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分析选择了弯头磨损面内层和外层复合材料化学成分，先固(内层)后液(外层)的消失模铸造方式；采用控制内层铸件厚度和消除铸造应力退火等措施。较合理的模型组箱、浇注和铸件热处理使研制的固液双金属耐磨复合球形弯头复合层牢固，表面光滑无裂纹缺陷，磨损面硬度为58—61 HRC，有效地提高耐磨性。经电厂使用，其寿命是单一金属材质的2倍以上，综合使用性能较佳，深受用户认可。
火电厂输送煤粉的弯头是管道系统最易磨损部件，弯头内壁受煤粉(粒)冲刷、磨损和腐蚀作用，形成凹坑，甚至穿洞。近年来，代替焊接的铸钢球形弯头在电厂等行业得到应用，为用户带来一定的经济和社会效益。但单一金属材料弯头难以同时适应高耐磨性和可焊接性的要求。基于消失模双金属复合铸造技术，研制了高铬铸铁／合金钢固液双金属复合球形弯头。将合金钢的韧性、可焊接性和高铬铸铁的高硬度、高耐磨性结合在一起。解决硬度与韧性的矛盾，使球形弯头综合使用性能得到了有效提升。
1 试验方法、弯头尺寸与磨损部位1．1 试验方法熔炼设备为中频感应炉，人工电阻丝切割聚苯乙烯泡沫弯头模型，采用水基石英粉耐火涂料和远红外电阻烘干炉烘干模型，壁式真空砂箱，二维振动台振动型砂。SK-20水环式真空泵及真空系统，台车式电阻热处理炉进行铸件热处理，利用HR-150 A洛氏硬度计测试硬度。
1．2 弯头尺寸与磨损部位球形弯头尺寸如图1。弯头和管道系统的两边直管连接。实际使用显现出弯头进口对面A处部位磨损严重，其它部位相对较轻。
图1 球形弯头示意图
图2 复合球形弯头铸造工艺示意图
2 试验结果与分析2．1 铸造方式的选择根据弯头使用磨损状况，确定弯头内层(A处范围)材质为高铬铸铁，外层材质为低合金钢，如图2。其铸造方式分为两种：第一种先铸造内层材料(固态)，后浇注外层钢液。该工艺内层高铬铸铁因导热性差受高温钢液作用，可能发生裂纹。与此同时，钢液固态收缩时受阻也会出现裂纹。另一方式先铸造外层材料(固态)，后浇注内层铁液。该方法的铁液固态收缩时与球体外层之间产生缝隙。在管道系统风速作用下，煤粉进入缝隙会形成冲刷通道，加速球体磨损，出现早期失效。
经分析并结合生成经验，选择第一种方式作为复合铸造工艺，并采取控制高铬铸铁截面厚度13-15mm，同时铸造该件时冷却至800℃ 左右放入热处理炉，利用铸件余热进行改善组织和除应力的退火处理。另外，弯头内层其它部位的材质与外层材质同为一种，壁厚大于外层厚度，液态凝固相对后者较晚且缓慢。同时，该部位型腔充填干砂，使金属固态收缩阻力相对A处的阻力要小。综合因素利于降低产生裂纹的风险。
采用上述措施，实验浇注的弯头铸件内外表面未发生裂纹缺陷。
2．2 弯头材质成分选择及熔炼操作(1)弯头内层材质及其熔炼操作弯头内层受煤粉冲刷磨损严重，其材质选用高铬铸铁。铬和碳是高铬铸铁中的重要元素。铬的质量分数为l2％一28％ 。且Cr／C>5时，可获得大部分M7C 型碳化物[2]。M7C型碳化物呈六角形杆状及板条状分布在基体中．对其破坏作用减小，韧性优于M，C型网状碳化物。根据内层厚度，试验选定各元素含量 (％)为：2．10~2．30 C、12．00-12．50 Cr、0．80～1．00 Mn、0．30N0．50Si、<0．05 S、≤ 0．10 P。
熔炼所用的材料：低硫、磷废钢，高碳铬铁，中碳锰铁，石墨增碳剂和硅铁。各种材料洁净、无锈、干燥及无油污等。炉料熔清后，先加入锰铁，后加入硅铁脱氧处理。视炉前分析结果，调整碳、铬化学成分。出铁温度为1 480-1 500℃ 。
(2)弯头外层材质及其熔炼操作弯头外层材料既要具有可焊接性，还要有一定的耐磨性。在合金钢中．碳是提高强度、硬度和耐磨性元素，锰作为合金元素，可获得珠光体组织，硅脱氧作用强。这些元素对焊接性能影响敏感。根据文献f3]的碳当量范围，试验选定各元素含量W(％)为：0．32～0．36 C、1．40～ 1．60Mn、0．20~0．40Si、≤0．04S、P。熔炼所用优质废钢、低碳锰铁和硅铁均应干燥、洁净。炉料熔清取样作炉前分析，进行沉淀脱氧，视分析结果调整化学成分。待钢液温度升至l 630～l 650 oC，插铝终脱氧处理(加入量0．08％)。
2．3 弯头消失模铸造工艺及铸件热处理(利用铸件余热)铸造弯头要防止铸型塌箱、铸件冷隔和裂纹发生。铸造工艺除按常规消失模工艺要求操作外，重点对浇注系统、模型组箱和浇注等工艺设计及采取相应防止措施。
(1)浇注系统设计根据弯头双金属复合结构和参照文献介绍，内层铸件浇注系统确定为：内浇道截面尺寸为40 mmxl2 mm，共4个，横浇道和直浇道截面尺寸均为40 mmx40 ITlm。外层铸件内浇道截面尺寸为40 mmx30 mm，共4个．横浇道和直浇道截面尺寸均为40 mmx40 ham(2)内层模型组箱、浇注和铸件除应力热处理内层模型涂料层厚度2 nun左右．烘烤干燥后装入真空砂箱。为防止变形，在模型上口设叫一形拉筋(截面尺寸为30 mmx30 mm)。高铬铸铁浇注温度为1 400～1 420℃ ，浇注后砂箱内缓冷40 min出箱吊入热处理炉。铸件加热温度800℃，保温1 h．然后炉冷至400℃ 出炉空冷(3)外层模型组箱、浇注和铸件硬化热处理外层模型与内层铸件(表面氧化皮清除干净1粘接复合，缝隙用纸质和白乳胶封严。模型涂刷涂料层厚度2 mm以上，烘烤干燥后装入砂箱。为防止铸型塌箱和铸件涨箱，模型内腔填充自硬树脂砂(与钢液接触处)和干燥型砂。钢液浇注温度为1580～1590℃ ，浇注后砂箱内冷却1 h出箱吊入热处理炉。铸件加热温度940℃，保温50 min出炉空冷。铸件回火加热温度400℃，保温2h后出炉空冷。
2.4铸件清理与检验清除铸件浇注系统和氧化皮二经检验，铸件表面光滑，无裂纹等缺陷。双金属内、外层结合为机械结合，但无明显缝隙。其原闪是外层钢液固态收缩时将内层材料较紧地包围在一起对两种材质的直浇道（已热处理）表面进行硬度测试，高铬铸铁硬度为58-61 HRC，低合金钢硬度为210-236 HBS（高于系统中直管的硬度）。
2.5弯头铸件生产及应用研制生产弯头铸件19件，成品率为100%。经测算，研制的弯头生产成本比铸钢弯头高10%左右。经内蒙大唐某电厂使用考核，安装维修方便，使用寿命是铸钢弯头的2倍以上，综合使用效果得到用户认可。
3 结论(1)采用控制弯头内层铸件厚度(13～15 mm)并进行改善组织与除应力处理，芯型材料为树脂砂和干砂等措施，研制的球形弯头铸件内外表面未发生裂纹缺陷。
(2)采用先固（内层铸件）后液（外层钢液）的铸造方式，其结合面为机械结合。由于弯头结构为球体形，使用中内层铸件不会发生位移、脱落现象。
(3)基于消失模铸造型（芯）砂为十砂，铸件出箱后不会粘砂的特点，利用铸造弯头铸件的余热进行热处理，可降低产品制造成本。
(4)双金属复合弯头耐磨层硬度为58-61 HRC，外层硬度为210-236 HBS，明显高于单一材料弯头的硬度。经使用，其寿命是后者的2倍以上，性价比优势大，具有一定的推广应用价值。