包覆對(duì)稱組坯熱軋制備高鉻鑄鐵/低碳鋼耐磨復(fù)合板

李艷威 王效崗 李玉貴 韓培盛

太原科技大學(xué)冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，太原，030024

0 引言

金屬耐磨材料以其優(yōu)異的性能廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)［1］。在耐磨材料中，具有高硬度和優(yōu)良耐磨性的鉻系白口鑄鐵為重要的基礎(chǔ)材料，Cr15、Cr20和Cr26系列高鉻耐磨鑄鐵在國內(nèi)外已批量生產(chǎn)和應(yīng)用多年［2-3］。近年來，提高高鉻鑄鐵耐磨性的主要方法為提高高鉻鑄鐵的硬度。經(jīng)過熱處理后，高鉻鑄鐵鑄件的硬度可以達(dá)到68 HRC。高鉻鑄鐵出色的耐磨性源于較高體積分?jǐn)?shù)的硬質(zhì)碳化物，然而基體中大量的硬質(zhì)碳化物會(huì)大大降低高鉻鑄鐵的沖擊韌性和可熱變形性，這一缺點(diǎn)限制了高鉻鑄鐵的更廣泛應(yīng)用［4-5］。

隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，將具有較好韌性和在高溫下具有良好流動(dòng)性的金屬（如碳鋼）與高鉻鑄鐵相結(jié)合制備出復(fù)合板材成為一種趨勢(shì)［6］。復(fù)合板材具有低碳鋼優(yōu)良韌性的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)兩種材料的良性互補(bǔ)，在不改變高鉻鑄鐵組織成分和耐磨性的基礎(chǔ)上提高板材的韌性和可熱變形性。目前，高鉻鑄鐵/低碳鋼雙金屬材料可以通過堆焊復(fù)合［7］、液-液復(fù)合鑄造［8-10］，固-液復(fù)合鑄造［11］等方法制備。與鑄造復(fù)合相比，通過軋制等熱變形實(shí)現(xiàn)兩種材料的結(jié)合更加高效和有效，不但能以較低的成本實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，而且能改善組成金屬的力學(xué)性能，但是由于高鉻鑄鐵的固有脆性和難熱變形性，制備成復(fù)合板較困難。LIU等［12］提出通過鑄造低碳鋼包層結(jié)合熱軋使脆性高鉻鑄鐵實(shí)現(xiàn)一定程度的熱變形的方法。在該方法中低碳鋼鑄造包層在熱軋過程中表現(xiàn)出了“潤(rùn)滑效應(yīng)”，這有利于高鉻鑄鐵的熱塑性變形而不產(chǎn)生開裂，但其缺點(diǎn)是對(duì)鑄造工藝的要求較高和效率較低。JIANG等［13-14］通過GLEEBLE熱模擬實(shí)驗(yàn)研究了高鉻鑄鐵與低碳鋼進(jìn)行固-固熱壓縮結(jié)合，取得了較好的效果。而將鑄態(tài)高鉻鑄鐵與低碳鋼經(jīng)過組坯直接在真空下進(jìn)行熱軋復(fù)合的研究還較少見報(bào)道。

本研究通過對(duì)碳鋼板和高鉻鑄鐵板進(jìn)行六層對(duì)稱包覆組坯，然后在1 200℃下進(jìn)行多道次熱軋來制備耐磨復(fù)合板。這種新工藝能夠簡(jiǎn)化高鉻鑄鐵/低碳鋼耐磨復(fù)合板制備過程，從而提高生產(chǎn)效率、改善材料機(jī)械特性。

1 試驗(yàn)

復(fù)合材料選擇鑄態(tài)過共晶高鉻鑄鐵作為耐磨層，該材料具有較高的硬度和耐磨性；與耐磨層進(jìn)行韌性配合的基層材料選用Q235低碳鋼，它具有優(yōu)異的韌性和延展性。材料成分如表1所示。

表1 材料成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Table of material composition（mass fraction） %

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程示意圖見圖1。首先進(jìn)行高鉻鑄鐵與低碳鋼的六層組坯。復(fù)合板的心部為兩層高鉻鑄鐵板，尺寸是100 mm×200 mm×5 mm，包覆層是韌性較好的低碳鋼板，尺寸分別是110 mm×210 mm×5 mm和105 mm×205 mm×2 mm。將高鉻鑄鐵與低碳鋼的待復(fù)合表面的氧化層打磨干凈，用乙醇清洗，并吹干。在中間兩層薄碳鋼板之間涂抹隔離劑，涂抹厚度為2 mm，隔離劑的成分是Al2O3與膩?zhàn)臃鄣幕旌先芤骸l2O3具有很高的硬度和很強(qiáng)的耐高溫性，可以保證夾層結(jié)構(gòu)在經(jīng)過高溫軋制以后兩層薄碳鋼板不會(huì)發(fā)生黏結(jié)并且可以分離。為了防止在高溫軋制過程中材料發(fā)生氧化從而保證結(jié)合效果，結(jié)合過程必須在真空環(huán)境里進(jìn)行，夾層結(jié)構(gòu)通過焊接密封邊完全密封后從預(yù)留的管道進(jìn)行抽真空，真空度為1mPa。

將坯料在中頻感應(yīng)爐中分別加熱至1 200℃并持續(xù)30 min，在實(shí)驗(yàn)室二輥可逆軋機(jī)上進(jìn)行多道次熱軋，軋機(jī)輥徑為306 mm，最大軋制力為1 200 kN，軋制速度為0.2 m/s，總壓下率分別為30%、60%，每道次壓下率不超過15%，軋制結(jié)束后復(fù)合板在空氣中自然冷卻至室溫。作為對(duì)比，將高鉻鑄鐵和低碳鋼兩層組坯經(jīng)焊接密封并抽真空，在相同的軋制工藝下也進(jìn)行軋制。用電火花切割制備100 mm×200 mm×10 mm的試樣，將與結(jié)合界面平行和垂直的兩個(gè)面用金剛石拋光劑拋光，用4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）硝酸乙醇溶液腐蝕15～25 s。采用掃描電鏡（SEM）和能譜線掃描（EDS）等方法對(duì)試樣的組織和界面結(jié)合情況進(jìn)行微觀組織觀察。

圖1 復(fù)合板組坯軋制示意圖Fig.1 Schematic diagram of composite plate billet rolling

3 結(jié)果和分析

3.1 軋后復(fù)合板宏觀形貌

兩層組坯軋制后的高鉻鑄鐵/碳鋼復(fù)合板在熱軋后，由于高鉻鑄鐵的脆性較大并且熱變形抗力與碳鋼差別很大，軋制時(shí)會(huì)造成兩種材料熱塑性變形的不協(xié)調(diào)，軋后復(fù)合板的翹曲嚴(yán)重，而且在高鉻鑄鐵層表面出現(xiàn)了較嚴(yán)重的橫向裂縫；六層組坯熱軋后，復(fù)合板板形良好且沒有出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，沿軋制方向板材有較大的伸長(zhǎng)，見圖2a。由于隔離劑的作用，六層復(fù)合板在切邊以后上下自然分離，形成兩塊高鉻鑄鐵/碳鋼復(fù)合板，見圖2b。熱軋后板材厚度為8.5 mm，軋后復(fù)合板厚度方向的變化證明高鉻鑄鐵層與碳鋼層發(fā)生了協(xié)調(diào)變形，脆性高鉻鑄鐵層實(shí)現(xiàn)了在較大壓下率（60%）下的熱變形，高鉻鑄鐵層表面有一定起伏，表面變形的空隙被中間較薄的碳鋼層填滿；界面結(jié)合質(zhì)量良好，沒有可辨別的沿界面的夾層等缺陷。

圖2 熱軋復(fù)合板宏觀形貌Fig.2 Macroscopic appearance of clad plate after hot rolling

3.2 界面微觀組織

界面結(jié)合質(zhì)量會(huì)顯著影響復(fù)合材料的整體性能，在掃描電鏡下對(duì)界面的微觀組織（圖3）進(jìn)行觀察可知，界面上層高鉻鑄鐵主要為奧氏體基體與正六邊形的M7C3初生碳化物組織，下層碳鋼層主要為片狀珠光體加鐵素體組織。

圖3 熱軋后復(fù)合界面微觀組織Fig.3 Composite interface microstructure after hot rolling

圖3a和圖3b分別顯示了兩層組坯熱軋和六層對(duì)稱包覆熱軋后結(jié)合界面的微觀形貌。由圖3a可以看出，界面處高鉻鑄鐵層有明顯的裂紋和空隙缺陷，且裂紋從高鉻鑄鐵層擴(kuò)展到了碳鋼層，在結(jié)合界面附近的碳鋼層組織有明顯的被壓裂現(xiàn)象；界面呈直線型，證明兩種金屬?zèng)]有發(fā)生塑性變形，這是由于高鉻鑄鐵的脆性較大并且熱變形抗力與碳鋼差別很大，采用單層組坯熱軋制時(shí)會(huì)造成兩種材料變形的不協(xié)調(diào)，高鉻鑄鐵層變形的應(yīng)力沒有得到釋放而導(dǎo)致出現(xiàn)明顯的裂紋。圖3b的復(fù)合界面處的兩層金屬?zèng)]有發(fā)現(xiàn)裂紋和空隙缺陷，且清楚地顯示了兩種金屬材料具有波浪形狀的界面。在熱軋制過程中，兩種金屬的界面首先在軋輥壓下之前發(fā)生物理接觸和元素的微量擴(kuò)散，開始軋制時(shí)，界面處在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的壓力和熱量，兩種金屬的表面能通過熱塑性變形而激活從而發(fā)生界面之間的機(jī)械結(jié)合，隨后兩種金屬沿著界面相互擴(kuò)散并隨著塑性變形的加劇而形成波浪形的界面形狀，這種波浪形的界面說明高鉻鑄鐵層和碳鋼層發(fā)生了均勻的協(xié)調(diào)熱變形，有助于提高復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度。在圖3b中高鉻鑄鐵層靠近界面處，觀察到了約5～10 μm的無碳化物過渡區(qū)，這是由于界面附近的C和Cr元素從高濃度含量的高鉻鑄鐵層向低濃度含量的低碳鋼層的擴(kuò)散造成的，這也說明了兩種材料實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合。圖3c為六層坯料在30%壓下率下包覆熱軋后的結(jié)合界面微觀組織形貌。由圖3c可以看出，結(jié)合界面處無明顯的裂紋和空隙，但是有少量的夾層組織，且界面結(jié)合線呈直線，這說明在較小壓下率下兩種材料的協(xié)調(diào)熱變形沒有充分進(jìn)行。對(duì)比在60%壓下率的界面結(jié)合情況，說明適當(dāng)加大壓下率有助于提高界面的結(jié)合質(zhì)量。

利用掃描電鏡的EDS能譜對(duì)兩層和六層組坯熱軋后結(jié)合界面兩側(cè)進(jìn)行Cr元素線掃描，結(jié)果如圖4所示，界面的左側(cè)為高鉻鑄鐵層，右側(cè)為碳鋼層。

圖4 Cr元素線掃描結(jié)果Fig.4 Scanning results of Cr elements

圖4顯示了Cr元素在界面兩側(cè)的含量變化，在雙層組坯軋制時(shí)，由于兩種金屬協(xié)調(diào)熱變形的不足，Cr元素含量在越過界面以后急劇下降，而圖4b中Cr元素含量的下降是緩慢的，向碳鋼側(cè)擴(kuò)散的距離增大，說明有更多的Cr元素實(shí)現(xiàn)了從高鉻鑄鐵層向碳鋼層的擴(kuò)散，這說明在熱軋后兩種金屬實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合而非機(jī)械結(jié)合。

3.3 高鉻鑄鐵層的微觀組織

為了討論軋制熱變形對(duì)高鉻鑄鐵層組織的影響，分別對(duì)未軋高鉻鑄鐵的側(cè)面和表面（圖5）、熱軋后與結(jié)合界面平行和垂直的面（圖6）進(jìn)行微觀組織的掃描電鏡觀察。

圖5 未軋高鉻鑄鐵微觀組織Fig.5 Microstructure of high chromium cast iron before hot rolling

由圖5a可以看出，高鉻鑄鐵表面微觀組織主要由基體中分布的正六邊形M7C3初生碳化物組成，且碳化物尺寸比較粗大，這些大量的硬質(zhì)碳化物造成了高鉻鑄鐵的高硬度特性。圖5b是由高鉻鑄鐵的側(cè)面進(jìn)行觀察的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)初生碳化物呈現(xiàn)長(zhǎng)桿狀，這表明在鑄態(tài)高鉻鑄鐵中，初生碳化物是垂直于表面生長(zhǎng)的，細(xì)小的共晶碳化物在初生碳化物周圍呈徑向分布。碳化物的這種分布方式有助于提高高鉻鑄鐵的耐磨性，碳化物鑲嵌在基體中不容易脫落，更好地保護(hù)了基體不被磨粒劃傷，但是這樣也造成了基體被割裂，不利于高鉻鑄鐵的沖擊韌性。

圖6a為熱軋后高鉻鑄鐵層表面的微觀組織，可以看出熱軋后在高鉻鑄鐵的表面正六邊形的初生碳化物的尺寸有所減小，出現(xiàn)了更多的細(xì)小共晶碳化物彌散分布。從圖6c還可以看出，界面附近的碳化物尺寸要明顯比遠(yuǎn)處的碳化物尺寸小，而從圖6b的側(cè)面觀察圖可以看出，正六邊形的形狀有所增多，熱軋變形使部分初生碳化物的方向發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。在初生碳化物的中心發(fā)現(xiàn)有孔洞，這是碳化物凝固收縮后的結(jié)果，中心孔洞增大了初生碳化物與基體的接觸面積，也有利于碳化物對(duì)基體的支撐，提高高鉻鑄鐵的抗沖擊韌性。

圖6 熱軋后高鉻鑄鐵微觀組織Fig.6 Microstructure of high chromium cast iron after hot rolling

3.4 硬度值測(cè)量

圖7顯示了兩種材料熱軋復(fù)合后在5N負(fù)載下的維氏硬度值變化。

圖7 復(fù)合材料的硬度變化Fig.7 Curve of hardness value of composite material

由圖7可以看出，由于熱軋后高鉻鑄鐵層組織晶粒尺寸和形狀的改變，高鉻鑄鐵一側(cè)的硬度值略有升高。硬度值在由較軟碳鋼層到較硬高鉻鑄鐵層是連續(xù)變化的，這證明了兩種材料的結(jié)合是冶金結(jié)合而不是機(jī)械結(jié)合。由于元素?cái)U(kuò)散層的范圍較小，故硬度過渡變化的區(qū)域也較小。

4 結(jié)論

（1）采用六層對(duì)稱組坯包覆熱軋工藝成功制備了高鉻鑄鐵/碳鋼復(fù)合板，軋后板形無翹曲且沿軋制方向板材有較大的伸長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了高鉻鑄鐵層一定程度的熱變形且結(jié)合面無可辨別的裂紋等缺陷。

（2）熱軋后復(fù)合板結(jié)合界面良好且界面形狀呈波浪形，通過與較軟碳鋼層同時(shí)協(xié)調(diào)變形，碳鋼層起到了消除高鉻鑄鐵變形應(yīng)力的作用，脆性高鉻鑄鐵的可熱成形性有了明顯改善，且適當(dāng)增大壓下率有助于提高復(fù)合界面的結(jié)合質(zhì)量。

（3）熱軋使高鉻鑄鐵層微觀組織中的碳化物細(xì)化，碳化物中心出現(xiàn)孔洞，同時(shí)部分碳化物的方向出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。

［1］ 宋量.礦山耐磨鑄件的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.鑄造技術(shù)，2009，30（2）：295-298.SONG Liang.Status and Development of Mine Wear Resistant Casting［J］.Foundry Technology，2009，30（2）：295-298.

［2］ 符寒光.鑄造金屬耐磨材料研究的進(jìn)展［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2006（6）：2-6.FU Hanguang.Progress in the Study of Wear Resistant Cast Metal Material［J］.China Foundry Machinery&Technology，2006（6）：2-6.

［3］ 李茂林.我國金屬耐磨材料的發(fā)展和應(yīng)用［J］.鑄造，2002，51（9）：525-529.LI Maolin.Development and Application of Wear Resistant Metal Materials in China［J］.Foundry，2002，51（9）：525-529.

［4］ 郝石堅(jiān).高鉻耐磨鑄鐵［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1993：1-20.HAO Shijian.High Chromium Wear-resistant Cast Iron［M］.Beijing：China Coal Industry Publishing House，1993：1-20.

［5］ SAPATE S G，RAO A V R.Effect of Carbide Volume Fraction on Erosive Wear Behaviour of Hardfacing Cast Irons［J］.Wear，2004，256（7/8）：774-786.

［6］ 劉曉濤，張廷安，崔建忠.層狀金屬復(fù)合材料生產(chǎn)工藝及其新進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2002，16（7）：41-43.LIU Xiaotao，ZHANG Ting'an，CUI Jianzhong.Technology of Clad Metal Produetion and Its Latest Progress［J］.Materials Review，2002，16（7）：41-43.

［7］ 周志宏.高鉻鑄鐵堆焊復(fù)合耐磨板工藝研究［J］.化學(xué)工程與裝備，2010（7）：100-102.ZHOU Zhihong.Research on the Process of Surfacing and Wear-resisting Composite Wear Plates of High-chromium Cast Iron［J］.Chemical Engineering&Equipment，2010（7）：100-102.

［8］ OH H，LEE S，JUNG J，et al.Correlation of Microstructure with the Wear Resistance and Fracture Toughness of Duocast Materials Composed of High-chromium White Cast Iron and Low-chromium Steel［J］.Metallurgical&Materials Transactions A，2001，32（3）：515-524.

［9］ 覃勁松，賀柏齡.高鉻鑄鐵-碳鋼復(fù)合板水平澆注鑄造工藝［J］.熱加工工藝，2004（5）：33-34.QIN Jinsong，HE Bailin.Plane Casting Technology for High Chromium Cast/Carbon Steel Composite Plate［J］.Hot Working Technology，2004（5）：33-34.

［10］ XIAO X F，YE Shengping，YIN Weixin，et al.HCWCI/Carbon Steel Bimetal Liner by Liquid-Liquid Compound Lost Foam Casting［J］.Journal of Iron and Steel Research，2012，19（10）：13-19.

［11］ EROGLU M，KURT B.Diffusion Bonding Between High Chromium White Iron and Low Carbon Steel［J］.Metal Science Journal，2013，23（2）：171-176.

［12］ LIU F，JIANG Y，XIAO H，et al.Study on Fragmentation and Dissolution Behavior of Carbide in a Hot-rolled Hypereutectic High Chromium Cast Iron［J］.Journal of Alloys&Compounds，2015，618：380-385.

［13］ JIANG Z Y，GAO X J，LI Shengli，et al.Interface Analysis and Hot Deformation Behaviour of a Novel Laminated Composite with High-Cr Cast Iron and Low Carbon Steel Prepared by Hot Compression Bonding［J］.Journal of Iron and Steel Research，2015，22（5）：438-445.

［14］ GAO X，JIANG Z，WEI D，et al.Effects of Temperature and Strain Rate on Microstructure and Mechanical Properties of High Chromium Cast Iron/Low Carbon Steel Bimetal Prepared by Hot Diffusion-compression Bonding［J］.Materials&Design，2014，63（63）：650-657.