双金属材料学习总结

1、双金属材料双金属材料学习记录学习记录张坤一、国内外双金属复合铸造工艺的发展及应用 1、目前国内外对双金属复合的研究在逐年增多，双金属制造的锤头、领板、斗齿等耐磨件己经得到很好的应用，并产生了巨大的经济效益，节省了大量的材料。双金属层状板复合材料，双金属复合的套、管、辊类机械零件等也得到很大研究并有了很好的生产实际应用。具体应用如下： 双金属复合轧辊 复合轧辊通过液液结合的方式，采用离心复合铸造的方法制备试样。双金属复合轧辊的出现，相对于冷硬铸铁轧辊，磨损量降低，寿命大大提高，减少了经常更换轧槽和轧辊，节约了时间，多轧钢且提高了轧钢的精度。 双金属复合管件 目前双金属复合管主要采用离心铸造法，将

2、固体外套和液体金属在离心条件下复合成型。通过冶金一离心铸造一热处理等工艺，套筒通过组织逐渐变化的过渡层而结合为一个整体，大大提高耐磨性能。 耐磨件方面 锤头、衬板、斗齿等作为矿山、冶金、建材等行业的耐磨常用零部件，己发展成一个独立的分支。目前，其制造方法己经开始采用双金属复合铸造的方法，效果相对于单一金属材料耐磨性能均提高几倍。 2、国外对双金属复合铸造工艺也进行了广泛的研究，一些发达国家对此更是做了很广泛的研究。1995年日本的株式会社利肯本田技研工业株式会社就获得了镶铸工艺方法的专利。在实施镶铸工艺方法中，将镶铸嵌入构件放入铸模的铸件成型腔内，然后进行铸造。镶铸嵌入构件在其非附着面上有一个

3、阻挡层以阻止熔化金属在其上面附着。在铸造过程中，部分熔化金属导入位于阻挡层一侧的加热室中与阻挡层接触。这样，不仅能从镶铸嵌入构件的附着面一侧而且也能从它的非附着面一侧加热该镶铸嵌入构件，减少了镶铸嵌入构件对金属液的激冷作用，从而提高了镶铸构件的界面结合。欧美国家以德国为代表，自70年代以来一直对双金属复合轧辊进行研究，外层工作面采用高铬铸铁芯材用铸钢。而我国在85年也开始湘钢线材轧机精轧段成品机架的中轧辊的研究。近年来国内对双金属耐磨材料的研究进入一个高潮，各种铸造工艺也逐渐接近成熟，带来了很大的经济效益。由此可见，双金属复合工艺己经在世界范围内得到良好的发展。二、双金属复合钢管如何分类 双金

4、属复合管按两复合界面复合类型分： 冶金复合管、扩散复合管、机械复合管 双金属复合管按两复合材料分： 铁与钢、钢与钢、钢与铜、钢与钛 双金属复合管按两复合位置分： 内衬复合管、外衬复复合管 双金属复合管按两复合方法分： 冷复合管、温复合管、热复合管冶金复合双金属管成型工艺简介： 对于强腐蚀、高磨损、高工作压力环境下使用的流体管道，通常采用高品质的不锈钢或高合金含量的无缝钢管，这类管材由于大量添加贵金属，其价格是一般普通无缝钢管的几倍或几十倍。多年来，管材用户和生产商一直在努力寻求通过不同金属的复合，从而获得一种既能满足苛刻的使用环境，又价廉物美的高性能复合管材。目前，国内虽有这种双金属复合管面市

5、，但由于成型工艺仅是简单的机械复合（爆炸成型、液压胀形、拉拔、碾压等），内外层金属仅仅是简单的机械嵌合，其致命的问题是结合层存在宏观间隙，难以满足用户要求。 冶金复合双（多）金属无缝钢管是近年来长城钢管有限公司、新兴铸管股份公司和北京科技大学实现技术上的强强联合而开发的全新产品。新的冶金复合双（多）金属钢管独特之处在于：它把初级工业材料和高技术的冶金处理过程结合起来，采用离心浇铸管坯挤压，冷轧（或冷拔）生产方式，从而获得高品质的复合管材。这种新型复合管材可以是一般普碳钢与不锈钢、一般不锈钢与高品质不锈钢，也可以是任何钢种与镍、铬、钼合金的复合；还可以根据用户要求实现多种金属的多层复合。 这种完

6、全冶金复合的新型管材可广泛地用于石油、化工、海洋平台等强腐蚀环境，也可通过内层复合耐磨金属，从而满足电厂粉煤、矿山矿粉和尾矿浆输送等高磨损工作环境地要求。 制造工艺： 1）、双金属复合管坯采用分层离心浇铸方法制备，在液态下使两层金属溶合，做到了真正的冶金结合； 2）、采用大吨位黑色金属挤压机（或纵轧机）将双金属复合管坯热挤压（或纵轧）成无缝钢管的生产工艺； 3）、还可进一步采用高精度冷轧管机将挤压出的无缝钢管轧制成精密复合管。 制造工艺流程离心浇铸工艺离心浇铸工艺1、离心浇铸原理 离心铸造是将溶化的铁液通过流槽流入旋转的金属型内，在离心力的作用下布满金属型，最后凝固成铸件的一种特殊铸造方法。金

7、属型金属型腔腔外层金外层金属属内层金内层金属属中间中间包包钢水钢水包包钢钢 液液钢液流钢液流向向离心浇注工艺示意离心浇注工艺示意(1)离心力 铁液在金属型内单位体积金属液所受的离心力与旋转半径成正比，与旋转速度的平方成正比。其离心力公式为 F=pR2=R2/g=(n/30)2R/g=0.112R(n/100)2 式中:F-单位体积金属液的离心力(N/cm3 ); p-金属液的密度(kg/cm3); -金属型腔旋转角速度(rad/s); n-金属型腔旋转速(r/min); -金属液的重度(N/cm3); R-金属液中任意点旋转半径(cm); g-重力加速度(g=981 cm/s2) 为了保证铁液

8、在金属型内有足够的离心力不产生淋落现象，在离心机的设计中通常使用重力系数作为依据，重力系数为物体在旋转时离心力与正常重力之比。 G=F/P=m2R/mg=0.112(n/100)2R 式中:G-重力系数; m-金属液质点的质量(Kg); F-物体所受离心力(N); P-物体所受的重力(N)(2)管模转速计算 管模的转速必须保证能产生足够的离心力使铁液紧贴管模内壁，不产生铁液淋落现象，同时应注意管模的转速过高易产生: 管模产生跳动造成铸管壁厚不均匀;冷却过程中容易发生弯曲。生产实践证明，管模旋转时其径向圆跳动应控制0.30-0.5之间，对小口径离心铸管要求更严。 造成管壁径向成分偏析严重，加上轴

9、向流槽中铁液流量的不稳定性，使铸管在快速的冷却过程中由于成分偏析、质量不均匀容易产生环裂和纵裂。在生产实践中可采用各种经验公式和图表来确定管模转速，并根据所生产出的铸件实际情况进行调整。(3)铁液在管模内的运动过程 铁液在卧式离心机管模内的流动过程(即浇铸成型过程)是一个比较复杂的运动过程，是难以用静水力学的理论来加以描述的，只有通过复杂的动水力学理论和大量的试验工作，才能正确描述铁液在离心过程中的有关运动方程，在这一过程中同时伴随着铁液的凝固过程，也就是说离心力不仅对铁液运动产生影响，而且对铁液的凝固过程也产生影响，为了便于分析，可将铁液在管模内的流动过程视为径向和轴向两个运动方向的合成。

10、1)1)金属液在管模内的径向运动金属液在管模内的径向运动 金属液受离心力和管模型壁摩擦力的作用，会随管模作旋转运动。当管模转速超过一定值后，离心力大于重力，金属液会在铸型中形成空腔的环形物。所形成的空腔上部厚、下部薄，与管模中心必然产生偏心，下图所示。H-层流间的重心距 R-管模内径 r-金属液内腔半径 1、2-管模顶部与底部金属液厚度 e-金属液内腔与管模中心偏差 W-金属液重力 F-离心力 产生这一现象的原因:质点旋转到管模顶部离心力与重力相反，运动速度减慢;而在底部时，两个力的方向相同，质点运动速度则加快，由于在同一半径层流体具有连续性，即流量为一常数，在忽略铁液粘度所产生的层流之间的摩

11、擦因数的情况下，当管模转速足够高，及离心加速度足够大时，金属液自身重力起的作用就越来越小，这种偏心差也就逐渐减小，直至在允许的尺寸公差范围内。 此外离心铸造铸件凝固由外向内，随着凝固时间的延长，内层能流动的金属液都会逐渐减小，最终使偏心值减小。此外，随着铸件的凝固，金属液温度的下降会伴随着粘度的增大，也相应地使自由表面的偏心值减少，使偏心现象逐渐消失。所以在最终凝固的铸管上看不出壁厚的偏差。 在实际生产中另一影响铸件壁厚偏差的因素是管模的跳动。如果管模不能始终在一根轴线上旋转而有所跳动，则铸件尤其是长的铸管壁厚会严重不均，拔管后冷却过程中可使铸管产生弯曲，严重时可断裂，因此只要严格控制管模的径

12、向圆跳动，就能生产出壁厚均匀的铸管。 2)2)金属液在管模内的轴向运动金属液在管模内的轴向运动 金属液进入管模不仅会产生径向运动，而且也在浇注压头及旋转倾角的作用下产生轴向运动。浇注压头越大、旋转轴倾角越大、金属液与铸型摩擦力越小以及铸型转速越低、冷却能力越弱，金属液在管模内的轴向流动就越大。 轴向流动的特征与流槽的形式有关。短流槽只适合于热模法生产，不适用于水冷金属型，因为其管模的冷却强度大，铁液与管模接触后迅速凝固，难以流到承口处;大量高温金属在固定点进入，该处温度升高，易使管模冲刷变形，铸管质量难以保证。因此短流槽不宜用于长管生产，适用于短套筒之类铸件的热模法生产。采用与管模长度相近的长

13、浇注槽，并使浇注槽相对管模匀速移动，此时铁液在管模内的运动状态大为改善。管模在高速旋转状态下，铁液通过相对移动的长流槽进入管模，铁液受离心力的作用以螺旋线的形式均匀地分布在管模内壁，螺旋线股流在瞬间又相互熔合在一起，形成均匀的液体层，凝固成厚度均匀的管壁。长度较长的铸管、水冷金属型铸管和管径较大的铸管热模法离心铸造只能采用长流槽浇注，以利于铁液在管模中均匀分布，同时也可提高管模寿命。(4)金属液凝固特点 1)1)铁液凝固特点铁液凝固特点 由于离心力对金属的凝固过程的影响，使离心铸造的铸件夹杂物少，晶粒较细，组织致密，力学性能较高。 铁液浇入管模后，受管模壁的激冷作用，在管模附近的铁液中开始结晶

14、凝固。随着结晶潜热垂直于管模壁、连续地通过管模壁向外散发，使铸管由外向内顺序地结晶凝固一产生顺序凝固，离心力的作用又使金属液对流加剧，从而得到按径向生长的柱状晶组织。 在铸管外表面结晶凝固成一层金属后，在其内层的结晶前沿存在着液固相共存区。在结晶前沿的金属液仍按惯性运动，与已凝固的金属层产生相对流动，使离心铸管径向断面上出现倾斜柱状晶，柱状晶的旋转方向与铸管成形时的旋转方向一致，在外层的晶体倾斜度较大，越往内层，倾斜度越小，最后转变成径向柱状晶。离心力的作用可使金属液渗入已结晶金属的枝晶空穴中，从而可获得致密的组织，而金属液与枝晶的相对滑动阻碍了树枝状晶的发展，从而使晶粒细化，提高了离心铸件的

15、力学性能。 2)2)异相质点偏析异相质点偏析 金属液本身含有不少密度与金属液不一样的异相质点，例如渣粒、气泡、石墨和共晶团，以及不能互溶的金属组元液体等。密度较小的颗粒会向自由表面移动(内浮)，密度较大的颗粒则往模壁移动(外沉)。与一般重力场铸造比较，离心铸造时异相质点的沉浮速度增大，有利于减少渣孔、气泡等缺陷，提高铸件的致密度，但易形成密度偏析。多工位离心浇铸车间多工位离心浇铸车间3150挤压机挤压机冷轧机冷轧机精整车间精整车间2、工艺特点 （1）主要工艺特点 1）复合管用的外管采用普通无缝钢管，安装于管模中，利用三爪卡盘同步定位，对中效果好;可适用于生产多种规格复合管; 2）管模与高温金属

16、液不直接接触，具有一定的间隙，可采用雨淋冷却，冷却效果好，对管模的耐热性要求不高，不必采用合金材料制作，可选用普通钢管直接制作，成本低，使用寿命长; 3）管模上直接装配滚动轴承，并采用皮带传动，使管模运转平稳，有效抑制了可能发生的偏心振动和跳动，成品率极大提高; 4）采用扇形包和长流槽进行铁液等量浇注，复合管的壁厚均匀，质量稳定; 5）采用电磁调速电机，可实现宽范围无级调速，使得浇注装置行走速度、浇注速度和管模转速自动可调;机械化、自动化水平较高，生产效率较高。 离心复合设备水平布置安装，主机直接安装于基础上固定不动，浇注装置和拔管装置沿轨道在两侧前后运动，因此离心设备轴向布置长度应保证一定的

17、操作空间。（2）技术特点： 1）、离心铸造技术是在液态下使双层材料溶合成型，实现了界面的无间隙、连接成分平滑过渡，为实现层界面低应力的全冶金结合创造了条件； 2）、热挤压（或纵轧）加工技术既促进了冶金结合，又改善了双金属复合管综合性能； 3）、热挤压是在三向压应力条件下的金属塑性变形，是常规轧制难生产的镍基合金首选的生产方式； 4）、挤压产品金属致密度高，显微缺陷大大减轻，产品有较高冲击性能。同时，热挤压过程促进了扩散结合机制的作用。离心坯挤压离心坯挤压+ +冷轧钢管冷轧钢管 规格规格46463 3 两层金属为完全两层金属为完全冶金结合，具有很冶金结合，具有很强的结合力。强的结合力。复层复层基

18、层基层冶金结合层具有很高冶金结合层具有很高的结合强度，能使整支管子的结合强度，能使整支管子的应力分布均匀，不会造成的应力分布均匀，不会造成局部较大的应力集中。局部较大的应力集中。离心坯挤压双金属管结合层强度高离心坯挤压双金属管结合层强度高（3）产品的基本特性 通过车削加工下来的钢削可以看出，两层金属没有出现任何分离和开裂的现象，仍然保持一个整体，如同车加工单金属一样。而机械式复合钢管却无法做到。离心坯挤压双金属复合管车削加工钢削离心坯挤压双金属复合管车削加工钢削试验部位循环次数设定加热时间/ s加热温度水温加热方式距一端30mm560115505701523高频加热试验情况试验情况 ：加热至加

19、热至560560次，氧化加剧，但两层结合界面处次，氧化加剧，但两层结合界面处无开裂现象。无开裂现象。挤压双金属钢管挤压双金属钢管550550热循环试样外观照片热循环试样外观照片 疲劳试验疲劳试验条形试样条形试样管段尺寸循环次数循环700次尺寸加热方式加热温度水温76.5/66.370075.8/65.9高频加热5505701523试验情况试验情况: :690690次出现裂纹，次出现裂纹，700700次裂纹严重，经次裂纹严重，经700700次循环内外径次循环内外径尺寸变化不大。尺寸变化不大。0 0690690次循环间急冷急热区没有发现裂纹等缺陷。次循环间急冷急热区没有发现裂纹等缺陷。500500

20、次循环外壁次循环外壁500500次循环内壁次循环内壁700700次循环环向裂纹次循环环向裂纹挤压双金属钢管挤压双金属钢管550550热循环试样外观照片热循环试样外观照片 疲劳试验疲劳试验管段试样管段试样离心坯挤压双金属管是在离心浇铸状态下使离心坯挤压双金属管是在离心浇铸状态下使两层金属具有高强度的冶金结合层。（见下两层金属具有高强度的冶金结合层。（见下页扫描电镜图片）页扫描电镜图片）结合层强度高，避免了其它机械复合管常出结合层强度高，避免了其它机械复合管常出现内层剥离问题。现内层剥离问题。可以在较大范围内灵活的改变基层和复层的可以在较大范围内灵活的改变基层和复层的厚度，满足不同行业的用途和需要。厚度，满足不同行业的用途和需要。（4）离心坯挤压双金属复合管的创新点结合层处电镜扫描结果结合层处电镜扫描结果界面上合金元素从低合界面上合金元素从低合金钢到