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技術文章
更新時間：2011-03-21
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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）
利用廢舊輥環，通過重熔和離心鑄造法制備了再生復合材料輥環，重點研究了離心機轉速為800 r/min和1 000 r/min時制備的再生復合材料輥環的組織和性能。樣品的微觀組織檢測表明：再生復合材料輥環由WC顆粒大量分布的外層和Fe-C合金內層組成，離心機轉速高的外層內WC增強顆粒體積分數較大。力學性能測試表明：800 r/min轉速下制備的再生復合材料輥環，其外層和內層的硬度分別達到HRC49、HRC42，沖擊韌性分別為3.1 J/cm2、5.1 J/cm2。離心機轉速提高到1 000 r/min時，外層和內層的硬度分別增加達到HRC58、HRC49，沖擊韌性分別降低為2.3 J/cm2、4.1 J/cm2。
關鍵詞：
輥環；再生復合材料；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，長期處于高溫、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復合材料輥環在性能上和硬質合金輥環基本一致，但降低了近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復合材料輥環，力學性能優勢明顯，生產工藝簡便。目前，用于制造輥環的材料較為昂貴，并且其利用率僅為30%左右，如果能實現廢棄復合材料輥環的回收利用，將會節省大量成本[5]。已經有許多工作者以廢棄輥環為原料，通過離心法來制備了碳化鎢顆粒增強Fe-C基復合結構輥環。因為WC增強基顆粒的分布、基體和復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了再生復合材料輥環，系統考察了離心機轉速對WC增強顆粒的分布、輥環微觀組織和輥環力學性能的影響。
實驗過程中采用廢舊復合材料軋輥做原材料，以Fe為基體，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：將回收的廢舊復合材料軋輥經預處理后放入50kg中頻爐中，在熔渣保護下進行重熔，拔掉舊渣后加入40~100目的WC增強顆粒進行熔化，然后澆入旋轉的離心機模具內，離心機轉速分別取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合金內層組成的復合結構輥環。采用線切割方法從不同轉速制備的兩個再生復合材料輥環上截取外層和內層的試樣，試樣尺寸為：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。再生復合材料輥環金相試樣分別從兩個軋輥的外層和內層切取，制備出合格的金相試樣，采用光鏡和型號為JSM-5610LV掃描電子顯微鏡對再生復合材料輥環的組織以及沖擊斷口進行拍照與微觀分析。
圖1為離心機轉速為800 r/min和1 000 r/min時制備的兩個再生復合材料輥環。再生復合材料輥環有12~18 mm厚的復合材料層，相比之下，轉速為1 000 r/min時制備的再生復合材料輥環，其外層厚度小于轉速為800 r/min時制備的再生復合材料輥環。可見，離心機轉速對再生復合材料輥環外層厚度有明顯影響，并會影響其機械性能。
分別對兩種轉速下制備的再生復合材料輥環的外層與內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復合材料輥環，其外層和內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合材料輥環，其外層和內層的平均沖擊韌性分別為3.1 J/cm2和5.2 J/cm2。相比之下，高轉速輥環的沖擊韌性要小于低轉速輥環的沖擊韌性，外層的沖擊韌性要低于內層的沖擊韌性。其原因是離心機轉速增大導致更多的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。外層和內層之間的平均韌性有所差別，主要是因為在離心鑄造中，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，形成增強顆粒較多的外層[6]，從而造成“外硬內軟”，所以外層的平均韌性要低于內層的平均韌性。圖2、圖3分別為低速輥環外層和內層試樣的斷口形貌，從中可以看出，外層斷口比較平整，為典型的脆性斷裂；而輥環內層的斷口較為粗糙，有韌窩存在，伴隨有塑性變形和石墨脫落痕跡，斷口特征為準解理斷裂[7]。
不同離心機轉速下制備的再生復合材料輥環，其外層的硬度均高于HRC48.4，大于內層的硬度HRC41.7，外層和內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，內層相對來說硬度較低，但是低離心機轉速下制備的再生復合材料輥環外層的硬度稍微偏低。復合材料的硬度主要取決于基體組織和增強相的體積分數，增強相體積分數越高，復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。
再生復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析出，見圖4、圖5。這是由于在制備輥環時，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轉速下制備的再生復合材料輥環，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，增強顆粒與Fe-C合金基體界面結合良好。
再生復合材料輥環外層組織中分布著碳化物顆粒增強相，通常認為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，轉速為1 000 r/min再生復合材料輥環硬度更高。
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。這是因為在離心澆鑄過程中，由于離心力的作用，大顆粒遷移速度快，首先沉積在zui外側，小顆粒遷移速度慢，只能留在界面附近。提高離心機轉速，更多的WC小顆粒向外層遷移，在外層和內層的界面處小顆粒WC層變薄[11]。從圖6中看出，轉速為800 r/min時制備的再生復合材料軋輥的軋輥外層和內層的界面有大量的細小WC顆粒存在，形成了較厚的細WC顆粒層，而轉速為1 000 r/min的再生復合材料軋輥外層與內層的界面處細WC顆粒層較薄，內外層結合較好。
再生復合材料輥環內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部。由于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，由于離心機轉速的作用，當提高離心機轉速時，有更多的WC顆粒遷移出芯部基體，這就導致高轉速輥環內層的碳化物含量要明顯少于低轉速芯部基體；靠近外層的基體硬度比內層高，其韌性比內層低。
結合前面輥環試樣性能分析可知，轉速為1 000 r/min的再生復合材料軋輥的組織與性能都要優于轉速為800 r/min的再生復合材料軋輥，轉速為1 000 r/min的再生復合材料輥環的外層和內層界面結合良好，各項性能均可以達到要求。
1）在轉速分別為800 r/min和1 000 r/min條件下，制備了由外層和內層組成的再生復合結構輥環，輥環的外層厚度達到了12~18 mm，無分層，內部裂紋等缺陷。
2）轉速為800 r/min時制備的再生復合材料輥環外層和內層的沖擊韌性較好。轉速為1 000 r/min時制備的再生復合材料輥環試樣的復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，并且相差不大；提高離心機轉速，可以相應提高芯部基體和復合層的硬度，這樣更好延長使用壽命，節約成本。
3）從復合層的組織觀察可知，轉速為1 000 r/min的再生復合材料軋輥復合層中的WC顆粒分布更均勻，體積分數更大，表面更為平整，復合層和基體結合良好。
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