李秀青,宋延沛

(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南洛陽 471003)

0 前言

軋輥是冶金軋機的重要部件之一,是軋鋼行業(yè)的大宗消耗件,其主要失效形式是磨損[1-3]。全國每年因磨損而消耗軋輥 100多萬 t,隨著我國工業(yè)的飛速發(fā)展,對軋輥的需求量日益增加。因此,對軋輥的磨損研究是很有必要的。

軋輥、鄂板、錘頭等這些耐磨件如果整體采用高硬度材料制備,不僅會提高生產(chǎn)成本,而且會增加對非工作面進行機械加工的難度,基于此雙金屬復(fù)合材料應(yīng)運而生。耐磨件采用雙金屬復(fù)合材料,就是工作面采用高硬度高耐磨材料而非工作面采用高韌性或加工性能好的材料,這樣既經(jīng)濟又合理安全[4]。國內(nèi)外絕大多數(shù)軋輥已由整體單一材質(zhì)軋輥改為輥芯和工作層具有不同材質(zhì)的雙金屬復(fù)合軋輥,其芯部采用高韌性的材質(zhì),工作層采用高耐磨性的材質(zhì),采用一定的制備工藝將兩者有機地結(jié)合起來,使軋輥既具有高耐磨性又具有良好的抗沖擊性能[5]。以往雙金屬復(fù)合軋輥均需開動兩臺爐子來分別熔煉工作層和芯部鐵水,為進一步拓展能源節(jié)約空間和簡化制備程序,本文采用一臺爐子同時冶煉出復(fù)合軋輥所需鐵水,通過外加高碳鉻鐵顆粒的方法采用離心法先制備出高鉻鑄鐵環(huán),然后通過二次沖芯,獲得高鉻鑄鐵/球墨鑄鐵雙金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)軋輥。為進一步提高其性能,對不同奧氏體溫度下處理的試樣進行高速磨損研究,以達到改善性能,提高試樣壽命的目的。

1 實驗材料和方法

所用實驗材料為生鐵,75Si-Fe,高碳鉻鐵粉,球化劑,孕育劑等。所設(shè)計雙金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)軋輥表面耐磨層即高鉻鑄鐵層的化學(xué)成分見表1。

表1 高鉻鑄鐵的化學(xué)成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

在50 kg中頻感應(yīng)爐中熔化爐料,待溫度達 1 680～1720℃時,出爐將一部分鐵水倒入一定量澆包中,同時啟動離心機將轉(zhuǎn)速調(diào)整至設(shè)計轉(zhuǎn)速。然后將 1600℃左右的鐵水澆入旋轉(zhuǎn)的離心機模具中,同時混入預(yù)熱的高碳鉻鐵顆粒,獲得高鉻復(fù)合鑄鐵環(huán)。在鑄環(huán)內(nèi)表面基本凝固后(1 000～1100℃),將高鉻鑄鐵環(huán)從離心機上取出,與預(yù)先造好的輥芯和輥頸鑄型進行組裝。在澆注高鉻鑄鐵環(huán)的同時將感應(yīng)爐中剩余的鐵水進行成分調(diào)整、包內(nèi)球化處理和孕育處理,然后澆入組裝好的鑄型中。輥芯鐵水澆注溫度為1 350～1380℃,凝固后獲得外層為高鉻鑄鐵、芯部為球墨鑄鐵的復(fù)合結(jié)構(gòu)軋輥鑄件。

在復(fù)合軋輥輥身外表面不同處選取試樣點,經(jīng)機械加工成圓柱形銷試樣。配副摩擦盤采用3Cr2W8V模具鋼制成,其硬度為HRC51。摩擦磨損試驗在MMS-1G高速磨損試驗機上進行,銷盤接觸法向載荷為50N,滑動速度為40m/s,磨損時間為120 s。磨損量采用稱重法獲得,每次實驗前后銷試樣用丙酮清洗,用精度0.lmg的LP3200D電子分析天平稱重,測定出銷試樣磨損質(zhì)量損失。采用JSM-5610LV型掃描電鏡觀察分析銷試樣磨面的形貌特征。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合軋輥表面工作層及界面的微觀組織

圖1顯示復(fù)合軋輥高鉻鑄鐵層及結(jié)合界面的微觀組織。從圖1a中可看出:碳化物比較細小,形貌呈菊花狀、條狀、塊狀等。根據(jù)化學(xué)成分,Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 11%～27%范圍內(nèi),且鉻碳比大于 3.5,碳化物應(yīng)為密排六方結(jié)構(gòu)的Cr7C3型,即(Fe,Cr)7C3;從圖1b中可看出:高鉻鑄鐵與球鐵的結(jié)合界面清晰,表面兩種合金達到良好的冶金結(jié)合。

圖1 復(fù)合軋輥高鉻鑄鐵層及界面的微觀組織

2.2 奧氏體化溫度對硬度和磨損量的影響

表2列出了奧氏體化溫度對硬度和磨損量的影響結(jié)果。在實驗溫度范圍內(nèi),隨著奧氏體化溫度的升高,硬度先升高后下降,在950℃時出現(xiàn)峰值。隨奧氏體化溫度升高,奧氏體中溶入的碳和鉻量增加,淬火轉(zhuǎn)變后馬氏體內(nèi)碳和鉻的過飽和度增加,固溶強化增強,引起硬度的提高;當(dāng)奧氏體化溫度過高時,奧氏體中固溶碳量過高,引起 Ms點的下降,殘余奧氏體量大量增加,基體的硬度降低,引起材料的硬度有所下降。

表2 奧氏體化溫度對硬度和磨損量的影響結(jié)果

在高速動載摩擦磨損條件下,試樣的磨損量在 950℃奧氏體化時磨損量較小?？梢?奧氏體化溫度對試樣高速動載摩擦磨損性能具有顯著影響,有一最佳奧氏體化溫度,此時耐磨性最好。摩擦面在微觀上只是微凸峰之間的緊密接觸,摩擦面的實際接觸面積是微凸峰直接接觸面積的總和。在法向載荷作用下,微凸峰發(fā)生變形,使摩擦面實際接觸面積增大。不同奧氏體化溫度下,形成了不同硬度的試樣,950℃奧氏體化時,銷試樣表面的硬度最高,相應(yīng)摩擦盤表面突出峰壓入銷試樣表面的深度較淺,相互切削時的微小接觸面積較小,減薄了切削層及變形層厚度,從而減少磨損,耐磨性提高[6-7]。當(dāng)化學(xué)成分一定時,奧氏體化溫度越高,奧氏體中固溶碳量越多,淬火后試樣中的殘余奧氏體量越多,900℃和 950℃奧氏體化時,銷試樣中少量的殘余奧氏體量可增加馬氏體的退讓性而降低磨損[8-9]。上述幾方面的共同作用體現(xiàn)為試樣的磨損量隨奧氏體化溫度的變化呈曲線態(tài)勢。

2.3 磨損表面形貌分析

磨損實驗時,銷試樣與勻速旋轉(zhuǎn)的摩擦盤相摩擦,兩者之間相對滑動,主要是滑動磨損。高鉻白口鑄鐵中碳化物的硬度遠高于基體組織,在摩擦過程中,較軟的基體被優(yōu)先磨損或發(fā)生塑性變形,碳化物突出于表面,在摩擦副接觸應(yīng)力作用下,碳化物相被壓碎而脫落,脫落的碳化物顆粒在摩擦副中形成磨粒磨損。圖2為不同奧氏體化溫度下試樣磨面的掃描電鏡照片。由圖2可知:磨損表面均存在有顯微切削磨痕,是較典型的磨粒磨損。這可能是由于銷試樣和摩擦盤存在的微凸體、微小硬質(zhì)點和脫落的磨屑相互之間產(chǎn)生微切削的結(jié)果。900℃和 1000℃奧氏體化時,磨損表面存在塑性變形,并存在較深的犁溝,這可能是由于此時基體的硬度相對較低,抗壓變形能力較弱引起的。950℃奧氏體化時,磨損表面存在少量“粘著”,這是由于一方面此時基體的硬度相對較高,磨損面的實際接觸面積較小,壓應(yīng)力相對大,以致表面出現(xiàn)一些“點焊合”現(xiàn)象,另一方面試樣摩擦初期產(chǎn)生的磨屑在摩擦應(yīng)力的作用下發(fā)生碾壓變形,貼合于摩擦表面。

圖2 不同奧氏體化溫度下磨損表面磨損形貌

3 結(jié)論

(1)采用單爐熔煉鐵液,可制備高鉻鑄鐵/球墨鑄鐵復(fù)合軋輥,兩種合金達到良好的冶金結(jié)合。

(2)復(fù)合軋輥的硬度受奧氏體化溫度控制,并對材料的耐磨性有顯著影響。

(3)奧氏體化溫度對高鉻復(fù)合軋輥的耐磨性有顯著影響,950℃奧氏體化時磨損量最小,900℃和1000℃奧氏體化時,磨損表面存在塑性變形,并存在較深的犁溝,950℃奧氏體化時,磨損表面存在少量“粘著”。

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