一种双液双金属复合铸造耐磨薄板的生产工艺

摘要

本发明公开了一种双液双金属复合铸造耐磨薄板的生产工艺，用来替代现有的堆焊耐磨板生产工艺。所述方法为：利用重力铸造双浇注系统复合浇注工艺，采用特殊的激冷材料将进入型腔内的金属液的温度场进行调整，使得先进入的第一种金属液与激冷材料相接触部分温度梯度较大，远离部分相对温度梯度较小；当第一种金属液与激冷材料相接触部分温度梯度较大部分已形成固相、远离的相对温度梯度较小部分表面处于固-液或液相时，将第二种金属液浇入型腔剩余空间，使两种金属液实现冶金结合而未发生混料。该工艺在保证耐磨层金属具有优良的冶金质量的同时，有效的降低了基材对耐磨层合金成分的稀释作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双液双金属复合铸造耐磨薄板的生产工艺，用来 替代现有的堆焊耐磨板生产工艺。

背景技术

目前，耐磨复合钢板主要采用自动焊接工艺，将高硬度自保护合 金焊丝平均地焊接在在普通低碳钢或低碳低合金钢板基材表面上，复 合层数一层至两层以至多层制备成双金属堆焊耐磨板。双金属复合耐 磨钢板的堆焊过程是一个非均匀的加热过程，堆焊时产生很大的焊接 残余应力，这是堆焊耐磨板的明显特点。复合过程中因为合金收缩比 不同，泛起平均横向裂纹，从正面看，裂纹贯穿耐磨层厚度方向，止 于熔合线，母板上没有裂纹。通常情况下，单层堆焊将无法达到耐磨 层所需的化学成分，为了保证堆焊层具有所需的成分和性能，同时节 约贵重金属，应尽量减少母材对堆焊层的稀释作用，往往只能是多层 堆焊才能达到上述要求，无形中加大了生产成本，另外堆焊层上下性 能不均匀，上层耐磨性高，下层耐磨性低，整体耐磨性达不到要求。 近几年来出现了热喷涂及电子束、激光和等离子熔覆技术，但此类方 法也存在着诸多问题，例如，热喷涂技术系机械结合，结合强度低， 抗冲击性能差，难以适应重载、冲击和高应力、强疲劳等工作条件； 电子束、激光和等离子熔覆技术也因成本过高、技术不成熟而未得到 推广应用。

发明内容

为了解决现有堆焊耐磨板生产工艺的不足，本发明提供了一种双 液双金属复合铸造耐磨薄板的生产工艺。该工艺在保证耐磨层金属具 有优良的冶金质量的同时，有效的降低了基材对耐磨层合金成分的稀 释作用，并使得耐磨层无任何裂纹产生，耐磨层与基材之间能够实现 良好的冶金结合，复合层显微硬度和抗拉强度介于耐磨层与基材之 间，复合层区无脆性相产生。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种双液双金属复合铸造耐磨薄板的生产工艺，采用金属液膜连 接法保证薄板的复合成功，具体是按以下步骤完成的：

一、利用重力铸造双浇注系统复合浇注工艺，采用特殊的激冷材 料将进入型腔内的金属液的温度场进行调整，使得先进入的第一种金 属液与激冷材料相接触部分温度梯度较大，远离部分相对温度梯度较 小；当第一种金属液与激冷材料相接触部分温度梯度较大部分已形成 固相、远离的相对温度梯度较小部分表面处于固-液或液相时，将第 二种金属液浇入型腔剩余空间，使两种金属液实现冶金结合而未发生 混料，。

本发明中，激冷材料需要对金属液的激冷效果明显，且有利于调 整温度场分布，例如：将锆砂、钢丸和粘结剂等按照任意配比机械混 合即得激冷材料。粘结剂为水玻璃即可。

二、浇注过程中，基材的厚度按照强度性能需求确定浇入的金属 液量，以保证先浇入第一种金属液的高度。根据耐磨板的尺寸和厚度， 判断耐磨层合金液浇注的时间间隔，基材在后浇入第二种金属液的作 用下，在两种材质的界面形成完整清晰且具有一定厚度的冶金复合 层。

本发明中，依据工况对基材和耐磨层的力学性能的综合需求，生 产时可以随时调整耐磨层与基材的化学成分，耐磨层通常采用高铬铸 铁或耐磨合金钢等，基材则选用普通低碳钢或低碳低合金钢等。

本发明中，判断耐磨层合金液浇注的时间间隔的方法为：通过建 立的数学模型预判断，生产现场则通过第一种金属液表面的物相状态 判断。

本发明中，为迎合特殊工况条件的需求，也可以调整复合板的厚 度及外观形状尺寸。如图4所示，长方形耐磨薄板无变形，板体呈平 面延伸且厚度均匀，无混料现象发生。如图5所示，双金属复合铸造 耐磨薄板产品为多种形状，可根据实际工况需要直接制备相应形状的 耐磨板，避免了不必要的切割所耗费的加工工时与成本。

本发明中，双金属复合铸造耐磨薄板最小厚度可以控制在 20～23mm，其中基材厚度大于10mm，两种材质的界面形成完整清晰 且具有一定厚度的冶金复合层，耐磨薄板实物线切割后的端面如图3 所示。

本发明中，选用二氧化碳硬化水玻璃砂造型，造型时需预留出反 变形量，变形量尺寸根据板材的大小与厚度，利用铸造工艺学相关设 计原理进行设计。

本发明具有如下优点：

一、本发明制备的双金属复合铸造耐磨薄板材质相对其他方法有 着优良的冶金质量，避免了微观裂纹源的产生；

二、本发明直接杜绝了耐磨层宏观裂纹的产生，对磨粒直径和流 向无特殊要求；

三、本发明可以根据需要一次铸造成所需形状，避免了较大面积 堆焊耐磨板按需要形状切割的25～40％板材浪费；

四、本发明的耐磨层合金成分均匀，保证了耐磨层的整体耐磨性 能；

五、本发明可以通过热处理工艺进一步提高力学性能，并能进行 热整形，而堆焊耐磨板通常采用冷整形，加剧了板材初始宏观裂纹的 增加；

六、根据不同的基材和工况需求选择适宜的合金成分，通过调控 两种金属的温度场分布，保证耐磨薄板复合层实现完全的冶金结合的 前提下，本发明制备的双金属复合耐磨薄板最小厚度可以控制在 20～23mm，其中基材厚度大于10mm，耐磨层厚度可跟据需要进行相 应设计，并可采取焊接、塞焊、螺栓连接等方式与其他结构进行连；

七、本发明与同化学成分的堆焊耐磨板的使用寿命相比提高约为 50～80％，而生产成本降低30％左右；

八、可用于水泥、钢铁、电力、造船、风机、矿山机械、化工机 械等行业。

附图说明

图1是耐磨薄板的双金属复合铸造方法示意图，图中：1是普通 低碳钢或低碳低合金钢的浇口，用来浇注和补缩钢液；2是高铬铸铁 或耐磨合金钢等的冒口，补缩高铬铸铁或耐磨合金钢液；3是耐磨薄 板成型后的高铬铸铁耐磨层部分；4是耐磨薄板成型后的低碳低合金 钢基材部分；5是耐磨薄板成型时所需的反变形量；6是激冷材料， 用于加速基材冷却，加大温度梯度，防止混料现象发生，具体放置在 基材以下，根据铸件大小，通过计算判断放置位置和所需的数量；7 是高铬铸铁或耐磨合金钢等的浇口，用来浇注和补缩高铬铸铁或耐磨 合金钢液；

图2是图1的下箱俯视图，图中：6是激冷材料，造型时放置于 型砂中，其上表面与型腔内表面平齐；8是普通低碳钢或低碳低合金 钢的直浇道；9是普通低碳钢或低碳低合金钢的内浇道，开设数量及 横截面积根据铸造工艺学相关原理来设计，位置由生产经验判断；10 是普通低碳钢或低碳低合金钢的浇口窝；11是双金属耐磨板型腔； 12是高铬铸铁或耐磨合金钢等的内浇道，开设数量及横截面积根据 铸造工艺学相关原理来设计，位置由生产经验判断；13是高铬铸铁 或耐磨合金钢等的直浇道；14是高铬铸铁或耐磨合金钢等的浇口窝。

图3是耐磨薄板实物线切割后的端面图；

图4是长方形耐磨薄板实物图；

图5是多种形状耐磨薄板实物图；

图6是耐磨薄板耐磨层的高铬铸铁显微组织图；

图7是耐磨薄板基材的低碳低合金钢显微组织图；

图8是耐磨薄板复合层显微组织图。

具体实施方式

下面结合以下详尽的实施例来描述本发明的优异特点和效果，但 并不对本发明做任何限制。凡是对本发明技术方案进行修改或者等同 替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的 保护范围中。

实施例1：

本实施例提供了一种双液双金属复合铸造耐磨薄板的生产工艺， 如图1-2所示，其具体步骤如下：

KGPS-800型150kg和250kg中频熔炼炉各1台，造型材料选用 CO₂硬化水玻璃砂，预留反变形量为3mm/m，配合特殊的激冷材料 (放置于型腔中间区域下侧)改变传统的双浇注系统设计，进行双浇 注系统的平板铸件造型，便于浇注金属液后的温度场的调整。所述激 冷材料由锆砂、钢丸和水玻璃按照质量比7∶90∶3混合而成。

合金成分设计：低合金钢，C：0.32～0.45wt％，Cr：0.60～0.80wt％， Mn：0.60～0.70wt％，Mo：≥0.2，Si：≤0.4；高铬铸铁，C：2.8～3.1wt％， Cr：20.0～21.0wt％，Mn：1.5～1.8wt％，Mo：≥0.2wt％，Si：≤0.4wt％。

浇注工艺：将低合金钢液由普通低碳钢或低碳低合金钢的浇口1 浇入型腔中，浇入基材的低合金钢液的最小高度可控制在10mm以 上，浇入温度为1450℃，当低合金钢液与激冷材料6相接触部分温 度梯度较大部分已形成固相、远离的相对温度梯度较小部分表面处于 固-液或液相时，将高铬铸铁液由高铬铸铁或耐磨合金钢等的浇口7 浇入型腔剩余空间，根据耐磨层的尺寸和厚度，耐磨层高铬铸铁液浇 注的时间间隔为5-20s，浇注温度为1550℃，使两种金属液实现冶金 结合而未发生混料。

由图6-8可知，本实施例获得的高铬铸铁/低合金钢铸造复合耐磨 板的界面形成完整清晰且具有一定厚度的冶金复合层，复合层平直且 清晰，无混料现象发生，无脆性相产生。耐磨合金层成分均匀，无裂 纹产生，耐磨层表面洛氏硬度为65。

实施例2：

KGPS-800型150kg和250kg中频熔炼炉各1台，造型材料选用 CO₂硬化水玻璃砂，预留反变形量为2mm/m，激冷材料选用锆砂、 钢丸和水玻璃按照质量比5∶92∶3混合而成，放置于型腔中间区域下 侧。合金成分设计：低合金钢，C：0.36wt％，Cr：1.0wt％，Mn：1.3wt％， Si：1.8wt％，RE：微量，S、P：≤0.05wt％；高碳高合金钢，C：2.05wt％， Cr：12.5wt％，W：1.3wt％；Mn：0.8wt％，Si：0.3wt％，S、P：≤0.05wt％。 浇入基材的低合金钢液的最小高度可控制在10mm以上，浇入温度为 1450℃，根据耐磨层的尺寸和厚度，耐磨层的高碳高合金钢液浇注的 时间间隔为5～15s，浇注温度为1550℃。工艺过程如实施例1，高碳 高合金钢/低合金钢铸造复合耐磨板的界面形成完整清晰且具有一定 厚度的冶金复合层，耐磨合金层成分均匀，无裂纹产生，耐磨层表面 洛氏硬度为59。