韓建寧，袁乃博，胡 兵

隨著鋼鐵市場競爭日益激烈及對軋制要求的逐漸提高，對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。顆粒增強基復合材料因具有高硬度、高耐磨性已成為最受關注的熱點材料之一[1]。WC顆粒熔點高、硬度大、線膨脹系數(shù)小，能在鋼基材料中形成穩(wěn)定的增強顆粒[2]。本文將對WC顆粒在過共析鋼基體中的分布及對過共析鋼材料性能的影響進行研究。

表1 試驗用過共析鋼基體成分

1 試驗材料及方法

組，共取樣四組，編號分別為 1#、2#、3#、4#，待檢測分析。

1.2 試驗方法

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

1.1 試驗材料制備

試驗以中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司（中鋼邢機）自行設計的過共析鋼材料為研究對象，以株洲硬質合金集團（株硬集團）提供的WC顆粒為增強顆粒，設計成分如表1所示。試驗材料在200kg的熔煉爐（GW-0.2T）內進行熔煉，利用自制模具進行澆注取樣，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 試驗結果

2.1 成分檢測

利用中鋼邢機光譜檢測儀對試樣進行成分檢測，由2#、3#、4#檢測結果可知，隨著WC顆粒時間的延長，基體含W量越高，同時，在加入顆粒5～10min內，基體內W含量相差不大，在加入顆粒15min后W含量開始下降。檢測結果如表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，從而隨著時間延長，基體內W含量逐漸增多。

2.2 宏觀、微觀硬度

空白樣1#未見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顆粒熔點遠高于鋼液的溫度，但仍有一部分會被鋼液所溶解，在加入WC顆粒初期，WC顆粒主要以顆粒形式懸浮于鋼液內部，隨著時間的延長，WC顆粒逐漸被鋼液溶解，使鋼液中W、C元素增加，因此顯示隨著時間的延長，鋼液內部W含量逐漸升高，但在加入顆粒5min后，基體宏觀硬度達到最大值，隨后開始下降。WC分解產生的元素W作為合金元素熔入基體，增加材料的淬透性，因此對于WC顆粒溶解時間較長的4#樣其硬度相對于不含W元素的1#試樣仍有較大提高。

表2 所取試樣能譜檢測成分匯總表

表3 試樣宏觀及顯微硬度對比

2.3 金相檢測

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

2.4 掃描電鏡及能譜檢測

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1μm以下，對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元素種類及含量，由檢測結果，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，同時含有一定量的Fe元素，分析3#試樣白色顆粒物邊界開始有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，其作為第二相質點“釘軋”在晶界上，阻止晶界長大。2#試樣顆粒細小，分布均勻，隨著時間延長，WC顆粒開始聚集（3#試樣）、分解并生成新的物相。文獻表明[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合屬于晶體學上的結合，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果

圖3 b 3#試樣灰色基體能譜檢測

表4 3#試樣中白色物相（顆粒物）及基體能譜面掃描檢測結果

表5 四組試樣耐磨性檢測結果匯總

2.5 相對耐磨性

利用中鋼邢機磨損試驗機對四組試樣耐磨性檢測，以GCr15作為陪試樣，試樣轉速200r/min，摩擦行程9048m，每組試樣取四個摩擦樣，對結果取平均值，檢測結果如下：

從耐磨性數(shù)據(jù)看，加入顆粒后試樣耐磨性明顯增強，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，WC顆粒開始部分分解，顆粒的質點強化作用被減弱，耐磨性開始下降。

3 結論

（1）WC顆粒使過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顆粒對過共析鋼基體材料宏觀、微觀硬度及相對耐磨性均有提高，在顆粒加入5min后材料宏觀硬度及微觀硬度分別達62HS及421HM，相對耐磨性達2.467，其中相對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，起到第二相質點強化的作用，且在加入顆粒5min作用最為顯著，隨著時間延長，WC顆粒逐漸分解并形成新的碳化物相。

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

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

[3] 李秀兵,等.WC顆粒增強鋼基表層復合材料中增強相和組織的演化[J].西安交通大學學報,2006（5）：549-552.