WC顆粒對(duì)過(guò)共析鋼組織及性能的影響

韓建寧，袁乃博，胡 兵

隨著鋼鐵市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈及對(duì)軋制要求的逐漸提高，對(duì)軋輥材料的耐磨性要求更加苛刻，傳統(tǒng)單一靠增加合金含量來(lái)提高軋輥材料性能因其成本高，可控性差而廣受詬病。顆粒增強(qiáng)基復(fù)合材料因具有高硬度、高耐磨性已成為最受關(guān)注的熱點(diǎn)材料之一[1]。WC顆粒熔點(diǎn)高、硬度大、線膨脹系數(shù)小，能在鋼基材料中形成穩(wěn)定的增強(qiáng)顆粒[2]。本文將對(duì)WC顆粒在過(guò)共析鋼基體中的分布及對(duì)過(guò)共析鋼材料性能的影響進(jìn)行研究。

表1 試驗(yàn)用過(guò)共析鋼基體成分

1 試驗(yàn)材料及方法

組，共取樣四組，編號(hào)分別為 1#、2#、3#、4#，待檢測(cè)分析。

1.2 試驗(yàn)方法

試樣利用中鋼邢機(jī)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室金相顯微鏡（德國(guó)ZEISS）進(jìn)行顯微組織及性能檢測(cè)、掃描電子顯微鏡（HITACHI S-3700N）進(jìn)行背散射電子掃描觀測(cè)顆粒形貌、利用能譜儀（EDAX Inc GENESIS APEX2）檢測(cè)不同組織部位成分、利用洛氏硬度計(jì)（HRD-150）進(jìn)行宏觀硬度檢測(cè)。

1.1 試驗(yàn)材料制備

試驗(yàn)以中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司（中鋼邢機(jī)）自行設(shè)計(jì)的過(guò)共析鋼材料為研究對(duì)象，以株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)（株硬集團(tuán)）提供的WC顆粒為增強(qiáng)顆粒，設(shè)計(jì)成分如表1所示。試驗(yàn)材料在200kg的熔煉爐（GW-0.2T）內(nèi)進(jìn)行熔煉，利用自制模具進(jìn)行澆注取樣，澆注試樣規(guī)格兩種（圓柱形?50×60mm及方形50mm×50mm×70mm）。熔煉溫度1600℃，加入顆粒粒度2～3mm的WC顆粒，加入顆粒含量5wB%，加入過(guò)程中利用熔煉爐電磁攪拌，加入顆粒前取一組空白樣，在加入WC顆粒5min、10min及15min各取一

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 成分檢測(cè)

利用中鋼邢機(jī)光譜檢測(cè)儀對(duì)試樣進(jìn)行成分檢測(cè)，由2#、3#、4#檢測(cè)結(jié)果可知，隨著WC顆粒時(shí)間的延長(zhǎng)，基體含W量越高，同時(shí)，在加入顆粒5～10min內(nèi)，基體內(nèi)W含量相差不大，在加入顆粒15min后W含量開(kāi)始下降。檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

隨著WC顆粒的加入，一部分顆粒熔入基體并在磁攪拌力的作用下在鋼液內(nèi)處于懸浮態(tài)，另一小部分沉積在熔煉爐底部，隨著磁攪拌逐漸熔入鋼液內(nèi)，從而隨著時(shí)間延長(zhǎng)，基體內(nèi)W含量逐漸增多。

2.2 宏觀、微觀硬度

空白樣1#未見(jiàn)WC顆粒，其宏觀及微觀硬度明顯低于加入 WC 顆粒后的試樣（2#、3#、4#），加入顆粒的試樣中以2#試樣宏觀及顯微硬度最高。盡管WC顆粒熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于鋼液的溫度，但仍有一部分會(huì)被鋼液所溶解，在加入WC顆粒初期，WC顆粒主要以顆粒形式懸浮于鋼液內(nèi)部，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，WC顆粒逐漸被鋼液溶解，使鋼液中W、C元素增加，因此顯示隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼液內(nèi)部W含量逐漸升高，但在加入顆粒5min后，基體宏觀硬度達(dá)到最大值，隨后開(kāi)始下降。WC分解產(chǎn)生的元素W作為合金元素熔入基體，增加材料的淬透性，因此對(duì)于WC顆粒溶解時(shí)間較長(zhǎng)的4#樣其硬度相對(duì)于不含W元素的1#試樣仍有較大提高。

表2 所取試樣能譜檢測(cè)成分匯總表

表3 試樣宏觀及顯微硬度對(duì)比

2.3 金相檢測(cè)

加入顆粒的試樣（2#、3#、4#）開(kāi)始有馬氏體產(chǎn)生，而不含顆粒的1#樣主要組織為珠光體。同時(shí)，由金相組織可知，2#組織細(xì)小均勻，3#、4#碳化物組織開(kāi)始逐漸長(zhǎng)大聚集。認(rèn)為2#試樣中，WC主要以顆粒形式存在，抑制晶粒長(zhǎng)大，從而獲得均勻細(xì)小的組織。

2.4 掃描電鏡及能譜檢測(cè)

由掃描電鏡背散射圖片可知，2#試樣（圖2b）白色顆粒大小可達(dá)1μm以下，對(duì)3#試樣中白色物相及灰色基體物相打能譜，利用面掃描方式檢測(cè)元素種類及含量，由檢測(cè)結(jié)果，3#試樣（加入顆粒后10min）白色物相含有大量的W元素，分析白色物相主要為WC顆粒，同時(shí)含有一定量的Fe元素，分析3#試樣白色顆粒物邊界開(kāi)始有Fe元素由WC顆粒邊界熔入WC顆粒形成新的碳化物。

由 2#、3#、4# 掃描電鏡圖譜（圖 2b、c、d） 可知，WC顆粒主要分布在晶界上，其作為第二相質(zhì)點(diǎn)“釘軋”在晶界上，阻止晶界長(zhǎng)大。2#試樣顆粒細(xì)小，分布均勻，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，WC顆粒開(kāi)始聚集（3#試樣）、分解并生成新的物相。文獻(xiàn)表明[3]，W、Fe、C在一定條件下能形成碳化物（W，F(xiàn)e）7C3，已不具備原有WC顆粒成分，（W，F(xiàn)e）7C3型碳化物與周圍組織的結(jié)合屬于晶體學(xué)上的結(jié)合，非常牢固，但（W，F(xiàn)e）7C3型碳化物硬度顯著低于WC相的硬度。

圖1 試樣金相檢測(cè)示意圖

圖2 試樣掃描電鏡圖譜（BES）

圖3 a 3#試樣白色物相能譜結(jié)果

圖3 b 3#試樣灰色基體能譜檢測(cè)

表4 3#試樣中白色物相（顆粒物）及基體能譜面掃描檢測(cè)結(jié)果

表5 四組試樣耐磨性檢測(cè)結(jié)果匯總

2.5 相對(duì)耐磨性

利用中鋼邢機(jī)磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)四組試樣耐磨性檢測(cè)，以GCr15作為陪試樣，試樣轉(zhuǎn)速200r/min，摩擦行程9048m，每組試樣取四個(gè)摩擦樣，對(duì)結(jié)果取平均值，檢測(cè)結(jié)果如下：

從耐磨性數(shù)據(jù)看，加入顆粒后試樣耐磨性明顯增強(qiáng)，以2#試樣耐磨性最高，較不加WC顆粒試樣提高約4倍，但隨著加入顆粒的延長(zhǎng)，WC顆粒開(kāi)始部分分解，顆粒的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化作用被減弱，耐磨性開(kāi)始下降。

3 結(jié)論

（1）WC顆粒使過(guò)共析鋼基體材料組織由珠光體+碳化物變?yōu)橹楣怏w+馬氏體、殘奧+碳化物。

（2）WC顆粒對(duì)過(guò)共析鋼基體材料宏觀、微觀硬度及相對(duì)耐磨性均有提高，在顆粒加入5min后材料宏觀硬度及微觀硬度分別達(dá)62HS及421HM，相對(duì)耐磨性達(dá)2.467，其中相對(duì)耐磨性較基體材料提高4倍以上。

（3）WC顆粒主要分布在基體晶界上，起到第二相質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化的作用，且在加入顆粒5min作用最為顯著，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，WC顆粒逐漸分解并形成新的碳化物相。

[1] 文志鵬.碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼（鐵）基復(fù)合材料離心復(fù)合工藝及其磨損性能[D].昆明理工大學(xué),2011.

[2] 彭思源,等.WC顆粒增強(qiáng)鐵基耐磨復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀[J].機(jī)械工程師,2014(11)：40-43.

[3] 李秀兵,等.WC顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合材料中增強(qiáng)相和組織的演化[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006（5）：549-552.