離心澆鑄復(fù)合機筒雙金屬層開裂原因

翁文淵, 吳偉峰, 王 挺, 田光儉

(海天塑機集團有限公司, 寧波 315000)

雙金屬復(fù)合材料能夠滿足單一材料無法實現(xiàn)的功能,廣泛應(yīng)用于注塑機等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代工藝技術(shù)的不斷發(fā)展,制備雙金屬復(fù)合材料的手段也越來越豐富,如：離心澆鑄、重力鑄造、半連續(xù)鑄造、消失模鑄造、擠壓鑄造及激光熔覆工藝等,在運用這些工藝時經(jīng)常會產(chǎn)生裂紋、疏松、結(jié)合層結(jié)合不良、氣孔等制造缺陷,導(dǎo)致雙金屬材料無法正常投入使用,嚴(yán)重影響生產(chǎn)的安全穩(wěn)定,因此分析復(fù)合材料缺陷的產(chǎn)生原因至關(guān)重要。

雙金屬復(fù)合機筒用離心澆鑄工藝制造,其結(jié)合了基材和合金層的特性,離心澆鑄后合金層與基材結(jié)合良好,合金層致密,硬度符合要求。在對某雙金屬復(fù)合機筒內(nèi)壁進行鏜孔后,發(fā)現(xiàn)機筒開裂(見圖1),其內(nèi)孔直徑為60 mm,將其編號為試樣1。在使用雙金屬復(fù)合機筒的過程中,發(fā)現(xiàn)機筒注射端發(fā)生了漏料現(xiàn)象(見圖2),其內(nèi)孔直徑為63 mm,將其編號為試樣2。筆者采用一系列理化檢驗方法對機筒開裂的原因進行分析,以避免該類問題再次發(fā)生。

圖1 開裂雙金屬復(fù)合機筒內(nèi)壁宏觀形貌

圖2 漏料雙金屬復(fù)合機筒注射端宏觀形貌

1 理化檢驗

1.1 低倍組織檢驗

對試樣1和試樣2進行低倍組織檢驗,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：試樣1和試樣2的基體組織致密,冶金質(zhì)量良好。

圖3 試樣1和試樣2的低倍組織檢驗結(jié)果

1.2 化學(xué)成分分析

分別在試樣1和試樣2的基體上取樣,對試樣進行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。分別在試樣1和試樣2雙金屬層上取樣,對試樣進行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表2所示。由表1,2可知：試樣1和試樣2基體的主要化學(xué)成分符合技術(shù)要求,試樣1和試樣2雙金屬層的主要化學(xué)成分與供應(yīng)商的配方吻合。

表1 試樣1和試樣2基體的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

表2 試樣1和試樣2雙金屬層的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 金相檢驗

分別在試樣1和試樣2雙金屬層上取金相試樣,對試樣進行金相檢驗,結(jié)果如圖4,5所示。由圖4,5可知：試樣1和試樣2的開裂均起始于雙金屬層,雙金屬層組織熔合不良,表面及內(nèi)部都有較為嚴(yán)重的疏松和縮孔缺陷。

圖4 試樣1雙金屬層微觀形貌

圖5 試樣2雙金屬層微觀形貌

2 工藝分析

雙金屬機筒離心澆鑄工藝流程為：機筒管內(nèi)壁清理→混料→填料封堵→上機加熱→快速離心→降溫→慢速離心→出料鋸端面→機械加工等。雙金屬機筒離心澆鑄工藝的主要控制參數(shù)為合金粉末混料、合金粉末加熱溫度以及澆鑄轉(zhuǎn)速[1]。

2.1 合金粉末混料

在離心澆鑄前將合金粉末與硼砂按一定比例混合,目的是控制離心澆鑄的加熱溫度,混料起到助熔劑的作用,較輕的硼砂可以結(jié)合合金粉末中的雜質(zhì),將雜質(zhì)帶到雙金屬層表面,并在加工時將其去除。粉末和硼砂的混合比例不當(dāng)或硼砂有質(zhì)量問題,會使金屬粉末的熔化溫度升高,導(dǎo)致金屬粉末中的雜質(zhì)很難被去除,進而產(chǎn)生合金層結(jié)合不良、疏松、孔隙等缺陷,也可能會導(dǎo)致合金與基體結(jié)合不良。

對試樣1使用的硼砂和四硼酸鈉標(biāo)準(zhǔn)試樣進行紅外光譜分析,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：對試樣1使用硼砂與四硼酸鈉標(biāo)準(zhǔn)試樣紅外譜圖中的吸收峰無法對應(yīng),對試樣1使用硼砂的主要成分不符合四硼酸鈉標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 對試樣1使用硼砂和四硼酸鈉標(biāo)準(zhǔn)試樣的紅外譜圖

對試樣2使用的硼砂進行紅外光譜分析,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：對試樣2使用的硼砂與四硼酸鈉標(biāo)準(zhǔn)試樣的吸收峰一致,可以判斷試樣2使用的硼砂正常。

圖7 試樣2使用硼砂的紅外譜圖

2.2 合金粉末加熱溫度

合金粉末加熱溫度設(shè)定是雙金屬層離心澆鑄的重要步驟之一,適合的溫度和保溫時間直接影響合金粉末熔化的程度,也與基體金屬的性能有關(guān)。過低的溫度和較短的加熱時間會使合金粉末無法充分熔化,導(dǎo)致合金粉末離心澆鑄時無法充分熔合,在凝固時產(chǎn)生疏松、縮孔、裂紋等缺陷。過高的加熱溫度不利于合金粉末的凝固,使冷卻速率變慢,材料易產(chǎn)生偏析缺陷,也會導(dǎo)致基體組織產(chǎn)生過熱、過燒等不可逆的缺陷[1-2]。將加熱溫度控制為1 160～1 200 ℃,保溫時間為70 min。對試樣1和試樣2的加熱過程進行核查,發(fā)現(xiàn)試樣2在雙金屬機筒加熱時有突發(fā)斷電的情況,導(dǎo)致雙金屬機筒加熱溫度不足,保溫時間較短,進而產(chǎn)生疏松缺陷。

2.3 離心澆鑄轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速是離心澆鑄的重要參數(shù)。過高的轉(zhuǎn)速會加大對設(shè)備精度的要求,以保證管內(nèi)壁厚均勻一致;設(shè)備易產(chǎn)生振動以及較大的離心力,使凝固后的合金產(chǎn)生裂紋;合金層元素組成不同,導(dǎo)致偏析現(xiàn)象嚴(yán)重。過低的轉(zhuǎn)速不利于金屬粉末的凝固結(jié)合,易產(chǎn)生氣孔、疏松等缺陷。離心澆鑄轉(zhuǎn)速公式如式(1)所示[3-4]。

(1)

式中：n為離心轉(zhuǎn)速;R為鑄件內(nèi)孔半徑;G為重力系數(shù)。

按照雙金屬機筒材料特性和澆鑄設(shè)備的性能要求,將G設(shè)定為20～60,試樣1,2的內(nèi)孔半徑分別為3,3.15 cm,轉(zhuǎn)速為772～1 337 r/min,用于澆鑄的雙金屬均為同種鐵基粉末,其密度為7.85 g/cm2。選用G為30時,得到試樣1,2的離心轉(zhuǎn)速分別為945,923 r/min,符合轉(zhuǎn)速要求。

3 結(jié)論與建議

(1) 兩件雙金屬機筒尺寸相近,制作時間不同,試樣1開裂發(fā)生在離心冷卻后,試樣2開裂發(fā)生在使用一段時間后,試樣1,2的合金層均存在大量疏松缺陷。

(2) 對試樣1,2的各工藝環(huán)節(jié)進行了溯源,發(fā)現(xiàn)試樣1使用的硼砂質(zhì)量不滿足要求,試樣2的加熱保溫時間不足。

(3) 試樣1開裂的原因為前期合金粉末混料中硼砂質(zhì)量較差,不能起到助熔和浮渣的作用,導(dǎo)致合金層在離心澆鑄時發(fā)生開裂。試樣2開裂的原因是澆鑄過程中離心溫度較低,導(dǎo)致合金層融合質(zhì)量較差,合金層內(nèi)部存在大量疏松缺陷,在壓力作用下,試樣2發(fā)生開裂現(xiàn)象。

(4) 對試樣1更換質(zhì)量合格的硼砂,得到了較為致密的雙金屬層,后續(xù)未再次出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。對試樣2加強監(jiān)測,控制加熱保溫設(shè)備,后續(xù)也未出現(xiàn)上述開裂現(xiàn)象。