HT-QT双金属铸造.doc

湖北汽车工业学院毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告课题名称灰口铸铁-球墨铸铁复合铸件生产工艺的试验研究系 部材 料 工 程 系专 业材料成型及控制工程班 级T733-1姓 名张鹏学 号20070330121指导教师签名（校内）指导教师签名（校外） 年 月日第 7 页 共 7页一 课题研究的目的、意义随着工业的发展 ，对材料的要求 日益提高， 单 一材料 的零件难 以满 足生产 过程中多方面 的要 求。 在实际生产 中， 有些部件常要求材料既有 良好 的韧性 ， 以抵抗工作过程 中物料 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硬度 及优 良的磨损性能。对于单一成分 的材料 ，难以 同时具有高韧性 、 高硬度和高耐磨性 。为此 ， 生产 中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。双金属复合铸件不仅可同时拥有 良好的力学性能和高的使用寿命， 而且适用面广、 成本低廉，特别是对于一些大型模具，如果只在模具表面使用高强度材料，其他部位使用普通材料，在保证模具整体性能的同时，可以大幅降低制造成本。【1】球墨铸铁有良好的力学性能，灰口铸铁有良好的减震性、导热性及良好的加工性能。有些零件不同部位有不同的性能要求，若能把合适的材料用在合适的部位，不仅充分发挥材料特性，也能降低成本。本课题拟采用液态复合方法生产具有灰口铸铁-球墨铸铁复合铸件，设计铸造复合工艺，研究工艺因素对复合铸铁件组织形成的影响。二双金属复合材料铸造工艺的发展现状2.1发展简介目前常用的复合铸造工艺分为液-液 和液-固两大类，具体制作双金属部件的方法主要有离心浇注法、 镶铸法、 铸渗法及双液浇注法等。这些方法在不同的场合得到一定的应用。现在针对一些需要具备特殊性能的铸件，国内外已经设计出较成熟的双金属铸造工艺，并已经投入了生产应用。例如，采用高铬铸铁-钢双液复合浇注的铸造工艺生产了斗轮式挖掘机斗齿，多年来,斗齿材料大多采用单一高锰钢整体铸造,其韧性有余,耐磨性不足, 尤其是在冲击负荷和接触应力不大的情况下, 高锰钢不能充分显示其加工硬化的优越性, 斗齿的使用寿命很低,频繁的更换斗齿, 既影响生产又浪费了大量的钢材。而采用双金属复合材料,斗齿材料在齿尖部分选用耐磨性良好的高铬铸铁,齿柄部分为高强韧性的低合金钢,采用双金属复合铸造方法,将两种金属液先后浇入铸型,形成一个整体斗齿,这样兼有两种材料特性的斗齿,就可以达到既安全可靠又经久耐用的要求。目前, 双金属复合材料制作工艺的研究很多, 研究的焦点在于如何制造出高性能的材料以及简化制作工艺。由于目前制作工艺技术复杂、产品稳定性较差、寿命问题以及制造成本较高等因素, 双金属复合材料应用还较少。但是, 双金属复合材料的优越性、诱人的发展前景及巨大的应用潜力已展现在我们面前。对于铸造工作者来说, 应充分发挥本专业的优势, 积极吸收利用现代连铸技术展开双金属复合材料的连铸工艺的开发研究, 以降低制造成本, 简化生产工艺, 扩大使用领域。【2】2.2双金属铸造方法介绍2.2.1液-固铸造工艺：镶铸法（包覆铸造法）包覆铸造法是生 产双金属复合铸件的一种简单而可靠的方法。将制成的具有所需机械性能的金属预制件放在铸型内,然后在该零件约特定部位上浇注具有能满足特殊 性能要求的金属液。金属液将琢制件包覆,与预制件的表面发生物理化学反应,使之融合起来,包覆层完全凝固后,就成为双金属复合铸件。如下图所示为包覆铸造法原理图。【3】包覆铸造工艺流程如下：铸型（预制件）预热刷涂料合型浇注出型为保证铸件质量，使两种金属材料牢固的结合在一起，在工艺上可以采取一下措施：1. 预制件在使用前应彻底清除表面氧化皮和油污。使用前需先预热，预热温度高些为好，但要防止氧化起皮。预制件过分氧化，易产生气孔、夹渣等缺陷，导致铸件融合不良。2. 预制件从放入铸型至浇注的时间越短越好，以防止预制件氧化和降温过多。3. 提高浇注温度和速度，以利于高温金属液冲刷预制件表面并将其包围起来，使预制件表面尽快达到熔融状态。4. 出型后铸件需经去应力退火处理。应用举例：螺旋式榨油机榨油，不仅强度和刚度要求较高，其螺旋部位还要求具有较高的抗磨损能力。以前采用组合式结构，由轴芯、多节榨螺及锁母、平键连接组装而成。采用包覆法制造，将碳钢轴芯作为预制件，包覆材料为白口铸铁，从而得到碳钢与白口铸铁的双金属复合铸件，使用效果良好，经济效益也比较突出（详见下表）【3】形式毛 重（kg）净 重 （kg）材料利用率（%）加工工序成 本（元）使用寿命（h）组合式15.857.804924891.0包覆整体式9.207.8084.79401.82包覆铸造法优缺点：这种技术不仅具育工 艺和设备简单、生产周期短、两种材质间的结合强度高、质量易于控制、成本低等特点,而且可以通赴改变预制件和 液态金属的化学成分,获得各种不 同性能的复合铸件,以满足各种工况条件下的使用要求。但是对预制件的质量要求较高，需彻底清楚表面氧化皮和油污，否则会影响双金属结合层质量，而且铸件的形状也受到较大限制。2.2.2液-液铸造工艺一、双液离心铸造法铸造方法：双金属 离心铸造的工艺流 程为向以一定转动速 度旋转的金属 铸模中注入一种金属,间隔一定时间后将另一种金属注入金属 铸模中，在金属铸模外部喷水冷却的条件下使两种不同成分的金属在离心条件下凝固成 形。铸造要点：外层金属的离心铸造与普通离心铸造无区别。但 提高转速浇注内层金属时, 刚凝固的薄弱外层因收缩已与铸型间产生间隙, 因而需全部承受内层金属液施加的离心压力。 外裂纹是双金属离心铸件的主要缺陷之一, 其主要原因是外层金属承受不住内层金属的离心压力。因此, 获得优质双金属离心铸件的第一要领是严格控制铸型旋转规范, 即严格控制浇注内层金属时的铸型转速及内层浇满后铸型继续旋转的时间。 试验和生产实践表明: 浇注内层时的铸型转速控制范围比常规离心铸造时窄, 并应选取计算值的下限,转速过高易生成裂纹, 过低则导致铸件内表面粗糙; 内层浇满后铸型停转时间应控制在内层凝固完毕足以支撑自身形状的时刻, 铸型停转过晚将延长离心压力对外层的作用时间而增大铸件开裂危险,停转过早则会形成淋落缺陷使铸件内表面粗糙。【4】生产举例：生产RP1003 磨煤机辊套【5】，根据铸件技术要求 , 决定内层采用灰铸铁HT200 ,外层采用本校研制的铬钨合金白口铸铁 ,采用立式离心铸造实现内外层的复合。通过严格控制浇注温度、 浇注时间、 铸型转速和升速时间、 铸型和铸件冷却速度和温度场等工艺参数 ,并采取熔剂保护和铸件出型后入炉缓冷等工艺措施 ,可获得内外质量和结合层冶金质量符合要求 ,无铁豆、 冷隔、 夹皮、 氧化夹杂物和裂纹缺陷的优质辊套。铸件寿命可望突破 6000h。图三RP1003 磨煤机辊套铸件结构二、双液复合浇注铸造工艺特点：一般采用两个浇注系统，第 1 种金属液浇注完毕并冷却至固相线温度附近时 ,浇入第 2 种金属液。为保证第2种金属液充型平稳且不与先浇入的金属液大量混合 ,浇口应开在溢流口同一水平位置。在浇注时机控制得当的前提下实现两种金属间有效的冶金结合。不同于单一材质铸件的是 ,双金属复合材料的结合部位会因 2种金属的收缩率不同而在淬火时产生更大的应力 ,因此淬火后进行回火是十分必要的。应用实例：1.双金属复合铸造锤头【6】液-液复合工艺制造破碎机锤头 ,锤柄用 ZG 2702500 ,锤头用 KmT BCr26 高铬铸铁，铸造示意图四所示图四2.斗轮式挖掘机斗齿【7】斗轮式挖掘机斗齿采用高铬铸铁-钢双液复合浇注的铸造工艺.为防止斗齿产生夹渣,先浇注的铁液液面高度应控制在法兰盘的下表面,钢液的内浇口呈扇形外扩. 在双金属过渡区( 热节部位) 内放置钢筋,既消除了斗齿内部缩孔, 又实现了双金属的双重复合, 大大提高了斗齿过渡区的强韧性.另外, 双液浇注的间隔时间控制在 1 1 .5 min之间为宜.铸型工艺简图如下所示：图五 双液复合浇注斗齿的铸型工艺简图双液复合浇注优缺点：可以实现很好的冶金结合，具有优良的综合性能 ,但生产工艺较复杂且对生产过程控制更为严格。特别是两种金属浇注的时间间隔的控制非常重要，在两种金属的结合面容易出现如夹渣 缩孔等铸造缺陷。三.实验方案与可行性分析3.1初步实验方案设计本课题需要实现灰口铸铁-球墨铸铁的双液复合铸造，并研究各种工艺因素对复合铸件组织形成的影响，初步设计的铸造工艺如下：1.采用两个浇注系统，两种金属分开浇注，因为球墨铸铁收缩较大还需设置冒口补缩； 2.使用同一包铁水浇注，不同的是浇注两种金属时，浇注温度不同，采取不同的工艺如型内球化处理工艺等实现一种铁水浇注，两种金属材料成型；3.对于铸件形状，预计设计为有不同壁厚梯度的铸件，可以取不同壁厚处的试样研究前一种金属凝固速度、部位厚度等工艺因素对双金属结合面质量的影响；4.浇注时控制好浇注温度，浇注球墨铸铁时的温度稍高于灰口铸铁，浇注时均采用随流孕育进行孕育处理；5.由于需要研究各种工艺因素对复合铸件组织形成的影响，所以实验前需分析各工艺因素对结合面形成质量的影响，设计出最佳的浇注温度、浇注时间间隔、浇注速度等保证最终铸件结合面的质量；6.最终凝固成型后进行热处理，消除应力，之后对复合铸件的强度、硬度等性能进行测试，并观察结合面金相组织，分析形成特点；7.综合比较不同壁厚处结合面的性能、金相等实验结果，总结各工艺因素对结合面组织形成的影响。3.2方案可行性分析对于本实验方案的难点在于两种金属浇注时间间隔的控制和型内球化处理，另外受浇注温度、速度等因素的影响，可能出现结合面混合、缩孔、夹渣等铸造缺陷。所以需要严格控制实验时各种工艺因素。对于浇注时间间隔，应用金属凝固理论确定为第 1 种金属液浇注完毕并冷却至固相线温度附近时的时间，另外采用具有不同壁厚的铸件会导致各处凝固速度不同，浇注成型后可形成对比，可确定更为准确的时间间隔。对于铸造缺陷的预防可通过对结合面处的工艺处理和浇注系统的优化设计来进行如采用边冒口、 外冷铁等措施, 可以消除缩孔等。为实现型内球化处理，需在球墨铸铁的浇注系统中设计球化反应池，保证铁水可以经过良好的球化处理。该型内球化由于增加了反应室和浇道长度, 型板利用率减少, 工艺出品率降低。同时对铁水温度、 化学成分、 合金粒度、 反应室设计的要求非常严格, 因此需要对球墨铸铁的浇注系统进行严格设计，保证最终可以得到质量良好的球墨铸铁，下图即为型内球化法示意图【8】：图六 型内球化法示意图参考文献1. 许春伟等. 液一 固双金属复合界面研究新进展 热加工工艺20062. 孙德勤等. 双金属复合材料铸造工艺研究进展 铸造，1