李艷威 王效崗 李玉貴 韓培盛

太原科技大學冶金設備設計理論與技術省部共建國家重點實驗室培育基地，太原，030024

0 引言

金屬耐磨材料以其優(yōu)異的性能廣泛應用于各個行業(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到68 HRC。高鉻鑄鐵出色的耐磨性源于較高體積分數(shù)的硬質(zhì)碳化物，然而基體中大量的硬質(zhì)碳化物會大大降低高鉻鑄鐵的沖擊韌性和可熱變形性，這一缺點限制了高鉻鑄鐵的更廣泛應用［4-5］。

隨著復合材料技術的發(fā)展，將具有較好韌性和在高溫下具有良好流動性的金屬（如碳鋼）與高鉻鑄鐵相結(jié)合制備出復合板材成為一種趨勢［6］。復合板材具有低碳鋼優(yōu)良韌性的優(yōu)點，可以實現(xiàn)兩種材料的良性互補，在不改變高鉻鑄鐵組織成分和耐磨性的基礎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合［7］、液-液復合鑄造［8-10］，固-液復合鑄造［11］等方法制備。與鑄造復合相比，通過軋制等熱變形實現(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現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，而且能改善組成金屬的力學性能，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“潤滑效應”，這有利于高鉻鑄鐵的熱塑性變形而不產(chǎn)生開裂，但其缺點是對鑄造工藝的要求較高和效率較低。JIANG等［13-14］通過GLEEBLE熱模擬實驗研究了高鉻鑄鐵與低碳鋼進行固-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行熱軋復合的研究還較少見報道。

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

1 試驗

復合材料選擇鑄態(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)量分數(shù)）Tab.1 Table of material composition（mass fraction） %

2 試驗方法

試驗過程示意圖見圖1。首先進行高鉻鑄鐵與低碳鋼的六層組坯。復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與膩子粉的混合溶液。Al2O3具有很高的硬度和很強的耐高溫性，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)境里進行，夾層結(jié)構(gòu)通過焊接密封邊完全密封后從預留的管道進行抽真空，真空度為1mPa。

將坯料在中頻感應爐中分別加熱至1 200℃并持續(xù)30 min，在實驗室二輥可逆軋機上進行多道次熱軋，軋機輥徑為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)束后復合板在空氣中自然冷卻至室溫。作為對比，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面用金剛石拋光劑拋光，用4%（質(zhì)量分數(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）等方法對試樣的組織和界面結(jié)合情況進行微觀組織觀察。

圖1 復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 軋后復合板宏觀形貌

兩層組坯軋制后的高鉻鑄鐵/碳鋼復合板在熱軋后，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，軋制時會造成兩種材料熱塑性變形的不協(xié)調(diào)，軋后復合板的翹曲嚴重，而且在高鉻鑄鐵層表面出現(xiàn)了較嚴重的橫向裂縫；六層組坯熱軋后，復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，見圖2a。由于隔離劑的作用，六層復合板在切邊以后上下自然分離，形成兩塊高鉻鑄鐵/碳鋼復合板，見圖2b。熱軋后板材厚度為8.5 mm，軋后復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)量會顯著影響復合材料的整體性能，在掃描電鏡下對界面的微觀組織（圖3）進行觀察可知，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，證明兩種金屬沒有發(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會造成兩種材料變形的不協(xié)調(diào)，高鉻鑄鐵層變形的應力沒有得到釋放而導致出現(xiàn)明顯的裂紋。圖3b的復合界面處的兩層金屬沒有發(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散，開始軋制時，界面處在短時間內(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)生界面之間的機械結(jié)合，隨后兩種金屬沿著界面相互擴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，有助于提高復合材料的結(jié)合強度。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散造成的，這也說明了兩種材料實現(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)熱變形沒有充分進行。對比在60%壓下率的界面結(jié)合情況，說明適當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能譜對兩層和六層組坯熱軋后結(jié)合界面兩側(cè)進行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，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)擴散的距離增大，說明有更多的Cr元素實現(xiàn)了從高鉻鑄鐵層向碳鋼層的擴散，這說明在熱軋后兩種金屬實現(xiàn)了冶金結(jié)合而非機械結(jié)合。

3.3 高鉻鑄鐵層的微觀組織

為了討論軋制熱變形對高鉻鑄鐵層組織的影響，分別對未軋高鉻鑄鐵的側(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)面進行觀察的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)初生碳化物呈現(xiàn)長桿狀，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的，細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 硬度值測量

圖7顯示了兩種材料熱軋復合后在5N負載下的維氏硬度值變化。

圖7 復合材料的硬度變化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)合而不是機械結(jié)合。由于元素擴散層的范圍較小，故硬度過渡變化的區(qū)域也較小。

4 結(jié)論

（1）采用六層對稱組坯包覆熱軋工藝成功制備了高鉻鑄鐵/碳鋼復合板，軋后板形無翹曲且沿軋制方向板材有較大的伸長，實現(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協(xié)調(diào)變形，碳鋼層起到了消除高鉻鑄鐵變形應力的作用，脆性高鉻鑄鐵的可熱成形性有了明顯改善，且適當增大壓下率有助于提高復合界面的結(jié)合質(zhì)量。

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

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