包覆对称组坯热轧制备高铬铸铁/低碳钢耐磨复合板

李艳威 王效岗 李玉贵 韩培盛

太原科技大学冶金设备设计理论与技术省部共建国家重点实验室培育基地，太原，030024

0 引言

金属耐磨材料以其优异的性能广泛应用于各个行业［1］。在耐磨材料中，具有高硬度和优良耐磨性的铬系白口铸铁为重要的基础材料，Cr15、Cr20和Cr26系列高铬耐磨铸铁在国内外已批量生产和应用多年［2-3］。近年来，提高高铬铸铁耐磨性的主要方法为提高高铬铸铁的硬度。经过热处理后，高铬铸铁铸件的硬度可以达到68 HRC。高铬铸铁出色的耐磨性源于较高体积分数的硬质碳化物，然而基体中大量的硬质碳化物会大大降低高铬铸铁的冲击韧性和可热变形性，这一缺点限制了高铬铸铁的更广泛应用［4-5］。

随着复合材料技术的发展，将具有较好韧性和在高温下具有良好流动性的金属（如碳钢）与高铬铸铁相结合制备出复合板材成为一种趋势［6］。复合板材具有低碳钢优良韧性的优点，可以实现两种材料的良性互补，在不改变高铬铸铁组织成分和耐磨性的基础上提高板材的韧性和可热变形性。目前，高铬铸铁/低碳钢双金属材料可以通过堆焊复合［7］、液-液复合铸造［8-10］，固-液复合铸造［11］等方法制备。与铸造复合相比，通过轧制等热变形实现两种材料的结合更加高效和有效，不但能以较低的成本实现大规模生产，而且能改善组成金属的力学性能，但是由于高铬铸铁的固有脆性和难热变形性，制备成复合板较困难。LIU等［12］提出通过铸造低碳钢包层结合热轧使脆性高铬铸铁实现一定程度的热变形的方法。在该方法中低碳钢铸造包层在热轧过程中表现出了“润滑效应”，这有利于高铬铸铁的热塑性变形而不产生开裂，但其缺点是对铸造工艺的要求较高和效率较低。JIANG等［13-14］通过GLEEBLE热模拟实验研究了高铬铸铁与低碳钢进行固-固热压缩结合，取得了较好的效果。而将铸态高铬铸铁与低碳钢经过组坯直接在真空下进行热轧复合的研究还较少见报道。

本研究通过对碳钢板和高铬铸铁板进行六层对称包覆组坯，然后在1 200℃下进行多道次热轧来制备耐磨复合板。这种新工艺能够简化高铬铸铁/低碳钢耐磨复合板制备过程，从而提高生产效率、改善材料机械特性。

1 试验

复合材料选择铸态过共晶高铬铸铁作为耐磨层，该材料具有较高的硬度和耐磨性；与耐磨层进行韧性配合的基层材料选用Q235低碳钢，它具有优异的韧性和延展性。材料成分如表1所示。

表1 材料成分表（质量分数）Tab.1 Table of material composition（mass fraction） %

2 试验方法

试验过程示意图见图1。首先进行高铬铸铁与低碳钢的六层组坯。复合板的心部为两层高铬铸铁板，尺寸是100 mm×200 mm×5 mm，包覆层是韧性较好的低碳钢板，尺寸分别是110 mm×210 mm×5 mm和105 mm×205 mm×2 mm。将高铬铸铁与低碳钢的待复合表面的氧化层打磨干净，用乙醇清洗，并吹干。在中间两层薄碳钢板之间涂抹隔离剂，涂抹厚度为2 mm，隔离剂的成分是Al2O3与腻子粉的混合溶液。Al2O3具有很高的硬度和很强的耐高温性，可以保证夹层结构在经过高温轧制以后两层薄碳钢板不会发生黏结并且可以分离。为了防止在高温轧制过程中材料发生氧化从而保证结合效果，结合过程必须在真空环境里进行，夹层结构通过焊接密封边完全密封后从预留的管道进行抽真空，真空度为1mPa。

将坯料在中频感应炉中分别加热至1 200℃并持续30 min，在实验室二辊可逆轧机上进行多道次热轧，轧机辊径为306 mm，最大轧制力为1 200 kN，轧制速度为0.2 m/s，总压下率分别为30%、60%，每道次压下率不超过15%，轧制结束后复合板在空气中自然冷却至室温。作为对比，将高铬铸铁和低碳钢两层组坯经焊接密封并抽真空，在相同的轧制工艺下也进行轧制。用电火花切割制备100 mm×200 mm×10 mm的试样，将与结合界面平行和垂直的两个面用金刚石抛光剂抛光，用4%（质量分数）硝酸乙醇溶液腐蚀15～25 s。采用扫描电镜（SEM）和能谱线扫描（EDS）等方法对试样的组织和界面结合情况进行微观组织观察。

图1 复合板组坯轧制示意图Fig.1 Schematic diagram of composite plate billet rolling

3 结果和分析

3.1 轧后复合板宏观形貌

两层组坯轧制后的高铬铸铁/碳钢复合板在热轧后，由于高铬铸铁的脆性较大并且热变形抗力与碳钢差别很大，轧制时会造成两种材料热塑性变形的不协调，轧后复合板的翘曲严重，而且在高铬铸铁层表面出现了较严重的横向裂缝；六层组坯热轧后，复合板板形良好且没有出现翘曲现象，沿轧制方向板材有较大的伸长，见图2a。由于隔离剂的作用，六层复合板在切边以后上下自然分离，形成两块高铬铸铁/碳钢复合板，见图2b。热轧后板材厚度为8.5 mm，轧后复合板厚度方向的变化证明高铬铸铁层与碳钢层发生了协调变形，脆性高铬铸铁层实现了在较大压下率（60%）下的热变形，高铬铸铁层表面有一定起伏，表面变形的空隙被中间较薄的碳钢层填满；界面结合质量良好，没有可辨别的沿界面的夹层等缺陷。

图2 热轧复合板宏观形貌Fig.2 Macroscopic appearance of clad plate after hot rolling

3.2 界面微观组织

界面结合质量会显著影响复合材料的整体性能，在扫描电镜下对界面的微观组织（图3）进行观察可知，界面上层高铬铸铁主要为奥氏体基体与正六边形的M7C3初生碳化物组织，下层碳钢层主要为片状珠光体加铁素体组织。

图3 热轧后复合界面微观组织Fig.3 Composite interface microstructure after hot rolling

图3a和图3b分别显示了两层组坯热轧和六层对称包覆热轧后结合界面的微观形貌。由图3a可以看出，界面处高铬铸铁层有明显的裂纹和空隙缺陷，且裂纹从高铬铸铁层扩展到了碳钢层，在结合界面附近的碳钢层组织有明显的被压裂现象；界面呈直线型，证明两种金属没有发生塑性变形，这是由于高铬铸铁的脆性较大并且热变形抗力与碳钢差别很大，采用单层组坯热轧制时会造成两种材料变形的不协调，高铬铸铁层变形的应力没有得到释放而导致出现明显的裂纹。图3b的复合界面处的两层金属没有发现裂纹和空隙缺陷，且清楚地显示了两种金属材料具有波浪形状的界面。在热轧制过程中，两种金属的界面首先在轧辊压下之前发生物理接触和元素的微量扩散，开始轧制时，界面处在短时间内产生较大的压力和热量，两种金属的表面能通过热塑性变形而激活从而发生界面之间的机械结合，随后两种金属沿着界面相互扩散并随着塑性变形的加剧而形成波浪形的界面形状，这种波浪形的界面说明高铬铸铁层和碳钢层发生了均匀的协调热变形，有助于提高复合材料的结合强度。在图3b中高铬铸铁层靠近界面处，观察到了约5～10 μm的无碳化物过渡区，这是由于界面附近的C和Cr元素从高浓度含量的高铬铸铁层向低浓度含量的低碳钢层的扩散造成的，这也说明了两种材料实现了冶金结合。图3c为六层坯料在30%压下率下包覆热轧后的结合界面微观组织形貌。由图3c可以看出，结合界面处无明显的裂纹和空隙，但是有少量的夹层组织，且界面结合线呈直线，这说明在较小压下率下两种材料的协调热变形没有充分进行。对比在60%压下率的界面结合情况，说明适当加大压下率有助于提高界面的结合质量。

利用扫描电镜的EDS能谱对两层和六层组坯热轧后结合界面两侧进行Cr元素线扫描，结果如图4所示，界面的左侧为高铬铸铁层，右侧为碳钢层。

图4 Cr元素线扫描结果Fig.4 Scanning results of Cr elements

图4显示了Cr元素在界面两侧的含量变化，在双层组坯轧制时，由于两种金属协调热变形的不足，Cr元素含量在越过界面以后急剧下降，而图4b中Cr元素含量的下降是缓慢的，向碳钢侧扩散的距离增大，说明有更多的Cr元素实现了从高铬铸铁层向碳钢层的扩散，这说明在热轧后两种金属实现了冶金结合而非机械结合。

3.3 高铬铸铁层的微观组织

为了讨论轧制热变形对高铬铸铁层组织的影响，分别对未轧高铬铸铁的侧面和表面（图5）、热轧后与结合界面平行和垂直的面（图6）进行微观组织的扫描电镜观察。

图5 未轧高铬铸铁微观组织Fig.5 Microstructure of high chromium cast iron before hot rolling

由图5a可以看出，高铬铸铁表面微观组织主要由基体中分布的正六边形M7C3初生碳化物组成，且碳化物尺寸比较粗大，这些大量的硬质碳化物造成了高铬铸铁的高硬度特性。图5b是由高铬铸铁的侧面进行观察的结果，发现初生碳化物呈现长杆状，这表明在铸态高铬铸铁中，初生碳化物是垂直于表面生长的，细小的共晶碳化物在初生碳化物周围呈径向分布。碳化物的这种分布方式有助于提高高铬铸铁的耐磨性，碳化物镶嵌在基体中不容易脱落，更好地保护了基体不被磨粒划伤，但是这样也造成了基体被割裂，不利于高铬铸铁的冲击韧性。

图6a为热轧后高铬铸铁层表面的微观组织，可以看出热轧后在高铬铸铁的表面正六边形的初生碳化物的尺寸有所减小，出现了更多的细小共晶碳化物弥散分布。从图6c还可以看出，界面附近的碳化物尺寸要明显比远处的碳化物尺寸小，而从图6b的侧面观察图可以看出，正六边形的形状有所增多，热轧变形使部分初生碳化物的方向发生了翻转。在初生碳化物的中心发现有孔洞，这是碳化物凝固收缩后的结果，中心孔洞增大了初生碳化物与基体的接触面积，也有利于碳化物对基体的支撑，提高高铬铸铁的抗冲击韧性。

图6 热轧后高铬铸铁微观组织Fig.6 Microstructure of high chromium cast iron after hot rolling

3.4 硬度值测量

图7显示了两种材料热轧复合后在5N负载下的维氏硬度值变化。

图7 复合材料的硬度变化Fig.7 Curve of hardness value of composite material

由图7可以看出，由于热轧后高铬铸铁层组织晶粒尺寸和形状的改变，高铬铸铁一侧的硬度值略有升高。硬度值在由较软碳钢层到较硬高铬铸铁层是连续变化的，这证明了两种材料的结合是冶金结合而不是机械结合。由于元素扩散层的范围较小，故硬度过渡变化的区域也较小。

4 结论

（1）采用六层对称组坯包覆热轧工艺成功制备了高铬铸铁/碳钢复合板，轧后板形无翘曲且沿轧制方向板材有较大的伸长，实现了高铬铸铁层一定程度的热变形且结合面无可辨别的裂纹等缺陷。

（2）热轧后复合板结合界面良好且界面形状呈波浪形，通过与较软碳钢层同时协调变形，碳钢层起到了消除高铬铸铁变形应力的作用，脆性高铬铸铁的可热成形性有了明显改善，且适当增大压下率有助于提高复合界面的结合质量。

（3）热轧使高铬铸铁层微观组织中的碳化物细化，碳化物中心出现孔洞，同时部分碳化物的方向出现翻转。

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