雙金屬復(fù)合材料能夠滿足單一材料無法實(shí)現(xiàn)的功能，廣泛應(yīng)用于注塑機(jī)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(yùn)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(jī)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(jī)筒內(nèi)壁進(jìn)行鏜孔后，發(fā)現(xiàn)機(jī)筒開裂(見圖1)，其內(nèi)孔直徑為60mm，將其編號為試樣1。在使用雙金屬復(fù)合機(jī)筒的過程中，發(fā)現(xiàn)機(jī)筒注射端發(fā)生了漏料現(xiàn)象 (見圖2)，其內(nèi)孔直徑為63mm，將其編號為試樣2。研究人員采用一系列理化檢驗(yàn)方法對機(jī)筒開裂的原因進(jìn)行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。

1、理化檢驗(yàn)

1.1 低倍組織檢驗(yàn)

     對試樣1和試樣2進(jìn)行低倍組織檢驗(yàn)，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。

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(jìn)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(jìn)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。

1.3 金相檢驗(yàn)

     分別在試樣1和試樣2雙金屬層上取金相試樣，對試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，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。

2、工藝分析

     雙金屬機(jī)筒離心澆鑄工藝流程為：機(jī)筒管內(nèi)壁清理→混料→填料封堵→上機(jī)加熱→快速離心→降溫→慢速離心→出料鋸端面→機(jī)械加工等。雙金屬機(jī)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。

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(jìn)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(jìn)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)。

      對試樣2使用的硼砂進(jìn)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。

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。將加熱溫度控制為1160~1200℃，保溫時間為70 min。對試樣1和試樣2的加熱過程進(jìn)行核查,發(fā)現(xiàn)試樣2在雙金屬機(jī)筒加熱時有突發(fā)斷電的情況，導(dǎo)致雙金屬機(jī)筒加熱溫度不足，保溫時間較短，進(jìn)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。

     按照雙金屬機(jī)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3，3.15cm，轉(zhuǎn)速為772~1337r/min，用于澆鑄的雙金屬均為同種鐵基粉末，其密度為7.85g/cm2。選用G為30時，得到試樣1，2的離心轉(zhuǎn)速分別為945，923r/min，符合轉(zhuǎn)速要求。

3、結(jié)論與建議

     (1)兩件雙金屬機(jī)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(jìn)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?yàn)榍捌诤辖鸱勰┗炝现信鹕百|(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(qiáng)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。

作者：翁文淵，吳偉峰，王挺，田光儉

單位：海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司

來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊》2024年第3期