2的開裂均起始于雙金屬層,雙金屬層組織熔合不良,表面及內部都有較為嚴重的疏松和縮孔缺陷。

圖4 試樣1雙金屬層微觀形貌

圖5 試樣2雙金屬層微觀形貌

2 工藝分析

雙金屬機筒離心澆鑄工藝流程為：機筒管內壁清理→混料→填料封堵→上機加熱→快速離心→降溫→慢速離心→出料鋸端面→機械加工等。雙金屬機筒離心澆鑄工藝的主要控制參數為合金粉末混料、合金粉末加熱溫度以及澆鑄轉速[1]。

2.1 合金粉末混料

在離心澆鑄前將合金粉末與硼砂按一定比例混合,目的是控制離心澆鑄的加熱溫度,混料起到助熔劑的作用,較輕的硼砂可以結合合金粉末中的雜質,將雜質帶到雙金屬層表面,并在加工時將其去除。粉末和硼砂的混合比例不當或硼砂有質量問題,會使金屬粉末的熔化溫度升高,導致金屬粉末中的雜質很難被去除,進而產生合金層結合不良、疏松、孔隙等缺陷,也可能會導致合金與基體結合不良。

對試樣1使用的硼砂和四硼酸鈉標準試樣進行紅外光譜分析,結果如圖6所示。由圖6可知：對試樣1使用硼砂與四硼酸鈉標準試樣紅外譜圖中的吸收峰無法對應,對試樣1使用硼砂的主要成分不符合四硼酸鈉標準。

圖6 對試樣1使用硼砂和四硼酸鈉標準試樣的紅外譜圖

對試樣2使用的硼砂進行紅外光譜分析,結果如圖7所示。由圖7可知：對試樣2使用的硼砂與四硼酸鈉標準試樣的吸收峰一致,可以判斷試樣2使用的硼砂正常。

圖7 試樣2使用硼砂的紅外譜圖

2.2 合金粉末加熱溫度

合金粉末加熱溫度設定是雙金屬層離心澆鑄的重要步驟之一,適合的溫度和保溫時間直接影響合金粉末熔化的程度,也與基體金屬的性能有關。過低的溫度和較短的加熱時間會使合金粉末無法充分熔化,導致合金粉末離心澆鑄時無法充分熔合,在凝固時產生疏松、縮孔、裂紋等缺陷。過高的加熱溫度不利于合金粉末的凝固,使冷卻速率變慢,材料易產生偏析缺陷,也會導致基體組織產生過熱、過燒等不可逆的缺陷[1-2]。將加熱溫度控制為1 160～1 200 ℃,保溫時間為70 min。對試樣1和試樣2的加熱過程進行核查,發現試樣2在雙金屬機筒加熱時有突發斷電的情況,導致雙金屬機筒加熱溫度不足,保溫時間較短,進而產生疏松缺陷。

2.3 離心澆鑄轉速

轉速是離心澆鑄的重要參數。過高的轉速會加大對設備精度的要求,以保證管內壁厚均勻一致;設備易產生振動以及較大的離心力,使凝固后的合金產生裂紋;合金層元素組成不同,導致偏析現象嚴重。過低的轉速不利于金屬粉末的凝固結合,易產生氣孔、疏松等缺陷。離心澆鑄轉速公式如式(1)所示[3-4]。

(1)

式中：n為離心轉速;R為鑄件內孔半徑;G為重力系數。

按照雙金屬機筒材料特性和澆鑄設備的性能要求,將G設定為20～60,試樣1,2的內孔半徑分別為3,3.15 cm,轉速為772～1 337 r/min,用于澆鑄的雙金屬均為同種鐵基粉末,其密度為7.85 g/cm2。選用G為30時,得到試樣1,2的離心轉速分別為945,923 r/min,符合轉速要求。

3 結論與建議

(1) 兩件雙金屬機筒尺寸相近,制作時間不同,試樣1開裂發生在離心冷卻后,試樣2開裂發生在使用一段時間后,試樣1,2的合金層均存在大量疏松缺陷。

(2) 對試樣1,2的各工藝環節進行了溯源,發現試樣1使用的硼砂質量不滿足要求,試樣2的加熱保溫時間不足。

(3) 試樣1開裂的原因為前期合金粉末混料中硼砂質量較差,不能起到助熔和浮渣的作用,導致合金層在離心澆鑄時發生開裂。試樣2開裂的原因是澆鑄過程中離心溫度較低,導致合金層融合質量較差,合金層內部存在大量疏松缺陷,在壓力作用下,試樣2發生開裂現象。

(4) 對試樣1更換質量合格的硼砂,得到了較為致密的雙金屬層,后續未再次出現開裂現象。對試樣2加強監測,控制加熱保溫設備,后續也未出現上述開裂現象。