1、試驗(yàn)方法

　　試驗(yàn)原材料為軋鋼廠報(bào)廢的復(fù)合材料輥環(huán)，是由表面復(fù)合材料工作層(其WCp增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)約為75%)和芯部Fe2C合金組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)輥環(huán)。

　　采用50kg中頻感應(yīng)爐對(duì)廢舊輥環(huán)重新熔煉，熔煉輥環(huán)基體材料的化學(xué)成分在熔煉過(guò)程中C和Si元素有燒損，其含量有所下降，但當(dāng)加入球化劑進(jìn)行球化處理后Si含量又有所回升，其他元素含量基本不變。出爐溫度為1600℃，此時(shí)由于WCp熔點(diǎn)較高并未熔化，只發(fā)生少量的局部溶解<6>。在1450℃時(shí)，將煉制好的熔體澆入自制的臥式離心機(jī)旋轉(zhuǎn)的模具中，使其在離心力場(chǎng)下凝固獲得外徑233～234mm，內(nèi)徑120～130mm，軸向長(zhǎng)度78mm的再生復(fù)合材料圓環(huán)鑄件。然后將圓環(huán)鑄件裝入中溫箱式電阻爐中，進(jìn)行300℃回火熱處理。

　　余量金相試樣從再生復(fù)合材料圓環(huán)鑄件上直接截取，經(jīng)磨制，拋光后，采用光學(xué)顯微鏡，JSM25160LV型掃描電鏡和EDAX電子能譜儀對(duì)再生復(fù)合材料顯微組織進(jìn)行觀察和分析，并利用線(xiàn)分析法對(duì)其組織中增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定。所謂線(xiàn)分析法，是指在光學(xué)顯微鏡下對(duì)試樣的同一部位選取至少3個(gè)視場(chǎng)，并利用帶有標(biāo)尺的目鏡讀出組織中顆粒的體積分?jǐn)?shù)，然后取其平均值來(lái)作為這一部位的顆粒體積分?jǐn)?shù)。

　　2、試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　在鑄件徑向斷面上，顆粒的分布呈現(xiàn)出3個(gè)不同的區(qū)域，這主要是由于密度遠(yuǎn)大于合金熔體的未溶WCp在離心力作用下向鑄件外層偏聚引起的。離心轉(zhuǎn)速較低時(shí)(780r/min)，未溶WCp在圓環(huán)鑄件外側(cè)偏聚程度較小。在圓環(huán)鑄件中間層和內(nèi)側(cè)中也有一定量的未溶WCp增強(qiáng)相存在。當(dāng)離心轉(zhuǎn)速提高到920r/min時(shí)，未溶WCp在圓環(huán)鑄件外側(cè)偏聚的程度較大，而在圓環(huán)鑄件內(nèi)側(cè)有少量的原位WCp存在。其主要原因是金屬液澆注后，未溶WCp在離心力作用下不斷向型壁移動(dòng)，隨著金屬液溫度的降低，金屬液粘度增加，未溶WCp沿徑向遷移的阻力增大，其相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小，從而造成WCp由鑄件外側(cè)到內(nèi)側(cè)逐漸減少，即顆粒呈梯度分布。

　　轉(zhuǎn)速分別為780r/min和920r/min時(shí)，未溶WCp沿圓環(huán)鑄件徑向不同距離處的體積分?jǐn)?shù)，其中離心機(jī)轉(zhuǎn)速為920r/min時(shí)的圓環(huán)鑄件，其外部工作層未溶WCp體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)65%，靠近心部基體中WCp含量約10%左右，離心機(jī)轉(zhuǎn)速降低，圓環(huán)鑄件中未溶WCp體積分?jǐn)?shù)減少?？梢?jiàn)，離心機(jī)轉(zhuǎn)速越大，未溶WCp受到的離心力越大，WCp的分布梯度就越大。因此，可根據(jù)實(shí)際工況適當(dāng)?shù)馗淖冸x心轉(zhuǎn)速而控制再生復(fù)合材料工作層中增強(qiáng)相的數(shù)量，從而獲得所需的增強(qiáng)效果。

　　不同離心轉(zhuǎn)速下制備的再生復(fù)合材料圓環(huán)鑄件外部工作層組織中未溶WCp分布與形態(tài)的掃描電鏡照片。可以看出，其組織為均勻分布的未溶WCp和粘結(jié)WCp的Fe2C合金基體，WCp與基體界面結(jié)合良好。除了未溶的WCp外，還有少量枝狀碳化物在工作層基體內(nèi)析出。WCp排列更為緊密，體積分?jǐn)?shù)更高，表明在較高的離心力作用下有更多的未溶的WCp遷移到復(fù)合材料工作層內(nèi)。

　　之所以出現(xiàn)上述現(xiàn)象，首先是因?yàn)閃Cp與Fe2C合金熔體的潤(rùn)濕角幾乎為零，在重熔過(guò)程中，WCp與基體能很好地結(jié)合。通常在凝固過(guò)程中，顆粒與界面接觸后被生長(zhǎng)的界面所捕捉，則顆粒能在基體內(nèi)均勻分布，反之，顆粒將在基體內(nèi)偏析。由于WCp與Fe基體的潤(rùn)濕角很小，凝固時(shí)顆粒更容易被凝固界面捕捉到，因而更有利于其在基244特種鑄造及有色合金2010年第30卷第5期體中均勻分布。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，在1250℃下，WCp在Fe水中的熔解度接近7%，而熔煉溫度顯然要高于1250℃，于是顆粒發(fā)生溶解作用，這種溶解作用首先從顆粒表面開(kāi)始，其溶解的速度和數(shù)量取決于熔煉的溫度和時(shí)間。合金熔煉的溫度越高，熔煉時(shí)間越長(zhǎng)，WCp被溶的數(shù)量就越高。這些被WCp合金化的Fe水在隨后的凝固過(guò)程中原位析出WCp，并呈樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。

　　780r/min離心轉(zhuǎn)速下制取的再生復(fù)合材料圓環(huán)試樣心部基體組織的掃描電鏡，X射線(xiàn)衍射和能譜分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，再生復(fù)合材料圓環(huán)試樣心部基體組織為針狀貝氏體，其中有原位析出的短桿狀碳化物及網(wǎng)狀碳化物，并有少量球狀石墨分散在其中。經(jīng)過(guò)能譜和X射線(xiàn)衍射分析可知，上述短桿狀碳化物相主要為：WC，W2C和W3C，網(wǎng)狀碳化物相主要為：Fe6W6C與Fe3W3C，WCp在重熔過(guò)程中被高溫鐵水部分熔解，使其周?chē)合嗪辖鸹?，合金液中的W含量增高。這種過(guò)飽和的Fe水在隨后冷卻過(guò)程中析出含有Fe，W等合金元素的復(fù)式碳化物。這種原位析出的碳化物相除了一部分遷移至工作層外，剩余的均留在心部基體內(nèi)，有利于提高合金基體的硬度。

　　3、結(jié)論

　　(1)通過(guò)對(duì)廢舊軋輥材料的重熔處理，并結(jié)合離心鑄造法獲得了由外部的WCp/Fe2C再生復(fù)合材料層和芯部Fe2C基體層組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)圓環(huán)鑄件。在離心力的作用下，未溶解的WCp沿圓環(huán)鑄件徑向向外部偏聚，形成了厚度達(dá)10～15mm，顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到65%，且分布較均勻的復(fù)合材料層。隨著距離向內(nèi)推移，中間過(guò)渡層顆粒體積分?jǐn)?shù)急劇下降，并出現(xiàn)細(xì)小的WCp層?？拷牟炕w層原位析出的WCp體積分?jǐn)?shù)較少，約為10%.

　　(2)在不同離心機(jī)轉(zhuǎn)速下，試樣復(fù)合層內(nèi)WCp含量隨離心機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而升高，當(dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)速由780 r/min升至920r/min時(shí)，復(fù)合層內(nèi)WCp含量可達(dá)由55%增加到65%.

　　(3)再生復(fù)合材料圓環(huán)鑄件心部基體組織為貝氏體，原位析出的短桿狀的WCp晶體以及網(wǎng)狀的復(fù)合碳化物相和分布于基體中的少量球狀石墨。

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