1.3　双金属复合材料制备技术

1.3.1　固-固复合法

（1）机械复合法

机械复合法不属于真正意义的双金属复合材料制备技术，主要是根据应用需要对金属材料进行的可拆卸连接或不可拆卸连接，如局部的焊接、铆接等，具有着一定的复合材料的应用特点。

（2）焊接复合法

① 熔焊法　采用焊接工艺将耐磨材料焊接在锤头易磨损部位，从而保证零部件的使用寿命，既可以发挥材料的耐磨性，又可以降低材料的成本。郭长庆[28]等研制的焊接复合锤头与高锰钢锤头相比，其寿命可以提高1.5倍左右。焊接工艺的难点在于两种材料的焊接，因材料的不同就需要摸索合理的工艺参数，因此焊接质量难以控制，应用中会出现硬质合金脱落现象，应用范围受到限制。但通过焊接方法将异种金属连接在一起，为金属耐磨复合材料的制备提供了新思路[29]，并在某些产品中的应用取得了较大进展[30]。

② 钎焊法　采煤机截齿柄主要采用锻造工艺制备，用以改善齿柄的强度，同时利用钎焊工艺，将高硬度的硬质合金焊接在齿柄上。该种工艺的关键问题在于控制钎焊工艺参数，保证钎焊过程焊料的均匀性，防止硬质合金发生脱落[31，32]。

1.3.2　液-固复合法

液-固复合法[33～35]预先在铸型内要求耐磨的部位放置耐磨材料或硬质合金块，然后浇注高温金属液，预制块表面将发生少量重熔，合金元素在重熔区域相互扩散。当该区域降温凝固后，在界面处可以观察到明显的结合层，从而实现两种金属熔焊连接，常见工艺如下。

（1）铸渗法

铸渗法是将高温金属浇注到预制的合金粉末坯料块周围，坯料块内的合金元素在高温作用下，利用扩散作用渗透到后浇入的金属铸件表面，形成铸件表面合金化[36]。通常合金层的厚度大约为10mm，该种方法简便，易操作，节约材料。铸渗技术应用范围较广，主要集中在黑色金属方面。近年来，铸渗法在有色金属方面的应用也逐渐增多，铜合金和镁合金都有着相关的研究[37]。目前主要存在的问题是铸渗厚度还不理想，分布也不均匀，合金元素的渗透能力还有待改善。

（2）镶铸复合法

镶铸复合法是将熔融高温金属液浇注在预制的硬质合金外表面，冷却凝固后实现两种金属复合的一种工艺方法[38]。影响镶铸复合工艺因素较多，如基体材料的浇注温度、硬质合金镶块的几何形状和质量、基体材料和硬质合金镶块的质量比、镶铸面的位置和形状、铸型和浇注系统的散热面积及导热性能等。实际生产中往往可以根据复合需求，对特定材质的预制硬质合金块经过试验摸索总结出相应的浇注温度、浇注金属和硬质合金的质量比的定量关系，从而得出相应的工艺参数关系。因此，除钢结硬质合金的质量比外，其他因素基本视为不变，可以把基体材料和硬质合金镶块的质量比、浇注温度确定为试验研究基本工艺参数。

① 镶块复合法　利用高温金属液的热作用，将事先固定在铸型锤端部位的一定形状耐磨合金块和基体紧密结合起来。通常镶块的数量和体积受到铸件的形状影响，使用过程中容易出现耐磨合金块的脱落。镶块复合法如图1-1所示[39]。

② 消失模感应加热法　图1-2为锤头生产的铸造工艺[40]。浇注系统的直浇道、冒口颈和冒口使用木模直接造型，而内浇道和浇口窝则采用泡沫塑料造型。为保证锤柄表面与耐磨金属液的良好结合，锤柄表面经过打磨处理后，需要涂上保护剂。在进行复合工艺前，需将砂型置于感应线圈内，然后放置装配好的锤柄及锤端消失模，开始利用感应线圈加热，消失模汽化消失。锤柄温度达到要求后，保持感应线圈加热，开始浇入锤端金属液，金属液完成型腔内浇注后停止感应线圈加热，浇注过程持续到冒口充满为止。

③ 连续铸造法　连续铸造法是制备复层材料的主要方法，研究热点主要集中在铝合金复层材料的制备[41～43]，在熔点较高的钢铁金属上的应用还有待深入研究。根据研究方法和制备手段，通常可以分为连续浇注复合法、双流浇注法、双结晶器连铸法及电磁制动法等。

复合轧辊制备工艺示意如图1-3所示。首先将辊芯放置在结晶器内，然后在结晶器和辊芯之间注入包覆层金属液，确保两种金属之间发生熔合。利用牵引设备将凝固的部分持续拉动，该方法能够生产铸造复合轧辊[44]。吴春京[45]等研究了生产复合轧辊过程中出现的牵引不出、钢液泄漏、结合界面熔合过度情况下的工艺条件，在此基础上开发出相应的辅助设计工业系统，有利于指导复合轧辊连续铸造法的实际生产。连续浇注复合铸造法具有生产复合轧辊成本低，操作工艺简单，轧辊包覆层和芯层的材料可选择性大的优点[46]。该工艺的缺点是内层需事先处理，如果处理效果欠佳，或处理后不立刻铸造，则不易制备出结合良好的轧辊。

目前，液-固复合铸造工艺相对较为简单，生产过程中不受铸件形状影响，但液-固复合铸造工艺并不完善，容易在铸造过程中出现一些问题[47]。例如，液-固复合层易出现夹渣、气孔等缺陷；由于金属液体不能带入足够的热量来熔化固体，使得复合层不能完全实现冶金结合；液-固包覆层内表面容易产生裂纹，导致锤头在实际工况条件下出现断裂或锤端的脱落。液-固复合法的关键是工艺参数的设计依据没有明确给出，没有相关的工艺设计准则参考，生产中主要凭经验进行硬质合金形状、尺寸的设计，虽然操作简便，但铸件产品质量可控性差，针对相应的复合工艺设计原则，有待深入研究[48]。

（3）包覆铸造复合法

包覆铸造复合法是一种较为常见的固-液复合工艺，其原理大体与镶铸法相似，主要区别在于后浇注的金属液与先浇注的金属液质量比的大小，因此，两种金属间的结合状态存在着一定的差异性。首先将锤柄制备成预制件，然后将高温的抗磨金属液浇注到型腔中，实现抗磨金属对锤柄的包覆。通过该种工艺制备得到的锤头，其结构主要由锤柄和锤端组成，由于浇注过程中各部分状态不同，属于固-液复合。采用包覆铸造复合法制备锤头时，为了加强锤端与锤柄的结合强度，可以预先将锤柄加工出一定的外形，便于抗磨金属牢牢地固定在锤柄上，提高锤头的使用寿命，如图1-4所示。包覆铸造复合法操作性较强，实际获得的锤头产品结合质量相对较好[49]。

① 预置锤柄法　通过浇入高温的耐磨金属液将事先预置在锤头铸型型腔内的碳钢包覆起来。芯部的碳钢通常采用镂空结构，可实现冶金和机械的双重结合。预置锤柄包覆式锤头结构如图1-5所示[50]。

② 预置锤端法　通过浇注高温液态锤柄金属，可以将事先放置在锤头铸型型腔内的起破碎作用的锤端耐磨合金连接，这种工艺可实现机械和冶金的双重结合。为了增加结合的锤端和锤柄的可靠程度，连接部位通常被设计成燕尾结构。预置锤端法复合工艺，通常被包覆部分体积大，包覆金属液的体积相对较小，导致包覆金属液提供的热量难以熔合被包覆金属表面。当锤头在工件服役过程中，容易在未熔合区域产生裂纹，最终导致锤头端耐磨金属完全断裂、崩落。因此，为了提高锤端与锤柄的结合强度，除了预先将锤柄加工出一定形状外，应该主要以提高金属间的熔合能力为主。通过增大熔合面积，可以有效提高锤柄与锤端的界面结合力，确保

锤头应用过程的稳定性。在实际工艺操作中，可以采用过流冲刷的方法增大熔合面积，从而提高锤头的服役寿命。

1.3.3　液-液复合法

液-液复合法是将化学成分和力学性能不同的液态金属，先后浇注到同一个铸型中，界面上实现冶金结合的一种复合材料制备工艺，其工艺设计示意如图1-6所示[51]。对铸钢-白口铸铁进行大量复合实验表明，首先浇注的铸钢浇注一定时间后逐渐凝固，铸钢凝固完毕时开始浇注白口铸铁。处于高温的铸钢表面在高铬铸铁液的冲刷作用下，其上侧重新熔化一薄层金属，从而使得铸钢与白口铸铁之间实现结合。复合过程中白口铸铁保持着液相，在一定程度上可以避免低碳钢与高铬铸铁的氧化。孙家仲等[52]在液-液复合法的基础上，成功制备了双金属斗齿，根据复合过程中出现的相关问题，进行了详细的工艺分析。通过对出现的问题进行分析，为液-液双金属工艺的应用与推广提供了依据。液-液复合法主要有以下几种方法。

（1）定量浇注法

铸造复合过程中很难控制浇注的金属液质量，在型腔内开设溢流槽，可以将多余的金属液引入溢流槽内，然后开始浇注第二种金属液。第二种金属液浇注开始时间应根据先浇入型腔内的金属降温至固相线附近为准。横浇道选择开在与溢流口同一水平位置的原因在于不仅保证了第二种金属液的平稳充型，而且避免了与第一层金属液的混合。定量浇注的工艺简图如图1-7[53]所示。采用定量浇注法制备的锤头结合牢固，锤头在服役期间不易出现崩碎和脱落现象，但该工艺在操作过程中需要配合相关的测温设备，用来指导批量生产时的第二种金属液的开始时间，复合工艺的操作性还有待改进。

（2）隔板法

为了避免液-液成型过程中不同的金属液间混料，便于控制金属液的浇注速度与浇注时间，可以在不同的金属液间预先采用隔板隔离。因此，铸造复合过程中，采用隔板作为辅助手段，提高复合工艺成品率。

① 成型隔板法　为避免液-液成型过程中发生混料而采用的燕尾形隔板，如图1-8[54]所示。成型隔板厚度是重要的工艺参数，控制好隔板厚度才能防止被熔穿，避免隔板失去两种金属液间的隔离作用。将隔板设计成一定形状，主要是考虑到隔板两侧金属液提供的热量不足，难以使金属液与隔板表面熔合，金属凝固后将与隔板产生未结合区域，从而影响结合强度，但由于隔板设计成一定形状，两种金属液凝固后形成机械嵌入结构，也可维持两种金属的连接关系，而且能够保持一定的连接强度。该种工艺的控制相对较难，很难把握金属液浇注温度与隔板对温度适应的工艺参数关系，而工艺因素都会直接影响到金属液对隔板的热作用，从而影响结合效果。

② 直隔板法　直隔板法是在两种金属液浇注之前，在型腔内放置中间隔板，然后同步将制备复合球磨机衬板所需的高铬铸铁和低碳钢浇注到型腔中，中间隔板在两种金属液间起到隔离作用，并且在金属液的热作用下表面发生重熔，冷却后与两种金属完全地结合在一起，最终得到高耐磨性的高铬铸铁/碳素钢复合板衬板，如图1-9所示[55]。采用直隔板法制备双金属复合材料，应严格控制高铬铸铁液和碳素钢液面上升高度，保持液面同步上升，最终确保高铬铸铁、隔板、碳素钢彼此熔合，形成良好的冶金结合层。

③ 平做立浇法　液-液复合法浇注的金属液依靠自身重力液面呈现水平状态，对于一些表面具有一定形状且铸件本身具有一定弧度的耐磨零部件，液-液复合法的应用受到了制约。为了解决耐磨铸件自身形状带来的复合工艺问题，对于形状较为简单的曲面衬板，可以采用平做立浇法解决，具体浇注方式如图1-10所示[56]。预先将具有一定形状的隔板置于铸型内，通过隔板隔离浇注的高铬铸铁液和碳钢液。隔板放入型腔前需要进行表面处理，放置的准确位置和厚度需要根据衬板的质量确定。采用平做立浇法的浇注过程与隔板法类似，要严格控制隔板两侧的金属液浇注速度，保持液面同步平稳上升，防止隔板受力失衡而发生变形，引起双金属复合衬板厚度不均，甚至混料的现象发生。

双金属复合层立浇的优越性在于浇注时的自动浮渣过程。其优点是，铸造复合工艺设计合理，可以有效地避免高铬铸铁和低碳钢冷隔现象的出现，复合铸件冶金结合质量好，铸件内部不会出现缩孔及缩松，碳钢和高铬铸铁与隔板之间不会产生气孔及氧化夹杂；缺点是：复合过程中碳钢液和高铬铸铁液不断对隔板冲刷。因此，需要准确控制金属液浇注速度，同时由于需要采用双浇注系统，对砂型制备工艺要求较高[57]。

（3）双液浇注-变换铸型复合法

双液浇注-变换铸型复合法的工艺如图1-11所示[58]。为了改善复合工艺条件，颚板耐磨层的高铬铸铁设计成双侧外形结构，双液浇注-变换铸型复合法针对这一结构，可以有效提高高铬铸铁与低碳钢的结合性能。双液浇注-变换铸型复合法工艺操作过程是在下箱为砂型和上箱为金属型的型腔内浇注高铬铸铁液，如图1-11（a）所示。待高铬铸铁完全凝固后，将高铬铸铁上侧金属型移走，此时高铬铸铁上表面呈现一定形状，然后将预备好的砂型上箱与高铬铸铁所在的下箱合箱，接着在新形成的型腔内浇注低碳钢液，如图1-11（b）所示。高铬铸铁表面与低碳钢液接触后重新熔化形成冶金结合。将凝固后的复合铸件进行清理，也可以采用热处理进一步提高力学性能。

（4）三次浇注法

李继文[59]等提出利用液-液复合工艺，采用三次浇注的方法制备三层结构的复合板锤。高铬铸铁耐磨层位于板锤两侧，低合金钢则位于中间层。在无箱组芯造型基础上，分三次浇注金属液实现铸造复合板的制备。利用该种方法制备的复合板锤具有较高的冲击韧性，同时可以有效节约1/3耐磨材料，生产成本相对较低，相关复合工艺示意如图1-12所示。

采用上述方法需要分三次浇注金属液制备板锤，在控制浇注速度的同时，要严格控制三种金属液的浇注速度与浇注时间。首先浇注高铬铸铁，然后浇注低碳钢，由于高铬铸铁熔点相对较低，要求高铬铸铁凝固一定时间后再开始浇注熔点较高的低碳钢，利于高铬铸铁与低碳钢之间产生较大的温度梯度，避免两种金属间发生混料，利于产生顺序凝固，防止结合层铸造缺陷的产生。在制备板锤的过程中，高铬铸铁液可以配合保护剂一起使用，保护剂的密度小，熔点也较低。当保护剂随液流进入型腔后，保护剂漂浮在高铬铸铁液上表面产生保护层，防止高铬铸铁表面发生氧化，利于后浇注的合金钢与高铬铸铁的冶金结合。

（5）消失模复合铸造法

实际生产中制备衬板主要采用砂型工艺，生产的衬板精度较差和表面粗糙，工作面的高铬铸铁也难于加工，因此设计衬板复合工艺参数时要综合考虑诸多因素，设计要求相对较高。如果采用消失模铸造工艺生产衬板，利用泡沫汽化产生的还原气氛，可以显著降低先浇注进入型腔金属液的氧化速度，结合层的微观组织也可以在具有负压的型腔内得到细化。衬板实物如图1-13（a）所示。铸造复合工艺如图1-13（b）所示[60]。利用消失模汽化产生负压的原理进行吸铸复合工艺，如图1-14[61]所示。将钢结构用稀盐酸清洗烘干后，放置在制得的EPS模样中，钢结构材质为Q235A，呈箱形结构且一端开口，先浇注高铬铸铁液，后浇注的高锰钢不可以熔穿箱体。消失模铸造法为制备复合锤头提供了一种新思路，该方法制备的高锰钢锤头寿命提高约3倍以上。

（6）离心铸造法

双金属复合轧辊和复合管主要采用离心铸造法进行生产[62，63]，其中辊筒的具体铸造工艺流程如图1-15所示。先将耐磨金属液浇注离心筒内，金属液在离心筒壁的旋转离心作用下，均匀分布在筒壁内表面。当金属液在散热过程中逐渐接近凝固状态时，将高温的内层金属液注入离心机筒内，外层金属液在内层金属液的冲刷及热作用下，两种金属界面间容易产生元素扩散，从而实现不同金属间的冶金结合。离心铸造的缺点是工艺过程烦琐，浇注时内层金属液对外层有冲刷作用，且制备的复层管或轧辊的界面易产生一些铸造缺陷。

液-液复合法具有两种或多种金属先后连续浇注的优点，保证第一种金属处于固相线附近的高温时与后浇入的第二种高温金属液实现较大平面的冶金结合。该方法根据重力铸造的工艺特点，充分利用多种金属高温及重熔特性，实现大面积平面复合[64]。如果较好地控制相关工艺，界面冶金结合效果明显优于其他复合方法[65]，且比液/固镶铸、焊接、机械组合等复合方法有着明显的生产成本低、设备简单等优势。