材料加工新技术与新工艺 7 复合铸造

7 复合铸造

7.1 概述

现代机械设备的设计和制造技术的发展，不断对铸件的性能和质量提出更高的要求，例如，要求同一铸件兼有几种不同的使用性能。要生产这类铸件，仅仅靠控制单一材料的成分和组织，一般是难以实现的，需要采用某些特殊的复合制造方法，如机械连接复合、镶套复合、铸造复合等方法。

复合铸造是指将两种或两种以上具有不同性能的金属材料铸造成为一个完整的铸件，使铸件的不同部位具有不同的性能，以满足使用的要求。通常是一种合金具有较高的力学性能，而另一种或几种合金则具有抗磨、耐蚀、耐热等特殊使用性能。

常见的复合铸造工艺有镶铸工艺、重力复合铸造工艺、离心复合铸造工艺。

镶铸工艺是将一种或两种金属预制成一定形状的镶块，镶铸到另一种金属液体内，得到兼有两种或多种特性的双(多)金属铸件。目前用镶铸工艺生产的铸件有：高压阀门、高压柱塞泵等耐磨耐蚀耐热关键性金属零部件、硬质合金导卫板等。

重力复合铸造是将两种或多种不同成分、性能的铸造合金分别熔化后，采用特定的浇注方式或浇注系统，在重力条件下先后浇入同一铸型内，获得复合铸件的工艺。重力复合铸造生产的铸件有：挖掘机斗齿、双金属锤头、保险柜材料等。

离心复合铸造是将两种或多种不同成分、性能的铸造合金分别熔化后，先后浇人离心机旋转的模筒内，获得复合铸件的工艺。离心复合铸造生产的铸件有：轧辊辊环，陶瓷内衬复合铸铁管等。

复合铸造铸件的质量除取决于铸造合金本身的性能外，更主要地取决于两种合金材料界面结合的质量。在双金属复合铸造过程中，两种金属中的主要元素在一定温度场内可以相互扩散、相互熔融形成一层成分与组织介于两种金属之间的过渡合金层，一般厚度为40～60mm。控制各工艺因素以获得理想的过渡层的成分、组织、性能和厚度，是制造优质复合铸造铸件的技术关键。

除上述常规复合铸造工艺外，近年来还出现了水平磁场制动复合连铸法(LMF)、包覆层连续铸造法(CPC)、电渣包覆铸造法(ESSLM)、反向凝固连铸复合法、复合线材铸拉法、双流连铸梯度复合法、双结晶器连铸法、充芯连铸法(CFC法)等复合铸造新技术和新工艺。

7.2水平磁场制动复合连铸法(LMF)

近年来，电磁力技术在材料加工过程中的应用取得了引人注目的成就。利用温度计检验和磁流体动力学分析的方法，研究安装在结晶器上的水平磁场(LMF)所产生的磁场对钢液在结晶器中流动的影响，发现LMF可以抑

制结晶器内化学成分的混合程度，导致

了一种新的复合钢坯连铸工艺概念的形

成，即水平磁场制动复合连铸工艺。在

这种新工艺中，结晶器中的不同钢液通

过水平磁场的作用实现分离，并且凝固

成复合钢坯。

用LMF方法生产复合钢坯的连铸

工艺如图7-l所示。

图7-1中水平磁场安装在结晶器的

下部，两种不同化学成分的金属液分别

通过长型和短型的浸入式浇口同时注入

结晶器的上部和下部。如果没有水平磁场的作用，从两个浇口流出的两种金属液会造成混合。有了水平磁场，它的制动力会对垂直穿过水平磁场的钢液流产生作用，从而阻止两种金属液的混合。根据磁流体动力学的原理，在结晶器中形成以水平磁场为界的上下两部分，冷却仍然采用水冷铜结晶器和出结晶器后喷水冷却两种方式。位于结晶器上部的熔融钢液凝固形成复合钢坯的外层，位于结晶器下部的钢液凝固成复合钢坯的芯部。

此工艺过程中关键技术是：

(1) 水平磁场的作用强度；

(2) 两种金属的浇注速度的正确控制。

实验用连铸机是一个长度为8m的垂直型连铸机，其结晶器为170mm厚，800mm宽，900mm长，水平磁场的中部位于从结晶器的顶部向下690mm处，水平磁场的最大强度为0.8T。

在拉铸方向上，磁场强度的峰值出现在水平磁场的中部，并且在磁场的顶端和底端达到峰值的80％；在宽度方向上的磁场强度几乎是相同的。水平磁场的强度是指磁场中间的强度。

两个浇包都装置了钢液重量偏差在1kg范围内的负载测试仪，以使作为芯材和外层钢液的浇注速度可得到准确测量和控制。

针对芯材是碳钢、外层是不锈钢的复合钢坯连铸进行了实验。芯材和外层钢液在不同的炉中熔化，然后注人不同的浇包，并且连续浇人结晶器。拉速为0.8～1.2m/min，磁场强度为0～0 8T。上、下两部分金属液的边界位置定位在距结晶器顶部750～810mm的地方。

没有水平磁场作用时，复合钢坯的内外层边界难以分辨，说明结晶器中芯材和外层的钢液混合在一起。而有水平磁场作用时，复合钢坯的芯部与外层界面可通过凝固组织很明显地分辨出来，且外层坯壳厚度基本均匀，说明结晶器上下部分的边界维持在稳定的水平面状态。

采用x射线微观分析仪对复合钢坯中的Ni浓度沿厚度方向上的变化进行测定的结果表明，在水平磁场的制动作用下，复合钢坯外层中Ni的浓度大致等同于相应中间包内的浓度。对其他元素的分析也得出类似的结果，从而证实了芯部与外层化学元素被良好隔离，只在芯部与外层之间有厚度为l～2mm的化学成分连续变化的过渡层。

7.3包覆层连续铸造法(CPC)

轧钢技术的发展要求轧辊具有更高的强韧性和耐磨性，因此近年来欧美和日本不断采用新的轧辊制造工艺，如CPC、Osprey、HIP、CBC、ESR、CIC等方法，使生产的复合轧辊的强韧性和耐磨性显著提高。其中，包覆层连续铸造法(CPC法：Continuous Pouring Process for Cladding)工艺简单，复

合性能好，生产成本低。

CPC法的原理如图7-2所示。

将轧辊辊芯材料l垂直地放于水

冷紫铜的结晶器8中，为了减小刚

进入结晶器金属的冷却强度，防止

出现裂纹，在结晶器的上部设置和

结晶器同轴心的石墨隔离环7。将

金属液4浇注到配置在结晶器和

隔离环上方的耐火材料浇口杯6

和辊芯材料之间，使外层金属液

和辊芯熔合，并顺序向上凝固，将

凝固部分连续向下拉拔，实现连续

铸造复合辊外层9，为了实现辊芯