液/半固态双金属铸造复合耐磨薄板界面层组织及形成机制

摘要

耐磨板是专供大面积磨损工况条件下使用的板材，广泛应用于电力、石油、冶金、建材和矿山等行业。本文针对耐磨薄板难于实现大平面冶金结合和界面氧化夹杂去除的技术瓶颈，提出了液/半固态双金属铸造复合板制备的新工艺，以解决传统铸造复合工艺难于制备厚度≤40mm薄板问题。本文通过这种方法制备了低碳钢/高铬铸铁（LCS/HCCI）复合耐磨薄板。研究耐磨薄板界面层微观组织形成规律，提出了液/半固态双金属铸造复合板界面层形成机制，并对制备的复合板进行了装机测试。液/半固态双金属铸造低碳钢/高铬铸铁复合耐磨薄板工艺，主要是利用铸型底部放置的激冷材料使先浇注的低碳钢定向冷却，低碳钢自下而上逐层凝固，在低碳钢凝固末期上表层形成半固态区时，开始浇注高铬铸铁，高铬铸铁液与低碳钢半固态区内液相直接接触，从而使低碳钢与高铬铸铁冶金结合在一起。本文建立了低碳钢从底至顶的凝固层厚度与时间计算关系，分析了液/半固态双金属铸造复合工艺中低碳钢凝固过程温度场分布规律。模拟研究表明，在一定浇注工艺及低碳钢厚度范围内，采用水冷铜板和外冷铁方式冷却时，均可保证低碳钢凝固末期上表面形成半固态区。在低碳钢/高铬铸铁的液/半固态双金属铸造复合工艺中，采用水冷铜板激冷能力较强，低碳钢上表面半固态区窄，可以避免与后浇注的高铬铸铁产生混料。
　　本研究主要内容包括：⑴通过低碳钢浇注实验，确立了低碳钢浇注温度T1、凝固时间τ1和凝固厚度ξ1工艺参数关系。水冷铜板冷却条件下，浇注温度 T1和凝固系数 K1经验关系式为：K1=-0.0078T1+15.558；低碳钢浇注温度 T1和凝固层厚度ξ1经验关系式为：ξ1=-0.0173T1+34.573；低碳钢凝固时间τ1和凝固层厚度ξ1的经验关系式为：ξ1=3.79τ10.48。采用外冷铁冷却条件下，低碳钢浇注温度 T1和凝固系数 K1经验关系式为：K1=-0.0103T1+18.913；低碳钢浇注温度 T1和凝固层厚度ξ1经验关系式为：ξ1=-0.0229T1+42.089。采用水冷铜板冷却和水流量为QW=5.0×10-3m-s-1时，铸造复合板中低碳钢可浇注的最大厚度范围约为26~29mm，高铬铸铁开始浇注时间的最大取值范围为48~70s。冷铁条件下，铸造复合板中低碳钢厚度可选最大厚度范围约为25~28mm，高铬铸铁开始浇注时间的最大取值范围为56~91s，而且半固态区的宽度Δξ≤0.6mm。⑵在水冷铜板条件下和冷铁条件下，采用低碳钢凝固时间与凝固厚度工艺曲线判据，成功制备了低碳钢基底最小厚度为10mm的铸造复合薄板。低碳钢/高铬铸铁铸造复合板由低碳钢层、界面层和高铬铸铁层组成。其中界面层又细分为：珠光体过渡层→复合层→高铬铸铁过渡层。从低碳钢侧至高铬铸铁侧，界面层内C、Cr元素浓度分布逐渐增加，Fe元素浓度分布逐渐降低；珠光体过渡层组织为P和毗邻复合层边缘处少量的粒状Cr7C3；复合层组织为γ-Fe基体和粒状的Cr7C3；高铬铸铁过渡层的组织主要为先共晶γ-Fe和γ-Fe+(Fe, Cr)7C3共晶组织。水冷铜板条件下，低碳钢浇注温度的升高，高铬铸铁过渡层内奥氏体树枝晶生长高度范围为750~1200μm；冷铁条件下，低碳钢浇注温度的升高，高铬铸铁过渡层内奥氏体树枝晶生长高度范围为305~520μm。⑶高铬铸铁合金液以低碳钢表面作为基底进行非均匀形核，并随着合金液凝固前沿的液相中成分过冷区的扩大，初生奥氏体的生长形态按照平面状、胞状和树枝状的顺序变化，生长的奥氏体树枝晶主要沿着垂直于复合层的方向生长。低碳钢/高铬铸铁铸造界面层形成机制为平面生长→胞状生长→树枝状生长。⑷力学性能测试表明液/半固态铸造制备的低碳钢/高铬铸铁界面冶金结合良好，界面层的抗拉强度优于高铬铸铁侧；复合板剪切强度随着高铬铸铁过渡层内奥氏体树枝晶变高而增加；复合板界面层和低碳钢基底对耐磨层出现的裂纹具有止裂作用。装机测试实验结果为：湿磨工况下使用寿命约12个月，干磨工况下约18个月，优于现生产中使用的耐磨板产品。该方法生产成本低，提供了制备金属复合耐磨薄板的新途径。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 双金属复合材料的特点与应用

1.3 双金属复合材料制备技术

1.4 双液双金属铸造复合技术现状

1.5 存在的问题

1.6 本文的主要研究内容

第2章 试验材料及研究方法

2.1 试验材料及制备

2.2 材料分析测试及方法

2.3 力学性能测试

第3章 液/半固态双金属铸造复合理论分析

3.1 引言

3.2 液/半固态双金属铸造复合温度场计算

3.3 冷却条件对低碳钢温度场分布影响

3.4 本章小结

第4章 液/半固态双金属铸造复合工艺

4.1 引言

4.2 水冷铜板条件下低碳钢浇注工艺参数确立

4.3 冷铁条件下低碳钢浇注工艺参数确立

4.4 液/半固态双金属铸造复合工艺判据

4.5 液/半固态双金属铸造复合工艺准则

4.6 本章小结

第5章 液/半固态双金属复合板界面层的组织与性能

5.1 引言

5.2 水冷铜板条件下铸造复合板界面层组织

5.3 冷铁条件下界面层组织

5.4 铸造复合板界面层力学性能评价

5.5 铸造复合耐磨板装机测试

5.6 本章小结

第6章 液/半固态双金属铸造复合界面层形成机制

6.1 引言

6.2 低碳钢重熔区熔化行为分析

6.3 低碳钢重熔区厚度模型的建立

6.4 界面层元素扩散规律

6.5 铸造复合界面层形成机制

6.6 本章小结

结论

创新点：

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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