復(fù)合軋輥界面理論研究的現(xiàn)狀

李萬(wàn)明，姜周華，董艷伍，劉 輝，鄭立春

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110004)

復(fù)合軋輥界面理論研究的現(xiàn)狀

李萬(wàn)明，姜周華，董艷伍，劉 輝，鄭立春

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110004)

總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于復(fù)合軋輥界面理論的研究成果，對(duì)界面形式、界面結(jié)構(gòu)和界面結(jié)合強(qiáng)度及其影響因素等進(jìn)行了闡述，并分析了在該領(lǐng)域目前存在的主要問題.

復(fù)合軋輥;界面結(jié)構(gòu);結(jié)合強(qiáng)度

軋輥?zhàn)鳛檐垯C(jī)的主要消耗部件，其消耗成本約為軋鋼生產(chǎn)成本的5% ～15%［1］，直接關(guān)系到鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)成本.軋輥工作層一般以磨損失效為主，因此要求工作層具有較高的耐磨性;而輥芯和輥頸一般要求具有較高的強(qiáng)韌性，以保證軋輥工作過程中的安全可靠性.然而耐磨性和強(qiáng)韌性是一對(duì)矛盾，高硬性可以提高耐磨性，但是強(qiáng)韌性降低;強(qiáng)韌性提高，硬度降低，耐磨性變差.因此，整體單一材料無(wú)法同時(shí)滿足耐磨性和強(qiáng)韌性的要求，而復(fù)合軋輥由于工作層和輥芯的材質(zhì)不同，同時(shí)保證了軋輥高耐磨性、高抗表面粗糙性和內(nèi)部強(qiáng)韌性等優(yōu)異性能［2～10］，是未來(lái)軋輥的發(fā)展方向.

目前，生產(chǎn)復(fù)合軋輥的方法主要有離心鑄造法(CF)、連續(xù)澆注復(fù)合鑄造法(CPC)、噴射沉積成型法(Osprey)、熱等靜壓法(HIP)、電渣重熔法(ESR)、電渣液態(tài)澆注熔接法(ESSLM)［11～15］.

界面是復(fù)合材料特有的極其重要的組成部分，復(fù)合軋輥的性能與界面性質(zhì)密切相關(guān).而復(fù)合界面的結(jié)合狀態(tài)，直接關(guān)系到復(fù)合軋輥的性能發(fā)揮.對(duì)界面的要求主要包括兩個(gè)方面:力學(xué)方面要求界面能夠傳遞載荷，物理化學(xué)方面要求界面在復(fù)合軋輥制造和整個(gè)服役期間保持穩(wěn)定.對(duì)復(fù)合軋輥的界面進(jìn)行系統(tǒng)研究不僅具有較高的理論價(jià)值，而且具有很高的實(shí)用價(jià)值.

1 界面的形式

液－固雙金屬?gòu)?fù)合軋輥的界面結(jié)合以擴(kuò)散結(jié)合為主，伴隨著少量的熔合結(jié)合.

(1)熔合結(jié)合［16，17］.鋼液與芯材相接觸;相接觸的界面處鋼液瞬時(shí)凝固;接觸凝固層再次熔化;再熔化鋼液與未凝固鋼液混合;芯材表層開始熔化，并與鋼液共混，熔合線附近合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低;

(2)擴(kuò)散結(jié)合［16，18］.鋼液與芯材相接觸;接觸鋼液凝固;接觸凝固層部分或全部熔化;接觸凝固層中的元素向芯材一側(cè)擴(kuò)散.

2 界面結(jié)構(gòu)

界面微區(qū)的結(jié)構(gòu)和特性對(duì)于金屬基復(fù)合材料的各種宏觀性能起著關(guān)鍵的作用.清晰地認(rèn)識(shí)界面微區(qū)、微結(jié)構(gòu)、界面相組成、界面反應(yīng)生成相、界面微區(qū)的元素分布、界面結(jié)構(gòu)與外層金屬、外層金屬相結(jié)構(gòu)的關(guān)系等，對(duì)指導(dǎo)制備和應(yīng)用復(fù)合軋輥具有重要意義.國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用高分辨電鍍、分析電鏡、能量損失譜儀、光電子能譜儀等現(xiàn)代材料分析手段，對(duì)復(fù)合軋輥界面微結(jié)構(gòu)表征進(jìn)行了大量的研究工作.

圖1為35CrMo與高速鋼復(fù)合時(shí)的界面結(jié)構(gòu)，由圖可見雙金屬?gòu)?fù)合軋輥的界面中的界面結(jié)構(gòu)主要包括［19］:(1)擴(kuò)散層:位于芯材的最外層，主要特征是出現(xiàn)粒狀珠光體或片狀珠光體，體積分?jǐn)?shù)高于芯材的內(nèi)部;(2)激冷凝固層:由于芯材的激冷作用，外層鋼液以芯材表面為基底快速凝固而形成;(3)方向性生長(zhǎng)層:激冷凝固層形成后，外層材料在凝固時(shí)還存在著較大的徑向溫度梯度.外層材料的凝固組織在徑向溫度梯度的作用下表現(xiàn)出了明顯的方向性生長(zhǎng);(4)正常凝固層:在方向性生長(zhǎng)層形成以后，芯材對(duì)外層材料的激冷作用明顯減弱，外層材料的凝固組織已沒有明顯的方向性.

3 界面反應(yīng)及其控制方法

圖1 35CrMo與高速鋼復(fù)合時(shí)的界面結(jié)構(gòu)［20］Fig.1 Interface structure of composition of 35CrMo and high speed steels

界面反應(yīng)程度分為3類:弱界面反應(yīng)，中等程度的界面反應(yīng)和強(qiáng)界面反應(yīng).界面反應(yīng)程度取決于金屬基復(fù)合材料組分的性質(zhì)、工藝方法和參數(shù).一般溫度越高和停留時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)的可能性越大，反應(yīng)程度越嚴(yán)重.因此，在制備過程中，嚴(yán)格控制制備溫度和高溫下的停留時(shí)間是制備高性能復(fù)合材料的關(guān)鍵，必須使界面反應(yīng)程度控制到形成合適的界面結(jié)合強(qiáng)度.

界面反應(yīng)的控制應(yīng)從反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)角度來(lái)考慮，可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間、溫度及擴(kuò)散激活能來(lái)控制反應(yīng)層的厚度，主要從以下幾個(gè)方面來(lái)控制:

(1)芯材預(yù)熱.研究發(fā)現(xiàn)，芯材預(yù)熱溫度對(duì)界面結(jié)合起決定作用.如果芯材的預(yù)熱溫度過高，會(huì)使芯材表面產(chǎn)生氧化層，影響復(fù)合的效果;而如果芯材的預(yù)熱溫度過低，澆入合金鋼液后，芯材表面溫度不能達(dá)到熔融或熔化狀態(tài)，直接影響界面的結(jié)合.

(2)澆注溫度.研究表明，澆注溫度越高，界面結(jié)合強(qiáng)度越大，但會(huì)使界面反應(yīng)更激烈，會(huì)造成較大的殘余應(yīng)力，影響材料性能.所以在不影響材料性能的前提下，可適當(dāng)提高澆注溫度［21，22］.

(3)合金液和芯材的體積比.在芯材不預(yù)熱的情況下，增大合金液與芯材的體積比，有利于提高界面的結(jié)合強(qiáng)度，但體積比過大會(huì)降低復(fù)合材料的整體強(qiáng)韌性能.一般認(rèn)為，合金液與芯材的體積比為10:1時(shí)，界面結(jié)合狀態(tài)較好［23，24］.

(4)外界加熱.采用電渣法加熱或者感應(yīng)加熱等方法對(duì)芯材和澆注金屬加熱，是提高液－固雙金屬澆注質(zhì)量的有效方法.

(5)熱處理.熱處理幾乎不改變結(jié)合界面的組織形態(tài)［24］，但會(huì)明顯增加奧氏體穩(wěn)定性，并導(dǎo)致淬火過程中殘余奧氏體層的產(chǎn)生.圖2為不同熱處理?xiàng)l件下45號(hào)鋼和W9Mo3Cr4V結(jié)合界面的金相組織.

圖2 熱處理對(duì)結(jié)合界面顯微組織的影響Fig.2 Influence of thermal treatment to the microscopic structure of bond interface

4 界面強(qiáng)度檢測(cè)方法

迄今為止，世界各國(guó)復(fù)合材料專家已經(jīng)研究出多種復(fù)合材料試驗(yàn)方法，其中有些方法已經(jīng)比較成熟，并制定出相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn).為了保證試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性和可靠性，我國(guó)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)和物理性能做出了詳細(xì)的規(guī)定，見GB1446－83;而對(duì)液－固結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試，目前還沒有公認(rèn)的測(cè)試統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同的研究者根據(jù)自己的條件采用不同的測(cè)試方法.現(xiàn)將其歸納如下:

(1)使用單剪切夾具，在萬(wàn)能液壓強(qiáng)度測(cè)試儀上進(jìn)行界面強(qiáng)度的測(cè)試.

(2)利用激光探針技術(shù)實(shí)時(shí)記錄界面層斷裂過程，計(jì)算界面強(qiáng)度.

(3)在拉伸試驗(yàn)機(jī)(如LJ－5000A型)做拉伸試驗(yàn)，拉伸時(shí)在試件兩端緩慢加載直至試件斷裂為止.記錄拉斷時(shí)的極限載荷F，根據(jù)=F/S(為抗剪強(qiáng)度，F(xiàn)為極限載荷，S為搭接面積)計(jì)算剪切強(qiáng)度.

(4)在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量界面剪切強(qiáng)度.

5 存在的主要問題

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)合軋輥進(jìn)行了大量的研究，但仍存在許多問題有待解決，包括基礎(chǔ)理論研究的問題，也包括實(shí)際應(yīng)用方面的問題，且二者緊密聯(lián)系.

(1)界面控制問題:復(fù)合軋輥性能受界面結(jié)構(gòu)的影響極大，而界面結(jié)構(gòu)主要由輥芯和外層金屬的材料屬性、表面狀態(tài)、制備工藝方法及參數(shù)等來(lái)控制，而且由于界面區(qū)域本身很小、且不均勻，這就給研究帶來(lái)了很大的困難.就目前而言，界面控制理論及實(shí)踐難度大，進(jìn)展緩慢;界面殘余應(yīng)力的行為認(rèn)識(shí)還不清楚;界面結(jié)構(gòu)與制備條件的關(guān)系的認(rèn)識(shí)還不清楚.

(2)穩(wěn)定性和可靠性問題:從熱力學(xué)角度而言，組成復(fù)合軋輥的兩種金屬材料組分的界面處是不穩(wěn)定的，尤其熱軋輥的使用溫度為900～1 000℃，一旦條件適宜，構(gòu)成復(fù)合軋輥的各組分之間的界面將消失或者在界面處生成新的相，使復(fù)合軋輥的性能產(chǎn)生明顯的變化，使用的可靠性難以保證，因此對(duì)界面穩(wěn)定性的研究是非常必要的.

(3)價(jià)格問題:復(fù)合軋輥的制造工藝復(fù)雜、效率低、產(chǎn)量小、工藝裝備投資大，因此制造成本很高.特別是由于工藝的不成熟，導(dǎo)致企業(yè)投資生產(chǎn)復(fù)合軋輥的風(fēng)險(xiǎn)很大.因此，完善復(fù)合軋輥制造工藝，研究復(fù)合軋輥制造參數(shù)與性能的關(guān)系是目前面臨的緊迫任務(wù).

6 結(jié)語(yǔ)

近幾年來(lái)，我國(guó)的軋輥制造業(yè)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但常法制造的一般軋輥具有有限的生存空間，而且國(guó)內(nèi)對(duì)復(fù)合軋輥的應(yīng)用還不多，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電渣液態(tài)澆注方法，CPC等方法制備復(fù)合軋輥的工藝的研究，尤其是對(duì)復(fù)合軋輥的界面控制理論的研究，使我國(guó)對(duì)復(fù)合軋輥的研究和應(yīng)用水平早日趕上國(guó)際先進(jìn)水平.

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Present situation of theoretical research on interface of compound roll

LI Wan-ming，JIANG Zhou-hua，DONG Yan-wu，LIU Hui，ZHENG Li-chun
(School of Materials and Metallurgy Northeastern University，Shenyang 110004，China)

The research achievement on interface of compound roll done by both domestic and overseas scholars was summarized.The layout，structure，bond strength，influencing factor of interface were expounded.The main problems in the field at the present were indicated.

compound roll;interface structure;bond strength

TF 142

A

1671-6620(2011)S1-0068-04

2010-10-15.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助 (50904015)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)研究生科研項(xiàng)目 (NO.90602006).

李萬(wàn)明 (1985—)，男，山東萊蕪人，東北大學(xué)博士研究生;姜周華 (1963—)，男，浙江蕭山人，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.