双金属复合管离心铸造过程温度场的研究

 徐  畅  胡建华  吴  轩  胡晓华

 （武汉理工大学材料科学与工程学院）

摘要对大直径双金属复合管离心铸造过程进行了数值模拟，研究了外层浇注温度、内层浇注温度以及内、外层金属浇注间隔时间对铸件质量的影响。结果表明，提高外层浇注温度，起到了保温作用，对界面结合有利，内、外层金属浇注间隔时间对双金属界面结合起到决定性的影响；间隔时间过长将无法实现冶金结合，间隔时间过短引起内层材料稀释和外层材料减薄。

关键词  数值模拟；离心铸造；双金属管；温度场

中图分类号  TG249.4；TP311  DOI:10. 15980lj．t15980/j．t 

 疏浚管道是关键的过流部件，在其工作过程中既要承受输送流体的内压，又要受到泥沙的冲刷和磨损，传统的单一材料管道往往不能同时满足以上要求。而双金属复合管具有外层材料用于满足强度要求，内层材料用于满足耐磨要求的特点。离心铸造是双金属复合管的主要制造方法之一，影响双金属管离心铸造的因素较多：如管模预热温度、内层浇注温度和外层浇注温度、浇注速度、浇注间隔时间、涂层种类以及管尺寸。本课题利用有限元模拟软件Pro CAST对某大直径双金属复合管离心铸造工艺进行了数值模拟，分析比较了不同工艺参数下管材上各区域的温度变化情况，并给出了成形质量的判断。

1  工艺方案

 双金属圆直管的具体参数为：外层材料为35钢，外径为880 mm，设计厚度为20 mm；内层材料为高铬铸铁( KmTBCr28)，设计厚度为20 mm，管长为4 000mm；离心铸造用管模材料为40Cr，壁厚为130 mm；各材料的物性参数见表1。

 根据经验，离心铸造主要工艺参数：外层浇注温度为1  572～1 672℃，浇注时间为35～45 s，中间间隔时间为60～120 s；内层浇注温度为1 420～1 520℃，浇注时间为30～40 s；模筒预热温度为220℃，涂料层数为6层，厚约2 mm，具体工艺方案见表2。

 首先用MeshCAST创建实体几何模型，将图形文件导出为IGS、STEP和STL等格式文件用于划分有限元四面体网格，设置初始参数及边界条件，进入Pro-CAST计算并输出结果。图1为实体几何模型。

2  结果与分析

 离心铸造过程中，先浇入的35号钢受低温模筒的急冷作用，温度迅速降低；再浇入内层高铬铸铁时，冷却后的35号钢又受到内层高温金属液的加热，其内表面温度升高。比较理想的状态是：35号钢的内表面温度要高，与高铬铸铁形成冶金结合，而靠近外表面部分的温度又不能太高（低于液相线温度），以免出现大量液体混流而减薄外层厚度、稀释内层材料成分。因此，选取35号钢外层中部的外表面点B和内表面点A，端头外表面点C和内表面点D来分析3 5号钢在浇注过程中温度变化情况；选取高铬铸铁内层的中部外表面点Cr1和内表面点Cr2，端头外表面点Cr4和内表面点Cr3来分析高铬铸铁在浇注过程中温度变化情况，选点的具体位置见图2。

2.1  外层浇注温度对温度场的影响

2.1.1  特征点的温度变化

 图3为各特征点在不同浇注温度下的温度曲线。可以看出，不同的外层浇注温度对开始浇注内层时的各特征点温度影响较小，均表现为35号钢内侧温度高于固相线而低于液相线，可以判断在界面处是以液态扩散结合为主；而35号钢外侧温度低于液相线，可以推断内层浇注的高铬铸铁水未贯穿到35号钢外层；另外，随着外层浇注温度的升高，温度下降曲线变平缓，说明提高外层浇注温度能增加高温保持时间，有利于各元素的相互扩散，加深扩散层。

2.1.2不同外层浇注温度的温度场分布

 图4和图5分别是外层浇注温度为1 572℃和1 672℃时中心截面区域温度分布云图。对比图4和图5可以看出，铸件的温度梯度均呈定向分布，可以推断会出现定向凝固，而且其温度梯度随着外层浇注温度的提高变得越来越不明显。由图5可以发现，经过40 s后还有一半的区域温度停留在固相线以上，由扩散机理可知，将有大量的C和合金元素熔人35号钢，而高铬铸铁部分由于外层保温作用的影响，在很长一段时间内都处于固相线以上，所以其凝固组织无明显的方向性。

2.2  内层浇注温度对界面温度的影响

2. 2.1特征点的温度变化

 图6为不同内层浇注温度下中部区域特征点温度变化曲线。可以看出，在外层同一特征点的温度曲线基本一致；而高铬铸铁温度曲线除了初始温度不同之外，其降温速率几乎一致；外层的内侧温度高于固相线而低于液相线，可以推断在界面处是以扩散结合为主。而外侧温度也在液相线以下，说明高铬铸铁水未贯穿35号钢。提高内层浇注温度对已经浇注完成的外层影响不大。

2.2.2不同内层浇注温度下的温度场分布

 图7和图8分别是内层浇注温度为1 420和1 520℃时中心截面区域温度分布。可以看出，在不同时刻，35号钢外层在不同内层浇注温度下，温度分布云图差别不大。由于其冷却速率没有改变，所以其在奥氏体时间基本没有变化，通过结晶原理和界面结合原理可以得出，不同内层浇注温度下两相区域的金相图基本相同。

2.3浇注间隔的影响

 两层金属的浇注时间间隔是双金属离心铸造的关键参数。间隔时间太短容易出现混流，降低铸件的质量和性能；间隔时间太长，外层铸件温度过低，高铬铸铁熔体无法加热外层材料使其达到固相线温度以上，将导致结合效果不良。根据经验，间隔时间约为90 s，数值计算间隔时间为60 s和120 s。与经验数据对比，讨论时间间隔对整体质量的影响。

 图9为不同时间间隔下特征点温度曲线，图10为浇注间隔时间为60s时中心截面温度分布云图。由图9可以看出，不同的金属谠注时间间隔对双金属复合界面影响非常显著。间隔时间为60 s时，外层内表面特征点的温度已经超过液相线。由图10可以看出，外层有1／3以上区域的温度高于液相线温度，可以推断在浇注高铬铸铁水时，由于离心力、冲刷作用，将有大量的钢水与铁水混合，不仅使内层高铬铸铁的磨损性能大大降低，也减薄了外层材料的厚度，降低35号钢的整体强度和韧性；而在35号钢外表面，由于其温度在固相线以

下，高铬铸铁熔体未贯穿到35号钢外表面。当时间间隔为90 s时，浇注内层金属液能良好结合。

 当时间间隔为120 s时，35号钢外层的内表面温度已经处于固相线以下，此时浇注高铬铸铁水，已无法进行液态熔合，扩散作用也大大减弱，界面不能实现冶金结合。

3  结  论

 双金属复合管离心铸造过程，提高外层浇注温度相当于对铸型加热，对内层浇注材料的温度变化起到保温作用，可延长在扩散结合温度区域的停留时间，促进界面结合。内层浇注温度对温度场的影响不明显。内、外层金属浇注间隔时间对双金属界面结合起到决定性的作用；间隔时间过长不能实现冶金结合，间隔时间过短引起内层材料稀释和外层材料减薄。