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1、液固结合双金属复合材料界面研究第36卷第7期2000年7月机械CHINESEJOURNAL工程OFMECHANICALENGINEERINGVol36No.7Ju1.2000液固结合双金属复合材料界面研究刘耀辉刘海峰,于思荣7∈r;;;.//'吉林工业大学材料科学与工程学院长春",r2摘要采用改进镶铸法制备了高碳高钒系高速钢/45钢双金属复合材料,研究了不同工艺参数下复合材料的面'组织和结构:试验结果表明,控制适当工艺参数可以获得结合良好的界面.双金属复合材料界面结合形式#要为叙词:睑巡,中圈分类号.l5艮0前
2、言轧辊是轧机的关键零件,随着轧制技术的进步,对双金属复合材料轧辊整体强韧性要求不断提高,特别是用于新型轧机的双金属复合轧辊更是如此….传统上以铸造材料为芯材的双金属复合材料已明显不能满足对其强韧性的要求.以强韧锻钢为芯材的双金属复合材料正成为目前的发展趋势和研究热点.采用表面堆焊,喷雾成形,热等静压等多种方法均可成功的制备多种双金属复合材料,然而就性能与价格比而言,采用铸造法制备双金属复合材料具有明显的优势I2】.利用镶铸法制备双金属复合材料由来已久,并在工业上获得了广泛的应用.镶铸法制备双金属复合材料是靠外层
3、材料浇人时带人的过热热量来获得界面结合的.这就要求外层材料与芯材必须具有一定的体积比才可能获得良好的界面结合.在小镶铸比(外层材料体积/芯材体积)条件下,由于外层材料带人热量较少,液固作用时间较短,无法获得良好的界丽结合,提高镶铸比有利于界面结合,但同时降低了复合材料的整体韧性和经济性,这与目前对双金属复合材料的整体强韧性能和经济性要求不相适应.因而如何提高在小镶铸比条件下液固作用时间以及控制液态金属的温度是制备此类双金属复合材料的关键作者利用改进镶铸法,在可控条件下,提高了液固相互作用时间,制备了高碳高钒系高
4、速钢/45钢双金属复合材料,研究了双金属复合材料的界面结构及其影响因素.*国家教委障士点基金,吉林省科委资助项目.19991210收到初稿.踟l28收到修改稿1试验方法根据前期研究结果,外层高碳高钒系高速钢最佳成分的质量分数为:c:2%,M.:2%,w:5%,:5%,v=8%时,经热处理后可以获得大量细小,弥散分布的Mc型碳化物.其耐磨性能较佳芯部材料采用大连钢厂生产的45钢优质碳素结构钢.直径分别为10,12,16rrm双金属复合材料的制备工艺装置简图如图l所示.在氩气保护下,外层高速钢材料置于直径20i'/
5、I/I1的坩埚内,在碳管炉内熔化.待温度达到1500℃时,通过石墨盖帽插入芯材,保持加热功率变,继续加热(保持时间分别为10,15,20s-I达到预定时间后,停止加热,加大冷却水流量,在炉内冷却至摩温,打破坩埚取出试样.采用J)(A一840型扫描电镜观察双金属复合材料结合界面形态和结构:利用EPM810型电子探针对界面区进行成分分析.确定碳及台金元素在界面区的分布形式及特征.高速图l双金属复合材料制备工艺示意图2试验结果与讨论2.1双金属复台材料的界面结构双金属复合材料的结合界面结构示意于图2,其基本组成为:①
6、渗碳层(区域I)..在复合材料制机械工程第36卷第7期备过程中,碳自外层材料向芯材发生了明显的扩散,靠近结合线一侧的芯材中出现了渗碳体/珠光体组织②界面过渡区(区域Ⅱ)由结合线和扩散过渡层组成.由于碳向芯材一侧的扩散,过渡层内MC型碳化物数量明显减少,甚至于完全消失图3示出了结合界面处碳及合金元素的面分布结果,明显可见碳向芯材一侧的扩散,以及过渡区内碳含量的减少.③高碳高钒系高速钢的凝固组织(区域Ⅲ和Ⅳ).区域Ⅲ和Ⅳ的区别在于Ⅵc型碳化物的形态.靠近过渡层的Ⅲ区中的MC型碳化物主要呈颗粒状,而Ⅳ区则是呈条状,Ⅲ
7、和Ⅳ区之间存在着明显的过渡(图4).韩福生l3等在对铬白口铸铁/钢的试验中也发现在结合线处存在着颗粒状碳化物,但对其形成机理未作出解释.图2界面结构示意图图3双金属复合材料界面区元素面分布结果×10C0图4界面区域Ⅲ和Ⅳ×】GO0上述的4个区域是双金属复合材料界面的基本结构,不同的工艺参数对各区域的尺寸和组织的影响各不相同.2.2双金属复合材料界面结构的影响园素表中示出工艺参数对复合材料结台界面的影响.可见保持时间的延长与镶铸比的提高均有利于改善界面结合随保持时间的延长,可以增加制备过程中的热作用时间和增加碳跨
8、越界面的扩散能力,是保证小镶铸比条件下获得界面结合的关键.表中芯材直径的变化实质上就是镶铸比的变化图5示出了在保持时间15S的条件下镶铸比对复合材料结合界面结构的影响:可见随镶铸比的提高,渗碳体层和过渡层厚度均有所增加在小镶铸比条件下(图5a),外层材料凝固较快,液固作用时间较短,碳化物细小,在靠近结合线的芯材中出现lr珠光体组织.随镶铸比的提高,外层高速钢中碳化物尺寸(c)图5镶铸比
