離心機轉速對(duì)再生複(fù)合材料輥環組織和性能的影響

 周向陽   張太康   李昌林  覃靜  婁世菊  

  （中南大學冶金科學與工程學院，長沙410083）

    摘要：

利用廢舊輥環，通過重熔和離心鑄造法制備瞭再生複合材料輥環
，重點研究瞭離心機轉速爲800 r/min和1 000 r/min時制備的再生複合材料輥環的組織和性能。樣品的微觀組織檢測表明：再生複合材料輥環由WC顆粒大量分布的外層和Fe-C合金内層組成，離心機轉速高的外層内WC增強顆粒體積分數較大。力學性能測試表明
：800 r/min轉速下制備的再生複合材料輥環，其外層和内層的硬度分别達到HRC49、HRC42，沖擊韌性分别爲3.1 J/cm2、5.1 J/cm2。離心機轉速提高到1 000 r/min時，外層和内層的硬度分别增加達到HRC58、HRC49，沖擊韌性分别降低爲2.3 J/cm2、4.1 J/cm2。
    關鍵詞：

輥環；再生複合材料；離心鑄造；力學性能；微觀組織

    輥環是軋鋼廠的主要消耗部件，長期處於高溫、高負荷、高速度的惡劣條件下，要有良好的抗斷裂性能，表面應具有良好的耐磨、耐熱性能[1-2]。WCP/Fe-C複合材料輥環在性能上和硬質合金輥環基本一緻，但降低瞭近50%的材料成本[3-4]。1990年日本學者福井泰好提出的離心鑄造法制備複合材料輥環，力學性能優勢明顯，生産工藝簡便。目前，用於制造輥環的材料較爲昂貴
，並且其利用率僅爲30%左右，如果能實現廢棄複合材料輥環的回收利用，将會節省大量成本[5]。已經有許多工作者以廢棄輥環爲原料，通過離心法來制備瞭碳化鎢顆粒增強Fe-C基複合結構輥環
。因爲WC增強基顆粒的分布、基體和複合層的結合狀況都與離心機轉速有很大關系
，而有關離心機轉速對輥環組織和性能的影響發面的報道較少，因而本文通過不同的離心機轉速制備瞭再生複合材料輥環，系統考察瞭離心機轉速對WC增強顆粒的分布、輥環微觀組織和輥環力學性能的影響。
 

    1·試驗方法與試樣制備

    實驗過程中採用廢舊複合材料軋輥做原材料，以Fe爲基體，其它基本成分如表1所示。



    實驗樣品的制備方法參照文獻[6]，具體的步驟是：将回收的廢舊複合材料軋輥經預處理後放入50kg中頻爐中，在熔渣保護下進行重熔，拔掉舊渣後加入40~100目的WC增強顆粒進行熔化，然後澆入旋轉的離心機模具内，離心機轉速分别取800 r/min和1 000 r/min，在離心場下制成由WC增強顆粒大量分布的外層和Fe-C合金内層組成的複合結構輥環。採用線切割方法從不同轉速制備的兩個再生複合材料輥環上截取外層和内層的試樣
，試樣尺寸爲：10 mm×10 mm×70 mm。

    沖擊實驗在JB-5型擺錘式沖擊試驗機上上進行，硬度測定在HR-150A洛氏硬度計上進行。再生複合材料輥環金相試樣分别從兩個軋輥的外層和内層切取，制備出合格的金相試樣，採用光鏡和型号爲JSM-5610LV掃描電子顯微鏡對再生複合材料輥環的組織以及沖擊斷口進行拍照與微觀分析。

   

 2·結果與讨論

    2.1再生複合材料輥環的外觀

    圖1爲離心機轉速爲800 r/min和1 000 r/min時制備的兩個再生複合材料輥環。再生複合材料輥環有12~18 mm厚的複合材料層，相比之下，轉速爲1 000 r/min時制備的再生複合材料輥環，其外層厚度小於轉速爲800 r/min時制備的再生複合材料輥環。可見，離心機轉速對再生複合材料輥環外層厚度有明顯影響，並會影響其機械性能。
 

 2.2轉速對複合材料輥環的力學性能的影響

    分别對兩種轉速下制備的再生複合材料輥環的外層與内層試樣進行沖擊韌性檢測
，結果表明，在1 000 r/min轉速條件下制備的再生複合材料輥環，其外層和内層的平均沖擊韌性分别爲2.3 J/cm2和4.1 J/cm2，而在800 r/min條件下制備的再生複合材料輥環，其外層和内層的平均沖擊韌性分别爲3.1 J/cm2和5.2 J/cm2。相比之下，高轉速輥環的沖擊韌性要小於低轉速輥環的沖擊韌性，外層的沖擊韌性要低於内層的沖擊韌性。其原因是離心機轉速增大導緻更多的WC顆粒遷移到外層，使外層的增強顆粒體積分數增加，韌性降低。外層和内層之間的平均韌性有所差别，主要是因爲在離心鑄造中，由於離心力的作用使先析出的密度大的碳化物被向外遷移，形成增強顆粒較多的外層[6]，從而造成“外硬内軟”，所以外層的平均韌性要低於内層的平均韌性。圖2、圖3分别爲低速輥環外層和内層試樣的斷口形貌，從中可以看出，外層斷口比較平整，爲典型的脆性斷裂；而輥環内層的斷口較爲粗糙，有韌窩存在
，伴随有塑性變形和石墨脫落痕迹，斷口特征爲準解理斷裂[7]。



    不同離心機轉速下制備的再生複合材料輥環，其外層的硬度均高於HRC48.4，大於内層的硬度HRC41.7，外層和内層之間的硬度差别明顯。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，内層相對來說硬度較低，但是低離心機轉速下制備的再生複合材料輥環外層的硬度稍微偏低。複合材料的硬度主要取決於基體組織和增強相的體積分數，增強相體積分數越高，複合材料的硬度也越高[8-9]。可以通過提高離心機轉速使更多的WC顆粒進入外層中，進而增加外層中增強相WC顆粒的體積分數來提高外層的硬度。當把離心機轉速提高到1 000 r/min時，外層的硬度相應提高到HRC58.4，達到理論的預期結果。

 2.3離心機轉速對再生複合材料輥環外層組織的影響

    再生複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内析出，見圖4、圖5。這是由於在制備輥環時，從熔融液相中先析出的碳化物，在離心力的作用下轉移到輥環外層，而WC顆粒在遷移過程中其表面部分被鐵液溶解，這些被WC合金化的鐵水在随後的凝固過程，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轉速下制備的再生複合材料輥環，外層的WC顆粒分布更爲均勻，排列也更爲緊密，顆粒比圖4中的顆粒多，顆粒直徑較小，增強顆粒與Fe-C合金基體界面結合良好。

    再生複合材料輥環外層組織中分布著碳化物顆粒增強相，通常認爲WC顆粒體積分數越高，顆粒直徑愈小，分布越均勻，硬度越高。從以上分析可知，轉速爲1 000 r/min再生複合材料輥環硬度更高。


 

 2.4再生複合材料輥環複合層與基體界面組織分析

    在輥環外層中，靠近外側，大顆粒WC較多，靠近界面處小顆粒WC較多，見圖6。這是因爲在離心澆鑄過程中，由於離心力的作用，大顆粒遷移速度快，首先沉積在zui外側，小顆粒遷移速度慢，隻能留在界面附近。提高離心機轉速，更多的WC小顆粒向外層遷移，在外層和内層的界面處小顆粒WC層變薄[11]。從圖6中看出
，轉速爲800 r/min時制備的再生複合材料軋輥的軋輥外層和内層的界面有大量的細小WC顆粒存在，形成瞭較厚的細WC顆粒層，而轉速爲1 000 r/min的再生複合材料軋輥外層與内層的界面處細WC顆粒層較薄，内外層結合較好。

2.5離心機轉速對再生複合材料輥環内層的組織的影響

    再生複合材料輥環内層組織爲片狀貝氏體、短杆狀碳化物和石墨，見圖7、圖8。這是由於複合材料熔液在凝固末期，黏度較大，後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隻能留在内部。由於留存下來的碳化物呈細條塊狀存在
，而碳化物又是一種較脆、硬度較高的相，會增加基體的硬度，降低韌性
。



    由圖7、圖8比較可知，由於離心機轉速的作用，當提高離心機轉速時，有更多的WC顆粒遷移出芯部基體，這就導緻高轉速輥環内層的碳化物含量要明顯少於低轉速芯部基體；靠近外層的基體硬度比内層高，其韌性比内層低。

    結合前面輥環試樣性能分析可知，轉速爲1 000 r/min的再生複合材料軋輥的組織與性能都要優於轉速爲800 r/min的再生複合材料軋輥，轉速爲1 000 r/min的再生複合材料輥環的外層和内層界面結合良好，各項性能均可以達到要求。

  3·結論   

    1）在轉速分别爲800 r/min和1 000 r/min條件下，制備瞭由外層和内層組成的再生複合結構輥環，輥環的外層厚度達到瞭12~18 mm，無分層，内部裂紋等缺陷。

    2）轉速爲800 r/min時制備的再生複合材料輥環外層和内層的沖擊韌性較好。轉速爲1 000 r/min時制備的再生複合材料輥環試樣的複合層和芯部基體層的硬度較高。根據應用要求，兩種輥環的沖擊韌性都能達到要求，並且相差不大；提高離心機轉速，可以相應提高芯部基體和複合層的硬度，這樣更好延長使用壽命，節約成本。

    3）從複合層的組織觀察可知，轉速爲1 000 r/min的再生複合材料軋輥複合層中的WC顆粒分布更均勻，體積分數更大，表面更爲平整，複合層和基體結合良好。

參考文獻

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