雙液金屬復(fù)合耐磨板厚度對(duì)復(fù)合層組織和性能的影響

朱永長(zhǎng)，魏尊杰,榮守范,宋春梅

(1 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 154001；2 佳木斯大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

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雙液金屬復(fù)合耐磨板厚度對(duì)復(fù)合層組織和性能的影響

朱永長(zhǎng)1,2，魏尊杰1,榮守范2,宋春梅2

(1 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 154001；2 佳木斯大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

利用雙液鑄造液膜連接工藝制備大平面的低碳鋼/高鉻鑄鐵耐磨板。采用SEM，EDS對(duì)復(fù)合層進(jìn)行組織觀察及成分分析。結(jié)果表明：不同厚度的復(fù)合板從低碳鋼側(cè)至高鉻鑄鐵側(cè)可以分為低碳鋼→珠光體過渡層→復(fù)合層→高鉻鑄鐵過渡層，雙金屬復(fù)合層完全實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合。通過對(duì)復(fù)合層區(qū)域進(jìn)行顯微硬度分析，從低碳鋼至高鉻鑄鐵側(cè)的顯微硬度在345～1260HV范圍梯度分布。復(fù)合層的顯微組織主要為γ-Fe+粒狀碳化物。高鉻鑄鐵過渡層奧氏體組織呈現(xiàn)垂直復(fù)合層方向的樹枝狀生長(zhǎng)，并隨著耐磨板厚度的增加，奧氏體生長(zhǎng)的方向性逐漸消失。根據(jù)低碳鋼的溫度變化初步建立了相關(guān)的溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型。

雙液金屬；耐磨板；復(fù)合層；液膜連接工藝

雙金屬復(fù)合耐磨板被廣泛應(yīng)用于冶金、水泥、電力和礦山等重工業(yè)領(lǐng)域，以適應(yīng)沖擊、磨損和腐蝕等惡劣的工況條件[1,2]。雙金屬復(fù)合耐磨板的基板通常為低碳鋼、低合金鋼或不銹鋼等韌性材料，用于基板承受介質(zhì)的載荷，耐磨層采用硬度較高的抗磨材料，抵抗磨損介質(zhì)的磨損[3,4]。目前，雙液鑄造雙金屬板類耐磨產(chǎn)品主要集中在襯板、鄂板和反擊板等方面的應(yīng)用，而在板材厚度約為40mm以下、在工裝設(shè)備及工況條件下的應(yīng)用仍為空白[5-7]，這主要?dú)w因于大平面薄板復(fù)合過程中容易出現(xiàn)的混料、縮孔和夾雜等缺陷，導(dǎo)致雙液鑄造復(fù)合薄板技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際的生產(chǎn)中主要以堆焊耐磨板為主[8-10]。堆焊耐磨板主要采用自動(dòng)焊接工藝，將高硬度自保護(hù)合金焊絲平均地焊接在普通低碳鋼或低碳低合金鋼板基材表面上；堆焊過程是一個(gè)非均勻的加熱過程，堆焊時(shí)產(chǎn)生很大的焊接殘余應(yīng)力導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生；堆焊層需要多層堆焊才能減少母材對(duì)堆焊層的稀釋作用，從而達(dá)到成分和性能的要求，加大了生產(chǎn)成本；另外堆焊層上下性能不均勻，上層耐磨性高，下層耐磨性低，整體耐磨性達(dá)不到要求；堆焊耐磨板成品尺寸通常為1200～2000mm，使用時(shí)需要切割成相應(yīng)的形狀，板材利用率約為60%～75%[11-13]。雙液金屬復(fù)合鑄造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)異種金屬的大平面冶金復(fù)合，雙液鑄造復(fù)合耐磨薄板的研制可以較好解決堆焊耐磨產(chǎn)品存在的諸多不足，為雙金屬薄板類耐磨鑄件應(yīng)用提供了廣闊的市場(chǎng)。

本工作在雙液鑄造雙金屬復(fù)合工藝的基礎(chǔ)上，將直接外冷鐵置于型腔底部，促使初使?jié)沧⒌牡吞间撘簭南卤砻嬷辽媳砻娈a(chǎn)生較大的溫度梯度，傾向于層狀凝固，保證低合金鋼在較短時(shí)間內(nèi)下部已經(jīng)凝固時(shí)，上表面仍處于半固態(tài)，然后開始澆注高鉻鑄鐵液，提出了一種雙金屬復(fù)合耐磨薄板的生產(chǎn)制備方法，主要解決薄板類雙金屬復(fù)合鑄件出現(xiàn)的混料、縮孔和夾雜等缺陷。采用該方法生產(chǎn)的耐磨板，不但可以替代或部分替代堆焊耐磨板產(chǎn)品，也可以使耐磨板類件適應(yīng)相應(yīng)設(shè)備對(duì)形狀和結(jié)構(gòu)的一定要求，該研究將為雙液金屬復(fù)合鑄造技術(shù)的推廣與應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

采用雙液鑄造雙金屬復(fù)合方法進(jìn)行耐磨薄板制備，尺寸為500mm×300mm，板材厚度分別為20，30，40mm。造型材料選用CO2硬化水玻璃砂。耐磨板的化學(xué)成分如表1所示。

表1　耐磨板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1　Chemical composition of wear resistance plate(mass fraction/%)

1.2實(shí)驗(yàn)方法

采用KGPS-800型10kg和60kg中頻熔煉爐同步熔煉低碳鋼和高鉻鑄鐵。利用雙澆注系統(tǒng)澆注工藝，在型腔的底部采用激冷材料調(diào)整進(jìn)入型腔內(nèi)的金屬液凝固過程的溫度場(chǎng)分布狀態(tài)，使得先進(jìn)入的低碳鋼金屬液垂直方向存在較大的溫度梯度，而后續(xù)澆入的高鉻鑄鐵金屬液在水平方向溫度場(chǎng)又趨于一致。型腔中間區(qū)域下側(cè)，激冷材料厚度約為0.5T[14-16]，其中T為耐磨板基材的熱節(jié)圓直徑。在型腔的底部鋪設(shè)的激冷材料，用于加速基材冷卻，加大溫度梯度，進(jìn)而調(diào)控溫度場(chǎng)，防止混料現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)鑄件板厚，計(jì)算放置激冷材料的位置和所需數(shù)量，制備出的耐磨板實(shí)物如圖1(a)所示。經(jīng)過線切割加工表面自然氧化后試樣如圖1(b)所示。

圖1　雙液金屬復(fù)合耐磨薄板實(shí)物(a)及試樣(b)Fig.1　Two-liquid bimetal wear resistance plate(a)and the samples(b)

1.3檢測(cè)分析

利用Supra55(VP)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行組織觀察；通過INCA能譜儀(EDAX)對(duì)復(fù)合層區(qū)域進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)合XRD進(jìn)行相應(yīng)的物相成分確定；采用MC010-HVS-1000顯微硬度計(jì)，對(duì)復(fù)合層及過渡層進(jìn)行顯微硬度測(cè)定。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1微觀組織

低碳鋼液在激冷材料的作用下，縱向產(chǎn)生較大的溫度梯度，在較短時(shí)間內(nèi)，當(dāng)下部已經(jīng)凝固時(shí)，上表面仍存在少量的液相或處于固-液混合態(tài)。將熔融的高鉻白口鑄鐵澆入后，對(duì)下部的低碳鋼會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的沖刷力。在高鉻白口鑄鐵液澆注的沖刷作用下，低碳鋼表面上臨時(shí)出現(xiàn)的輕微氧化物及澆注鋼液攜帶的少量夾渣，隨著鐵液流的沖刷順勢(shì)上浮脫離兩種金屬液流接觸區(qū)，進(jìn)而保證了液流接觸區(qū)的金屬液的冶金質(zhì)量，同時(shí)液流間產(chǎn)生的液膜連接現(xiàn)象保證了復(fù)合層的大平面冶金結(jié)合，此種工藝方法可以稱為雙液鑄造液膜連接法。通過液膜連接法制備出的耐磨板微觀組織如圖2所示。3種不同厚度的耐磨板復(fù)合層清晰，無任何缺陷，內(nèi)部可分為低碳鋼、復(fù)合層和高鉻鑄鐵過渡層三部分區(qū)域。低碳鋼主要為鐵素體和珠光體組成。復(fù)合層則初步判斷為粒狀碳化物和奧氏體或其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物馬氏體組成。高鉻鑄鐵過渡層主要由樹枝狀?yuàn)W氏體及板條狀滲碳體組成。低碳鋼和復(fù)合層區(qū)域的組織基本一致，但在高鉻鑄鐵區(qū)域，奧氏體的生長(zhǎng)方向有著明顯的區(qū)別。圖2(a)，(b)中奧氏體生長(zhǎng)有著明顯的方向性，圖2(c)中奧氏體方向性則不是很明顯。由于型腔底部激冷材料的存在，促使低碳鋼液在較大的溫度梯度條件下凝固。當(dāng)?shù)吞间撘毫鲃?dòng)靜止并開始凝固后，后進(jìn)入的高鉻鑄鐵便與低碳鋼上表層產(chǎn)生液膜連接，同時(shí)在高鉻鑄鐵液的熱量作用下低碳鋼產(chǎn)生少量重熔后，則反向向上凝固形成低碳鋼/高鉻鑄鐵雙金屬復(fù)合層。當(dāng)板材厚度為20mm和30mm時(shí)，激冷材料的冷卻效果仍在，導(dǎo)致反向向上凝固過程中仍存在較大溫度梯度，形成的奧氏體產(chǎn)生了明顯的方向性，又因?yàn)榇嬖谥煞诌^冷，因而最終出現(xiàn)了奧氏體樹枝晶。當(dāng)耐磨板厚度為40mm時(shí)，激冷材料冷卻效果提前消失，結(jié)果出現(xiàn)的奧氏體方向性不明顯，但成分過冷現(xiàn)象依然存在，所以仍可看到樹枝狀的奧氏體產(chǎn)生。

圖2　不同厚度的雙液金屬耐磨板復(fù)合層微觀組織(a)20mm；(b)30mm；(c)40mmFig.2　Microstructures of composition layer of two-liquid bimetal wear resistance plate with different thicknesses(a)20mm;(b)30mm;(c)40mm

復(fù)合層區(qū)域微觀組織形貌如圖3所示。低碳鋼側(cè)至高鉻鑄鐵側(cè)具體可分為：低碳鋼→珠光體過渡層→復(fù)合層→白口鑄鐵過渡層，如圖3(a)所示。珠光體過渡層的形成主要?dú)w因于低碳鋼在過熱的高鉻鑄鐵的沖刷下重熔，形成的熔合過渡層內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)入少量的鉻和碳，抑制了共析時(shí)鐵素體的形成，減少游離鐵素體的量，并促進(jìn)了較為明顯的珠光體過渡層的形成。鉻元素可以提高共析轉(zhuǎn)變的過冷度，對(duì)細(xì)化珠光體有一定作用，從圖3(b)可以看出，隨著珠光體過渡層至復(fù)合層距離變小，珠光體片間距明顯減小。高鉻鑄鐵液與低碳鋼表面液膜接觸熔合，形成一個(gè)成分相對(duì)均勻區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)低碳鋼側(cè)珠光體過渡層在凝固溫度下為奧氏體，以此為背底向高鉻鑄鐵側(cè)凝固，由于此處鉻含量明顯增加，鉻具有對(duì)奧氏體的穩(wěn)定性作用，因此，復(fù)合層顯微組織以γ-Fe為主，厚度約為40μm。由于凝固過程速度較快，在γ-Fe基體組織上C，Cr以粒狀碳化物形式大量析出，如圖3(c)所示。

圖3　復(fù)合層區(qū)域微觀組織(a)復(fù)合層微觀結(jié)構(gòu)；(b)珠光體過渡層+復(fù)合層；(c)復(fù)合層Fig.3　Microstructures of composition layer region(a)microstructure of composition layer;(b)pearlite transition layer and composition layer;(c)composition layer

圖4　王水溶液腐蝕后的復(fù)合層區(qū)域微觀組織(a),(b)復(fù)合層微觀組織;(c)圖4(a)，(b)矩形內(nèi)區(qū)域的SEM圖Fig.4　Microstructures of composition layer region after aqua region corrosion(a),(b)microstructures of composition layer;(c)SEM image of rectangle region in fig.4(a),(b)

2.2復(fù)合層成分及力學(xué)性能

為了更為準(zhǔn)確地判斷復(fù)合層區(qū)域微觀組織與成分，圖4(a)，(b)為王水溶液(HNO3∶HCl =1∶3)腐蝕后的復(fù)合層同一區(qū)域不同顯微倍數(shù)的金相組織，圖4(c)為圖4(a),(b)相應(yīng)矩形內(nèi)區(qū)域的SEM。從圖4(a)可知，與復(fù)合層毗鄰的矩形框內(nèi)的組織經(jīng)過腐蝕后，與復(fù)合層顏色明顯不同，經(jīng)過放大觀察(圖4(b))，兩者之間有明顯的分界線；通過圖4(c)的顯微結(jié)構(gòu)確認(rèn)，其為層片狀的珠光體，與低碳鋼內(nèi)的珠光體基本類似。復(fù)合層基體并未呈現(xiàn)珠光體形貌特征，并且分布有粒狀碳化物，判斷為含有碳化物的微細(xì)組織，疑似奧氏體或者馬氏體。

圖5為復(fù)合層區(qū)域的組織形貌，線掃描及XRD分析。在復(fù)合層及其附近區(qū)域，對(duì)Fe，C，Cr，Si，Mn等元素分布進(jìn)行能譜線掃描分析，如圖5(b)所示。由于采用液膜連接法制備耐磨板，在液膜初始連接時(shí)會(huì)產(chǎn)生對(duì)流傳質(zhì)，當(dāng)對(duì)流停止后，也會(huì)由于低碳鋼的重熔而有利于元素的擴(kuò)散。復(fù)合層處Fe， C， Cr元素濃度差較大， 形成的原子擴(kuò)散在界面層呈梯度分布。雙金屬復(fù)合材料界面過渡區(qū)中C，Cr，Mn等元素的濃度從含量高的高鉻鑄鐵一側(cè)呈梯度變化平穩(wěn)過渡到低碳鋼一側(cè)；Fe元素也從高含量的低碳鋼一側(cè)呈梯度變化平穩(wěn)過渡到高鉻鑄鐵一側(cè)；而Mn和Si元素的濃度變化不明顯。為了確定圖3(c)中粒狀碳化物成分，對(duì)其進(jìn)行能譜點(diǎn)分析，結(jié)果表明主要成分為Cr和C，結(jié)合圖5(c)可知其為Cr7C3粒狀碳化物。

圖5　復(fù)合層區(qū)域的組織形貌(a)，線掃描(b)及XRD分析(c)Fig.5　Microstructure(a),element distribution(b) and XRD analysis(c) of composition layer region

對(duì)復(fù)合層區(qū)域進(jìn)行顯微硬度分析，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，復(fù)合層及其過渡層硬度值呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化。珠光體過渡層硬度為323～345HV，高鉻鑄鐵過渡層硬度為676～1240HV，復(fù)合層硬度為403～442HV，介于低合金過渡層和高鉻鑄鐵過渡層數(shù)值之間。

圖6　復(fù)合層區(qū)域顯微硬度(a)壓痕位置分布圖;(b)顯微硬度曲線Fig.6　Microhardness of composition layer (a)indentation positions on microhardness;(b)microhardness curves

3　低碳鋼溫度場(chǎng)模型

傳統(tǒng)雙液金屬復(fù)合認(rèn)為低碳鋼表面呈現(xiàn)完全固態(tài)時(shí)是雙液鑄造復(fù)合鑄造的前提。通過上述實(shí)驗(yàn)研究，為了保證耐磨薄板兩種金屬間較大的復(fù)合面積和復(fù)合層的質(zhì)量，第一種金屬的復(fù)合表面在復(fù)合前處于固-液混合態(tài)或液態(tài)是最為理想的，為低碳鋼和高鉻鑄鐵復(fù)合工藝適應(yīng)性和復(fù)合層冶金質(zhì)量的可控性提供先決條件，而且能夠保證復(fù)合層實(shí)現(xiàn)完全的冶金結(jié)合。為了便于分析，在進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)，將低碳鋼表面的物理狀態(tài)理想假設(shè)為固態(tài)。

作為實(shí)現(xiàn)雙液金屬復(fù)合的一個(gè)必要條件，低碳鋼凝固時(shí)間的計(jì)算，特別是低碳鋼上表面溫度場(chǎng)的定量分析就顯得尤為重要。在定量分析的基礎(chǔ)上，兩種金屬的澆注時(shí)間間隔，即高鉻鑄鐵澆注時(shí)間的判斷的準(zhǔn)確值。到目前為止，對(duì)于雙液金屬的低碳鋼溫度場(chǎng)的分析計(jì)算，還沒有明確的給定。

(1)

低碳鋼澆注后形成平板鑄件，假設(shè)為具有一個(gè)平面的半無限大鑄件在半無限大的鑄型中冷卻。將坐標(biāo)的原點(diǎn)設(shè)在鑄件與鑄型的接觸平面處，此時(shí)低碳鋼鑄件內(nèi)的任意一點(diǎn)溫度t與y和z無關(guān)，為一維導(dǎo)熱問題。

(2)

導(dǎo)熱微分方程的形式：

(3)

其通解為

(4)

式中:C,D為待確定值，可以利用單值函數(shù)條件求出。經(jīng)過求解，可知低碳鋼的溫度場(chǎng)方程為:

(5)

式中：tLCS為時(shí)間τ時(shí),低碳鋼內(nèi)與下表面距離x處的溫度(℃)；σ為假設(shè)鑄型初始溫度為零時(shí)，鑄型與低碳鋼蓄熱系數(shù)的比值;α1為導(dǎo)溫系數(shù)(m2·s-1)。

在推導(dǎo)低碳鋼溫度場(chǎng)方程式時(shí)，將低碳鋼的比熱和結(jié)晶潛熱分開考慮，并認(rèn)為液態(tài)金屬和固態(tài)金屬有相同的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱，這樣溫度場(chǎng)的求解可以得到簡(jiǎn)化。方程式(4)的求解結(jié)果，可以用來定量分析低碳鋼澆入型腔后，在時(shí)間τ時(shí)，低碳鋼內(nèi)距平面x處的溫度。根據(jù)式(5)，低碳鋼內(nèi)任何點(diǎn)的溫度tLAS可以經(jīng)計(jì)算求解出來，用以有效判斷兩液態(tài)金屬間的澆注時(shí)間間隔。

4　結(jié)論

(1)提出了雙液鑄造液膜連接法制備工藝，成功制備不同厚度的低碳鋼/高鉻鑄鐵耐磨薄板。

(2)厚度不同的雙液鑄造復(fù)合耐磨板，從低碳鋼側(cè)至高鉻鑄鐵側(cè)可以分為低碳鋼→珠光體過渡層→復(fù)合層→高鉻鑄鐵過渡層，雙金屬復(fù)合層完全實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合。隨著復(fù)合板厚度的增加，奧氏體樹枝晶生長(zhǎng)的方向性從明顯逐漸過渡到不明顯。

(3)初步建立了低碳鋼溫度場(chǎng)模型，為澆注工藝的制定起到預(yù)判作用。

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Effect of Two-liquid Bimetal Wear Resistance Plate Thickness on Microstructures and Properties of Composition Layer

ZHU Yong-chang1,2，WEI Zun-jie1，RONG Shou-fan2，SONG Chun-mei2

(1 School of Materials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 154001,China；2 Institute of Materials Science and Engineering,Jiamusi University,Jiamusi 154007,Heilongjiang,China)

Two-liquid bimetal composite casting through the liquid film bond technology can realize large metallurgical composite plane to prepare the two-liquid bimetal wear resistance plate between low carbon steel and high chromium cast iron, which can effectively avoid the insufficient heat quantity of the later poured high temperature liquid metal with the conventional liquid-liquid composite technology. The microstructure and composition of the composition layer were detected with SEM and EDS. The results show that, the sequence of the microstructure from the low carbon steel to the high chromium cast iron is as follows: low carbon steel → pearlite transition layer → composition layer → high chromium cast iron transition layer. The Vickers hardness of composition layer region is from 345 to 1260. The microstructure of the composition layer is γ-Fe and granular carbide. The morphology of γ-Fe in high chromium cast iron layer presents the distinct directional dendritic crystal growth that is perpendicular to the composition layer, but the γ-Fe directivity gradually disappears with the increment of the wear resistance plate thickness. The temperature field mathematical model of the low carbon steel is preliminarily developed for providing a quantitative analysis to the two-liquid bimetal composition technology.

two-liquid bimetal;wear resistance plate;composition layer;liquid film bond technology

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.08.003

TG211

A

1001-4381(2016)08-0017-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51371090)

2015-09-18;

2016-03-29

魏尊杰(1964-)，男，教授，博士，研究方向：金屬凝固理論及超高壓材料，聯(lián)系地址：哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(154001)，E-mail:weizj@hit.edu.cn