雙液金屬復合耐磨板厚度對復合層組織和性能的影響

朱永長，魏尊杰,榮守范,宋春梅

(1 哈爾濱工業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 154001；2 佳木斯大學 材料科學與工程學院，黑龍江 佳木斯 154007)

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雙液金屬復合耐磨板厚度對復合層組織和性能的影響

朱永長1,2，魏尊杰1,榮守范2,宋春梅2

(1 哈爾濱工業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 154001；2 佳木斯大學 材料科學與工程學院，黑龍江 佳木斯 154007)

利用雙液鑄造液膜連接工藝制備大平面的低碳鋼/高鉻鑄鐵耐磨板。采用SEM，EDS對復合層進行組織觀察及成分分析。結果表明：不同厚度的復合板從低碳鋼側至高鉻鑄鐵側可以分為低碳鋼→珠光體過渡層→復合層→高鉻鑄鐵過渡層，雙金屬復合層完全實現了冶金結合。通過對復合層區域進行顯微硬度分析，從低碳鋼至高鉻鑄鐵側的顯微硬度在345～1260HV范圍梯度分布。復合層的顯微組織主要為γ-Fe+粒狀碳化物。高鉻鑄鐵過渡層奧氏體組織呈現垂直復合層方向的樹枝狀生長，并隨著耐磨板厚度的增加，奧氏體生長的方向性逐漸消失。根據低碳鋼的溫度變化初步建立了相關的溫度場數學模型。

雙液金屬；耐磨板；復合層；液膜連接工藝

雙金屬復合耐磨板被廣泛應用于冶金、水泥、電力和礦山等重工業領域，以適應沖擊、磨損和腐蝕等惡劣的工況條件[1,2]。雙金屬復合耐磨板的基板通常為低碳鋼、低合金鋼或不銹鋼等韌性材料，用于基板承受介質的載荷，耐磨層采用硬度較高的抗磨材料，抵抗磨損介質的磨損[3,4]。目前，雙液鑄造雙金屬板類耐磨產品主要集中在襯板、鄂板和反擊板等方面的應用，而在板材厚度約為40mm以下、在工裝設備及工況條件下的應用仍為空白[5-7]，這主要歸因于大平面薄板復合過程中容易出現的混料、縮孔和夾雜等缺陷，導致雙液鑄造復合薄板技術難以實現，在實際的生產中主要以堆焊耐磨板為主[8-10]。堆焊耐磨板主要采用自動焊接工藝，將高硬度自保護合金焊絲平均地焊接在普通低碳鋼或低碳低合金鋼板基材表面上；堆焊過程是一個非均勻的加熱過程，堆焊時產生很大的焊接殘余應力導致裂紋的產生；堆焊層需要多層堆焊才能減少母材對堆焊層的稀釋作用，從而達到成分和性能的要求，加大了生產成本；另外堆焊層上下性能不均勻，上層耐磨性高，下層耐磨性低，整體耐磨性達不到要求；堆焊耐磨板成品尺寸通常為1200～2000mm，使用時需要切割成相應的形狀，板材利用率約為60%～75%[11-13]。雙液金屬復合鑄造技術可以實現異種金屬的大平面冶金復合，雙液鑄造復合耐磨薄板的研制可以較好解決堆焊耐磨產品存在的諸多不足，為雙金屬薄板類耐磨鑄件應用提供了廣闊的市場。

本工作在雙液鑄造雙金屬復合工藝的基礎上，將直接外冷鐵置于型腔底部，促使初使澆注的低碳鋼液從下表面至上表面產生較大的溫度梯度，傾向于層狀凝固，保證低合金鋼在較短時間內下部已經凝固時，上表面仍處于半固態，然后開始澆注高鉻鑄鐵液，提出了一種雙金屬復合耐磨薄板的生產制備方法，主要解決薄板類雙金屬復合鑄件出現的混料、縮孔和夾雜等缺陷。采用該方法生產的耐磨板，不但可以替代或部分替代堆焊耐磨板產品，也可以使耐磨板類件適應相應設備對形狀和結構的一定要求，該研究將為雙液金屬復合鑄造技術的推廣與應用提供理論指導和技術支持。

1　實驗材料與方法

1.1實驗材料

采用雙液鑄造雙金屬復合方法進行耐磨薄板制備，尺寸為500mm×300mm，板材厚度分別為20，30，40mm。造型材料選用CO2硬化水玻璃砂。耐磨板的化學成分如表1所示。

表1　耐磨板的化學成分(質量分數/%)Table 1　Chemical composition of wear resistance plate(mass fraction/%)

1.2實驗方法

采用KGPS-800型10kg和60kg中頻熔煉爐同步熔煉低碳鋼和高鉻鑄鐵。利用雙澆注系統澆注工藝，在型腔的底部采用激冷材料調整進入型腔內的金屬液凝固過程的溫度場分布狀態，使得先進入的低碳鋼金屬液垂直方向存在較大的溫度梯度，而后續澆入的高鉻鑄鐵金屬液在水平方向溫度場又趨于一致。型腔中間區域下側，激冷材料厚度約為0.5T[14-16]，其中T為耐磨板基材的熱節圓直徑。在型腔的底部鋪設的激冷材料，用于加速基材冷卻，加大溫度梯度，進而調控溫度場，防止混料現象發生。根據鑄件板厚，計算放置激冷材料的位置和所需數量，制備出的耐磨板實物如圖1(a)所示。經過線切割加工表面自然氧化后試樣如圖1(b)所示。

圖1　雙液金屬復合耐磨薄板實物(a)及試樣(b)Fig.1　Two-liquid bimetal wear resistance plate(a)and the samples(b)

1.3檢測分析

利用Supra55(VP)場發射掃描電子顯微鏡進行組織觀察；通過INCA能譜儀(EDAX)對復合層區域進行化學成分分析，結合XRD進行相應的物相成分確定；采用MC010-HVS-1000顯微硬度計，對復合層及過渡層進行顯微硬度測定。

2　實驗結果與分析

2.1微觀組織

低碳鋼液在激冷材料的作用下，縱向產生較大的溫度梯度，在較短時間內，當下部已經凝固時，上表面仍存在少量的液相或處于固-液混合態。將熔融的高鉻白口鑄鐵澆入后，對下部的低碳鋼會產生較強的沖刷力。在高鉻白口鑄鐵液澆注的沖刷作用下，低碳鋼表面上臨時出現的輕微氧化物及澆注鋼液攜帶的少量夾渣，隨著鐵液流的沖刷順勢上浮脫離兩種金屬液流接觸區，進而保證了液流接觸區的金屬液的冶金質量，同時液流間產生的液膜連接現象保證了復合層的大平面冶金結合，此種工藝方法可以稱為雙液鑄造液膜連接法。通過液膜連接法制備出的耐磨板微觀組織如圖2所示。3種不同厚度的耐磨板復合層清晰，無任何缺陷，內部可分為低碳鋼、復合層和高鉻鑄鐵過渡層三部分區域。低碳鋼主要為鐵素體和珠光體組成。復合層則初步判斷為粒狀碳化物和奧氏體或其轉變產物馬氏體組成。高鉻鑄鐵過渡層主要由樹枝狀奧氏體及板條狀滲碳體組成。低碳鋼和復合層區域的組織基本一致，但在高鉻鑄鐵區域，奧氏體的生長方向有著明顯的區別。圖2(a)，(b)中奧氏體生長有著明顯的方向性，圖2(c)中奧氏體方向性則不是很明顯。由于型腔底部激冷材料的存在，促使低碳鋼液在較大的溫度梯度條件下凝固。當低碳鋼液流動靜止并開始凝固后，后進入的高鉻鑄鐵便與低碳鋼上表層產生液膜連接，同時在高鉻鑄鐵液的熱量作用下低碳鋼產生少量重熔后，則反向向上凝固形成低碳鋼/高鉻鑄鐵雙金屬復合層。當板材厚度為20mm和30mm時，激冷材料的冷卻效果仍在，導致反向向上凝固過程中仍存在較大溫度梯度，形成的奧氏體產生了明顯的方向性，又因為存在著成分過冷，因而最終出現了奧氏體樹枝晶。當耐磨板厚度為40mm時，激冷材料冷卻效果提前消失，結果出現的奧氏體方向性不明顯，但成分過冷現象依然存在，所以仍可看到樹枝狀的奧氏體產生。

圖2　不同厚度的雙液金屬耐磨板復合層微觀組織(a)20mm；(b)30mm；(c)40mmFig.2　Microstructures of composition layer of two-liquid bimetal wear resistance plate with different thicknesses(a)20mm;(b)30mm;(c)40mm

復合層區域微觀組織形貌如圖3所示。低碳鋼側至高鉻鑄鐵側具體可分為：低碳鋼→珠光體過渡層→復合層→白口鑄鐵過渡層，如圖3(a)所示。珠光體過渡層的形成主要歸因于低碳鋼在過熱的高鉻鑄鐵的沖刷下重熔，形成的熔合過渡層內擴散進入少量的鉻和碳，抑制了共析時鐵素體的形成，減少游離鐵素體的量，并促進了較為明顯的珠光體過渡層的形成。鉻元素可以提高共析轉變的過冷度，對細化珠光體有一定作用，從圖3(b)可以看出，隨著珠光體過渡層至復合層距離變小，珠光體片間距明顯減小。高鉻鑄鐵液與低碳鋼表面液膜接觸熔合，形成一個成分相對均勻區域。該區域內低碳鋼側珠光體過渡層在凝固溫度下為奧氏體，以此為背底向高鉻鑄鐵側凝固，由于此處鉻含量明顯增加，鉻具有對奧氏體的穩定性作用，因此，復合層顯微組織以γ-Fe為主，厚度約為40μm。由于凝固過程速度較快，在γ-Fe基體組織上C，Cr以粒狀碳化物形式大量析出，如圖3(c)所示。

圖3　復合層區域微觀組織(a)復合層微觀結構；(b)珠光體過渡層+復合層；(c)復合層Fig.3　Microstructures of composition layer region(a)microstructure of composition layer;(b)pearlite transition layer and composition layer;(c)composition layer

圖4　王水溶液腐蝕后的復合層區域微觀組織(a),(b)復合層微觀組織;(c)圖4(a)，(b)矩形內區域的SEM圖Fig.4　Microstructures of composition layer region after aqua region corrosion(a),(b)microstructures of composition layer;(c)SEM image of rectangle region in fig.4(a),(b)

2.2復合層成分及力學性能

為了更為準確地判斷復合層區域微觀組織與成分，圖4(a)，(b)為王水溶液(HNO3∶HCl =1∶3)腐蝕后的復合層同一區域不同顯微倍數的金相組織，圖4(c)為圖4(a),(b)相應矩形內區域的SEM。從圖4(a)可知，與復合層毗鄰的矩形框內的組織經過腐蝕后，與復合層顏色明顯不同，經過放大觀察(圖4(b))，兩者之間有明顯的分界線；通過圖4(c)的顯微結構確認，其為層片狀的珠光體，與低碳鋼內的珠光體基本類似。復合層基體并未呈現珠光體形貌特征，并且分布有粒狀碳化物，判斷為含有碳化物的微細組織，疑似奧氏體或者馬氏體。

圖5為復合層區域的組織形貌，線掃描及XRD分析。在復合層及其附近區域，對Fe，C，Cr，Si，Mn等元素分布進行能譜線掃描分析，如圖5(b)所示。由于采用液膜連接法制備耐磨板，在液膜初始連接時會產生對流傳質，當對流停止后，也會由于低碳鋼的重熔而有利于元素的擴散。復合層處Fe， C， Cr元素濃度差較大， 形成的原子擴散在界面層呈梯度分布。雙金屬復合材料界面過渡區中C，Cr，Mn等元素的濃度從含量高的高鉻鑄鐵一側呈梯度變化平穩過渡到低碳鋼一側；Fe元素也從高含量的低碳鋼一側呈梯度變化平穩過渡到高鉻鑄鐵一側；而Mn和Si元素的濃度變化不明顯。為了確定圖3(c)中粒狀碳化物成分，對其進行能譜點分析，結果表明主要成分為Cr和C，結合圖5(c)可知其為Cr7C3粒狀碳化物。

圖5　復合層區域的組織形貌(a)，線掃描(b)及XRD分析(c)Fig.5　Microstructure(a),element distribution(b) and XRD analysis(c) of composition layer region

對復合層區域進行顯微硬度分析，結果如圖6所示?？梢钥闯?，復合層及其過渡層硬度值呈現明顯的規律性變化。珠光體過渡層硬度為323～345HV，高鉻鑄鐵過渡層硬度為676～1240HV，復合層硬度為403～442HV，介于低合金過渡層和高鉻鑄鐵過渡層數值之間。

圖6　復合層區域顯微硬度(a)壓痕位置分布圖;(b)顯微硬度曲線Fig.6　Microhardness of composition layer (a)indentation positions on microhardness;(b)microhardness curves

3　低碳鋼溫度場模型

傳統雙液金屬復合認為低碳鋼表面呈現完全固態時是雙液鑄造復合鑄造的前提。通過上述實驗研究，為了保證耐磨薄板兩種金屬間較大的復合面積和復合層的質量，第一種金屬的復合表面在復合前處于固-液混合態或液態是最為理想的，為低碳鋼和高鉻鑄鐵復合工藝適應性和復合層冶金質量的可控性提供先決條件，而且能夠保證復合層實現完全的冶金結合。為了便于分析，在進行溫度場分析時，將低碳鋼表面的物理狀態理想假設為固態。

作為實現雙液金屬復合的一個必要條件，低碳鋼凝固時間的計算，特別是低碳鋼上表面溫度場的定量分析就顯得尤為重要。在定量分析的基礎上，兩種金屬的澆注時間間隔，即高鉻鑄鐵澆注時間的判斷的準確值。到目前為止，對于雙液金屬的低碳鋼溫度場的分析計算，還沒有明確的給定。

(1)

低碳鋼澆注后形成平板鑄件，假設為具有一個平面的半無限大鑄件在半無限大的鑄型中冷卻。將坐標的原點設在鑄件與鑄型的接觸平面處，此時低碳鋼鑄件內的任意一點溫度t與y和z無關，為一維導熱問題。

(2)

導熱微分方程的形式：

(3)

其通解為

(4)

式中:C,D為待確定值，可以利用單值函數條件求出。經過求解，可知低碳鋼的溫度場方程為:

(5)

式中：tLCS為時間τ時,低碳鋼內與下表面距離x處的溫度(℃)；σ為假設鑄型初始溫度為零時，鑄型與低碳鋼蓄熱系數的比值;α1為導溫系數(m2·s-1)。

在推導低碳鋼溫度場方程式時，將低碳鋼的比熱和結晶潛熱分開考慮，并認為液態金屬和固態金屬有相同的導熱系數和比熱，這樣溫度場的求解可以得到簡化。方程式(4)的求解結果，可以用來定量分析低碳鋼澆入型腔后，在時間τ時，低碳鋼內距平面x處的溫度。根據式(5)，低碳鋼內任何點的溫度tLAS可以經計算求解出來，用以有效判斷兩液態金屬間的澆注時間間隔。

4　結論

(1)提出了雙液鑄造液膜連接法制備工藝，成功制備不同厚度的低碳鋼/高鉻鑄鐵耐磨薄板。

(2)厚度不同的雙液鑄造復合耐磨板，從低碳鋼側至高鉻鑄鐵側可以分為低碳鋼→珠光體過渡層→復合層→高鉻鑄鐵過渡層，雙金屬復合層完全實現了冶金結合。隨著復合板厚度的增加，奧氏體樹枝晶生長的方向性從明顯逐漸過渡到不明顯。

(3)初步建立了低碳鋼溫度場模型，為澆注工藝的制定起到預判作用。

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Effect of Two-liquid Bimetal Wear Resistance Plate Thickness on Microstructures and Properties of Composition Layer

ZHU Yong-chang1,2，WEI Zun-jie1，RONG Shou-fan2，SONG Chun-mei2

(1 School of Materials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 154001,China；2 Institute of Materials Science and Engineering,Jiamusi University,Jiamusi 154007,Heilongjiang,China)

Two-liquid bimetal composite casting through the liquid film bond technology can realize large metallurgical composite plane to prepare the two-liquid bimetal wear resistance plate between low carbon steel and high chromium cast iron, which can effectively avoid the insufficient heat quantity of the later poured high temperature liquid metal with the conventional liquid-liquid composite technology. The microstructure and composition of the composition layer were detected with SEM and EDS. The results show that, the sequence of the microstructure from the low carbon steel to the high chromium cast iron is as follows: low carbon steel → pearlite transition layer → composition layer → high chromium cast iron transition layer. The Vickers hardness of composition layer region is from 345 to 1260. The microstructure of the composition layer is γ-Fe and granular carbide. The morphology of γ-Fe in high chromium cast iron layer presents the distinct directional dendritic crystal growth that is perpendicular to the composition layer, but the γ-Fe directivity gradually disappears with the increment of the wear resistance plate thickness. The temperature field mathematical model of the low carbon steel is preliminarily developed for providing a quantitative analysis to the two-liquid bimetal composition technology.

two-liquid bimetal;wear resistance plate;composition layer;liquid film bond technology

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.08.003

TG211

A

1001-4381(2016)08-0017-06

國家自然科學基金資助項目(51371090)

2015-09-18;

2016-03-29

魏尊杰(1964-)，男，教授，博士，研究方向：金屬凝固理論及超高壓材料，聯系地址：哈爾濱工業大學材料科學與工程學院(154001)，E-mail:weizj@hit.edu.cn