周向阳 张太康 李昌林 覃静 娄世菊
（中南大学冶金科学与工程学院，长沙410083）
利用废旧辊环，通过重熔和离心铸造法制备了再生复合材料辊环，重点研究了离心机转速为800 r/min和1 000 r/min时制备的再生复合材料辊环的组织和性能。样品的微观组织检测表明：再生复合材料辊环由WC颗粒大量分布的外层和Fe-C合金内层组成，离心机转速高的外层内WC增强颗粒体积分数较大。力学性能测试表明：800 r/min转速下制备的再生复合材料辊环，其外层和内层的硬度分别达到HRC49、HRC42，冲击韧性分别为3.1 J/cm2、5.1 J/cm2。离心机转速提高到1 000 r/min时，外层和内层的硬度分别增加达到HRC58、HRC49，冲击韧性分别降低为2.3 J/cm2、4.1 J/cm2。
关键词：
辊环；再生复合材料；离心铸造；力学性能；微观组织
辊环是轧钢厂的主要消耗部件，长期处于高温、高负荷、高速度的恶劣条件下，要有良好的抗断裂性能，表面应具有良好的耐磨、耐热性能[1-2]。WCP/Fe-C复合材料辊环在性能上和硬质合金辊环基本一致，但降低了近50%的材料成本[3-4]。1990年日本学者福井泰好提出的离心铸造法制备复合材料辊环，力学性能优势明显，生产工艺简便。目前，用于制造辊环的材料较为昂贵，并且其利用率仅为30%左右，如果能实现废弃复合材料辊环的回收利用，将会节省大量成本[5]。已经有许多工作者以废弃辊环为原料，通过离心法来制备了碳化钨颗粒增强Fe-C基复合结构辊环。因为WC增强基颗粒的分布、基体和复合层的结合状况都与离心机转速有很大关系，而有关离心机转速对辊环组织和性能的影响发面的报道较少，因而本文通过不同的离心机转速制备了再生复合材料辊环，系统考察了离心机转速对WC增强颗粒的分布、辊环微观组织和辊环力学性能的影响。
实验过程中采用废旧复合材料轧辊做原材料，以Fe为基体，其它基本成分如表1所示。
实验样品的制备方法参照文献[6]，具体的步骤是：将回收的废旧复合材料轧辊经预处理后放入50kg中频炉中，在熔渣保护下进行重熔，拔掉旧渣后加入40~100目的WC增强颗粒进行熔化，然后浇入旋转的离心机模具内，离心机转速分别取800 r/min和1 000 r/min，在离心场下制成由WC增强颗粒大量分布的外层和Fe-C合金内层组成的复合结构辊环。采用线切割方法从不同转速制备的两个再生复合材料辊环上截取外层和内层的试样，试样尺寸为：10 mm×10 mm×70 mm。
冲击实验在JB-5型摆锤式冲击试验机上上进行，硬度测定在HR-150A洛氏硬度计上进行。再生复合材料辊环金相试样分别从两个轧辊的外层和内层切取，制备出合格的金相试样，采用光镜和型号为JSM-5610LV扫描电子显微镜对再生复合材料辊环的组织以及冲击断口进行拍照与微观分析。
图1为离心机转速为800 r/min和1 000 r/min时制备的两个再生复合材料辊环。再生复合材料辊环有12~18 mm厚的复合材料层，相比之下，转速为1 000 r/min时制备的再生复合材料辊环，其外层厚度小于转速为800 r/min时制备的再生复合材料辊环。可见，离心机转速对再生复合材料辊环外层厚度有明显影响，并会影响其机械性能。
分别对两种转速下制备的再生复合材料辊环的外层与内层试样进行冲击韧性检测，结果表明，在1 000 r/min转速条件下制备的再生复合材料辊环，其外层和内层的平均冲击韧性分别为2.3 J/cm2和4.1 J/cm2，而在800 r/min条件下制备的再生复合材料辊环，其外层和内层的平均冲击韧性分别为3.1 J/cm2和5.2 J/cm2。相比之下，高转速辊环的冲击韧性要小于低转速辊环的冲击韧性，外层的冲击韧性要低于内层的冲击韧性。其原因是离心机转速增大导致更多的WC颗粒迁移到外层，使外层的增强颗粒体积分数增加，韧性降低。外层和内层之间的平均韧性有所差别，主要是因为在离心铸造中，由于离心力的作用使先析出的密度大的碳化物被向外迁移，形成增强颗粒较多的外层[6]，从而造成“外硬内软”，所以外层的平均韧性要低于内层的平均韧性。图2、图3分别为低速辊环外层和内层试样的断口形貌，从中可以看出，外层断口比较平整，为典型的脆性断裂；而辊环内层的断口较为粗糙，有韧窝存在，伴随有塑性变形和石墨脱落痕迹，断口特征为准解理断裂[7]。
不同离心机转速下制备的再生复合材料辊环，其外层的硬度均高于HRC48.4，大于内层的硬度HRC41.7，外层和内层之间的硬度差别明显。造成这种情况的原因仍是离心力的作用，使得外层硬度较大，内层相对来说硬度较低，但是低离心机转速下制备的再生复合材料辊环外层的硬度稍微偏低。复合材料的硬度主要取决于基体组织和增强相的体积分数，增强相体积分数越高，复合材料的硬度也越高[8-9]。可以通过提高离心机转速使更多的WC颗粒进入外层中，进而增加外层中增强相WC颗粒的体积分数来提高外层的硬度。当把离心机转速提高到1 000 r/min时，外层的硬度相应提高到HRC58.4，达到理论的预期结果。
再生复合材料轧辊的外层由基体和均匀分布的WC颗粒组成，WC颗粒排列紧密，另外还有少许条丝状碳化物在基体组织内析出，见图4、图5。这是由于在制备辊环时，从熔融液相中先析出的碳化物，在离心力的作用下转移到辊环外层，而WC颗粒在迁移过程中其表面部分被铁液溶解，这些被WC合金化的铁水在随后的凝固过程，以条丝状碳化物的形式在WC颗粒周围基体中的析出[10]。从图5可以看出，1 000 r/min转速下制备的再生复合材料辊环，外层的WC颗粒分布更为均匀，排列也更为紧密，颗粒比图4中的颗粒多，颗粒直径较小，增强颗粒与Fe-C合金基体界面结合良好。
再生复合材料辊环外层组织中分布着碳化物颗粒增强相，通常认为WC颗粒体积分数越高，颗粒直径愈小，分布越均匀，硬度越高。从以上分析可知，转速为1 000 r/min再生复合材料辊环硬度更高。
在辊环外层中，靠近外侧，大颗粒WC较多，靠近界面处小颗粒WC较多，见图6。这是因为在离心浇铸过程中，由于离心力的作用，大颗粒迁移速度快，首先沉积在zui外侧，小颗粒迁移速度慢，只能留在界面附近。提高离心机转速，更多的WC小颗粒向外层迁移，在外层和内层的界面处小颗粒WC层变薄[11]。从图6中看出，转速为800 r/min时制备的再生复合材料轧辊的轧辊外层和内层的界面有大量的细小WC颗粒存在，形成了较厚的细WC颗粒层，而转速为1 000 r/min的再生复合材料轧辊外层与内层的界面处细WC颗粒层较薄，内外层结合较好。
再生复合材料辊环内层组织为片状贝氏体、短杆状碳化物和石墨，见图7、图8。这是由于复合材料熔液在凝固末期，黏度较大，后来析出的少量碳化物不能象刚开始析出的碳化物那样借助离心力作用迁移到外层而只能留在内部。由于留存下来的碳化物呈细条块状存在，而碳化物又是一种较脆、硬度较高的相，会增加基体的硬度，降低韧性。
由图7、图8比较可知，由于离心机转速的作用，当提高离心机转速时，有更多的WC颗粒迁移出芯部基体，这就导致高转速辊环内层的碳化物含量要明显少于低转速芯部基体；靠近外层的基体硬度比内层高，其韧性比内层低。
结合前面辊环试样性能分析可知，转速为1 000 r/min的再生复合材料轧辊的组织与性能都要优于转速为800 r/min的再生复合材料轧辊，转速为1 000 r/min的再生复合材料辊环的外层和内层界面结合良好，各项性能均可以达到要求。
1）在转速分别为800 r/min和1 000 r/min条件下，制备了由外层和内层组成的再生复合结构辊环，辊环的外层厚度达到了12~18 mm，无分层，内部裂纹等缺陷。
2）转速为800 r/min时制备的再生复合材料辊环外层和内层的冲击韧性较好。转速为1 000 r/min时制备的再生复合材料辊环试样的复合层和芯部基体层的硬度较高。根据应用要求，两种辊环的冲击韧性都能达到要求，并且相差不大；提高离心机转速，可以相应提高芯部基体和复合层的硬度，这样更好延长使用寿命，节约成本。
3）从复合层的组织观察可知，转速为1 000 r/min的再生复合材料轧辊复合层中的WC颗粒分布更均匀，体积分数更大，表面更为平整，复合层和基体结合良好。
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