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(yáng)   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(zhǎng)沙410083）

    摘要：利用廢舊輥環(huán)，通過(guò)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(chǎng)的主要消耗部件，長(zhǎng)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(guò)離心法來(lái)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(guò)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(guò)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(xiàn)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(jiàn)，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(lái)說(shuō)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(guò)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(lái)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(jiàn)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(guò)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(guò)程，以條絲狀碳化物的形式在WC顆粒周?chē)w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(jiàn)圖6。這是因?yàn)樵陔x心澆鑄過(guò)程中，由于離心力的作用，大顆粒遷移速度快，首先沉積在最外側(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(jiàn)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(lái)析出的少量碳化物不能象剛開(kāi)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(lái)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(wú)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(zhǎng)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。

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