1 引 言目前国内在铸铁表面铸渗合金层的研究报导较多。文献 <1>对铸铬合金层的微观组织和成分进行了分析 ,证实铸铁母液的确是渗入了合金层 ,形成了具有不同特色的铸铁合金层。文献 <2 >通过该合金层温度场测试与分析 ,探讨了铸铁件铸渗合金层形成机理 ,目前铸钢件的铸渗合金层形成机理报导较少。如文献 <3>对铸钢件表面铬合金层的界面层、液态烧结层、不同形态的碳化物 ,从微观组织形态到微区成分做了一定的分析。本工作通过温度场测试与分析 ,进一步探讨铸钢件表面铬合金层形成机理。2 试验方法将化学成分 (质量分数 ,% )为 :5 .11Ｃ ,5 .99Ｓｉ,6 5 .97Ｃｒ的碳素铬铁 ,粉碎成 70～ 14 0目粒度 ,配入10 %的灰铸铁粉和少量的粘结剂。混合均匀后 ,放入钢制模具中 ,在 30ｔ万能材料试验机上压制成厚度为 8ｍｍ的合金粉膏块。压制强度为 18ＭＰａ。砂型型腔尺寸为 90ｍｍ× 90ｍｍ× 90ｍｍ ,铸型壁厚为。2 5 0ｍｍ ,试样模数为 15ｍｍ。将合金粉膏块放置在型腔底部。随后把在 30ｋｇ中频感应电炉中熔炼的Ｔ8钢液浇入砂型。其浇注温度为 15 86℃。冷却后沿试样中线切开 ,测量合金层厚度。温度变化曲线的测试采用铂铑 铂热电偶 ,用壁厚为 1ｍｍ的石英玻璃管保护。热电偶测温系统硬件框图见图 1。图 1 温度测试系统硬件框图1.合金粉膏块 2 .热电偶 3 .铸型 4.钢液Ｆｉｇ .1 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｅａｓｕｒ ｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ3 试验结果及分析讨论3.1 各测试点温度变化分析为了精确地反映试样中心点及合金粉膏块内外界面上温度变化趋势,计算机对热电势信号采样周期为 2ｓ。计算机绘制的各测温点温度变化见图 2。可见试样中心温度曲线经过一段时间后 ,有一个明显的拐点 ,这标志整个试样全部凝固完毕 ,而膏块内界面温度随时间单调递减 ,没有明显的结晶平台。而膏块外界面温度随时间递增 ,在 6 5 5ｓ时达到最高值 ,然后开始单调下降。图 2 试样各测试点的温度变化Ｆｉｇ .2 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｉｍｅｃｕｒｖｅｓ3.2 铬合金层及砂型热扩散率的计算膏块厚度相对试样的截面积较小 ,并且测温点在膏块的中心部位 ,膏块边缘的二维导热可以忽略 ,所研究的问题简化成一维不稳定导热。导热微分方程式为 ｔ τ =ａ 2 ｔ ｘ2 (1) 在第一类边界条件下 ,由数学解析法得到上式的特解为ｔ=ｔ内 + (ｔ0 -ｔ内)ｅｒｆ(ｘ2ａτ) (2 )式中 ｔ为任意时间膏块任意位置的温度 ,℃ ;ｔ内为膏块与钢液界面上温度 ,℃ ;ｔ0 为膏块初始温度 ,℃ ;ｅｒｆ为高斯误差函数 ;ｘ为膏块中任意点距内界面距离 ,ｍ ;τ为时间ｓ ;ａ为热扩散率 ,ｍ2 /ｓ。由上式可以算出不同时刻τ距内界面距离为ｘ处的温度 ,它还可以用于厚金属板加热板内温度场的计算<4 > 。在应用式 2时 ,核心问题归结于根据图2的数据计算出在本试验条件下铬合金层热扩散率数值大小。计算参数及结果见表 1。表 1 热扩散率计算结果Ｔａｂｌｅ 1 Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ参数 1点 2点 3点试样中心温度中/℃ 15 7614 5 2 13 3 0内界面温度内/℃ 14 73 13 73 13 0 2外界面温度外/℃ 2 92 118112 2 1相对应时间 /ｓ 2 64 1965 5各点热扩散率 ,ａ/ｍ2 ·ｓ- 1 0 .0 70× 10 - 50 .0 2 66× 10 - 50 .679× 10 - 5平均热扩散率 ,ａ- /ｍ2 ·ｓ- 1 -0 .3 2 5× 10 - 5- 表 1中每个计算点选择原则为 :1点为ｔ内 所能达到的最高温度点 ,2点为ｔ中 预计凝固结束温度点 ,3点为ｔ外 所能达到的最高温度点 ,热扩散率的计算是分别将上述每个具有特殊意义点相对应的ｔ内 、ｔ外 、时间及膏块厚度 8ｍｍ代入式 2中 ,求出各相对应点的热扩散率ａ1、ａ2 、ａ3。由表 1可见 ,随着过程进行 ,热扩散率增大。这是由于合金层厚度增加 ,而未烧结的合金粉层减少 ,内部组织更加致密所致。干砂型热扩散率计算<5>ａ =λＣρ =0 .5 812 5 6 × 170 0 =0 .0 2 7× 10 - 5ｍ2 /ｓ式中 ａ为干砂型热扩散率 ,ｍ2 /ｓ ;λ为干砂型热导率 ,Ｗ /ｍ℃ ;Ｃ为干砂型比热容 ,Ｊ/ｋｇ ;ρ为干砂型密度 ,ｋｇ/ｍ3。3.3 铬合金层及砂型截面上温度场分布与分析将铬合金层的平均热扩散率及砂型的热扩散率分别代入式 2中 ,可以求出铬合金层及砂型截面上任意时刻、任意位置的温度 ,从而绘制出温度场分布状况见图 3。图 3中原点为母液与合金层界面 ,距离 8ｍｍ处为合金层与砂型界面的温度场 ,从温度场分布来看 ,铬合金层温度梯度较小 ,而砂型中较大 ,说明试样的热量主要作用在合金粉膏块上。图 3 合金层及砂型截面上温度场分布Ｆｉｇ .3 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｎｓｅｃｔｉｏｎｏｆａｌｌｏｙｌａｙｅｒａｎｄｓａｎｄｃａｓｔｉｎｇｍｏｌｄ 运用式 2时应该符合第一类边界条件 ,即ｔ内应为定壁温。但是铸钢没有共晶凝固温度平台 ,因此图 3中定壁温 14 2 3℃是ｔ内 1点、ｔ内 2点的平均值 (见表 1) ,ｔ内 2点以前ｔ内 下降较慢 ,可以用平均值代替定壁温。3.4 铬合金层最低烧结温度的计算与验证为了稳定获得质量优良的铬合金层 ,就要知道其最低烧结温度。为此可以通过式 2计算出某一时刻距离内界面不同位置的温度。计算结果见表 2。表 2 铬合金层中不同位置的温度Ｔａｂｌｅ 2 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｔｅｓｏｎｃｈｒｏｍｉｕｍａｌｌｏｙｌａｙｅｒｘ/ｍｍ 0 2 4678备注(ｔ内 =ｔ内 1点 +ｔ内 2点) 2 /℃ 14 2 3 13 8113 5 612 9612 8112 5 4τ=419ｓ(ｔ内 =ｔ内 1点 +ｔ内 3点) 2 /℃13 8813 5 613 1712 8812 7112 5 6τ=65 5ｓ在本试验条件下 8ｍｍ铬合金粉膏块形成了较致密的铬合金层约 7ｍｍ。从 1ｍｍ至 7ｍｍ之间 ,组织特征为在索氏体基体上分布着不同形态的碳化物 ,并包围着未完全熔解的铬铁合金颗粒。愈接近外层 ,铬铁合金颗粒愈多 ,尺寸愈大 ,详细分析见文献 <3>。按表 2中第一种ｔ内 计算出 7ｍｍ处温度为12 81℃。为了考查可信度又列出第二种ｔ内 进行计算 ,其热作用时间延伸到了ｔ外 达到最高点 ,计算出 7ｍｍ处温度为 12 71℃。两种方法计算结果是比较接近的。两种方法计算出的铬合金层最低烧结温度是否真实可靠。验证方法是将压制好的铬合金粉膏块表面涂一层保护剂 ,放入控制精度为± 5℃的箱式高温炉内 ,模拟不同温度下的烧结断口特征 ,见表3。数据表明 ,铬合金粉膏块的最低烧结温度在12 5 0～ 130 0℃之间 ,表明上述计算结果比较可靠。130 0℃烧结的显微组织见图 4。可见铬铁颗粒之间已形成合金碳化物 ,熔解是相当充分的 ,液态烧结质量是可靠的。表 3 烧结试验结果Ｔａｂｌｅ 3 Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｅｓｔ加热温度 /℃保温时间 /ｈ断口特征12 0 0 0 .5未熔 ,松散状12 5 0 0 .5断口黑白各半 ,部分烧结13 0 0 0 .5断口全白 ,烧结致密图 4 合金粉膏块烧结后的显微组织 5 0 0×Ｆｉｇ .4 Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｉｎｔｅｒｉｎｇａｌｌｏｙｐｏｗｄｅｒｂｒｉｑｕｅｔｔｅ4 结 论(1)从温度场分布来看 ,铬合金层温度梯度较小 ,而砂型中较大 ,说明试样的热量主要作用在合金粉膏块上。(2 )计算和实测结果表明铬合金层最低液态烧结温度为 12 80℃。(3)铬合金层的形成是靠钢液强烈的热作用使铬铁粉料大部分熔解 ,发生了共晶凝固并烧结在一起的铸钢件表面铬合金层形成机理@刘炳$新疆大学机械工程学院!新疆乌鲁木齐830008
@沈蜀西$新疆大学机械工程学院!新疆乌鲁木齐830008
@白俊民$新疆大学机械工程学院!新疆乌鲁木齐830008
温度场分布;;
表面合金化;;铸钢件在测试合金粉膏块内外界面上温度变化的基础上 ,计算了合金层的热扩散率 ,绘制了合金层及砂型截面上温度场分布 ,以此预测并验证了铬合金层最低烧结温度为 12 80℃。<1> 沈蜀西,等铸铁渗铬层形成机理的研究
.铸造技术,2000,(4):40-42.
<2> 刘炳,等铸渗合金层的温度场测试与分析.特种铸造及有色合金,2000,(4):48-50.
<3> 刘炳,等铸钢件表面铸渗合金层形成的机理探讨.热加工工艺,2000,(4):8-10.
<4> 许肇钧传热学.北京:机械工业出版社,1980.161-169.
<5> 李庆春铸件形成理论基础.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1980,45.国家自然科学基金资助项目 (5 96610 0 2 )谖隆?.4 铬合金层最低烧结温度的计算与验证为了稳定获得质量优良的铬合金层 ,就要知道其最低烧结温度。为此可以通过式 2计算出某一时刻距离内界面不同位置的温度。计算结果见表 2。表 2 铬合金层中不同位置的温度Ｔａｂｌｅ 2 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｔｅｓｏｎｃｈｒｏｍｉｕｍａｌｌｏｙｌａｙｅｒｘ/ｍ
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