双金属复合材料能够满足单一材料无法实现的功能，广泛应用于注塑机等领域。随着现代工艺技术的不断发展，制备双金属复合材料的手段也越来越丰富，如：离心浇铸、重力铸造、半连续铸造、消失模铸造、挤压铸造及激光熔覆工艺等，在运用这些工艺时经常会产生裂纹、疏松、结合层结合不良、气孔等制造缺陷，导致双金属材料无法正常投入使用，严重影响生产的安全稳定,因此分析复合材料缺陷的产生原因至关重要。

     双金属复合机筒用离心浇铸工艺制造，其结合了基材和合金层的特性，离心浇铸后合金层与基材结合良好，合金层致密，硬度符合要求。在对某双金属复合机筒内壁进行镗孔后，发现机筒开裂(见图1)，其内孔直径为60mm，将其编号为试样1。在使用双金属复合机筒的过程中，发现机筒注射端发生了漏料现象 (见图2)，其内孔直径为63mm，将其编号为试样2。研究人员采用一系列理化检验方法对机筒开裂的原因进行分析，以避免该类问题再次发生。

1、理化检验

1.1 低倍组织检验

     对试样1和试样2进行低倍组织检验，结果如图3所示。由图3可知：试样1和试样2的基体组织致密，冶金质量良好。

1.2 化学成分分析

     分别在试样1和试样2的基体上取样，对试样进行化学成分分析，结果如表1 所示。分别在试样1和试样2双金属层上取样，对试样进行化学成分分析，结果如表2所示。由表1，2可知：试样1和试样2基体的主要化学成分符合技术要求，试样1 和试样2双金属层的主要化学成分与供应商的配方吻合。

1.3 金相检验

     分别在试样1和试样2双金属层上取金相试样，对试样进行金相检验，结果如图4，5所示。由图4，5可知：试样1和试样2的开裂均起始于双金属层，双金属层组织熔合不良，表面及内部都有较为严重的疏松和缩孔缺陷。

2、工艺分析

     双金属机筒离心浇铸工艺流程为：机筒管内壁清理→混料→填料封堵→上机加热→快速离心→降温→慢速离心→出料锯端面→机械加工等。双金属机筒离心浇 铸工艺的主要控制参数为合金粉末混料、合金粉末加热温度以及浇铸转速。

2.1 合金粉末混料

     在离心浇铸前将合金粉末与硼砂按一定比例混合，目的是控制离心浇铸的加热温度，混料起到助熔剂的作用，较轻的硼砂可以结合合金粉末中的杂质，将杂质带到双金属层表面，并在加工时将其去除。粉末和硼砂的混合比例不当或硼砂有质量问题，会使金属粉末的熔化温度升高，导致金属粉末中的杂质很难被去除，进而产生合金层结合不良、疏松、孔隙等缺陷，也可能会导致合金与基体结合不良。

     对试样1使用的硼砂和四硼酸钠标准试样进行红外光谱分析，结果如图6所示。由图6可知：对试样1使用硼砂与四硼酸钠标准试样红外谱图中的吸收峰无法对应，对试样1使用硼砂的主要成分不符合四硼酸钠标准。

      对试样2使用的硼砂进行红外光谱分析，结果如图7所示。由图7可知：对试样2使用的硼砂与四硼酸钠标准试样的吸收峰一致，可以判断试样2使用的硼砂正常。

2.2 合金粉末加热温度

      合金粉末加热温度设定是双金属层离心浇铸的重要步骤之一，适合的温度和保温时间直接影响合金粉末熔化的程度，也与基体金属的性能有关。过低的温度和较短的加热时间会使合金粉末无法充分熔化，导致合金粉末离心浇铸时无法充分熔合，在凝固时产生疏松、缩孔、裂纹等缺陷。过高的加热温度不利于合金粉末的凝固，使冷却速率变慢，材料易产生偏析缺陷，也会导致基体组织产生过热、过烧等不可逆的缺陷。将加热温度控制为1160~1200℃，保温时间为70 min。对试样1和试样2的加热过程进行核查,发现试样2在双金属机筒加热时有突发断电的情况，导致双金属机筒加热温度不足，保温时间较短，进而产生疏松缺陷。

2.3 离心浇铸转速

     转速是离心浇铸的重要参数。过高的转速会加大对设备精度的要求，以保证管内壁厚均匀一致；设备易产生振动以及较大的离心力，使凝固后的合金产生裂纹；合金层元素组成不同，导致偏析现象严重。过低的转速不利于金属粉末的凝固结合，易产生气孔、疏松等缺陷。离心浇铸转速公式如式(1)所示。

     按照双金属机筒材料特性和浇铸设备的性能要求，将G设定为20~60，试样1，2的内孔半径分别为3，3.15cm，转速为772~1337r/min，用于浇铸的双金属均为同种铁基粉末，其密度为7.85g/cm2。选用G为30时，得到试样1，2的离心转速分别为945，923r/min，符合转速要求。

3、结论与建议

     (1)两件双金属机筒尺寸相近,制作时间不同，试样1开裂发生在离心冷却后,试样2开裂发生在使用一段时间后，试样1，2的合金层均存在大量疏松缺陷。

     (2)对试样1，2的各工艺环节进行了溯源，发现试样1使用的硼砂质量不满足要求，试样2的加热保温时间不足。

      (3)试样1开裂的原因为前期合金粉末混料中硼砂质量较差，不能起到助熔和浮渣的作用，导致合金层在离心浇铸时发生开裂。试样2开裂的原因是浇铸过程中离心温度较低，导致合金层融合质量较差，合金层内部存在大量疏松缺陷，在压力作用下，试样2发生开裂现象。

     (4)对试样1更换质量合格的硼砂，得到了较为致密的双金属层，后续未再次出现开裂现象。对试样2加强监测，控制加热保温设备，后续也未出现上述开裂现象。

作者：翁文渊，吴伟峰，王挺，田光俭

单位：海天塑机集团有限公司

来源：《理化检验-物理分册》2024年第3期