第 2 章　液/半固态双金属铸造耐磨材料及研究方法

2.1　耐磨板常用材料及制备工艺

2.1.1　耐磨材料选取原则

重力铸造浇注条件下，金属液沿着浇注系统进入砂型型腔内的流动皆为紊流，同步产生较为强烈的冲刷作用。先浇入第一种金属液表面上出现轻微的氧化物及浇注钢液时内部形成的二次氧化夹杂，将随着后浇入的第二种金属液流的冲刷顺势上浮脱离两种金属液流接触区，液流间产生的熔合连接现象保证了两种金属间的大平面冶金结合。采用液/半固态双金属铸造技术制备复合耐磨材料时，先浇注的第一种金属作为基底材料，可以选用普通低碳钢或低碳合金钢等；后浇注的第二种金属作为耐磨层，可以选用高铬铸铁或合金钢等。实际生产中，可以根据工况需求，调整不同金属材料的化学成分，以提高金属复合材料应对复杂工况的适应性。

根据液/半固态双金属铸造复合材料的特点，如果选用的基底材料和耐磨层材料分别为低碳钢和高铬铸铁时，当低碳钢表面为半固态时，半固态区内上侧存在的液相，容易保证低碳钢与后浇注高铬铸铁液实现大平面冶金结合。在低碳钢实际凝固过程末期，上表面处于半固态区的宽度是重要参数。首先，低碳钢上侧半固态区较宽，较高温度的高铬铸铁可以提供足够的热量熔化低碳钢上表面，低碳钢表面局部被冲刷重熔，熔解进入高铬铸铁的质量较多，对最初设计的复合板尺寸及成分影响明显；其次，低碳钢半固态区较宽，当上表面与固态区重合，此时上表面已经形成的氧化层成为后续浇注高铬铸铁与低碳钢衔接的严重阻碍，即使浇注温度很高，使半固态层重新变为液相，氧化物最终也可能形成夹杂物留在两种金属间，恶化复合板的力学性能。

选用金属材料制备双金属铸造复合耐磨材料时，应具备以下特点：

① 基底材料化学成分与工作层化学成分应具有相容性，避免脆性相的出现，恶化复合板界面层力学性能，影响使用寿命；

② 选用的基底材料凝固过程以层状凝固为主，确保其凝固末期半固态区的存在，进而保证液/半固态双金属铸造复合工艺的顺利实现；

③ 基底材料与耐磨层材料间的膨胀系数不应存在较大差异，以防双金属铸造复合材料应力增加，避免基底材料与耐磨层材料之间出现裂纹；

④ 两种金属材料之间的熔点温度差控制在100～200℃之间为宜，避免较大的温度差导致浇注过程中出现混料现象。

根据液/半固态双金属铸造复合板的特点，所用基底材料和耐磨层材料的化学成分见表2-1。按化学成分范围中间值确定低碳钢和高铬铸铁的化学成分，选用铸造22⋕生铁、45⋕废钢、硅铁、铬铁、钼铁、锰铁进行配料计算。

2.1.2　熔炼设备及制备工艺流程

（1）熔炼设备及工艺过程

采用唐山丰润区华强电源配件厂生产的KGPS-800型20kg和50kg中频熔炼炉，分别熔炼低碳钢和高铬铸铁，如图2-1所示。在低碳钢液浇注之前，采用稀土硅铁进行孕育处理，同时放入少量铝丝脱氧。首先浇注低碳钢，当先浇入的低碳钢液态金属在一定的时间内达到所需要的凝固层厚度后，上表面处于半固态时开始浇入液态高铬铸铁。

重力铸造浇注条件下，液态高铬铸铁沿着浇注系统进入水玻璃砂型腔内的流动皆为紊流，这也直接导致高铬铸铁液浇注时产生了强烈的冲刷作用。在冷却介质的作用下，先浇入的低碳钢上表面处于半固态，后浇入的高铬铸铁液与低碳钢半固态层中液相瞬间结合，两种金属间产生的液相连接现象可以保证界面层区域的大平面冶金结合，同时低碳钢上表面临时出现的轻微的氧化物及浇注钢液偶尔携带的少量夹渣，伴随着高铬铸铁液流的冲刷顺势上浮脱离两种金属液流接触区，此种方法可以称为液/半固态双金属铸造复合工艺。

（2）温度场测试分析

实验测温设备型号为XJY-160智能巡检仪。利用北京钨钼材料厂生产的直径0.3mm的钨铼丝作为测温丝。WRe3作为正极，WRe25作为负极。为了防止测温时钨-铼热电偶丝熔断，需要在其外侧套上石英管进行保护，绝缘体使用外径3mm、内径0.8mm的石英陶瓷管，热电偶测温范围为0～2000℃。采用巡检仪测量记录液/半固态双金属铸造复合过程低碳钢的温度变化数据，测试装置如图2-2所示。

铸造复合结合区内，后浇注的高铬铸铁液的流动及重熔区的熔化状态难以观察，因此，只能通过温度场的变化对界面前沿的元素扩散及凝固行为进行间接分析。为了采集温度场变化的准确数据，可以利用巡检仪进行多点同步测量的功能。本实验通过巡检仪获取了浇注的低碳钢温降及凝固区域变化数据，同时也根据后浇注的高铬铸铁温度的上升和下降，全面记录重熔区出现到结束的整个过程的温度场变化数据。最后将采集的多点温度数据进行处理分析得到温度-时间曲线，从而为界面形成规律的研究提供了温度场变化的有效数据。

实验之前进行相关工艺设计时，采用双浇注系统分别浇注低碳钢和高铬铸铁，并将双金属复合界面置于分型面处。低碳钢和高铬铸铁的内浇道分别设置在下箱和上箱，这样不但可以有效控制低碳钢的浇注高度，而且能够缓解高铬铸铁液进入型腔的冲刷作用。根据实验测量温度场需要，将电偶丝插入到相应的位置（分型面附近重熔区范围），热电偶外端用补偿导线连接到巡检仪，实现对温度可视化的实时监控，如图2-3所示。

（3）凝固层厚度测量装置

低碳钢在冷却过程中，从下至上凝固厚度逐渐增厚，由于低碳钢上表面金属液相较少，甚至形成半固态，因此，采用传统的“倾倒法”测量凝固厚度是无法实现的。根据低碳钢凝固特点，设计了低碳钢凝固厚度测量装置，如图2-4所示。根据探杆置于低碳钢上表面深度的平均值，间接计算得到最终低碳钢凝固厚度值。