CN117483723B

CN117483723B - 耐磨复合铸件的制造方法及复合界面结合强度的检测方法

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Publication number: CN117483723B
Application number: CN202311841556.9A
Authority: CN
Inventors: 邢振国; 符寒光; 梁顺星; 曹晶晶; 张义春; 韩健; 荣受范; 常连波; 邢万里; 刘宏基; 肖志霞
Original assignee: Handan Huiqiao Composite Material Technology Co ltd; Hebei University of Engineering; Handan Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Handan Huiqiao Composite Material Technology Co ltd; Hebei University of Engineering; Handan Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2023-12-29
Filing date: 2023-12-29
Publication date: 2024-03-29
Anticipated expiration: 2043-12-29
Also published as: CN117483723A

Abstract

本发明涉及复合铸件制造技术领域，特别涉及一种耐磨复合铸件的制造方法及复合界面结合强度的检测方法。本发明通过在型腔中设置具有特定成分和厚度的合金隔板，实现了白口铸铁和低碳微合金钢之间牢固的冶金结合，所得耐磨复合铸件的界面结合强度至少为500MPa，白口铸铁的硬度大于63HRC，低碳微合金钢的抗拉强度大于800 MPa，冲击韧性α_kv大于18 J/cm²，为耐磨复合铸件的安全使用提供了保障；将本发明中的耐磨复合铸件用做破碎机锤头和球磨机衬板具有优异的使用效果，破碎机锤头和球磨机衬板的使用寿命比高锰钢产品提高5倍以上；应用该耐磨复合铸件还可提高作业效率，降低破碎成本，具有显著的经济和社会效益。

Description

耐磨复合铸件的制造方法及复合界面结合强度的检测方法

技术领域

本发明涉及复合铸件制造技术领域，特别涉及一种耐磨复合铸件的制造方法及复合界面结合强度的检测方法。

背景技术

磨损是材料失效的主要形式之一，磨损现象广泛存在于冶金、电力、建材、矿山、机械和交通等领域。为减少材料磨损，降低对环境能源的消耗，研发性能优异的新型金属耐磨材料具有十分重要的意义。常用的耐磨材料主要包括高锰钢、合金钢和白口铸铁。其中，合金钢含有较多的合金元素，淬透性好，基体组织为马氏体或贝氏体，具有优异的强韧性，但由于缺少耐磨硬质相，导致耐磨性能并不理想；对于白口铸铁，因其中含有较多的碳和强碳化物形成元素，在高强度基体上镶嵌有高硬度共晶碳化物（耐磨硬质相），因而具有优异的耐磨性，但是，这些高硬度共晶碳化物的脆性较大，导致其韧性降低，在磨损载荷的不断作用下，普通的白口铸铁极易发生断裂，为工业设备的正常运行造成隐患。为了确保白口铸铁能够在设备运行时安全、正常使用，可以选择将耐磨性能优异的白口铸铁与强度和韧性均优异的低碳微合金钢通过复合铸造的方法合成一体，将白口铸铁用做磨损部位，低碳微合金钢用做支撑部位。

迄今国内外已对异种金属的复合铸造进行了大量研究：中国发明专利CN116603999A公开了表面超浸润结构强化钛/镁固-液复合铸造双金属界面结合的方法及钛/镁铸件，方法包括在钛合金基材的结合表面上形成超浸润结构，超浸润结构为六面体形或类圆锥形的凸台阵列；对形成有超浸润结的钛合金基材表面进行保护处理；将钛合金基材和镁合金熔体采用固-液复合铸造方式进行铸造，获得钛/镁铸件。通过在钛合金基材的结合表面上形成超浸润结构，改变了镁合金熔体和钛合金基材的接触角度，改善镁合金熔体与钛合金基材的润湿性，形成“咬合+互嵌”结构，强化固-液界面的结合性能，从而提高固-液界面的结合强度，实现可靠连接。中国发明专利CN115870480A还公开了一种双液双金属复合铸造颚板的生产制造工艺，其步骤包括：1）按照颚板尺寸制作颚板模具，根据颚板模具制作砂型下腔、过渡上腔和成品砂型上腔；2）在砂型下腔工作部位底部放置冷铁，将砂型下腔和过渡上腔合腔；通过砂型下腔和过渡上腔合腔后利用第一浇注系统进行浇注，通过砂型下腔和成品砂型上腔合腔后利用第二浇注系统进行浇注，两次浇注过程均利用两套浇注型腔进行满浇，与单次型腔进行两次浇注相比，虽然增加了浇注工艺步骤，但是极大降低了浇注操控难度，避免控制定量浇注的麻烦，减少对其砂型腔的水平度要求，有效避免砂型腔容易产生落砂等现象，从而增加生产的产品合格率。中国发明专利CN115592072A还公开了一种铰链梁铸件的复合铸造方法，在该发明中，树脂砂在常温下具有较高的强度，可以在振动造型和负压浇注时保护涂料壳不破裂、不损坏，提高浇注成型率，且具有良好的透气性和溃散性。在该发明中，铬铁矿砂具有较高的耐火度，且具有一定的激冷能力，填充在耳孔内，铸件不易出现粘砂缺陷，能提高耳孔的表面质量。该发明采用砂型铸造和消失模铸造的复合铸造工艺生产铰链梁铸件，制备的铰链梁铸件一体成型，尺寸精度高，外观质量好，产品性能更优越。中国发明专利CN115722653A还公开了一种提高锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法。方法为：先在钢基体表面镀铜；在镀铜后的钢基体表面附着一层表面改性剂；之后进行干燥预热；将预热好的钢基体置于温度为350-400℃的纯锡锡浴熔体中进行热浸；将热浸好的钢基体浇铸锡基巴氏合金熔体，制得锡-钢双金属复合材料；该发明方法通过在钢基体表面建立铜层、改性剂和锡层，在三层中间层的基础上浇铸锡基巴氏合金熔体，提高了镀锡层的完整性，制得的锡-钢双金属复合材料界面结合处无缺陷，解决了锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度低的问题。

并且，中国发明专利CN115889693A公开了一种采用真空消失模复合铸造破碎机颚破齿板的方法，包括如下步骤：步骤1.制备颚破齿板模型；步骤2.在耐磨合金块的研磨面上焊接固定锚；步骤3.在颚破齿板模型的研磨面上均匀钻挖出与耐磨合金块尺寸相一致的合金安装孔；步骤4.对耐磨合金块外表面进行打磨去除表面氧化层，涂刷一层EPS泡沫胶，并将耐磨合金块嵌入步骤3中的合金安装孔中；步骤5.粘接组合颚破齿板模型、浇道模型、冒口模型；步骤6.加工铸型内壳等步骤。该方法的优越效果在于通过在消失模内镶嵌耐磨合金块，实现了耐磨合金块与浇铸件本体的精确定位；通过在耐磨合金块底部焊接固定锚，防止了在浇铸过程中耐磨合金块被钢水冲击而产生移动。中国发明专利CN115635066A还公开了一种基于电沉积铬中间层的铝/钢双金属液-固复合铸造方法，是在预处理的钢基体表面电沉积一层纯铬中间层，预热后浸没在铝合金熔体中进行热浸处理，最后采用液-固复合工艺浇注铝合金熔体，凝固得到铝/钢双金属复合材料。在铝/钢界面引入铬中间层可以提高液态铝合金熔体与固态钢基体间的润湿性，且以铬中间层作为屏障，避免钢基体与铝合金熔体间的直接接触，显著抑制了界面处铝-铁脆性相的形成，提高了铝/钢双金属界面的结合强度。中国发明专利CN115158997A还公开了一种双金属液复合铸造螺旋绞龙及其制造方法，涉及螺旋绞龙加工技术领域。螺旋绞龙本体，螺旋绞龙本体包括安装部、推进段和压缩段，安装部位于推进段的端部，推进段和压缩段固定连接。该发明根据螺旋绞龙的特点，将其分为推进段和压缩段，推进段物料挤压力小，磨损慢，采用碳钢或低合金钢；压缩段物料挤压力大，磨损块，采用高铬铸铁与碳钢或低合金钢复合浇铸而成；安装部位在推进段上面，由于采用碳钢或低合金钢，该部位易于加工，安装安全牢固，不易出现松动、开裂等问题；且该发明通过双金属液液复合，汲取碳钢和高铬铸铁二者的优点，保证了螺旋绞龙安装部位安全牢固，压缩段部分耐磨持久。中国发明专利CN114480954A还公开了一种三体式复合铸造抗磨衬板，包括依次排列的背层、过渡层和面层，其中，背层由中低碳钢制成，过滤层由铁素体球墨铸铁制成，面层由高铬钼抗磨白口铸铁制成，与现有技术相比，该发明在面层高铬钼抗磨白口铸铁和背层中低碳钢中间增加一层过渡层，使得抗磨衬板不仅具有抗磨性，而且能够经受剧烈的撞击工况，各层之间的贴附性更好，并且简化了铸造工艺流程；该发明还提供了一种三体式复合铸造抗磨衬板的制造方法，可以获得理想的三体式复合铸造抗磨衬板，收缩率平缓过渡，结合紧密、自然，铸造应力大大降低，铸造缺陷显著减少；再将三体式复合铸造抗磨衬板胚体经过淬火和回火处理，使三体式复合铸造抗磨衬板具有更好的力学性能。

此外，中国发明专利CN113999999A公开了一种稀土增强固液复合铸造镁/铝双金属的制备方法及产品。该制备方法包括下列步骤：S1熔炼镁合金铸锭，在熔炼后的镁合金中加入预热的Mg-RE稀土中间合金，搅拌使得镁合金与稀土中间合金混合均匀，以此获得合金液；S2将合金液浇注在放置有铝合金嵌体的铸型中，冷却，凝固获得所需的复合铸造镁/铝双金属产品。同时该发明还公开了上述方法的产品。通过该发明，消除复合过程中固态嵌体表面氧化膜造成的夹杂缺陷，抑制界面中Al-Mg金属间化合物的形成，细化界面处的凝固组织。由此解决固-液复合铸造镁/铝双金属材料界面结合强度较低的问题。中国发明专利CN113909457A还公开了一种基于电磁液固成形的双金属复合材料制备方法，是在采用固液复合铸造技术制备双金属复合材料时，将浇注有覆层金属熔液的基体金属或者浸没有基体金属的覆层金属熔液置于一个由行波磁场线圈和旋转磁场线圈组成的金属线圈内部，在产生的旋转磁场和行波磁场的多维剪切作用下，使覆层金属熔液在基体金属上固化形成双金属复合材料。该发明方法通过电磁多维剪切方式减少固液复合铸造制备双金属复合材料时的气孔和裂纹，增强双金属界面结合性能，提高双金属复合材料质量。中国发明专利CN113927019A还公开了一种二次复合铸造双金属成型的方法。该方法是在金属基体的表面设置结合材料，并将结合材料的基体放入铸模或砂型中，待铝合金融化后浇入铸模或砂型中，使铝合金与基体结合，然后再将金属基体放入二次铸造使用的铸模或砂型中，将熔融的铝合金浇注后形成二次复合铸造制件，最后对二次复合制件进行热处理；该发明通过二次浇注，在异种金属的结合界面外部进一步形成同种金属的第二结合界面；二次铸造形成铝-铝同种金属结合，比传统异种金属结合可以更好的原子扩散而形成冶金结合，解决了异种金属结合界面结合性能低的问题。中国发明专利CN113789454A还公开了一种铝钢固液双金属复合铸造的方法。步骤为：在铝合金熔体加入Al-5Ti-0.5C中间合金并搅拌除气；之后将熔体升温到708℃-710℃；将预热好的钢基体放入砂型中，将超声装置的振动子进行预热后移到砂型中，开始浇注铝合金熔体；浇注完成后，开启超声振动；超声振动的频率为10KHz-20KHz，功率为1-3KW；超声振动的时间为10-40s；该发明方法有助于界面反应，并形成冶金结合，有效增加铝钢固液界面处的结合强度。中国发明专利CN113634736A还公开了一种双金属复合方法，属于双金属复合铸造技术领域，该发明要解决的技术问题为双金属铸造复合过程中界面结合强度低、凝固时间控制难以及铸造界面缺陷多，技术方案为：该方法具体步骤如下：S1、将待复合固体金属表面进行表面处理；S2、将待复合固体金属安放于模具内，并将待复合固体固定在超声波振动工具头上，对待复合固体金属施加超声波振动；S3、开启超声波振动装置，使超声波振动工具头连同待复合固体金属产生超声波振动；S4、将待复合的另一种金属熔化至液相线以上10-100℃，再浇筑到步骤S2的模具中，熔融的金属溶体在超声波振动的作用下与固定金属复合；S5、金属溶体凝固后，关闭超声波振动装置，冷却到室温，获得双金属复合材料。

但是，采用上述方法制造耐磨白口铸铁和低碳微合金钢耐磨复合铸件，白口铸铁和低碳微合金钢易发生元素的大量互熔，会降低复合界面结合强度和白口铸铁的硬度及耐磨性。

而且，迄今国内外对复合铸件结合强度的测试没有统一的检测标准。中国发明专利CN102033022A公开了属于带材结合强度测试装置技术领域的一种用于测试层状复合带材结合强度的扭转测试装置。该扭转测试装置包括控制系统、与控制系统相连的扭转机构、带材固定及张力机构和底座，底座上设置两根平行滑轨，扭转机构、带材固定及张力机构均通过滑动块设置在滑轨上，滑轨两端通过滑轨固定块固定在底座上。该装置可以用来测试复合层数为两层或两层以上的复合带材层间结合强度，有效扭转长度在20～250mm任意设定。该装置操作简单快捷；正反扭转均匀；可以反复扭转测试带材疲劳寿命；试样尺寸范围宽，尤其是长度可以达到250mm，提高了测试样品的有效性；扭转稳定，重复性好，避免了人为因素造成的判定不一致的问题。中国发明专利CN116124691A还公开了一种层状嵌套金属管层间结合强度测试装置及测试方法，该测试装置包括其上形成压缩工位和拉伸工位的万能试验机，压缩工位上设置有承托环和压头，承托环上设有限位支撑待测样管的安置槽，承托环置于测试平台上；压头设置在承托环上方，万能试验机通过压头向待测样管的层间结合面加压，直至待测样管的内管与外管发生错位破环后泄压卸载；拉伸工位上设置有两个夹持件，待测样管的内管和外管分别向两端延伸，各自形成可被夹持件夹持的外管待夹持端、内管待夹持端；万能试验机通过两个夹持件向待测管件施加拉力。本申请提供的测试装置可以对层状嵌套金属管层间结合强度进行准确测试，且测试方法简便可行、高效可靠，非常易于普及推广。中国发明专利CN116397837A还公开了一种非金属复合结构管及其层间结合强度的测试方法，用以解决单一材质扶手管的表面装饰效果、功能性、耐候性较差，双金属复合结构管制造成本高，或复合管层间结合强度难以检测的问题。其包括从内至外依次为紧密结合的基管和外衬覆层管，外衬覆层管为铜、铜合金、铝合金、不锈钢材质中的一种；基管为玻璃钢或尼龙，则基管和外衬覆层管之间设置有胶粘填充层，胶粘填充层为厌氧型结构胶；基管为碳纤维、亚克力与氯化聚氯乙烯三种材质其中之一，则采用注塑成型工艺将基管和外衬覆层管结合，基管为自流平混凝土，则通过灌注工艺与外衬覆层管紧密结合。中国发明专利CN116660143A还公开了一种测量涂层与基体界面结合强度的夹具装置、测试系统及方法，夹具装置包括：上部夹具和平底圆柱销I，其中，上部夹具用于夹持待测样品，平底圆柱销I用于粘结固定待测样品的涂层面；上部夹具包括：圆柱销II、滑动部件、夹持组件和螺钉组件；圆柱销II与滑动部件的上表面垂直、螺纹连接；夹持组件通过螺钉组件滑动固定在滑动部件上，用于夹持待测样品。在拉拔测试机构的拉拔作用下测试待测材料在连接件相对位置处的涂层与基体间结合强度。该夹具装置及方法可减少测试影响因素、保证拉拔时力的方向为法向，提高测试精度与重复性。

但是，上述方法均无法用于检测耐磨复合铸件复合界面的结合强度。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种耐磨复合铸件的制造方法及其复合界面结合强度的检测方法，该制造方法克服了现有复合铸造方法存在的白口铸铁和低碳微合金钢发生元素大量互熔的问题，所得耐磨复合铸件的复合界面结合强度大于500MPa，白口铸铁部分的硬度大于63HRC，为耐磨复合铸件的安全使用提供了保障；此外，本发明提供的复合界面结合强度的检测方法实施便捷、检测效率高、检测成本低廉。

为解决以上技术问题，本发明提供一种耐磨复合铸件的制造方法，包括：

将白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水两种金属液分别浇注至以合金隔板为分隔的铁水型腔和钢水型腔并控制所述合金隔板两侧的金属液面等高、等速上升；待所述金属液凝固，得所述耐磨复合铸件；

其中，所述合金隔板的厚度为3-5mm；所述合金隔板的化学组成及质量分数分别为：C 0.48%-0.68%，Mn 0.75%-0.93%，Si 4.26%-4.55%，Al 8.54%-8.90%，Cr 0.22%-0.39%，P<0.05%，S<0.05%，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明提供的耐磨复合铸件的制造方法，通过在铸型型腔中设置厚度为3-5mm的合金隔板将型腔分为铁水型腔和钢水型腔，此厚度的合金隔板既能保证将白口铸铁和低碳微合金钢实现牢固结合，又不会因隔板太厚而不易完全熔化和熔解；通过控制向铁水型腔和钢水型腔中浇注白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水的金属液面等高、等速上升，能够减小合金隔板两侧的压力差，保证复合铸件具有优异的界面结合强度；本发明中的合金隔板用以阻隔两种金属液混合，且金属隔板会随着与金属液的接触而受热熔化和熔解，当金属液凝固后，白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水即可通过合金隔板实现冶金结合而形成界面结合强度优异的复合铸件，合金隔板将白口铸铁和低碳微合金钢通过冶金结合的方式牢固地结合在一起，并保证白口铸铁原有的耐磨性不受影响。

此外，本发明所用的合金隔板材料中含有较多的固溶强化元素硅和铝，可以使合金隔板具有较高的高温强度，防止其在金属液的直接冲击下发生变形；合金隔板材料中加入较多的硅和铝还可以促进合金隔板的熔化和熔解，确保其在浇注的白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水凝固后能实现完全熔化和熔解，进而确保白口铸铁和低碳微合金钢实现良好的冶金结合。

结合第一方面，所述隔板在使用前依次进行酸洗除锈和在250-350℃下烘干120-150min的前处理，以去除隔板表面和内部的水分。

结合第一方面，所述液面的上升速度为0.8-1.2mm/s。液面的具体上升速度对复合铸件复合界面的质量也会产生影响，具体来说：若液面上升速度过快，则合金隔板与金属液结合处的夹杂物和气体因不易排出而残留在结合部位，影响复合界面的强度；因此，如果适当降低液面的上升速度，那么不仅夹杂物和气体容易排出，而且合金隔板上可能残留的少量氧化物或污染物在高温下也会随液面上升而得以排出，从而使合金隔板的结合面保持洁净，有利于复合界面强度的提高。

结合第一方面，所述制造方法还包括，待所述金属液凝固，对所得复合铸件清砂、打磨、去除浇冒口，得所述耐磨复合铸件。

结合第一方面，对所述耐磨复合铸件进行加热、保温和冷却步骤，具体为：将所述耐磨复合铸件加热至220-260℃并保温12-15h，于加热装置中冷却至150℃以下，再取出空冷至室温。该制造方法仅需将耐磨复合铸件在相对较低的温度下进行回火处理即可得到性能更加优异的耐磨复合铸件，具有节省能源、减轻污染、生产效率高和生产成本低等优势。

结合第一方面，所述白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水通过分别与所述铁水型腔和钢水型腔连通的阶梯式浇注系统进行浇注，所述阶梯式浇注系统的浇口至少为2个，均设置在与所述合金隔板平行且垂直于地面的同一直线上，各个所述浇口沿与型腔底部垂直的方向等间隔排列。

其中，阶梯式浇注系统可以减小金属液对合金隔板的冲击，避免金属液直接冲击合金隔板，同时也使型腔内金属液的温度分布更加均匀。

示例性地，所述阶梯式浇注系统包括3个等间距平行设置的横浇道和1个与横浇道均连通的直浇道，所述横浇道与合金隔板垂直设置，所述直浇道与所属合金隔板平行设置并垂直于型腔底部。

示例性地，所述阶梯式浇注系统包括3个等间距平行设置的横浇道和3个分别与所述横浇道连通并垂直于型腔底部的直浇道。

示例性地，所述阶梯式浇注系统的横浇道沿侧壁的纵向中线等间隔排列。

结合第一方面，所述铁水型腔和钢水型腔的顶部均设有冒口，用以补缩、排气或集渣。

结合第一方面，所述合金隔板与所述型腔的底部垂直。

结合第一方面，所述白口铸铁的化学组成及质量分数分别为：C 3.17%-3.35%， K0.072%-0.095%，Ce 0.025%-0.038%，B 0.82%-0.97%，Ti 1.16%-1.34%，Cr 6.25%-6.43%，N0.26%-0.35%，Si 0.17%-0.42%，Mn 1.66%-1.81%，Zn 0.11%-0.16%， P<0.04%，S<0.03%，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明所用的白口铸铁中含有较多的硼元素和钛元素，硼和钛化合可以生成高硬度TiB₂，在金属基体中均匀分布，可以显著提高白口铸铁的耐磨性；硼和钛还可以与氮结合生成高硬度的BN和TiN，进一步提高白口铸铁的硬度和耐磨性；硼与铁结合可生成高硬度的Fe₂B，钛与碳结合生成高硬度的TiC，这些化合物都可进一步提高白口铸铁的硬度和耐磨性；较多的锰元素可固溶于金属基体，显著提升基体的淬透性。此外，硼、铬、锰和钛元素的综合作用，可以确保铸态下获得高硬度的马氏体基体，使耐磨复合铸件省去了能耗高、工序复杂的淬火热处理工艺，可以显著提升耐磨复合铸件的生产效率；同时，加入0.072%-0.095% K、 0.025%-0.038% Ce和0.11%-0.16% Zn，可以改善高硬度Fe₂B的形态和分布，还具有显著细化凝固组织的效果，进而有利于降低白口铸铁的脆性，确保白口铸铁在实际磨损过程中不发生剥落和开裂。

结合第一方面，所述低碳微合金钢的化学组成及质量分数分别为：C 0.18%-0.24%，Si 0.26%-0.45%，Nb 0.017%-0.028%，Ca 0.024%-0.045%，Mg 0.005%-0.012%，Ti0.042%-0.069%，N 0.008%-0.013%，Mn 1.03%-1.19%，Cr 0.48%-0.63%，P<0.030%，S<0.025%，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明所用的低碳微合金钢中，含有1.03%-1.19% Mn、0.48%-0.63% Cr和0.26%-0.45% Si，这些元素固溶于金属基体中，可以显著提升低碳微合金钢的强度；0.017%-0.028% Nb、0.024%-0.045% Ca、0.005%-0.012% Mg、0.042%-0.069% Ti和0.008%-0.013% N的加入，可以显著细化其凝固组织，减少夹杂物的数量，同时改变夹杂物的形态和分布，显著提高低碳微合金钢的韧性和塑性。

结合第一方面，所述白口铸铁铁水的浇注温度为1478-1491℃，所述低碳微合金钢钢水的浇注温度为1586-1598℃。

本发明的第二方面提供一种用于检测上述耐磨复合铸件中复合界面结合强度的检测方法，所述结合强度用剪切强度衡量，具体检测步骤包括：

将所述耐磨复合铸件打磨至显示出清晰的复合界面，之后切取试样，得到由白口铸铁本体、低碳微合金钢凸台以及将其连接的复合界面组成的凸字形剪切试样；将所述剪切试样的表面打磨至平整光滑后，采用万能试验机或压力试验机对所述剪切试样进行剪切试验，测得剪切强度。

本发明提供的用于检测耐磨复合铸件中复合界面结合强度的检测方法，通过将耐磨复合铸件剪切为特定形状的剪切试样，采用万能试验机或压力试验机即可测得耐磨复合铸件复合界面的结合强度，检测方法实施便捷、检测效率高、成本低廉且结果重复性好。

结合第二方面，进行剪切试验时，以所述白口铸铁本体作为受力部位，以所述低碳微合金钢凸台作为支撑部位。

为减小耐磨复合铸件剪切试样与试验机之间的摩擦力，可在试验机的导向段内侧和剪切试样中凸台的背面涂抹适量润滑脂。

结合第二方面，对于所述剪切试样，所述白口铸铁本体的截面积是所述低碳微合金钢凸台的截面积的3-5倍。

本发明的有益效果在于：本发明通过在型腔中设置具有特定成分和厚度的合金隔板，实现了白口铸铁和低碳微合金钢之间牢固的冶金结合，所得耐磨复合铸件的界面结合强度至少为500MPa，其中用于抗磨部位的白口铸铁的硬度大于63HRC，用于支撑部位的低碳微合金钢的抗拉强度大于800 MPa，冲击韧性α_kv大于18 J/cm²，为耐磨复合铸件的安全使用提供了保障。而且，本发明提供的耐磨复合铸件以廉价的硼、钛为主要合金元素，不含镍、钼、钨、钒等较昂贵的合金元素，成本更加低廉。

将本发明中的耐磨复合铸件用做破碎机锤头和球磨机衬板具有优异的使用效果，破碎机锤头和球磨机衬板的使用寿命比高锰钢产品提高5倍以上；使用本发明提供的耐磨复合铸件提高了对应设备的作业率，减轻了工人的劳动强度，降低了设备的破碎成本，具有显著的经济和社会效益。

附图说明

图1为实施例1中制造耐磨复合铸件时所用型腔的示意图；

图2为实施例2检测复合界面结合强度时凸字形剪切试样的主视图；

图3为实施例2检测复合界面结合强度时凸字形剪切试样的侧视图；

图4为实施例2检测复合界面结合强度时的工作装置示意图；

其中，1-铁水阶梯式浇注系统，2-铸型，3-铁水型腔冒口，4-铁水型腔，5-合金隔板，6-钢水型腔冒口，7-钢水型腔，8-钢水阶梯式浇注系统；10-低碳微合金钢凸台，20-复合界面，30-白口铸铁本体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施

例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有复合铸造方法存在白口铸铁和低碳微合金钢发生元素的大量互熔，显著降低复合界面结合强度和白口铸铁的硬度及耐磨性的难题，本发明提出采用加入隔板及控制隔板的材料组成和隔板厚度的方法，通过浇注完成隔板熔化实现耐磨复合铸件牢固的冶金结合，并提供一种复合界面结合强度检测方法。

实施例1：

本实施例提供一种耐磨复合铸件的制造方法，具体包括：

（1）采用两台1000公斤中频感应电炉分别熔炼白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水，白口铸铁铁水的化学组成及质量分数为：3.17% C， 0.095% K， 0.025% Ce， 0.97% B，1.16% Ti，6.43% Cr，0.26% N，0.42% Si，1.66% Mn，0.16% Zn，0.036% P，0.025% S，余量为Fe及不可避免的杂质；低碳微合金钢钢水的化学组成及质量分数分别为：0.24% C，0.26%Si，0.028% Nb，0.024% Ca，0.012% Mg，0.042% Ti，0.013% N，1.03% Mn，0.63% Cr， 0.026%P，0.017% S，余量为Fe及不可避免的杂质；

（2）将铸型在水平位置造型，浇注时将型腔翻转90^o进行立式浇注；将3mm厚的合金隔板5采用20%v/v硫酸溶液酸洗除锈后在250℃下烘干150min，之后固定在型腔中并将型腔分隔开得到铁水型腔4和钢水型腔7，并在铁水型腔4和钢水型腔7的顶部和距合金隔板最远的侧壁分别设置铁水型腔冒口3、铁水阶梯式浇注系统1和钢水型腔冒口6、钢水阶梯式浇注系统8，其中阶梯式浇注系统均包括1个直浇道和3个横浇道，直浇道与型腔底部垂直，横浇道与型腔底部平行且沿所在侧壁的中线纵向等间隔排列，直浇道与每个横浇道均连通；合金隔板的化学组成及质量分数为：0.48% C，0.93% Mn，4.26% Si，8.90% Al，0.22% Cr，0.037% P，0.044% S，余量为Fe及不可避免的杂质；

（3）将白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水分别通过型腔两侧的铁水阶梯式浇注系统1钢水阶梯式浇注系统8同时分别浇入铁水型腔4和钢水型腔7，其中白口铸铁铁水的浇注温度为1478℃，低碳微合金钢钢水的浇注温度为1598℃；白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水的液面在铸型型腔中的上升速度控制在0.8-1.2 mm/s的范围内；

浇注时所用型腔的示意图如图1所示。

（4）当白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水凝固后，开箱取出铸件，清砂打磨并去除浇冒口，获得耐磨复合铸件；将耐磨复合铸件入炉加热至220℃，保温15小时，待炉温低于150℃，出炉空冷至室温，即可获得性能优异的耐磨复合铸件。

实施例2：

本实施例提供一种耐磨复合铸件的制造方法，具体包括：

（1）采用两台3000公斤中频感应电炉分别熔炼白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水，白口铸铁铁水的化学组成及质量分数为：3.35% C， 0.072% K， 0.038% Ce， 0.82% B，1.34% Ti，6.25% Cr，0.35% N，0.17% Si，1.81% Mn，0.11% Zn，0.031% P，0.024% S，余量为Fe及不可避免的杂质；低碳微合金钢钢水的化学组成及质量分数分别为：0.18% C，0.45%Si，0.017% Nb，0.045% Ca，0.005% Mg，0.069% Ti，0.008% N，1.19% Mn，0.48% Cr， 0.022%P，0.021% S，余量为Fe及不可避免的杂质；

（2）铸型在水平位置造型，浇注时将型腔翻转90^o进行立式浇注；将5mm厚的合金隔板采用20%v/v硝酸溶液酸洗除锈后在350℃下烘干120min，之后固定在型腔中并将型腔分隔开得到铁水型腔和钢水型腔，并在铁水型腔和钢水型腔的顶部和距合金隔板最远的侧壁分别设置铁水型腔冒口、铁水阶梯式浇注系统和钢水型腔冒口、钢水阶梯式浇注系统，其中阶梯式浇注系统包括各自平行的3个直浇道和3个横浇道，横浇道与型腔底部平行且沿所在侧壁的中线纵向等间隔排列，直浇道和横浇道分别一一对应相连通；合金隔板的化学组成及质量分数为：0.68% C，0.75% Mn，4.55% Si，8.54% Al，0.39% Cr，0.048% P，0.043% S，余量为Fe及不可避免的杂质；

（3）将白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水分别通过型腔两侧的铁水阶梯式浇注系统和钢水阶梯式浇注系统分别同时浇入铁水型腔和钢水型腔，其中白口铸铁铁水的浇注温度为1491℃，低碳微合金钢钢水的浇注温度为1586℃；白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水的液面在铸型型腔中的上升速度控制在0.8-1.2 mm/s的范围内；

（4）当白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水凝固后，开箱取出铸件，清砂打磨并去除浇冒口，获得耐磨复合铸件；将耐磨复合铸件入炉加热至260℃，保温12小时，待炉温低于150℃，出炉空冷至室温，即可获得性能优异的耐磨复合铸件。

实施例3：

本实施例提供一种耐磨复合铸件的制造方法，具体包括：

（1）采用两台2000公斤中频感应电炉分别熔炼白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水，白口铸铁铁水的化学组成及质量分数为：3.31% C， 0.088% K， 0.029% Ce， 0.85% B，1.25% Ti，6.36% Cr，0.28% N，0.27% Si，1.75% Mn，0.14% Zn，0.028% P，0.024% S，余量为Fe及不可避免的杂质；低碳微合金钢钢水的化学组成及质量分数分别为：0.21% C，0.38%Si，0.024% Nb，0.036% Ca，0.009% Mg，0.057% Ti，0.009% N，1.14% Mn，0.56% Cr， 0.025%P，0.021% S，余量为Fe及不可避免的杂质；

（2）铸型在水平位置造型，浇注时将型腔翻转90^o进行立式浇注；将4mm厚的合金隔板采用20%v/v硫酸溶液酸洗除锈后在290℃下烘干140min，之后固定在型腔中并将型腔分隔开得到铁水型腔和钢水型腔，并在铁水型腔和钢水型腔的顶部和距合金隔板最远的侧壁分别设置铁水型腔冒口、铁水阶梯式浇注系统和钢水型腔冒口、钢水阶梯式浇注系统，其中阶梯式浇注系统的构造与实施例1中的构造相同；合金隔板的化学组成及质量分数为：0.53% C，0.82% Mn，4.48% Si，8.77% Al，0.28% Cr，0.041% P，0.036% S，余量为Fe及不可避免的杂质；

（3）将白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水分别通过型腔两侧的铁水阶梯式浇注系统和钢水阶梯式浇注系统同时分别浇入铁水型腔和钢水型腔，其中白口铸铁铁水的浇注温度为1483℃，低碳微合金钢钢水的浇注温度为1589℃；白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水的液面在铸型型腔中的上升速度控制在0.8-1.2 mm/s的范围内；

（4）当白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水凝固后，开箱取出铸件，清砂打磨并去除浇冒口，获得耐磨复合铸件；将耐磨复合铸件入炉加热至240℃，保温13小时，待炉温低于150℃，出炉空冷至室温，即可获得性能优异的耐磨复合铸件。

实施例4：

本实施例提供一种复合界面结合强度的检测方法，用于检测实施例1所得耐磨复合铸件中复合界面的结合强度，结合强度用剪切强度衡量，具体检测步骤包括：

将所得耐磨复合铸件打磨至显示出清晰的复合界面，之后采用线切割机切取试样，得到由白口铸铁本体、低碳微合金钢凸台以及将其连接的复合界面组成的凸字形剪切试样，其中白口铸铁本体的截面积是低碳微合金钢凸台的截面积的4倍，所得凸字形剪切试样的主视图、侧视图分别如图2、图3所示（白口铸铁本体的尺寸规格为20mm×10mm×20mm，低碳微合金钢凸台的尺寸规格为5mm×10mm×5mm，其中尺寸规格分别对应以主视图为视角的白口铸铁本体和低碳微合金钢凸台的长×宽×高）；将剪切试样的表面打磨至平整光滑后，为减小耐磨复合铸件剪切试样与试验机之间的摩擦力，在试验机的导向段内侧和剪切试样中凸台的背面涂抹适量润滑脂，之后采用万能试验机或压力试验机对剪切试样进行剪切试验（如图4所示），测试剪切强度，结果如表1所示。

实施例5：

本实施例提供一种复合界面结合强度的检测方法，用于检测该实施例2所得耐磨复合铸件中复合界面的结合强度，结合强度用剪切强度衡量，具体检测步骤包括：

将所得耐磨复合铸件打磨至显示出清晰的复合界面，之后采用线切割机切取试样，得到由白口铸铁本体30、低碳微合金钢凸台10以及将其连接的复合界面20组成的凸字形剪切试样，其中白口铸铁本体30的截面积是低碳微合金钢凸台10的截面积的3倍；将剪切试样的表面打磨至平整光滑后，为减小耐磨复合铸件剪切试样与试验机之间的摩擦力，在试验机的导向段内侧和剪切试样中凸台的背面涂抹适量润滑脂，之后采用万能试验机或压力试验机对剪切试样进行剪切试验，测试剪切强度，结果如表1所示。

实施例6：

本实施例提供一种复合界面结合强度的检测方法，用于检测该实施例3所得耐磨复合铸件中复合界面的结合强度，结合强度用剪切强度衡量，具体检测步骤包括：

将所得耐磨复合铸件打磨至显示出清晰的复合界面，之后采用线切割机切取试样，得到由白口铸铁本体、低碳微合金钢凸台以及将其连接的复合界面组成的凸字形剪切试样，其中白口铸铁本体的截面积是低碳微合金钢凸台的截面积的5倍；将剪切试样的表面打磨至平整光滑后，为减小耐磨复合铸件剪切试样与试验机之间的摩擦力，在试验机的导向段内侧和剪切试样中凸台的背面涂抹适量润滑脂，之后采用万能试验机或压力试验机对剪切试样进行剪切试验，测试剪切强度，结果如表1所示。

检验例1

分别对实施例1~3所得耐磨复合铸件抗磨部位的硬度测试、支撑部位的抗拉强度和冲击韧性测试，结果如表1所示。

表1 实施例1~3所得耐磨复合铸件的综合性能测试

由表1中的数据可知，按照本发明提供的制造方法制得的耐磨复合铸件，白口铸铁和低碳微合金刚之间的结合强度均在500MPa以上，抗磨部位（白口铸铁）的硬度均大于63HRC，支撑部位（低碳微合金钢）的抗拉强度均大于800 MPa，冲击韧性α_kv均大于18 J/cm²。将其用做破碎机锤头和球磨机衬板具有优异的使用效果，使用寿命比高锰钢产品提高5倍以上。使用本发明制得的耐磨复合铸件还可以提高设备作业率，减轻工人劳动强度，降低物料破碎成本，具有显著的经济和社会效益。

以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种耐磨复合铸件的制造方法，其特征在于，包括：将白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水两种金属液分别浇注至以合金隔板为分隔的铁水型腔和钢水型腔并控制所述合金隔板两侧的金属液面等高、等速上升；所述合金隔板随着与金属液的接触而受热熔化和熔解，待所述金属液凝固，得所述耐磨复合铸件；

其中，所述合金隔板的厚度为3-5mm，化学组成及质量分数分别为：C 0.48%-0.68%，Mn0.75%-0.93%，Si 4.26%-4.55%，Al 8.54%-8.90%，Cr 0.22%-0.39%，P <0.05%，S <0.05%，余量为Fe及不可避免的杂质；

所述液面的上升速度为0.8-1.2mm/s；

所述白口铸铁的化学组成及质量分数分别为：C 3.17%-3.35%， K 0.072%-0.095%，Ce0.025%-0.038%，B 0.82%-0.97%，Ti 1.16%-1.34%，Cr 6.25%-6.43%，N 0.26%-0.35%，Si0.17%-0.42%，Mn 1.66%-1.81%，Zn 0.11%-0.16%， P <0.04%，S <0.03%，余量为Fe及不可避免的杂质；

所述低碳微合金钢的化学组成及质量分数分别为：C 0.18%-0.24%，Si 0.26%-0.45%，Nb 0.017%-0.028%，Ca 0.024%-0.045%，Mg 0.005%-0.012%，Ti 0.042%-0.069%，N 0.008%-0.013%，Mn 1.03%-1.19%，Cr 0.48%-0.63%，P <0.030%，S <0.025%，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的耐磨复合铸件的制造方法，其特征在于，所述合金隔板在使用前依次进行酸洗除锈和在250-350℃下烘干120-150min的前处理。

3.如权利要求1所述的耐磨复合铸件的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括，待所述金属液凝固，对所得复合铸件清砂、打磨、去除浇冒口，得所述耐磨复合铸件。

4.如权利要求1所述的耐磨复合铸件的制造方法，其特征在于，对所述耐磨复合铸件进行加热、保温和冷却步骤，具体为：将所述耐磨复合铸件加热至220-260℃并保温12-15h，于加热装置中冷却至150℃以下，再取出空冷至室温。

5.如权利要求1所述的耐磨复合铸件的制造方法，其特征在于，所述白口铸铁铁水和低碳微合金钢钢水通过分别与所述铁水型腔和钢水型腔连通的阶梯式浇注系统进行浇注，所述阶梯式浇注系统的浇口至少为2个，均设置在与所述合金隔板平行且垂直于地面的同一直线上，各个所述浇口沿与所述铁水型腔和钢水型腔底部垂直的方向等间隔排列；

所述铁水型腔和钢水型腔的顶部均设有冒口；

所述合金隔板与所述铁水型腔和钢水型腔的底部垂直。

6.如权利要求1所述的耐磨复合铸件的制造方法，其特征在于，所述白口铸铁铁水的浇注温度为1478-1491℃，所述低碳微合金钢钢水的浇注温度为1586-1598℃。