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分析選擇了彎頭磨損面內(nèi)層和外層復合材料化學成分，先固(內(nèi)層)后液(外層)的消失模鑄造方式；采用控制內(nèi)層鑄件厚度和消除鑄造應力退火等措施。較合理的模型組箱、澆注和鑄件熱處理使研制的固液雙金屬耐磨復合球形彎頭復合層牢固，表面光滑無裂紋缺陷，磨損面硬度為58—61 HRC，有效地提高耐磨性。經(jīng)電廠使用，其壽命是單一金屬材質(zhì)的2倍以上，綜合使用性能較佳，深受用戶認可。
火電廠輸送煤粉的彎頭是管道系統(tǒng)最易磨損部件，彎頭內(nèi)壁受煤粉(粒)沖刷、磨損和腐蝕作用，形成凹坑，甚至穿洞。近年來，代替焊接的鑄鋼球形彎頭在電廠等行業(yè)得到應用，為用戶帶來一定的經(jīng)濟和社會效益。但單一金屬材料彎頭難以同時適應高耐磨性和可焊接性的要求?；谙ｋp金屬復合鑄造技術(shù)，研制了高鉻鑄鐵／合金鋼固液雙金屬復合球形彎頭。將合金鋼的韌性、可焊接性和高鉻鑄鐵的高硬度、高耐磨性結(jié)合在一起。解決硬度與韌性的矛盾，使球形彎頭綜合使用性能得到了有效提升。
1 試驗方法、彎頭尺寸與磨損部位1．1 試驗方法熔煉設備為中頻感應爐，人工電阻絲切割聚苯乙烯泡沫彎頭模型，采用水基石英粉耐火涂料和遠紅外電阻烘干爐烘干模型，壁式真空砂箱，二維振動臺振動型砂。SK-20水環(huán)式真空泵及真空系統(tǒng)，臺車式電阻熱處理爐進行鑄件熱處理，利用HR-150 A洛氏硬度計測試硬度。
1．2 彎頭尺寸與磨損部位球形彎頭尺寸如圖1。彎頭和管道系統(tǒng)的兩邊直管連接。實際使用顯現(xiàn)出彎頭進口對面A處部位磨損嚴重，其它部位相對較輕。
圖1 球形彎頭示意圖
圖2 復合球形彎頭鑄造工藝示意圖
2 試驗結(jié)果與分析2．1 鑄造方式的選擇根據(jù)彎頭使用磨損狀況，確定彎頭內(nèi)層(A處范圍)材質(zhì)為高鉻鑄鐵，外層材質(zhì)為低合金鋼，如圖2。其鑄造方式分為兩種：第一種先鑄造內(nèi)層材料(固態(tài))，后澆注外層鋼液。該工藝內(nèi)層高鉻鑄鐵因?qū)嵝圆钍芨邷劁撘鹤饔?，可能發(fā)生裂紋。與此同時，鋼液固態(tài)收縮時受阻也會出現(xiàn)裂紋。另一方式先鑄造外層材料(固態(tài))，后澆注內(nèi)層鐵液。該方法的鐵液固態(tài)收縮時與球體外層之間產(chǎn)生縫隙。在管道系統(tǒng)風速作用下，煤粉進入縫隙會形成沖刷通道，加速球體磨損，出現(xiàn)早期失效。
經(jīng)分析并結(jié)合生成經(jīng)驗，選擇第一種方式作為復合鑄造工藝，并采取控制高鉻鑄鐵截面厚度13-15mm，同時鑄造該件時冷卻至800℃ 左右放入熱處理爐，利用鑄件余熱進行改善組織和除應力的退火處理。另外，彎頭內(nèi)層其它部位的材質(zhì)與外層材質(zhì)同為一種，壁厚大于外層厚度，液態(tài)凝固相對后者較晚且緩慢。同時，該部位型腔充填干砂，使金屬固態(tài)收縮阻力相對A處的阻力要小。綜合因素利于降低產(chǎn)生裂紋的風險。
采用上述措施，實驗澆注的彎頭鑄件內(nèi)外表面未發(fā)生裂紋缺陷。
2．2 彎頭材質(zhì)成分選擇及熔煉操作(1)彎頭內(nèi)層材質(zhì)及其熔煉操作彎頭內(nèi)層受煤粉沖刷磨損嚴重，其材質(zhì)選用高鉻鑄鐵。鉻和碳是高鉻鑄鐵中的重要元素。鉻的質(zhì)量分數(shù)為l2％一28％ 。且Cr／C>5時，可獲得大部分M7C 型碳化物[2]。M7C型碳化物呈六角形桿狀及板條狀分布在基體中．對其破壞作用減小，韌性優(yōu)于M，C型網(wǎng)狀碳化物。根據(jù)內(nèi)層厚度，試驗選定各元素含量 (％)為：2．10~2．30 C、12．00-12．50 Cr、0．80～1．00 Mn、0．30N0．50Si、<0．05 S、≤ 0．10 P。
熔煉所用的材料：低硫、磷廢鋼，高碳鉻鐵，中碳錳鐵，石墨增碳劑和硅鐵。各種材料潔凈、無銹、干燥及無油污等。爐料熔清后，先加入錳鐵，后加入硅鐵脫氧處理。視爐前分析結(jié)果，調(diào)整碳、鉻化學成分。出鐵溫度為1 480-1 500℃ 。
(2)彎頭外層材質(zhì)及其熔煉操作彎頭外層材料既要具有可焊接性，還要有一定的耐磨性。在合金鋼中．碳是提高強度、硬度和耐磨性元素，錳作為合金元素，可獲得珠光體組織，硅脫氧作用強。這些元素對焊接性能影響敏感。根據(jù)文獻f3]的碳當量范圍，試驗選定各元素含量W(％)為：0．32～0．36 C、1．40～ 1．60Mn、0．20~0．40Si、≤0．04S、P。熔煉所用優(yōu)質(zhì)廢鋼、低碳錳鐵和硅鐵均應干燥、潔凈。爐料熔清取樣作爐前分析，進行沉淀脫氧，視分析結(jié)果調(diào)整化學成分。待鋼液溫度升至l 630～l 650 oC，插鋁終脫氧處理(加入量0．08％)。
2．3 彎頭消失模鑄造工藝及鑄件熱處理(利用鑄件余熱)鑄造彎頭要防止鑄型塌箱、鑄件冷隔和裂紋發(fā)生。鑄造工藝除按常規(guī)消失模工藝要求操作外，重點對澆注系統(tǒng)、模型組箱和澆注等工藝設計及采取相應防止措施。
(1)澆注系統(tǒng)設計根據(jù)彎頭雙金屬復合結(jié)構(gòu)和參照文獻介紹，內(nèi)層鑄件澆注系統(tǒng)確定為：內(nèi)澆道截面尺寸為40 mmxl2 mm，共4個，橫澆道和直澆道截面尺寸均為40 mmx40 ITlm。外層鑄件內(nèi)澆道截面尺寸為40 mmx30 mm，共4個．橫澆道和直澆道截面尺寸均為40 mmx40 ham(2)內(nèi)層模型組箱、澆注和鑄件除應力熱處理內(nèi)層模型涂料層厚度2 nun左右．烘烤干燥后裝入真空砂箱。為防止變形，在模型上口設叫一形拉筋(截面尺寸為30 mmx30 mm)。高鉻鑄鐵澆注溫度為1 400～1 420℃ ，澆注后砂箱內(nèi)緩冷40 min出箱吊入熱處理爐。鑄件加熱溫度800℃，保溫1 h．然后爐冷至400℃ 出爐空冷(3)外層模型組箱、澆注和鑄件硬化熱處理外層模型與內(nèi)層鑄件(表面氧化皮清除干凈1粘接復合，縫隙用紙質(zhì)和白乳膠封嚴。模型涂刷涂料層厚度2 mm以上，烘烤干燥后裝入砂箱。為防止鑄型塌箱和鑄件漲箱，模型內(nèi)腔填充自硬樹脂砂(與鋼液接觸處)和干燥型砂。鋼液澆注溫度為1580～1590℃ ，澆注后砂箱內(nèi)冷卻1 h出箱吊入熱處理爐。鑄件加熱溫度940℃，保溫50 min出爐空冷。鑄件回火加熱溫度400℃，保溫2h后出爐空冷。
2.4鑄件清理與檢驗清除鑄件澆注系統(tǒng)和氧化皮二經(jīng)檢驗，鑄件表面光滑，無裂紋等缺陷。雙金屬內(nèi)、外層結(jié)合為機械結(jié)合，但無明顯縫隙。其原閃是外層鋼液固態(tài)收縮時將內(nèi)層材料較緊地包圍在一起對兩種材質(zhì)的直澆道（已熱處理）表面進行硬度測試，高鉻鑄鐵硬度為58-61 HRC，低合金鋼硬度為210-236 HBS（高于系統(tǒng)中直管的硬度）。
2.5彎頭鑄件生產(chǎn)及應用研制生產(chǎn)彎頭鑄件19件，成品率為100%。經(jīng)測算，研制的彎頭生產(chǎn)成本比鑄鋼彎頭高10%左右。經(jīng)內(nèi)蒙大唐某電廠使用考核，安裝維修方便，使用壽命是鑄鋼彎頭的2倍以上，綜合使用效果得到用戶認可。
3 結(jié)論(1)采用控制彎頭內(nèi)層鑄件厚度(13～15 mm)并進行改善組織與除應力處理，芯型材料為樹脂砂和干砂等措施，研制的球形彎頭鑄件內(nèi)外表面未發(fā)生裂紋缺陷。
(2)采用先固（內(nèi)層鑄件）后液（外層鋼液）的鑄造方式，其結(jié)合面為機械結(jié)合。由于彎頭結(jié)構(gòu)為球體形，使用中內(nèi)層鑄件不會發(fā)生位移、脫落現(xiàn)象。
(3)基于消失模鑄造型（芯）砂為十砂，鑄件出箱后不會粘砂的特點，利用鑄造彎頭鑄件的余熱進行熱處理，可降低產(chǎn)品制造成本。
(4)雙金屬復合彎頭耐磨層硬度為58-61 HRC，外層硬度為210-236 HBS，明顯高于單一材料彎頭的硬度。經(jīng)使用，其壽命是后者的2倍以上，性價比優(yōu)勢大，具有一定的推廣應用價值。