CN106735097A - 一种冷速可调双液铸造双金属复合材料方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷速可调双液铸造双金属复合材料的方法，第一层金属液浇注后，采用冷铁通水冷却，通过调整冷铁中冷却水的压力和流量、或者控制冷却水的通水时间，来调整第一层金属液的冷却速度。高温浇注第二层金属液，使其充分熔化第一层金属，由于第一层金属采用了控制冷却措施，既保证了第二层金属对第一层金属的熔合，也防止了过熔，保证了第二层金属的成分，获得具有冶金结合的双金属复合材料。该工艺方法大大提高了双液复合的合格率，工艺参数简化，便于工业化大生产。

Description

一种冷速可调双液铸造双金属复合材料方法

技术领域

本发明涉及一种双金属复合材料的制造工艺，采取两层金属液分别浇注，控制熔合层保证成分的方法铸造双金属复合材料，本方法适用于平面熔合的双金属复合工件。

背景技术

铸造双金属复合材料多采用固液复合和液液复合，液液复合多用于离心铸造双金属复合管，固液复合多用于各种形状的双金属复合材料，这两种工艺均存在有各自的缺陷和优点。

固液复合适用于复合面不规则的双金属工件，但由于金属液几乎不能熔化固态金属，从而保证了双金属材料的成分，尤其是第二层铁基金属的成分，但该方法生产的双金属材料结合力很弱，多依赖复合结构来保证双金属不分离、不脱落。

液液复合只适合于复合面规则的平面或圆弧面复合，由于第二层金属与第一层金属互熔，两者产生冶金结合，其结合力很强，双金属很难分开，但其缺点是第一层金属液的熔合量不易控制。第二层金属液浇注间隔时间短，则产生过熔，使得第二层金属液由于过熔产生成分偏差，严重时产生废品；若间隔时间长，则两者没有熔合，产生分层，仍会产生大量废品。所以液液复合工艺参数很难控制，多数情况下，为保证双金属的熔合，多会造成第一层金属过熔后使得第二层金属的成分超标，偏离成分控制要求，无法达到预期的性能和使用效果。

发明内容

为了解决双液复合熔合量过大或复合面分层，造成双金属复合合格率低的问题，本发明提供一种冷速可调双液铸造双金属复合材料方法。

先浇注第一层金属液，采用冷铁冷却，冷铁内设置冷却通道连接进水管和出水管，冷铁内通冷却水；通过阀门调整冷却水的压力和流量、或调整冷却水通水开始时间控制第一层金属液的冷却速度。当第一层金属液冷却最低温度不得低于其熔点以下200℃。时，浇注第二层金属液。

进一步：冷却水的出水管截面积为进水管截面积2倍以上。

进一步：冷铁采用低碳钢或石墨制作。

进一步：与熔合成分差别较大、或者要求主要质量指标的金属选作第一层金属。

工艺原理：第二层金属液浇注温度高于第一层金属液熔点，可以保证两层金属的熔合。调整第一层金属的冷却速度，增加第一层金属的温度梯度，以避免第一层金属熔合过多，从而防止由于第二层金属熔合第一层金属量大，造成成分超标。若第二层金属浇注间隔时间稍长，较大的温度梯度会造成第一层金属复合面的温度迅速降低，第二层金属液浇注后无法熔合，从而产生分层缺陷，造成废品，所以本工艺方案通过调整冷却水的压力、流量以及开启的时间点控制冷铁的冷却速度，从而控制第一层金属的温度梯度，以获得熔合良好的双金属复合材料。

若在第一层金属液浇注过程中或浇注完成后通冷却水时，冷铁已经被加热到高温，这时突然通冷却水，会造成冷却水被瞬间气化，快速的体积膨胀会产生不安全因素，所以要求出水管管径粗，长度短，直接通向大气，其目的是快速泄压，避免阻力。另外，出水口必须采取安全防护措施，防止人员、设备、产品受到高压蒸汽的伤害。

第一层金属液浇注时或浇注后，可以采用保护渣，也可以不使用保护渣，这取决于工件形状、复合面的大小、控制的熔合量等参数。

采用该方法生产的双金属复合工件，复合面不产生分层，由于有效地控制了熔合量，保证了第二层金属的成分，从而保证了第二层金属的性能，使得双金属复合工件的成品率大大增加，尤其是工艺参数范围扩大，易于控制，便于工业化大生产。

附图说明

图1为复合耐磨板冷铁通水示意图（俯视图）；

图2复合耐磨板造型示意图（水冷冷铁）；

图3为双金属复合锤头浇注示意图（主视图）；

图4为双金属复合锤头浇注示意图（右视图）。

其中，1-进水管 2-第一层金属浇道 3-冷铁 4-冒口（观察孔） 5-砂型 6-型腔 7-涂料 8-出水管 9-第二层金属浇道 10-溢流口。

具体实施方式

实施例1:500×500×50mm复合耐磨板

该双金属复合耐磨板由低碳铸钢和高铬铸铁复合而成，高铬铸铁层厚度25-35mm，硬度要求≥55HRC，低碳铸钢钢厚度15-25mm，要求冲击韧性不小于50J。

工艺分析：对比下表低碳铸钢和高铬铸铁的成分可知，其熔合后的成分Si、Mn、P、S变化不大，主要是C和Cr的变化。从两者的物理性能来说，低碳铸钢的导热系数高于高铬铸铁，低碳铸钢的熔点约1590-1610℃，高铬铸铁的熔点约1400-1450℃。若该复合耐磨板要求焊接连接，则为保证低碳铸钢的焊接性，需要将低碳铸钢作为第一层金属，高铬铸铁熔化时，适当增加C和Cr的含量，熔合低碳铸钢后，C和Cr含量降低，可以落入高铬铸铁控制范围内，保证了双金属的成分合格和性能。本实施例没有要求低碳铸钢的焊接性能，主要要求高铬铸铁的耐磨性（硬度）和低碳铸钢的韧性，从成本及工艺角度，选择高铬铸铁作为第一层金属。一可以降低高铬铸铁的浇注温度，节约能源。高铬铸铁作为第一层金属，其浇注温度一般控制在1480-1550℃，而作为第二层金属，其浇注温度必须高于低碳铸钢的熔点50℃、即1640℃以上，可见浇注温度相差约100℃多。二是合格率高。高铬铸铁作为第二层金属需要将Cr控制在上限，防止熔合低碳铸钢后Cr的降低不符合成分要求，而作为第一层金属不存在成分超标风险。第二层低碳铸钢熔合高铬铸铁后成为含Cr的低合金钢，其韧性变化不大，仍可以满足性能要求。三可以节约合金使用量，第一层高铬铸铁没有冒口，金属液使用量少，节约合金。四是由于高铬铸铁是工作面，要求没有铸造缺陷，放置在底层是符合铸造工艺要求的。

采用双炉冶炼，冶炼成分要求见下表：

C

Si

Mn

S

P

Cr

Ni

Mo

低碳铸钢

0.17-0.23

0.17-0.37

0.2-0.6

≤0.04

≤0.04

≤0.2

≤0.2

≤0.2

高铬铸铁

2.0-3.3

≤1.2

≤2.0

≤0.06

≤0.1

18-23

≤2.5

≤3.0

冷铁选用传热良好的优质低碳钢或石墨，低碳钢和石墨的熔点均高于高铬铸铁，冷铁尺寸为450×450×40mm，形状为中空，冷铁连接一个进水管1，管径Φ30mm，6个出水管8，管径Φ20mm，长度350-400mm，位置见附图1，进出水管两者截面积比值为1：2.7。出水管8的出口伸入一个放置在地下的封闭水箱中，水箱空气体积不少3m³，总体积不少于5m³，水箱内的水冷却后，经水泵促进冷却水循环。

浇注系统见附图2，包括进水管1、第一层金属浇道2、冷铁3、冒口（观察孔）4、砂型5、型腔6、涂料7、出水管8、第二层金属浇道9。冷铁3预热后喷涂涂料7，涂料7经干燥后将砂型5合箱形成冒口（观察孔）4、型腔6、第一层金属浇道2和第二层金属浇道9。第一层高铬铸铁金属液从浇道2快速浇注，浇注重量25-40Kg，浇注温度1500--1550℃。从冒口（观察孔）4观察其凝固状况，当金属液复合层开始凝固时，此时温度处于熔点及其以下200℃之间，迅速打开阀门，进水管1通冷却水，调整水压0.12MPa左右，从浇道9快速浇注低碳铸钢金属液，浇注完成后，在冒口（观察孔）4撒保温剂覆盖。由于低碳铸钢浇注温度在1640℃以上，比高铬铸铁凝固点1400-1450℃高出200多度，所以可以不使用保护渣，也可以获得熔合良好的复合耐磨板。复合耐磨板经热处理后，高铬铸铁、铸钢均满足性能要求。

为提高冷铁3的使用寿命，防止冷铁3经过多次冷热后产生变形，采用在冷铁3内设计加强筋的铸钢板。

若第二层金属液低碳铸钢出钢缓慢，可减小阀门开启度，减小冷却水压力和流量，减缓第一层金属液的冷却速度，保证低碳铸钢金属浇注时，高铬铸铁的复合面温度在工艺要求范围内，这样做可为低碳铸钢金属液的开始浇注适当延长时间。

若第二层金属液低碳铸钢出钢早，为保证第二层金属液的浇注温度，可增大阀门开启度，增加冷却水压力和流量，加快第一层金属液高铬铸铁的冷却速度，减少低碳铸钢金属液的预留时间，防止由于等待浇注时间长造成低碳铸钢金属液的浇注温度偏低，不符合工艺要求或造成废品。

与只采用冷铁冷却第一层金属液工艺相比，本工艺方案通冷却水快冷的方法，大大增加了第一层金属板的温度梯度，使得第二层金属液熔合更少的第一层金属液，熔合层更易于控制，产品合格率提高10%-20%。

实施例2：双金属复合锤头

本实施例产品为破碎机锤头，锤头部分采用高锰钢，锤柄部分采用低碳铸钢，锤头部分尺寸为100×240×225mm。

浇注系统见附图3和4，包括进水管1、第一层金属浇道2、冷铁3、冒口（观察孔）4、砂型5、型腔6、涂料7、出水管8、第二层金属浇道9和溢流口10。采用两块冷铁3对称布置，每个冷铁连接一根进水管1和一根出水管8，进水管管径Φ16mm，出水管管径Φ24mm，两者截面积比为1:2.25。出水管8长度300mm，出口伸入一个放置在地下的封闭水箱中，水箱空气体积不少3m³，总体积不少于5m³，水箱内的水冷却后，经水泵促进冷却水循环。

冷铁3采用优质低碳铸钢焊接加工而成，其熔点略高于高锰钢。冷铁3预热后喷涂涂料7，涂料7经干燥后将砂型5合箱形成型腔6、冒口（观察孔）4、第一层金属浇道2和第二层金属浇道9。浇注前打开阀门，进水管1通冷却水，调整水压0.1MPa左右。第一层高锰钢金属液从第一层金属浇道2快速浇注，出铁重量不少于70Kg，浇注温度1640--1700℃。当从溢流口留出钢液时，停止浇注，堵塞溢流口。在高锰钢浇注时从冒口（观察孔）4向型腔6中撒入含有硼砂和萤石的保护渣，浇注后从冒口（观察孔）4观察其凝固状况，当金属液表层凝固后，此时其温度不低于熔点以下200℃。从第二层金属浇道9快速浇注低碳铸钢金属液，浇注温度大于1650℃，浇注完成后，在冒口（观察孔）4撒保温剂覆盖。由于含硼砂和萤石的保护渣熔点低，密度小，能够迅速熔化，在整个浇注过程中易于从钢水中上浮，不会形成夹渣。

采用增加或减小阀门的开启度，控制冷却水压力高低和流量大小，从而控制第一层金属液高锰钢的冷却速度，可以适当调整第二层金属液低碳铸钢的浇注开始时间，可实现高锰钢的冷却温度和低碳铸钢的浇注温度在一个时间点上同时满足工艺要求，从而保证双金属的熔合和成分控制，提高产品合格率。

本工艺低碳铸钢熔合高锰钢量很少，成分基本不变，且符合铸钢顺序凝固工艺原则，生产的复合锤头没有缩孔、疏松等缺陷，在产品内在质量提升的基础上，产品合格率提高了10%以上。

Claims (4)

1.一种冷速可调双液铸造双金属复合材料方法，先浇注第一层金属液，采用冷铁冷却所述第一层金属液，冷却至第一层金属复合面温度不低于第一层金属的熔点以下200℃时，浇注第二层金属液，其特征在于：所述冷铁内设置冷却通道，所述冷铁通道连接进水管和出水管，冷铁通道内通冷却水；通过调整冷却水的压力、流量或调整冷却水通水时间控制第一层金属液的冷却速度。

2.根据权利要求1所述的一种冷速可调双液铸造双金属复合材料方法，其特征在于：所述冷却水的出水管截面积为进水管截面积2倍以上。

3.根据权利要求1所述的一种冷速可调双液铸造双金属复合材料方法，其特征在于：所述冷铁采用低碳钢或石墨制作。

4.根据权利要求1所述的一种冷速可调双液铸造双金属复合材料方法，其特征在于：所述第一层金属液为高合金钢。