双液异种金属复合界面凝固行为及梯度复合层形成机理研究

Two-liquid metal technology provides an feasible way to the new engineering composites for achieving the complementary characteristic of two kinds of metal. The interface between the two dissimilar metals materials has an enssential effect on the performance. The critical problem in this area is how to control the inerface microstructure. However, the unsatified therortical understanding on the interface structure resists the successful application of two-liquid metal technology. A bi-metal composite based on carbon steel and high chronium cast iron will be used in this proposal. The bi-metals with various bonding layer thickness and different components interfaces will be prepared by controling temperature field. The effect of the interface thickness on the shear strength and the three-point bengding strength will be studied in order to reveal the quantitative relationship between the interface thickness and the mechaninal properties. The relationship between the interface concentration and the solute redistribution will be investigated. A relationship among the temperature field, the interface thickness, the grain growth at the solidifying front will be set up. The quanlitative description on the microanalysis and microstructure of the two-liquid bimetal interface will be deeply studied to reveal the solifacation behavior and bonding mechanism, and to realize the interface optimize design and mechanical property regulation of two-liquid bimetal. All these studies will provide the scientific theory to the application and extension as guideline and foundation.

双液金属复合技术为获得两种金属特性互补的新型工程复合材料提供了一种可行的制备技术。两种材料间的复合界面严重地影响到复合材料的使用性能，如何控制其界面组织特征成为研究和生产高性能复合材料的关键问题，而相应理论研究的滞后成为阻碍解决这一问题的关键因素。本课题选用碳钢/高铬铸铁双液金属为研究对象，通过控制温度场，制备具有不同界面结合层厚度和界面成分的双金属复合材料。研究界面厚度对材料剪切和三点弯曲强度的影响，确立界面厚度与材料力学性能的定量关系；研究复合界面浓度与重熔区溶质再分配的关系，建立温度场与界面厚度、界面前沿组织生长规律及性能的关联关系，定性描述影响双液金属复合材料界面微区成分、组织的因素，揭示界面凝固行为和结合机制，进而实现双液金属复合材料界面的优化设计与力学性能调控，为双液双金属材料的广泛应用和推广提供理论依据。

双液金属复合技术为获得两种金属特性互补的新型工程复合材料提供了一种可行的制备方法。两种材料间的复合界面严重地影响到复合材料的使用性能，如何控制其界面组织特征成为研究和生产高性能复合材料的关键问题，而相应理论研究的滞后成为阻碍解决这一问题的关键因素。本课题选用碳钢/高铬铸铁双液金属为研究对象，通过控制温度场， 制备具有不同界面结合层厚度和界面成分的双金属复合材料。.研究结果表明：.1、结合界面形态及尺寸对铸件都有很大的影响。完整的冶金结合界面有利于零件力学性能的提高；过渡层过薄两种金属过渡不够充分，容易使界面性能变脆，过渡层过厚零件耐磨有效界面缩小不利于耐磨性的提高。.2、揭示了复合层的形成机制。从碳钢侧至高铬铸铁侧，界面层内C、Cr 元素浓度分布逐渐增加，Fe 元素浓度分布逐渐降低；复合层组织为γ-Fe 基体和粒状的Cr7C3；高铬铸铁过渡层的组织主要为先共晶γ-Fe 和γ-Fe+(Fe, Cr)7C3共晶组织。高铬铸铁合金液以低碳钢表面作为基底进行非均匀形核，并随着合金液凝固前沿的液相中成分过冷区的扩大，初生奥氏体的生长形态按照平面状、胞状和树枝状的顺序变化，生长的奥氏体树枝晶主要沿着垂直于复合层的方向生长。碳钢/高铬铸铁铸造界面层形成机制为平面层生长→胞状生长→树枝状生长。.3、通过结晶前沿控制“金属液膜”厚度的方法，可有效调控界面过渡层的尺度，为双液金属材料的广泛应用和推广提供了理论依据。该方法工艺容易实现，同时能够保证复合界面完全冶金结合，且适应大尺寸耐磨铸件的要求。.利用上述方法，在中试基地生产了大复合界面的衬板、颚板等产品，使用寿命是高锰钢的4倍以上，已在吉林、辽宁、黑龙江等省市应用，效果明显，深受用户好评，在行业内产生了巨大影响。.课题在研期间发表学术论文17篇，期中SCI检索5篇，授权发明专利4个，授权实用新型专利5个；项目内毕业硕士研究生4名，毕业博士研究生1名，培养年轻教师3名。