铸件是装备制造业的基础部件,随着工业的发展及新型产业的出现,对铸件的品质和性能提出越益苛刻的要求。单一材料或合金已很难满足现代化生产对材料综合性能需求,双金属复合材料因具有两种材料的优良性能,可解决单一材料无法满足的高强度、高韧性等综合性能问题。为此对铸态下灰铸铁/碳钢的界面形成条件和组织特性进行研究,为开发成本低廉、工艺简单的新型金属基复合材料生产方法和控制灰铸件凝固行为的工艺方法提供基础理论。通过铸造模拟软件,在灰铸铁/碳钢界面处的不同位置设置虚拟测温点,改变不同的铸造参数得到各个虚拟点的温度变化曲线,研究不同铸造工艺参数对灰铸铁/碳钢界面温度场的影响。并根据热交换定律建立公式,获得灰铸铁/碳钢融合界面形成的临界参数。在浇注温度1400℃及不同体积比的条件下,制备灰铸铁/碳钢复合材料。结合铁碳相图及元素的扩散机理,分析灰铸铁/碳钢融合界面形成机理。模拟结果表明,灰铸铁/碳钢的体积比对双金属复合材料的形成具有影响,在浇注温度1400℃,钢棒初始温度20℃的条件下。体积比3:1时不具备发生冶金结合的基本条件。体积比8:1和体积比15:1时具备发生冶金结合的基本条件。型砂传热对灰铸铁/碳钢的双金属复合材料的形成具有影响。在钢棒初温20℃,浇注温度1400℃条件下。体积比3:1时,灰铸铁/钢棒不具备形成冶金结合界面的条件。体积比8:1时钢棒的中心部位具备形成冶金结合的条件。体积比15:1时,距离钢棒芯头10mm处具备形成冶金结合的条件。灰铸铁的浇注温度对灰铸铁/碳钢的双金属复合材料的形成具有影响。钢棒初温20℃保持不变,改变浇注温度为1400℃、1450℃、1500℃。体积比3:1时,不具备形成冶金结合界面的条件。体积比8:1及体积比15:1时,随着浇注温度的增加,灰铸铁/碳钢的融合界面的平衡温度及碳扩散时间上升,均呈线性增长。浇注温度越高,越容易获得双金属冶金结合界面。根据热交换定律得出公式,得出在浇注温度1400℃,1450℃及1500℃的条件下,灰铸铁/碳钢的质量比分别低于4.0:1、3.3:1、2.9:1时,不具备形成双金属的冶金结合的基本条件。并且随着灰铸铁/碳钢的质量比的增加,浇注温度对灰铸铁/碳钢的界面处的平衡温度的影响越大,越容易获得灰铸铁/碳钢的复合双金属材料。对试样的金相组织进行研究,结果表明:灰铸铁/碳钢双金属界面为扩散结合,自灰铸铁向碳钢发生碳元素扩散。通过光学显微镜及电子显微镜的观察,界面具有两层不同组织的界面,分别为融合层及扩散层。融合层组织为变态莱氏体,扩散层组织含有珠光体及渗碳体。融合层及扩散层的厚度随着灰铸铁/钢棒体积比的降低,融合层组织厚度从260.029μm降至234.132μm,扩散层组织厚度从736.255μm降至604.773μm。对灰铸铁/碳钢界面的显微硬度测试表明:融合层显微硬度最高,最高达到297HV。扩散层随着扩散距离的增大,显微硬度下降,自240 HV降至187 HV。仍高于钢棒的显微硬度,这是由于碳元素的扩散,生成弥撒的二次渗碳体组织。根据实验结果及理论分析,钢棒接触铸铁液体下降到凝固温度的时间大于钢表面吸收碳而熔合所需的时间,即可发生融合。