雙金屬材料學(xué)習(xí)總結(jié)

1、雙金屬材料雙金屬材料學(xué)習(xí)記錄學(xué)習(xí)記錄張坤一、國內(nèi)外雙金屬復(fù)合鑄造工藝的發(fā)展及應(yīng)用 1、目前國內(nèi)外對雙金屬復(fù)合的研究在逐年增多，雙金屬制造的錘頭、領(lǐng)板、斗齒等耐磨件己經(jīng)得到很好的應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)省了大量的材料。雙金屬層狀板復(fù)合材料，雙金屬復(fù)合的套、管、輥類機(jī)械零件等也得到很大研究并有了很好的生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用。具體應(yīng)用如下： 雙金屬復(fù)合軋輥 復(fù)合軋輥通過液液結(jié)合的方式，采用離心復(fù)合鑄造的方法制備試樣。雙金屬復(fù)合軋輥的出現(xiàn)，相對于冷硬鑄鐵軋輥，磨損量降低，壽命大大提高，減少了經(jīng)常更換軋槽和軋輥，節(jié)約了時間，多軋鋼且提高了軋鋼的精度。 雙金屬復(fù)合管件 目前雙金屬復(fù)合管主要采用離心鑄造法，將

2、固體外套和液體金屬在離心條件下復(fù)合成型。通過冶金一離心鑄造一熱處理等工藝，套筒通過組織逐漸變化的過渡層而結(jié)合為一個整體，大大提高耐磨性能。 耐磨件方面 錘頭、襯板、斗齒等作為礦山、冶金、建材等行業(yè)的耐磨常用零部件，己發(fā)展成一個獨(dú)立的分支。目前，其制造方法己經(jīng)開始采用雙金屬復(fù)合鑄造的方法，效果相對于單一金屬材料耐磨性能均提高幾倍。 2、國外對雙金屬復(fù)合鑄造工藝也進(jìn)行了廣泛的研究，一些發(fā)達(dá)國家對此更是做了很廣泛的研究。1995年日本的株式會社利肯本田技研工業(yè)株式會社就獲得了鑲鑄工藝方法的專利。在實(shí)施鑲鑄工藝方法中，將鑲鑄嵌入構(gòu)件放入鑄模的鑄件成型腔內(nèi)，然后進(jìn)行鑄造。鑲鑄嵌入構(gòu)件在其非附著面上有一個

3、阻擋層以阻止熔化金屬在其上面附著。在鑄造過程中，部分熔化金屬導(dǎo)入位于阻擋層一側(cè)的加熱室中與阻擋層接觸。這樣，不僅能從鑲鑄嵌入構(gòu)件的附著面一側(cè)而且也能從它的非附著面一側(cè)加熱該鑲鑄嵌入構(gòu)件，減少了鑲鑄嵌入構(gòu)件對金屬液的激冷作用，從而提高了鑲鑄構(gòu)件的界面結(jié)合。歐美國家以德國為代表，自70年代以來一直對雙金屬復(fù)合軋輥進(jìn)行研究，外層工作面采用高鉻鑄鐵芯材用鑄鋼。而我國在85年也開始湘鋼線材軋機(jī)精軋段成品機(jī)架的中軋輥的研究。近年來國內(nèi)對雙金屬耐磨材料的研究進(jìn)入一個高潮，各種鑄造工藝也逐漸接近成熟，帶來了很大的經(jīng)濟(jì)效益。由此可見，雙金屬復(fù)合工藝己經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到良好的發(fā)展。二、雙金屬復(fù)合鋼管如何分類 雙金

4、屬復(fù)合管按兩復(fù)合界面復(fù)合類型分： 冶金復(fù)合管、擴(kuò)散復(fù)合管、機(jī)械復(fù)合管 雙金屬復(fù)合管按兩復(fù)合材料分： 鐵與鋼、鋼與鋼、鋼與銅、鋼與鈦 雙金屬復(fù)合管按兩復(fù)合位置分： 內(nèi)襯復(fù)合管、外襯復(fù)復(fù)合管 雙金屬復(fù)合管按兩復(fù)合方法分： 冷復(fù)合管、溫復(fù)合管、熱復(fù)合管冶金復(fù)合雙金屬管成型工藝簡介： 對于強(qiáng)腐蝕、高磨損、高工作壓力環(huán)境下使用的流體管道，通常采用高品質(zhì)的不銹鋼或高合金含量的無縫鋼管，這類管材由于大量添加貴金屬，其價(jià)格是一般普通無縫鋼管的幾倍或幾十倍。多年來，管材用戶和生產(chǎn)商一直在努力尋求通過不同金屬的復(fù)合，從而獲得一種既能滿足苛刻的使用環(huán)境，又價(jià)廉物美的高性能復(fù)合管材。目前，國內(nèi)雖有這種雙金屬復(fù)合管面市

5、，但由于成型工藝僅是簡單的機(jī)械復(fù)合（爆炸成型、液壓脹形、拉拔、碾壓等），內(nèi)外層金屬僅僅是簡單的機(jī)械嵌合，其致命的問題是結(jié)合層存在宏觀間隙，難以滿足用戶要求。 冶金復(fù)合雙（多）金屬無縫鋼管是近年來長城鋼管有限公司、新興鑄管股份公司和北京科技大學(xué)實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合而開發(fā)的全新產(chǎn)品。新的冶金復(fù)合雙（多）金屬鋼管獨(dú)特之處在于：它把初級工業(yè)材料和高技術(shù)的冶金處理過程結(jié)合起來，采用離心澆鑄管坯擠壓，冷軋（或冷拔）生產(chǎn)方式，從而獲得高品質(zhì)的復(fù)合管材。這種新型復(fù)合管材可以是一般普碳鋼與不銹鋼、一般不銹鋼與高品質(zhì)不銹鋼，也可以是任何鋼種與鎳、鉻、鉬合金的復(fù)合；還可以根據(jù)用戶要求實(shí)現(xiàn)多種金屬的多層復(fù)合。 這種完

6、全冶金復(fù)合的新型管材可廣泛地用于石油、化工、海洋平臺等強(qiáng)腐蝕環(huán)境，也可通過內(nèi)層復(fù)合耐磨金屬，從而滿足電廠粉煤、礦山礦粉和尾礦漿輸送等高磨損工作環(huán)境地要求。 制造工藝： 1）、雙金屬復(fù)合管坯采用分層離心澆鑄方法制備，在液態(tài)下使兩層金屬溶合，做到了真正的冶金結(jié)合； 2）、采用大噸位黑色金屬擠壓機(jī)（或縱軋機(jī)）將雙金屬復(fù)合管坯熱擠壓（或縱軋）成無縫鋼管的生產(chǎn)工藝； 3）、還可進(jìn)一步采用高精度冷軋管機(jī)將擠壓出的無縫鋼管軋制成精密復(fù)合管。 制造工藝流程離心澆鑄工藝離心澆鑄工藝1、離心澆鑄原理 離心鑄造是將溶化的鐵液通過流槽流入旋轉(zhuǎn)的金屬型內(nèi)，在離心力的作用下布滿金屬型，最后凝固成鑄件的一種特殊鑄造方法。金

7、屬型金屬型腔腔外層金外層金屬屬內(nèi)層金內(nèi)層金屬屬中間中間包包鋼水鋼水包包鋼鋼 液液鋼液流鋼液流向向離心澆注工藝示意離心澆注工藝示意(1)離心力 鐵液在金屬型內(nèi)單位體積金屬液所受的離心力與旋轉(zhuǎn)半徑成正比，與旋轉(zhuǎn)速度的平方成正比。其離心力公式為 F=pR2=R2/g=(n/30)2R/g=0.112R(n/100)2 式中:F-單位體積金屬液的離心力(N/cm3 ); p-金屬液的密度(kg/cm3); -金屬型腔旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s); n-金屬型腔旋轉(zhuǎn)速(r/min); -金屬液的重度(N/cm3); R-金屬液中任意點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑(cm); g-重力加速度(g=981 cm/s2) 為了保證鐵液

8、在金屬型內(nèi)有足夠的離心力不產(chǎn)生淋落現(xiàn)象，在離心機(jī)的設(shè)計(jì)中通常使用重力系數(shù)作為依據(jù)，重力系數(shù)為物體在旋轉(zhuǎn)時離心力與正常重力之比。 G=F/P=m2R/mg=0.112(n/100)2R 式中:G-重力系數(shù); m-金屬液質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量(Kg); F-物體所受離心力(N); P-物體所受的重力(N)(2)管模轉(zhuǎn)速計(jì)算 管模的轉(zhuǎn)速必須保證能產(chǎn)生足夠的離心力使鐵液緊貼管模內(nèi)壁，不產(chǎn)生鐵液淋落現(xiàn)象，同時應(yīng)注意管模的轉(zhuǎn)速過高易產(chǎn)生: 管模產(chǎn)生跳動造成鑄管壁厚不均勻;冷卻過程中容易發(fā)生彎曲。生產(chǎn)實(shí)踐證明，管模旋轉(zhuǎn)時其徑向圓跳動應(yīng)控制0.30-0.5之間，對小口徑離心鑄管要求更嚴(yán)。 造成管壁徑向成分偏析嚴(yán)重，加上軸

9、向流槽中鐵液流量的不穩(wěn)定性，使鑄管在快速的冷卻過程中由于成分偏析、質(zhì)量不均勻容易產(chǎn)生環(huán)裂和縱裂。在生產(chǎn)實(shí)踐中可采用各種經(jīng)驗(yàn)公式和圖表來確定管模轉(zhuǎn)速，并根據(jù)所生產(chǎn)出的鑄件實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。(3)鐵液在管模內(nèi)的運(yùn)動過程 鐵液在臥式離心機(jī)管模內(nèi)的流動過程(即澆鑄成型過程)是一個比較復(fù)雜的運(yùn)動過程，是難以用靜水力學(xué)的理論來加以描述的，只有通過復(fù)雜的動水力學(xué)理論和大量的試驗(yàn)工作，才能正確描述鐵液在離心過程中的有關(guān)運(yùn)動方程，在這一過程中同時伴隨著鐵液的凝固過程，也就是說離心力不僅對鐵液運(yùn)動產(chǎn)生影響，而且對鐵液的凝固過程也產(chǎn)生影響，為了便于分析，可將鐵液在管模內(nèi)的流動過程視為徑向和軸向兩個運(yùn)動方向的合成。

10、1)1)金屬液在管模內(nèi)的徑向運(yùn)動金屬液在管模內(nèi)的徑向運(yùn)動 金屬液受離心力和管模型壁摩擦力的作用，會隨管模作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)管模轉(zhuǎn)速超過一定值后，離心力大于重力，金屬液會在鑄型中形成空腔的環(huán)形物。所形成的空腔上部厚、下部薄，與管模中心必然產(chǎn)生偏心，下圖所示。H-層流間的重心距 R-管模內(nèi)徑 r-金屬液內(nèi)腔半徑 1、2-管模頂部與底部金屬液厚度 e-金屬液內(nèi)腔與管模中心偏差 W-金屬液重力 F-離心力 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因:質(zhì)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到管模頂部離心力與重力相反，運(yùn)動速度減慢;而在底部時，兩個力的方向相同，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動速度則加快，由于在同一半徑層流體具有連續(xù)性，即流量為一常數(shù)，在忽略鐵液粘度所產(chǎn)生的層流之間的摩

11、擦因數(shù)的情況下，當(dāng)管模轉(zhuǎn)速足夠高，及離心加速度足夠大時，金屬液自身重力起的作用就越來越小，這種偏心差也就逐漸減小，直至在允許的尺寸公差范圍內(nèi)。 此外離心鑄造鑄件凝固由外向內(nèi)，隨著凝固時間的延長，內(nèi)層能流動的金屬液都會逐漸減小，最終使偏心值減小。此外，隨著鑄件的凝固，金屬液溫度的下降會伴隨著粘度的增大，也相應(yīng)地使自由表面的偏心值減少，使偏心現(xiàn)象逐漸消失。所以在最終凝固的鑄管上看不出壁厚的偏差。 在實(shí)際生產(chǎn)中另一影響鑄件壁厚偏差的因素是管模的跳動。如果管模不能始終在一根軸線上旋轉(zhuǎn)而有所跳動，則鑄件尤其是長的鑄管壁厚會嚴(yán)重不均，拔管后冷卻過程中可使鑄管產(chǎn)生彎曲，嚴(yán)重時可斷裂，因此只要嚴(yán)格控制管模的徑

12、向圓跳動，就能生產(chǎn)出壁厚均勻的鑄管。 2)2)金屬液在管模內(nèi)的軸向運(yùn)動金屬液在管模內(nèi)的軸向運(yùn)動 金屬液進(jìn)入管模不僅會產(chǎn)生徑向運(yùn)動，而且也在澆注壓頭及旋轉(zhuǎn)傾角的作用下產(chǎn)生軸向運(yùn)動。澆注壓頭越大、旋轉(zhuǎn)軸傾角越大、金屬液與鑄型摩擦力越小以及鑄型轉(zhuǎn)速越低、冷卻能力越弱，金屬液在管模內(nèi)的軸向流動就越大。 軸向流動的特征與流槽的形式有關(guān)。短流槽只適合于熱模法生產(chǎn)，不適用于水冷金屬型，因?yàn)槠涔苣５睦鋮s強(qiáng)度大，鐵液與管模接觸后迅速凝固，難以流到承口處;大量高溫金屬在固定點(diǎn)進(jìn)入，該處溫度升高，易使管模沖刷變形，鑄管質(zhì)量難以保證。因此短流槽不宜用于長管生產(chǎn)，適用于短套筒之類鑄件的熱模法生產(chǎn)。采用與管模長度相近的長

13、澆注槽，并使?jié)沧⒉巯鄬苣蛩僖苿樱藭r鐵液在管模內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài)大為改善。管模在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，鐵液通過相對移動的長流槽進(jìn)入管模，鐵液受離心力的作用以螺旋線的形式均勻地分布在管模內(nèi)壁，螺旋線股流在瞬間又相互熔合在一起，形成均勻的液體層，凝固成厚度均勻的管壁。長度較長的鑄管、水冷金屬型鑄管和管徑較大的鑄管熱模法離心鑄造只能采用長流槽澆注，以利于鐵液在管模中均勻分布，同時也可提高管模壽命。(4)金屬液凝固特點(diǎn) 1)1)鐵液凝固特點(diǎn)鐵液凝固特點(diǎn) 由于離心力對金屬的凝固過程的影響，使離心鑄造的鑄件夾雜物少，晶粒較細(xì)，組織致密，力學(xué)性能較高。 鐵液澆入管模后，受管模壁的激冷作用，在管模附近的鐵液中開始結(jié)晶

14、凝固。隨著結(jié)晶潛熱垂直于管模壁、連續(xù)地通過管模壁向外散發(fā)，使鑄管由外向內(nèi)順序地結(jié)晶凝固一產(chǎn)生順序凝固，離心力的作用又使金屬液對流加劇，從而得到按徑向生長的柱狀晶組織。 在鑄管外表面結(jié)晶凝固成一層金屬后，在其內(nèi)層的結(jié)晶前沿存在著液固相共存區(qū)。在結(jié)晶前沿的金屬液仍按慣性運(yùn)動，與已凝固的金屬層產(chǎn)生相對流動，使離心鑄管徑向斷面上出現(xiàn)傾斜柱狀晶，柱狀晶的旋轉(zhuǎn)方向與鑄管成形時的旋轉(zhuǎn)方向一致，在外層的晶體傾斜度較大，越往內(nèi)層，傾斜度越小，最后轉(zhuǎn)變成徑向柱狀晶。離心力的作用可使金屬液滲入已結(jié)晶金屬的枝晶空穴中，從而可獲得致密的組織，而金屬液與枝晶的相對滑動阻礙了樹枝狀晶的發(fā)展，從而使晶粒細(xì)化，提高了離心鑄件的

15、力學(xué)性能。 2)2)異相質(zhì)點(diǎn)偏析異相質(zhì)點(diǎn)偏析 金屬液本身含有不少密度與金屬液不一樣的異相質(zhì)點(diǎn)，例如渣粒、氣泡、石墨和共晶團(tuán)，以及不能互溶的金屬組元液體等。密度較小的顆粒會向自由表面移動(內(nèi)浮)，密度較大的顆粒則往模壁移動(外沉)。與一般重力場鑄造比較，離心鑄造時異相質(zhì)點(diǎn)的沉浮速度增大，有利于減少渣孔、氣泡等缺陷，提高鑄件的致密度，但易形成密度偏析。多工位離心澆鑄車間多工位離心澆鑄車間3150擠壓機(jī)擠壓機(jī)冷軋機(jī)冷軋機(jī)精整車間精整車間2、工藝特點(diǎn) （1）主要工藝特點(diǎn) 1）復(fù)合管用的外管采用普通無縫鋼管，安裝于管模中，利用三爪卡盤同步定位，對中效果好;可適用于生產(chǎn)多種規(guī)格復(fù)合管; 2）管模與高溫金屬

16、液不直接接觸，具有一定的間隙，可采用雨淋冷卻，冷卻效果好，對管模的耐熱性要求不高，不必采用合金材料制作，可選用普通鋼管直接制作，成本低，使用壽命長; 3）管模上直接裝配滾動軸承，并采用皮帶傳動，使管模運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，有效抑制了可能發(fā)生的偏心振動和跳動，成品率極大提高; 4）采用扇形包和長流槽進(jìn)行鐵液等量澆注，復(fù)合管的壁厚均勻，質(zhì)量穩(wěn)定; 5）采用電磁調(diào)速電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)寬范圍無級調(diào)速，使得澆注裝置行走速度、澆注速度和管模轉(zhuǎn)速自動可調(diào);機(jī)械化、自動化水平較高，生產(chǎn)效率較高。 離心復(fù)合設(shè)備水平布置安裝，主機(jī)直接安裝于基礎(chǔ)上固定不動，澆注裝置和拔管裝置沿軌道在兩側(cè)前后運(yùn)動，因此離心設(shè)備軸向布置長度應(yīng)保證一定的

17、操作空間。（2）技術(shù)特點(diǎn)： 1）、離心鑄造技術(shù)是在液態(tài)下使雙層材料溶合成型，實(shí)現(xiàn)了界面的無間隙、連接成分平滑過渡，為實(shí)現(xiàn)層界面低應(yīng)力的全冶金結(jié)合創(chuàng)造了條件； 2）、熱擠壓（或縱軋）加工技術(shù)既促進(jìn)了冶金結(jié)合，又改善了雙金屬復(fù)合管綜合性能； 3）、熱擠壓是在三向壓應(yīng)力條件下的金屬塑性變形，是常規(guī)軋制難生產(chǎn)的鎳基合金首選的生產(chǎn)方式； 4）、擠壓產(chǎn)品金屬致密度高，顯微缺陷大大減輕，產(chǎn)品有較高沖擊性能。同時，熱擠壓過程促進(jìn)了擴(kuò)散結(jié)合機(jī)制的作用。離心坯擠壓離心坯擠壓+ +冷軋鋼管冷軋鋼管 規(guī)格規(guī)格46463 3 兩層金屬為完全兩層金屬為完全冶金結(jié)合，具有很冶金結(jié)合，具有很強(qiáng)的結(jié)合力。強(qiáng)的結(jié)合力。復(fù)層復(fù)層基

18、層基層冶金結(jié)合層具有很高冶金結(jié)合層具有很高的結(jié)合強(qiáng)度，能使整支管子的結(jié)合強(qiáng)度，能使整支管子的應(yīng)力分布均勻，不會造成的應(yīng)力分布均勻，不會造成局部較大的應(yīng)力集中。局部較大的應(yīng)力集中。離心坯擠壓雙金屬管結(jié)合層強(qiáng)度高離心坯擠壓雙金屬管結(jié)合層強(qiáng)度高（3）產(chǎn)品的基本特性 通過車削加工下來的鋼削可以看出，兩層金屬沒有出現(xiàn)任何分離和開裂的現(xiàn)象，仍然保持一個整體，如同車加工單金屬一樣。而機(jī)械式復(fù)合鋼管卻無法做到。離心坯擠壓雙金屬復(fù)合管車削加工鋼削離心坯擠壓雙金屬復(fù)合管車削加工鋼削試驗(yàn)部位循環(huán)次數(shù)設(shè)定加熱時間/ s加熱溫度水溫加熱方式距一端30mm560115505701523高頻加熱試驗(yàn)情況試驗(yàn)情況 ：加熱至加

19、熱至560560次，氧化加劇，但兩層結(jié)合界面處次，氧化加劇，但兩層結(jié)合界面處無開裂現(xiàn)象。無開裂現(xiàn)象。擠壓雙金屬鋼管擠壓雙金屬鋼管550550熱循環(huán)試樣外觀照片熱循環(huán)試樣外觀照片 疲勞試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)條形試樣條形試樣管段尺寸循環(huán)次數(shù)循環(huán)700次尺寸加熱方式加熱溫度水溫76.5/66.370075.8/65.9高頻加熱5505701523試驗(yàn)情況試驗(yàn)情況: :690690次出現(xiàn)裂紋，次出現(xiàn)裂紋，700700次裂紋嚴(yán)重，經(jīng)次裂紋嚴(yán)重，經(jīng)700700次循環(huán)內(nèi)外徑次循環(huán)內(nèi)外徑尺寸變化不大。尺寸變化不大。0 0690690次循環(huán)間急冷急熱區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。次循環(huán)間急冷急熱區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。500500

20、次循環(huán)外壁次循環(huán)外壁500500次循環(huán)內(nèi)壁次循環(huán)內(nèi)壁700700次循環(huán)環(huán)向裂紋次循環(huán)環(huán)向裂紋擠壓雙金屬鋼管擠壓雙金屬鋼管550550熱循環(huán)試樣外觀照片熱循環(huán)試樣外觀照片 疲勞試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)管段試樣管段試樣離心坯擠壓雙金屬管是在離心澆鑄狀態(tài)下使離心坯擠壓雙金屬管是在離心澆鑄狀態(tài)下使兩層金屬具有高強(qiáng)度的冶金結(jié)合層。（見下兩層金屬具有高強(qiáng)度的冶金結(jié)合層。（見下頁掃描電鏡圖片）頁掃描電鏡圖片）結(jié)合層強(qiáng)度高，避免了其它機(jī)械復(fù)合管常出結(jié)合層強(qiáng)度高，避免了其它機(jī)械復(fù)合管常出現(xiàn)內(nèi)層剝離問題?，F(xiàn)內(nèi)層剝離問題?？梢栽谳^大范圍內(nèi)靈活的改變基層和復(fù)層的可以在較大范圍內(nèi)靈活的改變基層和復(fù)層的厚度，滿足不同行業(yè)的用途和需要。厚度，滿足不同行業(yè)的用途和需要。（4）離心坯擠壓雙金屬復(fù)合管的創(chuàng)新點(diǎn)結(jié)合層處電鏡掃描結(jié)果結(jié)合層處電鏡掃描結(jié)果界面上合金元素從低合界面上合金元素從低合金鋼到