离心铸造３热处理工艺选择及试验 对碳钢高

　　离心铸造碳钢高铬铸铁双金属复合管工艺初探(1)_材料科学_工程科技_专业资料。３８ ≯珂验与嬲繁誊善蠹≤董＝：＝叠＝＝：０ｌｉ蔓； 离心铸造碳钢一高铬铸铁双金属复合管工艺初探 郭明海１，蔡玉丽１，孙红波２，高义民２ （１．新兴铸管集团技术中心，河北邯郸０５６３００；２．

　　３８ ≯珂验与嬲繁誊善蠹≤董＝：＝叠＝＝：０ｌｉ蔓； 离心铸造碳钢一高铬铸铁双金属复合管工艺初探 郭明海１，蔡玉丽１，孙红波２，高义民２ （１．新兴铸管集团技术中心，河北邯郸０５６３００；２．西安交通大学，陕西西安７１００４９） 摘要：介绍了采用双液复合离心铸造工艺浇铸以碳钢为外套、高铬铸铁为内套的双金属套筒的工艺试验情 况。通过分析及试验，确定了铸型转速、浇注温度和速度、两种金属浇注间隔时间，界面处选用１号保护剂。以 及适合于双金属套筒的热处理工艺。研究结果表明，采用本离心铸造工艺制造双金属套筒，相对于镶铸工艺。简 化了加工步骤，降低了材料用量，经济效益可观。 关键词：钻井泵缸套；双金属复合管；离心铸造；复合铸造工艺；热处理 中图分类号：ＴＧ２４９．４；ＴＧｌ １５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—２３１ １（２００８）０１—００３８－０４ Ｉｎｉｔｉａｌ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｄｕａｌ—ｍｅｔａｌ Ｃｌａｄ Ｔｕｂｅ ｉｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｓｔｅｅｌ—Ｈｉｇｈ ｃｈｒｏｍｉｕｍ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｉ ｒｏｎ Ｇｕｏ Ｍｉｎｇｈａｉｌ，Ｃａｉ Ｙｕｌｉｌ，Ｓｕｎ Ｈｏｎｇｂ０２，Ｇａｏ Ｙｉｍｉｎ２ （１．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｘｉｎｘｉｎｇ Ｔｕｂｅ—Ｃａｓｔｉｎｇ Ｃｏｒｐ．，Ｈａｎｄａｎ ０５６３００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｘｉ’ａｎ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｓ ｔｈｅ ｔｒｉａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｄｕａｌ—ｌｉｑｕｉｄ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ｃｌａｄ ｔｕｂｅ ｗｉｔｈ ｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅｌ ａｓ ｏｕｔｅｒ ｃａｓｅ ａｎｄ ｈｉ－ｃｈｒｏｍｉｕｍ ｃａｓｔｉｎｇ ｉｒｏｎ ａｓ ｉｎｎｅｒ ｃａｓｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｅｌｅｖａｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｅｓｔｓ，ｒｅｌｅｖａｎｔ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｒｏｔａｒｙ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｍｏｕｌｄ，离心铸造ｃａｓｔｉｎｇ ｔｅｒｎ— ｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｃａｓｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃａｓｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｍｅｔａｌｓ，ｕｓｉｎｇ Ｎｏ．１ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ Ａｇｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄｕａｌ ｍｅｔａｌ ｃａｓｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｓｅｒｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｓａｉｄ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｄｕａｌ ｍｅｔａｌ ｅａｓｅ ｐｏｓｓｅｓｓ ｓｕｃｈ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｓ ｌｅｓｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｔｅｐｓ，ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｃａｓｅ ｏｆ ｗｅｌｌ·－ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｕｍｐ；Ｄｕａｌ－－ｍｅｔａｌ ｃｌａｄ ｔｕｂｅ；Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｃａｓｔｉｎｇ；Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ：Ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ０前言 钻井泵缸套是钻井泵工作时主要易损件之一． 其服役工况恶劣，磨损快，用量大。目前。缸套生 产工艺主要是热镶装复合。即先后离心铸造出碳钢 外套、高铬铸铁内套，机械加工（高铬铸铁需先退 火）至规定尺寸后淬火回火处理。内外套加工处理 之后，再将外套加热镶装，后整体加工。工艺过 程繁琐，对人力、物力和能源都造成了极大的浪 费。而双金属复合铸造工艺（即将两种不同成分、 郭明海（１９７２一），男，工程师，硕士研究生．主要从 事离心铸管管坯和挤压管的研发工作。 性能的铸造合金分别熔化后，按特定的浇注方式或 使用特定的浇注系统，先后浇入同一铸型内凝固成 型［·］）可以显著减少机加工步骤及加工量。两种金 属（尤其是高铬铸铁）的用量也有很大程度的降低， 从而可以降低产品成本。因此利用双金属复合铸造 工艺取代镶铸工艺可以创造很大的经济效益。 由于两种金属存在热膨胀系数等物理参数的差 异。在浇注及热处理时都有温度的变化。由此导致 金属的多次膨胀收缩．很容易在结合带附近出现裂 纹甚至断裂。另外．浇注碳钢后浇注高铬铸铁，必 然会发生Ｃｒ元素由高铬铸铁层向碳钢层的扩散。 Ｃｒ元素对碳钢铸造成型有以下不利影响：①容易 ＳＴＥＥＬ ＰＩＰＥ Ｆｅｂ．２００８，Ｖ０１．３７，Ｎｏ．１ 钢管２００８年２月第３７卷第ｌ期 万方数据 ；ｉ ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ！ｉｉ！ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ！ｉ妇与鼢誊 ３９ 生成夹杂物，生成氧化膜，使钢液变稠，降低流动 性；②增加体积收缩量，增大缩孔倾向；③减小导 热性，增大热裂倾向［２｜。可见，碳钢一高铬铸铁复合 铸造存在相应的技术难点。为此。笔者就碳钢一高 铬铸铁复合离心铸造的双金属套筒工艺进行了试验 研究。 １试验方法 同时启动两台无芯中频感应电炉熔炼碳钢和高 铬铸铁，使用热电偶测量两者出炉温度，在无级调 速卧式离心铸造机上先浇注碳钢．停留数秒钟后浇 注高铬铸铁。冷却脱模后得到的铸件结构如图１所 示。 鬓萋 萋霾 ｌ一碳钢外套２一高铬铸铁内套 图ｌ铸件结构示意 铸件热处理后在其端面线切割得到试验所用试 样，利用洛氏硬度计测量内外环宏观硬度；利用光 学显微镜观察过渡层形貌并利用扫描电镜进行过渡 层能谱分析。 ２浇注工艺 ２．１铸型转速 铸型转速是离心铸造的重要工艺参数。转速过 高，铸件容易出现裂纹、偏析等缺陷，还会使机器 出现大的振动，引起磨损加剧，功率消耗过大；铸 件转速过低会出现雨淋现象．也会使铸件内出现疏 松、夹渣、内表面凹凸不平等缺陷。因此铸型转速 的选择原则是在保证铸件质量的前提下选取小 值。对内外层金属均有Ｒ／ｒ。＞１．１５（Ｒ一铸层外径， ”一铸层内径）要求，故采用重力系数经验公式［３】计 算出本试验铸件的铸型转速为：碳钢层７７０～１ ０５０ ｒ／ｍｉｎ：高铬铸铁层９００～１ ４００ ｒ／ｍｉｎ。试验浇注时 取接近下限的转速。 ２．２浇注温度及速度 浇注温度对铸件质量也有直接的影响。浇注温 度太高则铸件冷却缓慢。晶粒粗大，力学性能降 低，易形成气孑Ｌ、针孔等缺陷；浇注温度太低则易 导致浇注不足、冷隔等缺陷［３】。通过查阅文献［１— ２］，确定试验所用碳钢和高铬铸铁的浇注温度分别 为１ ５２０－１ ５３０℃和ｌ ３９０—１ ４００℃。浇注速度采 取快浇。 ２．３浇注间隔时间 两种合金液体的浇注间隔时间是双金属复合铸 造工艺的关键。间隔时间过短。铁液容易与钢液混 流，不能形成规则稳定的过渡层；间隔时间太长， 两层金属结合不牢固，离心铸造也更容易形成夹杂、气孔等 缺陷。一般当表面钢液温度为ｌ ４００～１ ４８０℃时可 以浇注铁液川，即当外层碳钢刚刚凝固之后随即浇 人内层铁液，其过程其实是一个内层高铬铸铁对外 层碳钢的重熔过程。但测试钢液表面温度相对比较 难，实际生产中测试间隔时问比较方便。对于浇注 间隔时间，运用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ８．１对外层 碳钢进行数值模拟（边界条件、铸型和涂料的初始 温度、管模外壁的换热系数、外层钢液的浇注温度 等要与实际相符）。普通碳钢的熔点在ｌ ５００℃左 右，考虑金属型模具浇注钢液具有３０℃的过冷度。 只需模拟计算外层钢液内壁的温度达到１ ４７０℃时 所需时间，即为所求间隔时间，这样才能稳定生产 工艺．确保界面形成具有一定冶金熔合层的双金属 复合管（或缸套）。 ２．４界面保护剂 为防止结合层氧化，在钢液表面覆盖保护剂。 为确定界面保护剂，笔者进行了对比试验．即在其 他浇注参数相同的条件下，采用不加界面保护剂、 加入１号保护剂或２号保护剂的不同方式进行试 验。试样过渡层宏观形貌如图２所示。 由图２可见，加入１号保护剂后过渡层更宽。 且过渡层与两边金属呈犬牙状互相渗入；而不加保 护剂试样的过渡层相对窄得多．且与两边金属结合 面平直，互相渗入较少。加入２号保护剂的套筒表 面出现了气孑Ｌ，其原因是２号保护剂沸点低。在浇 注温度下气化，导致在浇注过程中产生气泡。由此 确定生产试验中选用ｌ号保护剂。 ３热处理工艺选择及试验 对碳钢一高铬铸铁双金属套筒．高温奥氏体化 后出炉空冷并回火，对高铬铸铁层来说是淬火和回 火。对碳钢层而言是正火和回火．是笔者试验的总 体思路。但在工试验中发现。直接加热至奥氏体 化温度后淬火。二者的结合面处出现了裂纹。这主 郭明海等：离心铸造碳钢一高铬铸铁双金属复合管工艺初探 钢管２００８年２月第３７卷第１期 万方数据 ４０ 萎；。ｉｉｆ验与刃院 （ａ）未加保护剂 图２试样过渡层宏观形貌 （ｂ）加入１号保护剂 要是由于两种金属热膨胀系数不同．在升温膨胀时 界面附近金属膨胀速率和比率都有一定差异．出炉 快速冷却时它们的收缩速度和比率也不一样。于是 造成结合面处得不到稳定的组织，甚至出现裂纹。 因此，选择合适的升温方式是热处理工艺的关键。 通过查阅铁碳相图和高铬铸铁热处理相关文献 ［４］，确定加热的终奥氏体化保温温度为９８０℃。 在升至此温度的过程中，为保证热扩散均匀充分， 加热速度总体上取较低值。为防止二者的热扩散系 数差异带来的影响。采用了阶梯升温的热处理方 式。具体升温曲线复合界面 界面结合质量是判断试验成功与否的重要标 准，图４为碳钢一高铬铸铁复合钢套筒界面组织示意。 ｐ 划 赠 ４ ５ ６ ７８ ｌｌ 时间／ｌｌ 图３热处理阶梯升温曲线 分析上面的升温曲线，在奥氏体化保温之前设 计了２个保温台阶（即５００，７５０℃各保温ｌ ｈ）。在 低温状态下，金属脆性较大，受热不易均匀。因此 在５００℃以前选取极低加热速度（１２５ ｏｃ／ｈ）。并在 ５００ ｏＣ保温ｌ ｈ以保证热扩散充分。７５０ ｏＣ附近为 共析转变线，此时仅叫产生体积变化［列，这是导 致界面附近收缩不均匀的内在因素，故在此设置了 第２个保温平台。设计２个保温台阶，旨在充分保 证套筒内部温度缓慢分布均匀，消除因两种金属热 膨胀系数差异带来的体积变化差异。 按以上曲线升温，炉冷至室温退火后进行机加 工至规定尺寸。重新按此曲线碳钢一高铬铸铁钢复合套简界面组织０Ｊｎ ｌ号保护剂） 由图４可见。碳钢一高铬铸铁形成了１条宽约 ５０ Ｉｘｍ的过渡层．其组织为条状珠光体基体上弥散 着二次渗碳体（白色颗粒）。这样的组织既有较好的 柔韧性．又能保证一定的硬度，且过渡层和碳钢、 高铬铸铁都呈犬牙状相互有一定的渗透，从而达到 牢固的结合。高铬铸铁层则得到马氏体＋残余奥氏 体＋共晶碳化物的淬火组织，碳钢层得到铁素体＋ 珠光体组织。离心铸造说明淬火、正火成功。 为进一步分析过渡层组织的均匀程度，利用 ＥＤＡＸ９９００能谱仪对过渡层Ｃｒ元素的分布状况进 行线所示的结果。 ＳＴＥＥＬ ＰＩＰＥ Ｆｅｂ．２００８，Ｖ０１．３７，Ｎｏ．１ 万方数据 鼢与研究｛ｊ；： ４１ 图５过渡层Ｃｒ元素线宏观硬度 分析钻井泵套筒的工作情况，主要为套筒内壁 与钻井泵之间的滑动摩擦．故内壁硬度是衡量钻井 泵套筒质量的重要指标。 通过测试，得出碳钢、高铬铸铁、过渡层的宏 观硬度：碳钢ＨＢｌ００；过渡层ＨＢ２９２；高铬铸铁 ＨＲＣ６１．４。高铬铸铁的硬度达到了使用要求（＞ ＨＲＣ５８），并且从碳钢到高铬铸铁硬度逐渐升高， 这是由于过渡层内弥散分布着碳化物。测试时是多 点取平均值，过渡层处硬度值是均匀的．说明过渡 层组织是稳定的。 由图５可见．Ｃｒ元素在过渡层中的分布是从 高铬铸铁层向碳钢层逐渐降低．说明在浇注过程中 Ｃｒ元素发生了从高铬铸铁层向碳钢层的扩散。图６ 为淬火前碳钢层组织。从图６也能看出。对碳钢 层，靠近过渡层附近主要为铁素体．在偏离过渡层 一段距离后。碳钢层为铁素体＋珠光体组织。说明 在过渡层附近碳钢层内的ｃ元素出现了偏析，这 也是过渡层弥散白色二次渗碳体的原因。Ｃ、Ｃｒ两 种元素的扩散说明．在两种金属凝固成型的过程 中，过渡层发生的是牢固的冶金结合。 Ｉ一碳钢层２一过渡层 图６淬火前碳钢层组织 ５结论 （１）用双金属复合铸造工艺取代镶铸工艺是切 实可行的，其工艺过程简便，且节约材料。 （２）双金属复合铸造中加入合适的界面保护剂 可以形成更高质量的过渡层。 （３）阶梯升温是适合于碳钢一高铬铸铁双金属 套筒的热处理升温方式。采用阶梯升温方式淬火可 以得到高硬度的高铬铸铁层。并且碳钢一高铬铸铁 冶金结合牢固。过渡层组织均匀。 ６参考文献 ［１］全国铸造学会．铸造手册（卷）［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，１９９４：５０９。７０３—７０４． ［２］全国铸造学会．铸造手册（第二卷）［Ｍ］．北京：机械工业 工业出版社。１９９４：７９—８０． ［３］全国铸造学会．铸造手册（第六卷）［Ｍ］．北京：机械工业 工业出版社，１９９４：３５５，６８１—６８２． ［４］周庆德，饶启昌，苏俊义．铬系抗磨铸铁［Ｍ］．西安：西 安交通大学出版社．１９８６． ［５］夏国华，杨树蓉．现代热处理技术［Ｍ］．北京：兵器工 艺出版社，１９９６：８． （收稿日期：２００７－－０９—１２） 欢迎刊登钢管广告·广而告之—— 郭明海等：离心铸造碳钢一高铬铸铁双金属复合管工艺初探 万方数据 钢管２００８年２月第３７卷第１期
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