雙金屬復(fù)合管離心鑄造過程溫度場的研究
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徐 暢 胡建華 吳 軒 胡曉華
（武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）
摘要對大直徑雙金屬復(fù)合管離心鑄造過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了外層澆注溫度、內(nèi)層澆注溫度以及內(nèi)、外層金屬澆注間隔時間對鑄件質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，提高外層澆注溫度，起到了保溫作用，對界面結(jié)合有利，內(nèi)、外層金屬澆注間隔時間對雙金屬界面結(jié)合起到?jīng)Q定性的影響；間隔時間過長將無法實現(xiàn)冶金結(jié)合，間隔時間過短引起內(nèi)層材料稀釋和外層材料減薄。
關(guān)鍵詞 數(shù)值模擬；離心鑄造；雙金屬管；溫度場
中圖分類號 TG249.4；TP311 DOI:10. 15980lj．t15980/j．t
疏浚管道是關(guān)鍵的過流部件，在其工作過程中既要承受輸送流體的內(nèi)壓，又要受到泥沙的沖刷和磨損，傳統(tǒng)的單一材料管道往往不能同時滿足以上要求。而雙金屬復(fù)合管具有外層材料用于滿足強度要求，內(nèi)層材料用于滿足耐磨要求的特點。離心鑄造是雙金屬復(fù)合管的主要制造方法之一，影響雙金屬管離心鑄造的因素較多：如管模預(yù)熱溫度、內(nèi)層澆注溫度和外層澆注溫度、澆注速度、澆注間隔時間、涂層種類以及管尺寸。本課題利用有限元模擬軟件Pro CAST對某大直徑雙金屬復(fù)合管離心鑄造工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析比較了不同工藝參數(shù)下管材上各區(qū)域的溫度變化情況，并給出了成形質(zhì)量的判斷。
1 工藝方案
雙金屬圓直管的具體參數(shù)為：外層材料為35鋼，外徑為880 mm，設(shè)計厚度為20 mm；內(nèi)層材料為高鉻鑄鐵( KmTBCr28)，設(shè)計厚度為20 mm，管長為4 000mm；離心鑄造用管模材料為40Cr，壁厚為130 mm；各材料的物性參數(shù)見表1。
根據(jù)經(jīng)驗，離心鑄造主要工藝參數(shù)：外層澆注溫度為1 572～1 672℃，澆注時間為35～45 s，中間間隔時間為60～120 s；內(nèi)層澆注溫度為1 420～1 520℃，澆注時間為30～40 s；模筒預(yù)熱溫度為220℃，涂料層數(shù)為6層，厚約2 mm，具體工藝方案見表2。
首先用MeshCAST創(chuàng)建實體幾何模型，將圖形文件導(dǎo)出為IGS、STEP和STL等格式文件用于劃分有限元四面體網(wǎng)格，設(shè)置初始參數(shù)及邊界條件，進(jìn)入Pro-CAST計算并輸出結(jié)果。圖1為實體幾何模型。
2 結(jié)果與分析
離心鑄造過程中，先澆入的35號鋼受低溫模筒的急冷作用，溫度迅速降低；再澆入內(nèi)層高鉻鑄鐵時，冷卻后的35號鋼又受到內(nèi)層高溫金屬液的加熱，其內(nèi)表面溫度升高。比較理想的狀態(tài)是：35號鋼的內(nèi)表面溫度要高，與高鉻鑄鐵形成冶金結(jié)合，而靠近外表面部分的溫度又不能太高（低于液相線溫度），以免出現(xiàn)大量液體混流而減薄外層厚度、稀釋內(nèi)層材料成分。因此，選取35號鋼外層中部的外表面點B和內(nèi)表面點A，端頭外表面點C和內(nèi)表面點D來分析3 5號鋼在澆注過程中溫度變化情況；選取高鉻鑄鐵內(nèi)層的中部外表面點Cr1和內(nèi)表面點Cr2，端頭外表面點Cr4和內(nèi)表面點Cr3來分析高鉻鑄鐵在澆注過程中溫度變化情況，選點的具體位置見圖2。
2.1 外層澆注溫度對溫度場的影響
2.1.1 特征點的溫度變化
圖3為各特征點在不同澆注溫度下的溫度曲線�？梢钥闯觯煌耐鈱訚沧囟葘﹂_始澆注內(nèi)層時的各特征點溫度影響較小，均表現(xiàn)為35號鋼內(nèi)側(cè)溫度高于固相線而低于液相線，可以判斷在界面處是以液態(tài)擴散結(jié)合為主；而35號鋼外側(cè)溫度低于液相線，可以推斷內(nèi)層澆注的高鉻鑄鐵水未貫穿到35號鋼外層；另外，隨著外層澆注溫度的升高，溫度下降曲線變平緩，說明提高外層澆注溫度能增加高溫保持時間，有利于各元素的相互擴散，加深擴散層。
2.1.2不同外層澆注溫度的溫度場分布
圖4和圖5分別是外層澆注溫度為1 572℃和1 672℃時中心截面區(qū)域溫度分布云圖。對比圖4和圖5可以看出，鑄件的溫度梯度均呈定向分布，可以推斷會出現(xiàn)定向凝固，而且其溫度梯度隨著外層澆注溫度的提高變得越來越不明顯。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過40 s后還有一半的區(qū)域溫度停留在固相線以上，由擴散機理可知，將有大量的C和合金元素熔人35號鋼，而高鉻鑄鐵部分由于外層保溫作用的影響，在很長一段時間內(nèi)都處于固相線以上，所以其凝固組織無明顯的方向性。
2.2 內(nèi)層澆注溫度對界面溫度的影響
2. 2.1特征點的溫度變化
圖6為不同內(nèi)層澆注溫度下中部區(qū)域特征點溫度變化曲線�？梢钥闯�，在外層同一特征點的溫度曲線基本一致；而高鉻鑄鐵溫度曲線除了初始溫度不同之外，其降溫速率幾乎一致；外層的內(nèi)側(cè)溫度高于固相線而低于液相線，可以推斷在界面處是以擴散結(jié)合為主。而外側(cè)溫度也在液相線以下，說明高鉻鑄鐵水未貫穿35號鋼。提高內(nèi)層澆注溫度對已經(jīng)澆注完成的外層影響不大。
2.2.2不同內(nèi)層澆注溫度下的溫度場分布
圖7和圖8分別是內(nèi)層澆注溫度為1 420和1 520℃時中心截面區(qū)域溫度分布。可以看出，在不同時刻，35號鋼外層在不同內(nèi)層澆注溫度下，溫度分布云圖差別不大。由于其冷卻速率沒有改變，所以其在奧氏體時間基本沒有變化，通過結(jié)晶原理和界面結(jié)合原理可以得出，不同內(nèi)層澆注溫度下兩相區(qū)域的金相圖基本相同。
2.3澆注間隔的影響
兩層金屬的澆注時間間隔是雙金屬離心鑄造的關(guān)鍵參數(shù)。間隔時間太短容易出現(xiàn)混流，降低鑄件的質(zhì)量和性能；間隔時間太長，外層鑄件溫度過低，高鉻鑄鐵熔體無法加熱外層材料使其達(dá)到固相線溫度以上，將導(dǎo)致結(jié)合效果不良。根據(jù)經(jīng)驗，間隔時間約為90 s，數(shù)值計算間隔時間為60 s和120 s。與經(jīng)驗數(shù)據(jù)對比，討論時間間隔對整體質(zhì)量的影響。
圖9為不同時間間隔下特征點溫度曲線，圖10為澆注間隔時間為60s時中心截面溫度分布云圖。由圖9可以看出，不同的金屬讜注時間間隔對雙金屬復(fù)合界面影響非常顯著。間隔時間為60 s時，外層內(nèi)表面特征點的溫度已經(jīng)超過液相線。由圖10可以看出，外層有1／3以上區(qū)域的溫度高于液相線溫度，可以推斷在澆注高鉻鑄鐵水時，由于離心力、沖刷作用，將有大量的鋼水與鐵水混合，不僅使內(nèi)層高鉻鑄鐵的磨損性能大大降低，也減薄了外層材料的厚度，降低35號鋼的整體強度和韌性；而在35號鋼外表面，由于其溫度在固相線以
下，高鉻鑄鐵熔體未貫穿到35號鋼外表面。當(dāng)時間間隔為90 s時，澆注內(nèi)層金屬液能良好結(jié)合。
當(dāng)時間間隔為120 s時，35號鋼外層的內(nèi)表面溫度已經(jīng)處于固相線以下，此時澆注高鉻鑄鐵水，已無法進(jìn)行液態(tài)熔合，擴散作用也大大減弱，界面不能實現(xiàn)冶金結(jié)合。
3 結(jié) 論
雙金屬復(fù)合管離心鑄造過程，提高外層澆注溫度相當(dāng)于對鑄型加熱，對內(nèi)層澆注材料的溫度變化起到保溫作用，可延長在擴散結(jié)合溫度區(qū)域的停留時間，促進(jìn)界面結(jié)合。內(nèi)層澆注溫度對溫度場的影響不明顯。內(nèi)、外層金屬澆注間隔時間對雙金屬界面結(jié)合起到?jīng)Q定性的作用；間隔時間過長不能實現(xiàn)冶金結(jié)合，間隔時間過短引起內(nèi)層材料稀釋和外層材料減薄。
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