（材料加工工程专业论文）高铬铸铁中碳钢复合材料界面研究与温度场数值模拟.pdf

郑州大学工学硕士论文 摘要 随着工业的发展，对金属材料不同部位的性能需要逐渐提高，尤其是对材料 的耐磨性能和耐蚀性能提出了特别的要求。但一种材料同时具有高韧性和高硬度 这两种性能在实际生产中是非常难以达到的，为此采用复合铸造工艺进行生产。 复合双金属材料通过表面材料与基材的合理组合能在零件不同部位提供不同性 能。本文采用了复合铸造工艺制备了高铬铸铁/ 中碳钢复合锤头，测定了复合材料 的界面结合性能，重点讨论了工艺参数对复合界面结合强度、显微组织及力学性 能的影响情况。同时在对复合金属凝固过程中的传热行为进行全面分析的基础上， 建立了合理的数学模型，采用有限单元法对复合金属凝固过程的温度场进行了数 值模拟，提出了优化的工艺参数。 双金属复合锤头使用在容易磨损的工况，所以总希望外层材料表面抗磨能力 强。选用的外材高铬铸铁具有高的硬度，抗磨性.良好的流动性，通过化学成分 的 选择和热处理工艺的控制来获得高耐磨性能，中碳钢是一种韧性好的材料，不 同的热处理工艺对它性能的影响较小。选用这两种材料的复合加上优化的工艺条 件可以实现两种金属冶金结合。高铬铸铁和中碳钢的体积比值是非常重要的因素， 在给定了高铬铸铁的浇注温度和中碳钢的预热温度的前提下计算出两者冶金结合 的最小体积比是非常重要的。浇注高铬铸铁前，要对中碳钢表面采用硼砂处理， 同时预热到一定的温度。选择适当的体积比和预热中碳钢后进行高铬铸铁的浇注 将会使复合界面结合力增强，复合材料的使用效果越好.但是高铬铸铁浇注温度 过高， 会造成生产成本的浪费， 所以 合适的高铬铸铁浇注温度是很重要的。高铬 铸铁导热率低，凝固过程表面和内部会出现较陡峭的温度梯度，为了避免热应力 产生，淬火过程包括加热、在奥氏体化温度下进行脱稳处理、冷却三个步骤。 对在不同工艺条件下两种材料复合情况的研究表明:高铬铸铁/ 中碳钢复合材 料的界面性能取决于界面结合力与其基体力学性能，然而不同的工艺参数对界面 结合力有很大的影响。这些影响可以体现在不同条件下观察到的金相组织和测试 的界面剥离强度、剪切强度的数值上。 对试样的金相组织进行研究表明:高铬铸铁在冷却的过程中将过热热量带给 了中碳钢，随着工艺参数的优化，界面原子通过相对迁移可以使界面由机械结合 方式向冶金结合方式过渡，界面结合增强，复合层呈犬齿状为结合的最好。高铬 铸铁主要是抗磨骨架相的m ,g型碳化物， 呈不连续的条块状， 基体为奥氏体、 马氏 一r - 郑州大学工学硕士论文 三巴巴巴巴竺巴巴巴巴巴竺巴竺巴巴 体及合金碳化物。高铬铸铁凝固的方向性层可以分为两个部分:位于离中碳钢 较近的部分，由于其的激冷作用较强而导致了高铬铸铁随机取向晶粒的形成; 远离结合线的区域，由于中碳钢的影响较小，在此处就形成了稳定的温度梯度， 导致了晶粒的生长表现出了方向性。 对试样的力学性能的分析表明:减少高铬铸铁和中碳钢的温度差可以更好的 获得优良的界面结合。适当的提高高铬铸铁的浇注温度和中碳钢的预热温度 以及 增加高铬铸铁冲 碳钢的体积比是增强界面结合力学性能的关键。但是也存在临界 值，高铬铸铁的温度过高后会导致金属在凝固过程晶粒的粗大。显微硬度测试表 明，机械结合的界面会有脆性相的生成;剪切强度测试表明，提高体积比可以明 显提高界面结合强度，但也会明显降低复合材料的整体强韧性。增加高铬铸铁的 浇注温度既可以提高界面结合强度，提高了原子扩散能力，又不会降低复合材料 的整体强韧性;剥离强度测试表明，冶金结合的界面不容易形成空洞而影响界面 的结合性能 界面结合与金属凝固过程温度场模拟综合考虑了双金属复合热流施加、材料 传热、材料相变等多方面的特点，建立了对双金属复合过程界面温度和非稳态温 度场的数学模型，并利用有限单元法对此进行了分析和推导。采用 c 什语言，编 写了界面温度和复合过程温度场计算程序，同时模型的建立采用了o p e n g l的技 术， 加上c + + b u i l d e r友好的人机交互界面及计算数据后处理程序。 利用图形直 观的反应温度变化过程，同时实现了 保存数据和图形的功能。 对高铬铸铁/ 中碳钢复合材料在不同工艺参数下的温度场进行了模拟，对优化 后的工艺参数下得到的试样和一般工艺参数下得到的试样进行了对比实验，结果 表明优化工艺参数前生产的复合锤头在使用一个月后出现了细小的裂纹，而优化 工艺参数后生产的复合锤头在使用数月后只有表面有小的磨损。在界面结合部位 没有发现裂纹，这证实了所写软件对双金属复合前工艺参数的优化有很好的指导 作用，对工厂提高产品质量，减少废品率，增加经济效益有重要作用。 关键词高铬铸铁/ 中碳钢，界面 ，温度场，数值模拟 郑州大学工学硕士论文 ab s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f i n d u s t ry , t h e re a r e m a n y i n c r e a s i n g d e m a n d s t o d i ff e r e n t p a rt s o f m e t a l m a t e r i a ls , e s p e c i a l l y t o w e a r r e s i s t a n c e a n d c o r r o s i v e re s i s t a n c e . h o w e v e r , i t i s d i ff i c u l t f o r a k i n d o f m a t e r i a l t o h a v e h i g h t o u g h n e s s a n d h a r d n e s s o n a c t u a l c o n d i t i o n , s o c o m p o u n d i n g c a s t i n g o f t e n i s u s e d . b i m e t a l s u p p o rt s v a r i o u s p r o p e r ti e s i n e v e ry p a rt t h r o u g h s o u n d c o m b i n a t i o n b e t w e e n o u t e r - m a t e r i a l a n d i n n e r - m a t e r i a l . t h i s p a p e r i n t r o d u c e s t o u s e c o m p o u n d in g c a s t p r o c e s s e s f o r m a k i n g a k i n d o f c o m p o s it e , w h i c h i s m a k e u p o f h i g h c h r o m e c a s t i r o n a n d m i d - c a r b o n s t e e l , t e s t s t h e c a p a b i l i t ie s o f i n t e r f a c e s a n d e m p h a s i z e s o n d i s c u s s i n g t h e c o m p o u n d i n g - s t r e n g t h , m i c r o s t r u c t u r e s a n d m e c h a n i c s p e r f o r m a n c e s . a t t h e s a m e ti m e , w i t h t h e b a s e o f t h e w h o l e a n a l y s i s o f h e a t b e h a v i o r s in t h e p r o c e s s o f b i m e t a l c o m p o u n d i n g , a r e as o n a b l e m a t h e m a t i c s m o d e l i s b u i l t a n d u s e d t h e f e m t o c a l c u l a t e t e m p e r a t u r e f i e l d i n t h e p r o c e s s . t h e c h o s e n o u t e r - m a t e r i a l , h i g h c h r o m e c as t i n g i r o n , i s o f h i g h h a r d n e s s , w e a r - re s i s t a n c e a n d e x c e l l e n t fl u i d n e s s , a n d m i d d l e c a r b o n s t e e l i s a k i n d o f m a t e r i a l w it h g o o d t o u g h n e s s , a t t h e s a m e t i m e ， d i ff e r e n t k i n d s o f h e a t t r e a t s h a v e a l i tt l e e ff e c t o n i t s p r o p e rt ie s . t h e v o l u m e s r a t e s b e t w e e n h i g h c h ro m e c a s t in g i r o n a n d m i d d l e c a r b o n s t e e l is a n i m p o r ta n t e ff e c t , s o i t i s v e ry n e c e s s a ry t o c a l c u l a t e t h e c r i ti c a l v o l u m e s r a t e s w h e n t h e c as t i n g t e m p e r a t u r e o f h i g h c h r o m e c a s t i n g ir o n a n d m i d d l e c a r b o n s t e e l i s k n o w n . b e f o re c as ti n g h i g h c h ro m e c as ti n g i r o n , it i s b e tt e r t o c o a t b o r a x o n t h e m i d d l e c a r b o n s t e e l a n d g i v e m i d d l e c a r b o n s t e e l a p r e d i c t i n g t e m p e r a t u r e . b u t i f t h e h i g h c h r o m e c a s t in g i r o n s c a s ti n g t e m p e r a t u r e i s t o o h i g h , s o m e b e n e fi c i a l e l e m e n t s w i ll b e d a m a g e d . i n a re s u l t , th e r e i s a n o p p o r t u n e r a n g e o f c a s t i n g t e m p e r a t u r e . f r o m t h e re s e a r c h a b o u t d i ff e r e n t p ro c e s s e s ， w e c a n c o n c l u d e : t h e c a p a b i li t y o f h i g h c h ro m e c a s t ir o n a n d m i d - c a r b o n s t e e l s in t e r f a c e i s d e c i d e d勿 t h e i n t e r f a c e b i n d in g s t re n g t h . t h e s e e ff e c ts c a n b e d i s p l a y e d b y t h e m i c ro s t r u c t u r e a n d v a l u e s o f i n t e r f a c e s c o m b i n a t i v e s t r e n g t h e n a n d c u tt i n g s tr e n g t h e n . f r o m t h e r e s e a r c h o f m i c r o s t r u c t u r e s ， w e c a n c o n c l u d e : o v e r h e a t w h i c h r e l e as e s f r o m h i g h c h r o m e c a s ti n g ir o n i s g i v e n而d d l e c a r b o n s t e e l . wi t h t h e o p t i m a l p a r a m e t e r s , t h e b i n d i n g m e t h o d c h a n g e s fr o m m e c h a n i c a l b i n d i n g t o m e t a l l u r g y b i n d in g , a n d i t i s b e s t t o g a i n a c o m p o s i t e l a y e r w i t h t h e s h a p e o f d e n t a t i o n . t h e m a i n s tr e n g th p h a s e o f h i g h c h r o m e c a s t in g i ro n i s m 7 c 3 c a r b id e , w h i c h i s d i s c o n t i n u o u s s h a p e . t h e i i i 郑州大学工学硕士论文 s o l i d i 尔n g d i r e c t i o n h a s t w o p a rt s : t o n e i s t h e n e a r e s t p a r t o f i n t e r f a c e , w h i c h h a s r a n d o m d i r e c t i o n s o f g r a i n s b e c a u s e o f s h a r p t e m p e r a t u r e g r a d i e n t ; a n o t h e r i s p a rt f a r fr o m i n t e r f a c e , w h i c h h a s s t a b l e t e m p e r a tu r e g r a d i e n t . f r o m t h e r e s e a r c h o f m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s , w e c a n c o n c l u d e: d e c r e a s i n g t h e t e m p e r a t u r e d i ff e r e n c e b e t w e e n t h e s e t w o m a t e r i a l s i s g o o d t o g a i n a n e x c e l l e n t i n t e r f a c e c o m p o u n d i n g . t h e k e y s o f a d d i n g i n t e r f a c e m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s a r e t o i n c r e a s e h i g h c h r o m e c a s t i n g i r o n a n d m i d d l e c a r b o n s t e e l s t e m p e r a t u r e p r o p e r l y a n d t h e v o l u m e s r a t e . b u t t h e v a l u e i s a c r it i c a l v a l u e , o t h e r w i s e t h e g r a in w i l l g r o w s h a r p l y . mi c r o - h a r d n e s s t e s t i n g d e d i c a t e s t h a t i n t e r f a c e o f m e c h a n i c a l b i n d i n g h a s b r i tt l e p h a s e ; c u tt i n g s t r e n g th t e s t i n g d e d i c a t e s t h a t i n c r e a s i n g v o l u m e s r a t e s w i l l b e n e fi t t h e b in d i n g s t r e n g t h o f i n t e r f a c e , b u t a t t h e s a m e t i n e , t h e w h o l e t e n a c i o u s p e r f o r m a n c e w i l l d e c r e a s e ; p e e l in g s t r e n g t h t e s t i n g d e d i c a t e d t h a t in t e r f a c e o f m e t a l l u r g y b i n d in g i s n o t s o e a s y t o h a v e c a v i t i e s . a b o u t t h e c a l c u l a t i o n o f i n t e r f a c e a n d t e m p e r a tu r e f i e l d , t h i s p a p e r c o n s i d e r s t h e a d d o f h e a t d u r i n g t h e p e r i o d o f b im e t a l b i n d i n g ,m a t e r i a l h e a t tr a n s f o r m i n g a n d m a t e r i a l p h a s e c h a n g i n g . a m o d e l o f u n s t a b l e t e m p e r a t u r e f i e l d a n d i n t e r f a c e t e m p e r a t u r e i s b u i l t , w h a t s m o r e , u s e d f e m t o a n a l y z e a n d c o n f e r . u s i n g c + + , a p r o g r a m a b o u t c a l c u l a t i n g i n t e r f a c e t e m p e r a t u r e a n d t e m p e r a t u r e fi e l d i s d e v e l o p e d , a t t h e s a m e t i m e o p e n g l i s u s e d i n th i s p r o g r a m . w i t h t h e fr i e n d l y v is u a l w i n d o w s , t h i s p r o g r a m c a n r e a l i z e p i c t u r e s d i s p l a y . t h r o u g h t h e s i m u l a t i o n a b o u t h i g h c h r o m e i r o n c a s t a n d m i d - c a r b o n s t e e l , w e c a n c o n c l u d e t h a t t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s a lm o s t m a t c h t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s . s o ,w e c a n u s e s o f t w a r e t o p r e d i c t t h e t e c h n i q u e p a r a m e t e r s a n d b i n d i n g r e s u l t s . k e y w o r d s h i g h c h r o m e c a s t i r o n a n d m i d - c a r b o n s t e e l ， in t e r f a c e , t e m p e r a t u r e fi e l d . s i mu l a t i o n 郑州大学工学硕士论文 第 1 章 绪论 1 . 1 研究意义 只要有物体间的相对运动，就会产生物体的表面磨损。磨损的主 要方式是磨料磨损、粘着磨损、冲蚀磨损、微震磨损和腐蚀磨损，其 中以磨料磨损所造成的经济损失非常严重，占磨损所造成总的经济损 失 5 0 %以上，根据我国近年的不完全统计，冶金矿山、建材、电力、 煤炭、农机等五个部门，钢材备件与土沙、矿石、水泥、煤炭等物料 接触过程中所造成的磨料磨损磨耗了2 0 0 万吨的钢材备件， 价值在 4 0 亿以上，这些损失如果利用现代科学技术完全可以降低这些经济损失 i 1 本课题正是根据实际生产中存在的一些问题而提出的.生产的发 展对材料的要求日益提高，单一材料的零件无法满足生产过程中多方 面的要求， 在实际生产中， 对于某些部件常要求材料既有 良好的韧性， 以抵抗物料在工作过程中所受的冲击作用，防止部件发生意外断裂， 同时又要求其具有高的强度及良好的耐磨性能，以保证部件的使用寿 命和降低经济损失。但一种材料同时具有高韧性和高硬度这两种性能 在实际生产中是非常难以达到的，为此常采用复合铸造工艺进行 生 产。复合双金属材料能在零件不同部位提供不同性能，通过表面材料 与芯部材料的合理组合。可以使材料获得所需的冶金性能 2 】 。双金属 复合铸件不仅同时拥有良好的力学性能和高的使用寿命，而且适用面 广、 成本低廉。 目前常用的复合铸造工艺分为液一液和液一固两大类， 其中又因液一固复合铸造几乎不受铸件形状的影响和制造工艺简单， 因此越来越受到人们的重视3 1 双金属复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学、 力学性能不同的金属在界面上实现牢固的冶金结合而制备的一种新 型材料。尽管各层金属仍然保持各自原有的特性，但其物理、化学、 力学性能比单一金属要优越得多。精心地选择不同的金属及适当的复 合工艺，能极大地改善材料的断裂韧性、冲击韧性、抗磨损、抗腐蚀 以及热、电等许多性能，对某些脆性材料还能通过与塑性材料的复合 1- 郑州大学工学硕士论文 性巴巴竺生生竺竺巴巴巴巴巴三里里 来克服其变形能力差的缺点 4 ,5 使用双金属复合材料的推动力是由于它们可以降低成本、改善材 料性能以及合理地使用材料的优点 6 1 。工业生产的迅速发展以及对材 料不同部位性能的需要，使得在很多情况下需要使用双金属复合材 料。例如在破碎矿石等难加工的原料时，需要破碎的零件需要有很强 的耐磨性能，同时还需要有一定的韧性，而单一的材料不可能同时满 足这两个条件 。因此双金属复合材料的使用提 高 了零件 的寿命 ，减 少 了零件的成本川。在其他很多方面，双金属复合材料也有很广阔的应 用前景 。 早在八十年代中期，我国就已经用爆炸焊接法和铸造的方法生产 了双金属复合零件，应用于多种恶劣或者特殊要求的工况1 8 1 。双金属 复合铸件不仅同时拥有 良好的力学性能和高的使用寿命，而且适用面 广，生产成本低廉 ，目前常用的复合铸造工艺分 为液一 液和液一 固两大 类。其中，又因为液一 固复合铸造几乎不受铸件形状的限制和制造工 艺简单，而越来越受到人们的重视 9 随着工艺过程和双金属复合材 料选择的优化，通过双金属复合制造的零件有了更广泛的应用。除常 见的带镶嵌件的有色金属压铸件外，球磨机衬板，破碎机反击锤等黑 色抗磨零部件也开始采用复合铸造工艺生产 1 0 。 但令人遗憾的是， 液 一 固复合铸造的复合工艺至今仍在凭经验，靠试验，基本无理论可循， 此状况易造成铸件一次性成品率低，其后果则可导致该项技术推广使 用 困难 。 随着科学技术和现代工业的发展，材料在制备和生产中也提出了 新的要求，产品的一次性成品率需要不断的提高。双金属复合铸造可 以显著提高材料的表面性能，同时保证芯部材料原有的性能，在复合 铸造的过程中，基材表面温度将上升到相变点或者熔点以上，并产生 一系列物理或化学的现象 i 1 。 事实上， 双金属复合处理将朝着自动化 和智能化发展。对复合过程金属界面的预测以及温度场的计算是热处 理智能化发展的重要方向，金属复合过程中数学模型的建立和计算机 模拟是开发高度知识密集型的双金属复合技术的关键。双金属复合过 程的数值模拟，求解复合过程中各处温度的分布，通过对大量不同工 艺参数的工况进行模拟，进而为优化设计工艺参数提供依据。自计算 机问世以来，计算机数值模拟得到了迅速的发展，这为双金属复合技 术的数值模拟提供 了物质和技术支持。 郑州大学工学硕士论文 1 . 2双金属复合材料界面、温度场研究现状与存在 的问题 界面是复合材料特有的而且是极其重要的组成部分，双金属复合 材料的性能与界面性质密切相关。由于界面的原子结构、化学成分和 原子键合不同于界面两侧的基体，界面的性质与界面两侧有很大的区 别，而且在界面上更容易发生化学反应，所以界面对层状复合材料的 性能起着极其重要的作用, 1 : 1 。因此，只有深入了解界面的几何特征、 化学键合、界面结构、界面的化学缺陷与结构缺陷、界面稳定性与界 面反应极其影响因素，才能在更深的层次上理解界面与材料性能之间 的关系，进一步达到利用界面工程发展新型高性能复合材料的目的。 与化学复合相比， 金属复合能量较高， 结合表面没有 自清洁作用， 界面情况更为复杂。到目前为止，主要有下列几种比较典型的金属复 合机制模型 : ( 1 )金属键理论 1 9 5 4 年， b u r t o n 提出了金属键理论， 他认为实现结合的要求是使 两种金属的原子足够接近，以达到原子间相互吸引力发挥作用的程 度。金属键理论没有考虑到材料的性能以及温度变化时原子能量状态 等因素。实验己证明，两种结合金属的结晶方向对相互结合都又较大 的影响。 ( 2 )能量理论 1 9 5 8 年又西米奥洛夫提出， 认为结合面接近到晶格尺寸参数的数 量级时，只有原子所含能力达到一定水平 ( 这一能量水乎称为该种金 属结合的最低能量水平)才能结合，该理论运用了激活状态的概念， 从能量角度来解释结合过程。 ( 3 )扩散理论 扩散理论有卡扎柯夫于 7 0年代提出，该理论认为结合金属在扩 散温度作用下，在结合区域存在一层很薄的扩散区，由于扩散区的存 在而形成牢固的结合，根据扩散理论推断，如果增加扩散区的厚度， 应能提高结合强度，但事实并非如此，扩散过程是在结合已经形成才 发生的，因此，扩散理论也没有对结合过程本身进行论证。 ( 4 ) b o r i s o v 机理 b o r i s o v机理 是以众 多模型 为基础 ，这 些模型是建立 在传热 、传 质、对流及热力学、动力学的基础上的，可对双金属复合过程中的凝 固组织与缺陷 ( 宏观凝固组织、微观凝固组织、强化相的分布、相结 构、组织均匀性、偏析、缩松、夹杂、裂纹等) 、结晶状态及晶体结 。 3. 郑州大学工学硕士论文 构缺陷做出预测。自 u h l ma n n e t a l 对金属凝固的早期研究以来 ，固液 界面溶解微粒的相互作用 己经成为众多理论研 究的课题 。毫无疑 问， 双金属复合过程中的冶金过程有着重要的作用，在许多场合完全决定 了金属结合后固态合金的物理和机械性能。有时，依靠 s t e f a n的热扩 散模型可以描述金属凝固的结晶过程。然而，在双金属复合过程中， 液态金属与固态金属结合中有一个过冷的过程 。这样，在前面生长的 部分金属就会形成不稳定的形态，这种不稳定形态就在固液区形成了 一种模糊区( m u s h y r e g i o n ) 。 早期由于过冷的影响大在模糊区产生不稳 定凝固。因此，总的来说，经过一段时间，复合层可 以分为三个区域: 固态区、 模糊区、 液态区。如果凝固潜热和过冷度可以互相抵消的话， 模糊区也可以叫做准平衡区( q u a s i e q u i i u b r i u m ) i l o 金属元素的扩散是层状金属复合材料界面研究的重要 内容，随着 界面层各元素在一定温度与时间下的扩散，界面将发生一系列的物理 与化学变化，从而对复合材料的性质产生重大影响，对复合后材料性 能与结合寿命产生重大作用的界面层组织结构已成为研究的热点 1 5 . 1 6 . 1 7 1 数学物理模型建立以及相应计算方法的选择是温度场数值模拟 需首先解决的问题，数学模型是基本规律的反映，是对复合金属温度 变化过程本质的揭示，数值模拟的成功与否，精度如何，首先决定于 数学模型对模拟对象的概况表达程度。其次，这种模型在数学表达上 必须比较简单，使得在解题过程中容易求解。 建立了模拟对象的数学模型后，还要选择相应的数值计算方法 ， 金属凝固过程温度场计算，基本是在一定的初始条件和边界条件下 ， 工件内热传导问题。常用的数值解法有有限差分法和有限单元法两种 1 8 ( 1 ) . 有限差分法( f d m ) 有限差分法是应用最早、而且应用最广的方法。这种方法物理概 念清楚，推导方便，能够达到较高的精度，在误差分析方面也较为成 熟。但对处理复杂边界条件和复杂形状较困难，因为以阶梯形状来模 拟实际边界，会给计算带来一定的误差。 ( 2 ) . 有限单元法( f e m ) 有限单元法是以外变分原理为基础吸取 了有限差分法 中离散的 思想而发展起来的一种有效的数值解法。有限单元法则可 以方便地处 理任何复杂形状边界，也可达到较高精度。 有限单元法有两大分支，一是泛函变分法，二是从微分非常出发 -a- 郑州大学工学硕士论文 的变分法。由于不是每个问题都能找到其泛函，所以，从微分方程出 发的变分法即加权余量法，应用更加广泛，本文应用加权余量法来求 解温 度场 。 双金属复合铸造作为一种提高生产效率 ，增 强金属 耐磨 、耐腐蚀 性能的铸造方法在国外已被广泛的重视。机械零件的断裂 、腐蚀和磨 损是使机械装备失效的三种主要方式 ，有人认 为磨损要 比腐蚀造成更 大的经济损失，而磨损研究的技术基础 比腐蚀研究的基础薄弱的多， 从 1 9 6 6年英国教育科研部提出关于摩擦学教育和研究的报告以后， 人们日益感到摩擦和磨损对整个工业的影响，纷纷调查本国摩擦、磨 损所造成的经济损失，根据资料统计数字是惊人的，由于摩擦和磨损 造成的经济损失是巨大的，大约可占各国国民生产总值的 1 - - 4 %1 9 1 . 机械零件的耐磨损性能差，会导致设备的精度很快下降，造成产 品质量的不稳定。例如:锤式破碎粉磨机是建材、电力、化肥等工业 部门广泛使用的生产设备。锤头是消耗量很大的易磨损件。过去通常 用高锰钢制作锤头，但在许多工况条件下其耐磨性能很差。所以在国 内外的大部分生产锤头的厂家几乎都选中了双金属复合铸造，在工业 试验中对锤头的性能进行了鉴定，认为性能良好。但是，正如上面所 举的例子中的柴油机的活塞，国外采用双金属复合铸造，将这一技术 生产的活塞应用于实际的工业生产中，并以取得 了很好的效果，但其 铸造的关键技术不公开。可见在国外对这一课题的重视程度。 双金属复合铸造工艺成败关键在于两种金属的界面融合优劣和 结合强度的高低1 2 0 1 。然而， 在实际的生产中仍然存在许多问题，比如 在浇注温度很高的情况下，人们在生产过程中只有凭以往的经验来进 行一些操作，这就具有很大的盲目性，所以，对工艺参数的优化是解 决这些问题的关键。本论文采用计算机处理，在金属复合的过程中， 就温度的变化进行计算机仿真模拟，可以形象准确地描述这一复杂的 变化过程，显示金属复合过程中所发生的温度变化和液固态变化，并 采用具体实验来说明工艺参数的优化对界面结合性能的影响。 当今世界先进制造计算迅速发展，计算机集成制造技术、并行工 程技术以及虚拟制造技术( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ) ，正在为企业提高产 品质量、赢得市场竞争发挥重要作用。正是基于上述形势，许多铸造 生产已把计算机技术作为发展 目标。计算机在铸造工程 中的研究和应 用经历了二十多年的发展，己大量用于铸造生产的工艺设计及优化中 2 1 1就本课题而言， 在双金属复合的过程中， 在生产或实验室条件下， 温度场的测定及分析室研究双金属复合过程及其缺陷的基本方法，特 一5- 郑州大学工学硕士论文 吧巴巴巴巴巴巴竺巴巴，巴巴巴巴三 别对双金属凝固过程数值模拟研究工作的开展有很大的指导意义!2 2 1 自k . f u r s u n d 于 1 9 6 2年开发了第一个模拟程序后， 铸造过程的数 值模拟的研究正日益受到重视，不仅仅因为它能缩短实验周期，减少 成本，并且随着凝固模拟的更加精确和各种物性参数的逐渐完善，以 及计算机运算能力的不断提高，其预测精度和速度以及研究的广度正 在逐渐提 高 。在 国外 ，经过几十年 的发展 ， 已经 有一 些软件如 ma g ma s o f t , f l o w- 3 d及 p r o c as t等。国外的基础研 究及商品化 软件的开发主要集中在金属凝固过程模拟分析方面，不仅是因为这部 分的基础理论深、技术含量高，而且也因为其内容通用性强，可应用 在不同合金、 不同形状、 不同工艺的铸件， 因而有利于软件的通用化、 商品化及推广应用 2 3 1 铸造加工工艺过程的模拟仿真正在与并行工程、敏捷化工程及虚 拟制造相结合，己成为网络化异地设计与制造的重要内容。并行工程 ( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ) 是对产品设计及相关过程( 包括铸造过程和支 持过程) 进行并行的一体化设计的一种系统化的工作方式， 其最显著的 特点之一就是多学科的协同工作( t e a m wo r k ) ， 它的重点以井行设计为 主。铸造是产品生产的基础环节，逐渐的设计、质量、成本和试制周 期对整个产品的研制开发都有很大的影响。 双金属复合过程界面及母液温度场的计算机模拟仿真是一个学 科发展的前沿领域，因此也可以改造传统铸造行业无可预知性的传 统。铸造加工i艺过程的模拟仿真正在向高功能( h i g h p e r f o r m a n c e ) , 高保真( h i g h f i d e l i t y ) 、高效率( h i g h e f f i c i e n c y ) 的多学科模拟与仿真 方向发展，经过数十年的努力，铸件在各个过程的计算机模拟仿真已 进入工程实用化阶段，铸造生产正在从只凭经验走向科学理论指导的 道路 2 4 。 铸造过程的各个数值模拟可以帮助工作人员在实际的铸造前 对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生的时间给予有效地 预测，以便在浇注前采取有效的对策，确保铸件的质量，缩短试制周 期，降低生产成本。 第一个铸造计算机辅助工艺的商品化软件于 1 9 9 0年在德国国际 铸造博览会上展出，当时是以 温度场的分析为核心，主要是通过二维 的平面图来表达温度的变化，还未通过可视化的界面，在工作站上运 行。在进入到二十一世纪以来， 在铸造工艺过程中的计算机模拟的商 品化软件逐渐增多，多数软件还提供了可视化的界面，通过有限元等 多种数学计算方法来计算在工艺的模拟过程中人们关心的参数1 2 5 1 。 在 国内虽然起步较晚，但进展很迅速 ， ， 6- 目前国内开发的商品化软件的部 郑州大学工学硕士论文 分功能己可以于国外软件相比，可以满足铸造工厂的一般需要。 1 . 3 性 能 研究 目标 、研究内容 主要研究高铬铸铁/ 中碳钢复合铸造过程中液固界面之间的力学 、热传 导过程 、冶金 、化学 反应 过程 以及温 度 场 的 计算 。意 在 建 立液固界面之间热交换的数学模型，运用数学计算方法和可视化的界 面进行温度场的计算和仿真，同时对复合界面之间的冶金、化学反应 过程也将有更深入的了解，这对解决目前双金属复合工件界面结合不 好的质量问题具有十分重要的作用，从而为提 出提高固液界面之间冶 金结合的措施作很好的准备，可有效地推进双金属复合工件在实际生 产中的应用。 研究的内容包括 : ( 1 ) . 制备高铬铸铁/ 中碳钢复合铸造的试样，分析不同工艺参数下 液固界面间的结合情况，提出优化的工艺参数; ( 2 ) . 通过有限单元方法计算不同材料和不同工艺条件下固液界面 及周边温度的数值; ( 3 ) . 利用图形库o p e n g l与可视化语言 c + + b u i l d e r 5 . 0 编写金属凝 固过程温度场模拟软件，对凝固过程温度场的分布作动态的模拟; 1 . 4研究的技术路线 ( 1 ) . 用导热微分方程描述固态金属内的传热，液态金属传热。固 态金属的热量作为边界条件，其传热强度根据对流系数与固液界面两 侧的温度差表示，考虑熔化潜热和溶解混合热，建立边界上的热平衡 关系式，由此建立界面热传导的数学模型; ( 2 ) . 对建立的热传导模型进行网格的划分，通过实际试验不同的 浇注温度和不同外材与基材的体积比，不同基材的预热温度，运用数 学方法计算各节点的温度，以此温度代替节点周围的平均温度; ( 3 ) . 改变中碳钢的界面状况，如涂附表面保护层硼酸、过渡金属 等，获得冶金界面结合，提高液固界面的综合性能。 ( 4 ) . 借助化学、物理学、冶金物理化学、金属学以及高等数学等 理论，从传热、传质和固一液界面动力学三方面按逻辑思维方式进行 研究，可以通过物理模型和数学模型对双金属复合中模糊不清的问题 给以定性和定量的描述，加深了对金属复合本质的认识。运用计算机 一7- 郑州大学工学硕士论文 数值模拟 对复合过程研 究可 以有效地控制凝 固过程 ，使铸 件质量 得到 保证 。 ( s ) . 通过实验选择最优化的工艺参数，同时采用这些工艺参数得 到模拟的结果进行实际的试验，使得模拟结果与实验能相对应，最终 达 到优化 工艺参 数 。 郑州大学工学硕士论文 第2 章 高铬铸铁/ 中碳钢实验方案和测试技术 复合工艺的选择是制备出良好试样的关键，在某种程度上直接对 实验的准确性产生重要的影响。本章详细介绍了高铬铸铁和中碳钢体 积比的计算、复合工艺的制备、热处理工艺的制定。 试样制备后将要对其界面的结合性能作研究，所以力学试验是研 究界面的重要的部分。同时介绍通过温度场模拟来优化工艺参数的软 件 。 2 . 1高铬铸铁1 中碳钢实验方案 2 . 1 . 1 复合材料的选材依据 任何双金属复合材料， 只有当它和单一材料结构相 比成本显得更 低， 某些性能或综合性能有所改进时才是有用的。 选用金属复合时需 要考虑的性能包括弹性、强度、延展性和断裂韧性等机械性能，以及 抗磨损性、抗腐蚀性或者抗高温等物化性能。 制作双金属复合材料有其特殊的用途同时还需具有其 自身的特 点。 双金属复合材料一般在各种磨损厉害的零件、需要在腐蚀性的条 件下工作以及在一些承受高周疲劳的齿轮和轴类 的零件中使用1 2 6 1 为了保证复合材料有良好的工作状态， 理想的复合材料表面应具备高 的耐磨损、耐腐蚀性能或 良好的导热性 ，而基材必须有 良好的韧性、 一定的塑性。整体需要有优良的焊接、铆接及冲压等工艺性能，并有 不易被氧化、腐蚀和难以生成有害表面膜等特点。 本文所研究的具体零件是双金属复合锤头。在工业上锤式破碎机 是建材、电力、化肥等工业部门广泛使用的生产设备，而锤头是消耗 量很大的易磨损件。破碎机械的工作表面与物料接触，产生高应力磨 损。由于被破碎物料一般是岩石、金属矿石等坚硬物体 ，零件的磨损 是比较严重的1 2 7 1 。过去工厂一般采用高锰钢制造锤头，但是在许多工 况条件下其耐磨性能仍达不到要求， 比如含碳 1 . 0 % 1 . 3 %，含 m0 1 0 % -y 1 3 % 的 高 锰 钢 ， 经 水 韧 处 理 后 的 性