雙金屬液-固復(fù)合工藝對(duì)界面層影響的研究

王 迪，榮守范，張圳炫，劉 力，李丹丹，王俊發(fā)

（佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007）

近年來(lái)，雙金屬耐磨材料已成為專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)，其中鑄造鐵基復(fù)合材料備受關(guān)注和重視[1-2]。目前，在鑄鋼表面獲得耐磨鑄鐵層的方法較多，主要分為傳統(tǒng)鑄造和表面改性兩類。就實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有手段，可采用雙金屬?gòu)?fù)合、堆焊、鑄滲三種方法[3]，考慮到成本與工藝操作，最終采用雙金屬液-固復(fù)合鑄造，將高鉻鑄鐵預(yù)制成型，固定在型腔特定部位，然后澆注液態(tài)鑄鋼，利用鋼液的高溫使高鉻鑄鐵表層重熔，從而實(shí)現(xiàn)兩者的冶金連接[4]。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用高鉻鑄鐵作耐磨層，化學(xué)成分見表1.

表1 高鉻鑄鐵化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

考慮到復(fù)合鑄件冷卻因兩種金屬收縮系數(shù)不同而形成的鑄造應(yīng)力，兩種材料的自由線收縮率應(yīng)該相差不大。高鉻鑄鐵的自由線收縮率為1.7%～2.2%[5].基于此確定鑄鋼的化學(xué)成分如表2所示。

表2 鑄鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 鑄鐵層熔化所需熱量計(jì)算

為了使鑄鋼與鑄鐵層結(jié)合良好，必須讓鑄鐵層吸收充足的熱量。這就必須保證鑄鐵層吸收的熱量能夠從初始溫度升到固相線，并吸收足夠使表面熔化的熔化潛熱[6]。鑄鐵層所需的這些熱量是從高溫的鋼水中得到的。因此，為方便計(jì)算高鉻鑄鐵熔化所需熱量，忽略澆鋼水時(shí)砂型的導(dǎo)熱，理論計(jì)算如下。

鑄鐵層從初始溫度升到固相線溫度：

式中：ρ1—鑄鐵密度，kg/m3；

ρ2—鑄鋼液密度，kg/m3；

V1—鑄鐵層體積，m3；

V2—鑄件體積，m3；

V3—溢流體積，m3；

δ—延復(fù)合面?zhèn)鬟f熱量距離，m；

C1—鑄鐵比熱，J/（kg·℃）；

C2—鑄鋼液比熱，J/（kg·℃）；

T熔—鑄鐵熔點(diǎn)，℃；

T0—鑄鐵層初始溫度，℃；

T澆—鑄鋼液澆注溫度，℃；

T—進(jìn)入溢流鑄鋼液的溫度，℃；

L1—鑄鐵凝固潛熱，J/kg；

H—鑄鐵的過熱量，其值為C1×（T澆-T熔）；

根據(jù)熱平衡原理，計(jì)算后得到兩者的厚度比約為7.76：1.通過理論計(jì)算，確定鑄件尺寸如圖1所示，其中高鉻鑄鐵塊厚3.5 mm，鋼液澆注厚度分別為28 mm和35 mm.

圖1 鑄件尺寸示意圖

1.3 砂型制備及工藝

砂型為水玻璃砂+黏土砂，通入CO2氣體后鑄型硬化。將預(yù)制好的3.5 mm鑄鐵層拋光去除表面氧化皮后嵌置型腔中，將鑄型在200℃溫度下進(jìn)行烘烤15 min，目的是烘干鑄型并對(duì)鑄鐵層進(jìn)行預(yù)熱，以避免氣孔產(chǎn)生。澆注位置為水平和豎直，示意圖如圖2所示。高溫鋼液在15 kg中頻感應(yīng)爐中熔煉，熔煉時(shí)要充分脫氧。待鋼水溫度升高到1 600℃左右出爐，澆入的鑄型中。

圖2 鑄造工藝示意圖

1.4 試驗(yàn)方法

試樣制備完成，用砂輪切片機(jī)從試樣上切割含有兩種金屬的部分，再用DZK線切割機(jī)加工成小樣品。利用OLYMPUS-GX71型光學(xué)電子顯微鏡對(duì)樣品的熔合界面進(jìn)行金相組織觀察，并通過HXS1000ZK顯微硬度儀和XRD射線衍射儀對(duì)熔合區(qū)進(jìn)行硬度測(cè)試測(cè)和衍射圖譜分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鑄造工藝因素對(duì)復(fù)合層質(zhì)量的影響

檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)澆注位置與兩金屬厚度比對(duì)復(fù)合層影響較大。當(dāng)澆注位置為豎直時(shí)，由于高溫鋼液在澆注過程中對(duì)澆注端底部的鑄鐵層不斷沖刷，導(dǎo)致底部區(qū)域被熔透，使復(fù)合效果變差如圖3a）所示。調(diào)整澆注溫度與澆注速度，雖然鑄鐵層未被熔透，但用肉眼仍可觀察到鑄鐵層熔合不均勻現(xiàn)象，兩種澆注厚度的試樣復(fù)合效果仍不理想。鑄件澆注位置改為水平時(shí)澆注鋼液厚度為35 mm的試樣復(fù)合效果好，復(fù)合厚度均勻，無(wú)明顯缺陷如圖3b）所示。除上述因素，澆注溫度也是復(fù)合成功的關(guān)鍵，當(dāng)澆注溫度在1 500℃時(shí)，澆注厚度為28 mm的試樣均有部分未復(fù)合。1 600℃澆注時(shí)，所有試樣均有部分被熔透。澆注溫度在1 550℃時(shí)澆注效果最好。

2.2 金相組織特點(diǎn)

圖4、圖5是澆注溫度1 550℃，鑄件澆注位置水平與豎直時(shí)，澆注鋼水厚度為28 mm和35 mm的復(fù)合界面微觀組織。

從圖4和圖5熔合區(qū)的組織可以看出，雖然兩金屬?gòu)?fù)合界面層熔合良好，但不同工藝會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)合狀態(tài)：從界面層結(jié)合的寬度來(lái)看，圖4a）與圖5a）澆注厚度28 mm的試樣結(jié)合區(qū)明顯略窄，圖4b）的結(jié)合區(qū)最寬；從組織的粗細(xì)來(lái)看，圖4a）與圖5a）的高鉻鑄鐵側(cè)組織相比圖4b）與圖5b）的細(xì)小。由于鋼液的澆注厚度從28 mm變?yōu)?5 mm，傳遞給高鉻鑄鐵的熱量相對(duì)增加，重熔的高鉻鑄鐵與鋼液的冷卻速度相比變慢，才使得不同工藝下金相的界面層結(jié)合層寬度和組織粗細(xì)出現(xiàn)了差別。

圖3 復(fù)合層熔合情況

圖4 水平澆注位置試樣的光學(xué)顯微組織

圖5 豎直澆注位置試樣的光學(xué)顯微組織

圖6 為試樣的XRD分析圖譜?？梢钥闯觯Y(jié)合區(qū)組織主要有鐵素體、滲碳體、奧氏體和馬氏體，此外還有少量的（Fe，Cr）7C3型碳化物。

高溫鋼水進(jìn)型腔后與高鉻鑄鐵表層接觸，高鉻鑄鐵很快吸熱升溫，表面溫度達(dá)到固相線溫度后隨著繼續(xù)吸熱表面開始熔化?？拷咩t鑄鐵的鋼水因熱量傳遞，促使鋼水溫度下降。隨著溫度降低到固相線，兩者開始凝固，沿溫度降低方向就會(huì)出現(xiàn)晶粒的長(zhǎng)大。從圖4、圖5中可以看出兩種金屬?gòu)拈_始凝固就帶著方向性。由于高鉻鑄鐵塊的激冷作用使結(jié)合區(qū)冷卻較快，凝固相的速度要大于合金元素的擴(kuò)散速度，合金元素在遷移不遠(yuǎn)的情況下就到了固相線，此時(shí)恰好奧氏體過冷到低于馬氏體轉(zhuǎn)變的溫區(qū)，在鑄鋼一側(cè)形成了馬氏體層。在含有合金成分的鋼水澆注過程中，正是由于冷卻速度的變化，才會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)馬氏體相。隨著溫度下降速度減慢，合金元素的遷移較為充分，鑄鋼側(cè)組織就生成了珠光體+鐵素體，高鉻鑄鐵側(cè)生成鉻奧氏體＋加少量M7C3碳化物，隨著冷卻速度的減慢，碳化物由最開始的M7C3型顆粒狀碳逐漸過渡到條狀碳化物如圖5b）所示。當(dāng)冷卻速度過慢時(shí)就會(huì)使晶粒聚集長(zhǎng)大，出現(xiàn)組織粗大的情況如4b）所示。

在試樣制備過程中，兩種金屬的冷卻速度由復(fù)合面向外逐漸減慢，由于存在著溫度梯度，導(dǎo)致兩種不同工藝的復(fù)合界面組織發(fā)生微觀變化，復(fù)合界面產(chǎn)生元素的相互擴(kuò)散，界面層形成新相，界面結(jié)合機(jī)理為擴(kuò)散結(jié)合[7-8]。

圖6 X射線衍射分析圖譜

2.3 力學(xué)性能測(cè)試

以復(fù)合界面為跨距的中心，分別對(duì)距界面20μm、40 μm、60 μm及更遠(yuǎn)處的部位進(jìn)行了顯微硬度測(cè)試，顯微硬度測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

顯微硬度變化情況：圖7左側(cè)為高鉻鑄鐵，右側(cè)為鑄鋼，中間是界面結(jié)合區(qū)。高鉻鑄鐵的（HV）顯微硬度為1 150左右，鑄鋼（HV）硬度值 為400左右，界面結(jié)合區(qū)的（HV）硬度 為650左右。高鉻鑄鐵的顯微硬度是鑄鋼的三倍，界面結(jié)合區(qū)的顯微硬度從高鉻鑄鐵到鑄鋼的變化還是比較平穩(wěn)的。復(fù)合層建立了一個(gè)將兩種金屬連接在一起的穩(wěn)定過渡區(qū)，硬度的梯度變化有利于改善使用過程中受力狀態(tài)，避免結(jié)合部位發(fā)生斷裂[9]。

圖7 顯微硬度測(cè)試（×500）

3 結(jié)論

1）鑄件澆注位置由豎直改為水平，能有效防止部分鑄鐵層被高溫鋼水熔透，澆注鋼液厚度35 mm時(shí)，復(fù)合效果最好，復(fù)合界面全部達(dá)到冶金結(jié)合；

2）不同的工藝導(dǎo)致鑄件冷卻速度不同，基體組織也有很大差別。鑄鋼側(cè)組織為珠光體+鐵素體，高鉻鑄鐵組織為鉻奧氏體＋加少量M7C3碳化物；

3）高鉻鑄鐵→結(jié)合區(qū)→鑄鋼的顯微硬度值呈平穩(wěn)過渡。硬度的梯度變化有利于改善使用過程中受力狀態(tài)，避免結(jié)合部位發(fā)生斷裂。