離心機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)再生復(fù)合材料輥環(huán)組織和性能的影響

 周向陽   張?zhí)?nbsp;  李昌林  覃靜  婁世菊  

  （中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083）

    摘要：

利用廢舊輥環(huán)，通過重熔和離心鑄造法制備了再生復(fù)合材料輥環(huán)，重點(diǎn)研究了離心機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min和1 000 r/min時(shí)制備的再生復(fù)合材料輥環(huán)的組織和性能。樣品的微觀組織檢測(cè)表明：再生復(fù)合材料輥環(huán)由WC顆粒大量分布的外層和Fe-C合金內(nèi)層組成，離心機(jī)轉(zhuǎn)速高的外層內(nèi)WC增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)較大。力學(xué)性能測(cè)試表明：800 r/min轉(zhuǎn)速下制備的再生復(fù)合材料輥環(huán)，其外層和內(nèi)層的硬度分別達(dá)到HRC49、HRC42，沖擊韌性分別為3.1 J/cm2、5.1 J/cm2。離心機(jī)轉(zhuǎn)速提高到1 000 r/min時(shí)，外層和內(nèi)層的硬度分別增加達(dá)到HRC58、HRC49，沖擊韌性分別降低為2.3 J/cm2、4.1 J/cm2。
    關(guān)鍵詞：

輥環(huán)；再生復(fù)合材料；離心鑄造；力學(xué)性能；微觀組織

    輥環(huán)是軋鋼廠的主要消耗部件，長期處于高溫、高負(fù)荷、高速度的惡劣條件下，要有良好的抗斷裂性能，表面應(yīng)具有良好的耐磨、耐熱性能[1-2]。WCP/Fe-C復(fù)合材料輥環(huán)在性能上和硬質(zhì)合金輥環(huán)基本一致，但降低了近50%的材料成本[3-4]。1990年日本學(xué)者福井泰好提出的離心鑄造法制備復(fù)合材料輥環(huán)，力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)明顯，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便。目前，用于制造輥環(huán)的材料較為昂貴，并且其利用率僅為30%左右，如果能實(shí)現(xiàn)廢棄復(fù)合材料輥環(huán)的回收利用，將會(huì)節(jié)省大量成本[5]。已經(jīng)有許多工作者以廢棄輥環(huán)為原料，通過離心法來制備了碳化鎢顆粒增強(qiáng)Fe-C基復(fù)合結(jié)構(gòu)輥環(huán)。因?yàn)閃C增強(qiáng)基顆粒的分布、基體和復(fù)合層的結(jié)合狀況都與離心機(jī)轉(zhuǎn)速有很大關(guān)系，而有關(guān)離心機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)輥環(huán)組織和性能的影響發(fā)面的報(bào)道較少，因而本文通過不同的離心機(jī)轉(zhuǎn)速制備了再生復(fù)合材料輥環(huán)，系統(tǒng)考察了離心機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)WC增強(qiáng)顆粒的分布、輥環(huán)微觀組織和輥環(huán)力學(xué)性能的影響。
 

    1·試驗(yàn)方法與試樣制備

    實(shí)驗(yàn)過程中采用廢舊復(fù)合材料軋輥?zhàn)鲈牧希訤e為基體，其它基本成分如表1所示。



    實(shí)驗(yàn)樣品的制備方法參照文獻(xiàn)[6]，具體的步驟是：將回收的廢舊復(fù)合材料軋輥經(jīng)預(yù)處理后放入50kg中頻爐中，在熔渣保護(hù)下進(jìn)行重熔，拔掉舊渣后加入40~100目的WC增強(qiáng)顆粒進(jìn)行熔化，然后澆入旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)模具內(nèi)，離心機(jī)轉(zhuǎn)速分別取800 r/min和1 000 r/min，在離心場(chǎng)下制成由WC增強(qiáng)顆粒大量分布的外層和Fe-C合金內(nèi)層組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)輥環(huán)。采用線切割方法從不同轉(zhuǎn)速制備的兩個(gè)再生復(fù)合材料輥環(huán)上截取外層和內(nèi)層的試樣，試樣尺寸為：10 mm×10 mm×70 mm。

    沖擊實(shí)驗(yàn)在JB-5型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上上進(jìn)行，硬度測(cè)定在HR-150A洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行。再生復(fù)合材料輥環(huán)金相試樣分別從兩個(gè)軋輥的外層和內(nèi)層切取，制備出合格的金相試樣，采用光鏡和型號(hào)為JSM-5610LV掃描電子顯微鏡對(duì)再生復(fù)合材料輥環(huán)的組織以及沖擊斷口進(jìn)行拍照與微觀分析。

   

 2·結(jié)果與討論

    2.1再生復(fù)合材料輥環(huán)的外觀

    圖1為離心機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min和1 000 r/min時(shí)制備的兩個(gè)再生復(fù)合材料輥環(huán)。再生復(fù)合材料輥環(huán)有12~18 mm厚的復(fù)合材料層，相比之下，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)制備的再生復(fù)合材料輥環(huán)，其外層厚度小于轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)制備的再生復(fù)合材料輥環(huán)。可見，離心機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)再生復(fù)合材料輥環(huán)外層厚度有明顯影響，并會(huì)影響其機(jī)械性能。
 

 2.2轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)合材料輥環(huán)的力學(xué)性能的影響

    分別對(duì)兩種轉(zhuǎn)速下制備的再生復(fù)合材料輥環(huán)的外層與內(nèi)層試樣進(jìn)行沖擊韌性檢測(cè)，結(jié)果表明，在1 000 r/min轉(zhuǎn)速條件下制備的再生復(fù)合材料輥環(huán)，其外層和內(nèi)層的平均沖擊韌性分別為2.3 J/cm2和4.1 J/cm2，而在800 r/min條件下制備的再生復(fù)合材料輥環(huán)，其外層和內(nèi)層的平均沖擊韌性分別為3.1 J/cm2和5.2 J/cm2。相比之下，高轉(zhuǎn)速輥環(huán)的沖擊韌性要小于低轉(zhuǎn)速輥環(huán)的沖擊韌性，外層的沖擊韌性要低于內(nèi)層的沖擊韌性。其原因是離心機(jī)轉(zhuǎn)速增大導(dǎo)致更多的WC顆粒遷移到外層，使外層的增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)增加，韌性降低。外層和內(nèi)層之間的平均韌性有所差別，主要是因?yàn)樵陔x心鑄造中，由于離心力的作用使先析出的密度大的碳化物被向外遷移，形成增強(qiáng)顆粒較多的外層[6]，從而造成“外硬內(nèi)軟”，所以外層的平均韌性要低于內(nèi)層的平均韌性。圖2、圖3分別為低速輥環(huán)外層和內(nèi)層試樣的斷口形貌，從中可以看出，外層斷口比較平整，為典型的脆性斷裂；而輥環(huán)內(nèi)層的斷口較為粗糙，有韌窩存在，伴隨有塑性變形和石墨脫落痕跡，斷口特征為準(zhǔn)解理斷裂[7]。



    不同離心機(jī)轉(zhuǎn)速下制備的再生復(fù)合材料輥環(huán)，其外層的硬度均高于HRC48.4，大于內(nèi)層的硬度HRC41.7，外層和內(nèi)層之間的硬度差別明顯。造成這種情況的原因仍是離心力的作用，使得外層硬度較大，內(nèi)層相對(duì)來說硬度較低，但是低離心機(jī)轉(zhuǎn)速下制備的再生復(fù)合材料輥環(huán)外層的硬度稍微偏低。復(fù)合材料的硬度主要取決于基體組織和增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)，增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)越高，復(fù)合材料的硬度也越高[8-9]。可以通過提高離心機(jī)轉(zhuǎn)速使更多的WC顆粒進(jìn)入外層中，進(jìn)而增加外層中增強(qiáng)相WC顆粒的體積分?jǐn)?shù)來提高外層的硬度。當(dāng)把離心機(jī)轉(zhuǎn)速提高到1 000 r/min時(shí)，外層的硬度相應(yīng)提高到HRC58.4，達(dá)到理論的預(yù)期結(jié)果。

 2.3離心機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)再生復(fù)合材料輥環(huán)外層組織的影響

    再生復(fù)合材料軋輥的外層由基體和均勻分布的WC顆粒組成，WC顆粒排列緊密，另外還有少許條絲狀碳化物在基體組織內(nèi)析出，見圖4、圖5。這是由于在制備輥環(huán)時(shí)，從熔融液相中先析出的碳化物，在離心力的作用下轉(zhuǎn)移到輥環(huán)外層，而WC顆粒在遷移過程中其表面部分被鐵液溶解，這些被WC合金化的鐵水在隨后的凝固過程，以條絲狀碳化物的形式在WC顆粒周圍基體中的析出[10]。從圖5可以看出，1 000 r/min轉(zhuǎn)速下制備的再生復(fù)合材料輥環(huán)，外層的WC顆粒分布更為均勻，排列也更為緊密，顆粒比圖4中的顆粒多，顆粒直徑較小，增強(qiáng)顆粒與Fe-C合金基體界面結(jié)合良好。

    再生復(fù)合材料輥環(huán)外層組織中分布著碳化物顆粒增強(qiáng)相，通常認(rèn)為WC顆粒體積分?jǐn)?shù)越高，顆粒直徑愈小，分布越均勻，硬度越高。從以上分析可知，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min再生復(fù)合材料輥環(huán)硬度更高。


 

 2.4再生復(fù)合材料輥環(huán)復(fù)合層與基體界面組織分析

    在輥環(huán)外層中，靠近外側(cè)，大顆粒WC較多，靠近界面處小顆粒WC較多，見圖6。這是因?yàn)樵陔x心澆鑄過程中，由于離心力的作用，大顆粒遷移速度快，首先沉積在zui外側(cè)，小顆粒遷移速度慢，只能留在界面附近。提高離心機(jī)轉(zhuǎn)速，更多的WC小顆粒向外層遷移，在外層和內(nèi)層的界面處小顆粒WC層變薄[11]。從圖6中看出，轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)制備的再生復(fù)合材料軋輥的軋輥外層和內(nèi)層的界面有大量的細(xì)小WC顆粒存在，形成了較厚的細(xì)WC顆粒層，而轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的再生復(fù)合材料軋輥外層與內(nèi)層的界面處細(xì)WC顆粒層較薄，內(nèi)外層結(jié)合較好。

2.5離心機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)再生復(fù)合材料輥環(huán)內(nèi)層的組織的影響

    再生復(fù)合材料輥環(huán)內(nèi)層組織為片狀貝氏體、短桿狀碳化物和石墨，見圖7、圖8。這是由于復(fù)合材料熔液在凝固末期，黏度較大，后來析出的少量碳化物不能象剛開始析出的碳化物那樣借助離心力作用遷移到外層而只能留在內(nèi)部。由于留存下來的碳化物呈細(xì)條塊狀存在，而碳化物又是一種較脆、硬度較高的相，會(huì)增加基體的硬度，降低韌性。



    由圖7、圖8比較可知，由于離心機(jī)轉(zhuǎn)速的作用，當(dāng)提高離心機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，有更多的WC顆粒遷移出芯部基體，這就導(dǎo)致高轉(zhuǎn)速輥環(huán)內(nèi)層的碳化物含量要明顯少于低轉(zhuǎn)速芯部基體；靠近外層的基體硬度比內(nèi)層高，其韌性比內(nèi)層低。

    結(jié)合前面輥環(huán)試樣性能分析可知，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的再生復(fù)合材料軋輥的組織與性能都要優(yōu)于轉(zhuǎn)速為800 r/min的再生復(fù)合材料軋輥，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的再生復(fù)合材料輥環(huán)的外層和內(nèi)層界面結(jié)合良好，各項(xiàng)性能均可以達(dá)到要求。

  3·結(jié)論   

    1）在轉(zhuǎn)速分別為800 r/min和1 000 r/min條件下，制備了由外層和內(nèi)層組成的再生復(fù)合結(jié)構(gòu)輥環(huán)，輥環(huán)的外層厚度達(dá)到了12~18 mm，無分層，內(nèi)部裂紋等缺陷。

    2）轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)制備的再生復(fù)合材料輥環(huán)外層和內(nèi)層的沖擊韌性較好。轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)制備的再生復(fù)合材料輥環(huán)試樣的復(fù)合層和芯部基體層的硬度較高。根據(jù)應(yīng)用要求，兩種輥環(huán)的沖擊韌性都能達(dá)到要求，并且相差不大；提高離心機(jī)轉(zhuǎn)速，可以相應(yīng)提高芯部基體和復(fù)合層的硬度，這樣更好延長使用壽命，節(jié)約成本。

    3）從復(fù)合層的組織觀察可知，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的再生復(fù)合材料軋輥復(fù)合層中的WC顆粒分布更均勻，體積分?jǐn)?shù)更大，表面更為平整，復(fù)合層和基體結(jié)合良好。

參考文獻(xiàn)

[1]陳紅衛(wèi)，WC-FeCoNi硬質(zhì)合金輥環(huán)的開發(fā)與應(yīng)用[J].硬質(zhì)合金，2003，20（6）：88-93

[2]JIAN Zhi-qiang,DING Yu-deng.Development and Application of Die-casting

 High Speed Steel Rolls[J].Journal of Iron and SteelRsearch 

International,2005,12（1）:22-27

[3]周利.軋輥制造技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)[J].鑄造,2002,11:666-667

[4]朱靜雷，黃繼華，張華，等.硬質(zhì)合金復(fù)合輥環(huán)復(fù)合工藝的研究進(jìn)展[J].粉末冶金技術(shù)，2008，26（1）：60-64

[5]符定梅，符寒光.復(fù)合軋輥制造技術(shù)的研究進(jìn)展[J].大型鑄鍛件，2006，5（1）：48-52

[6]宋延沛，李秉哲，謝敬佩，等.WC顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料輥環(huán)的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37（11）:99-101

[7]馮培忠，強(qiáng)穎懷.離心鑄造WC顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料輥環(huán)的研制[J].軋鋼，2004，21（4）:14-16

[8]張伯明.離心鑄造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.35-38

[9]方晴，王憶民.硬質(zhì)合金軋輥的使用失效及其原因分析[J].硬質(zhì)合金，2007，24（4）：219-225

[10]SONG Yan-pei,MAO Xie-min,DONG Qi-ming.WCp/Fe-C com-posites with 

centrifugal casting and their application[J].Journal of Functional 

Materials,2004,35（6）:761-762,768

[11]張恒大，劉子安.鑄鐵/硬質(zhì)合金復(fù)合鑄造機(jī)理[J].鑄造，2000，13（6）：334-335