復合軋輥界面理論研究的現狀

李萬明，姜周華，董艷伍，劉 輝，鄭立春

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004)

復合軋輥界面理論研究的現狀

李萬明，姜周華，董艷伍，劉 輝，鄭立春

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004)

總結了近年來國內外學者對于復合軋輥界面理論的研究成果，對界面形式、界面結構和界面結合強度及其影響因素等進行了闡述，并分析了在該領域目前存在的主要問題.

復合軋輥;界面結構;結合強度

軋輥作為軋機的主要消耗部件，其消耗成本約為軋鋼生產成本的5% ～15%［1］，直接關系到鋼鐵生產企業的生產效率、產品質量與生產成本.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.然而耐磨性和強韌性是一對矛盾，高硬性可以提高耐磨性，但是強韌性降低;強韌性提高，硬度降低，耐磨性變差.因此，整體單一材料無法同時滿足耐磨性和強韌性的要求，而復合軋輥由于工作層和輥芯的材質不同，同時保證了軋輥高耐磨性、高抗表面粗糙性和內部強韌性等優異性能［2～10］，是未來軋輥的發展方向.

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

界面是復合材料特有的極其重要的組成部分，復合軋輥的性能與界面性質密切相關.而復合界面的結合狀態，直接關系到復合軋輥的性能發揮.對界面的要求主要包括兩個方面:力學方面要求界面能夠傳遞載荷，物理化學方面要求界面在復合軋輥制造和整個服役期間保持穩定.對復合軋輥的界面進行系統研究不僅具有較高的理論價值，而且具有很高的實用價值.

1 界面的形式

液－固雙金屬復合軋輥的界面結合以擴散結合為主，伴隨著少量的熔合結合.

(1)熔合結合［16，17］.鋼液與芯材相接觸;相接觸的界面處鋼液瞬時凝固;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量分數降低;

(2)擴散結合［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擴散.

2 界面結構

界面微區的結構和特性對于金屬基復合材料的各種宏觀性能起著關鍵的作用.清晰地認識界面微區、微結構、界面相組成、界面反應生成相、界面微區的元素分布、界面結構與外層金屬、外層金屬相結構的關系等，對指導制備和應用復合軋輥具有重要意義.國內外學者采用高分辨電鍍、分析電鏡、能量損失譜儀、光電子能譜儀等現代材料分析手段，對復合軋輥界面微結構表征進行了大量的研究工作.

圖1為35CrMo與高速鋼復合時的界面結構，由圖可見雙金屬復合軋輥的界面中的界面結構主要包括［19］:(1)擴散層:位于芯材的最外層，主要特征是出現粒狀珠光體或片狀珠光體，體積分數高于芯材的內部;(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)方向性生長層:激冷凝固層形成后，外層材料在凝固時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出了明顯的方向性生長;(4)正常凝固層:在方向性生長層形成以后，芯材對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 界面反應及其控制方法

圖1 35CrMo與高速鋼復合時的界面結構［20］Fig.1 Interface structure of composition of 35CrMo and high speed steels

界面反應程度分為3類:弱界面反應，中等程度的界面反應和強界面反應.界面反應程度取決于金屬基復合材料組分的性質、工藝方法和參數.一般溫度越高和停留時間越長，反應的可能性越大，反應程度越嚴重.因此，在制備過程中，嚴格控制制備溫度和高溫下的停留時間是制備高性能復合材料的關鍵，必須使界面反應程度控制到形成合適的界面結合強度.

界面反應的控制應從反應熱力學和動力學兩個角度來考慮，可以通過調節反應時間、溫度及擴散激活能來控制反應層的厚度，主要從以下幾個方面來控制:

(1)芯材預熱.研究發現，芯材預熱溫度對界面結合起決定作用.如果芯材的預熱溫度過高，會使芯材表面產生氧化層，影響復合的效果;而如果芯材的預熱溫度過低，澆入合金鋼液后，芯材表面溫度不能達到熔融或熔化狀態，直接影響界面的結合.

(2)澆注溫度.研究表明，澆注溫度越高，界面結合強度越大，但會使界面反應更激烈，會造成較大的殘余應力，影響材料性能.所以在不影響材料性能的前提下，可適當提高澆注溫度［21，22］.

(3)合金液和芯材的體積比.在芯材不預熱的情況下，增大合金液與芯材的體積比，有利于提高界面的結合強度，但體積比過大會降低復合材料的整體強韌性能.一般認為，合金液與芯材的體積比為10:1時，界面結合狀態較好［23，24］.

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

(5)熱處理.熱處理幾乎不改變結合界面的組織形態［24］，但會明顯增加奧氏體穩定性，并導致淬火過程中殘余奧氏體層的產生.圖2為不同熱處理條件下45號鋼和W9Mo3Cr4V結合界面的金相組織.

圖2 熱處理對結合界面顯微組織的影響Fig.2 Influence of thermal treatment to the microscopic structure of bond interface

4 界面強度檢測方法

迄今為止，世界各國復合材料專家已經研究出多種復合材料試驗方法，其中有些方法已經比較成熟，并制定出相應的試驗標準.為了保證試驗結果的重現性和可靠性，我國對復合材料力學和物理性能做出了詳細的規定，見GB1446－83;而對液－固結合強度的測試，目前還沒有公認的測試統一標準，不同的研究者根據自己的條件采用不同的測試方法.現將其歸納如下:

(1)使用單剪切夾具，在萬能液壓強度測試儀上進行界面強度的測試.

(2)利用激光探針技術實時記錄界面層斷裂過程，計算界面強度.

(3)在拉伸試驗機(如LJ－5000A型)做拉伸試驗，拉伸時在試件兩端緩慢加載直至試件斷裂為止.記錄拉斷時的極限載荷F，根據=F/S(為抗剪強度，F為極限載荷，S為搭接面積)計算剪切強度.

(4)在萬能材料試驗機上測量界面剪切強度.

5 存在的主要問題

雖然國內外對復合軋輥進行了大量的研究，但仍存在許多問題有待解決，包括基礎理論研究的問題，也包括實際應用方面的問題，且二者緊密聯系.

(1)界面控制問題:復合軋輥性能受界面結構的影響極大，而界面結構主要由輥芯和外層金屬的材料屬性、表面狀態、制備工藝方法及參數等來控制，而且由于界面區域本身很小、且不均勻，這就給研究帶來了很大的困難.就目前而言，界面控制理論及實踐難度大，進展緩慢;界面殘余應力的行為認識還不清楚;界面結構與制備條件的關系的認識還不清楚.

(2)穩定性和可靠性問題:從熱力學角度而言，組成復合軋輥的兩種金屬材料組分的界面處是不穩定的，尤其熱軋輥的使用溫度為900～1 000℃，一旦條件適宜，構成復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，使復合軋輥的性能產生明顯的變化，使用的可靠性難以保證，因此對界面穩定性的研究是非常必要的.

(3)價格問題:復合軋輥的制造工藝復雜、效率低、產量小、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，導致企業投資生產復合軋輥的風險很大.因此，完善復合軋輥制造工藝，研究復合軋輥制造參數與性能的關系是目前面臨的緊迫任務.

6 結語

近幾年來，我國的軋輥制造業取得了長足發展，但常法制造的一般軋輥具有有限的生存空間，而且國內對復合軋輥的應用還不多，因此應加強對電渣液態澆注方法，CPC等方法制備復合軋輥的工藝的研究，尤其是對復合軋輥的界面控制理論的研究，使我國對復合軋輥的研究和應用水平早日趕上國際先進水平.

［1］符寒光，邢建東.高速鋼軋輥制造技術［M］.北京:冶金工業出版社，2007.6.

［2］Gotot，Matsuday，Sakamotok，et al.Basic characteristics and microstructure of high carbon high carbon high speed steel rolls for hot rolling mill［J］.ISIJ International，1992，32(11):1184－1189.

［3］Rodenburg C，Rainforth W M.A quantitative analysis of the influence of carbides size distribution on wear behavior of high－speed steel in dry rolling/sliding contact［J］.Acta Materialia，2007(55):2443－2454.

［4］Wei Shizhong，Zhu Jinhua，Xu Leujue.Effect of vanadium and carbon microstructures and abrasive wear resistance of high speed steel［J］.Tnbology International，2006(39):641－648.

［5］Muroga T，Nagasaka T，Abe K，et al.Vanadium alloys overview and recent results［J］.Journal of Nuclear Materials，2002(307):547－554.

［6］Shi Zhong Wei，Jinhua Zhu，Leujue Xu.Research on wear resistance of high speed steel with high vanadium content［J］.Materials Science and Engineering A，2005(404):138－145.

［7］Zhang X D，Liu W，Sun D，et al.The transformation of carbides during austenization and its effecton the wear resistance of high speed steel rolls［J］.Metallurgical and Materials Transactions，2007，38A:499－505.

［8］Sano Y，Hattori T，Haga M.Characteristics of high－carbon high speed steel rolls for hit strip mill［J］.ISIJ International，1992，32(11):1994－2001.

［9］Hashimoto M，Tanaka T，Inoue T，et al.Development of cold rolling mill rolls of high speed steel type by using continuous pouring process for cladding［J］.ISIJ International，2002，42(9):982－989.

［10］Joon W P，Lee H C，Lee S.Composition，microstructure，hardness and wear properties of high speed steel rolls［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，1999，30:399.

［11］符寒光.高碳高速鋼軋輥制造工藝研究現狀及展望［J］.中國鎢業，2002，2(17):37－391.

［12］董艷伍，姜周華，李正邦，等.高速鋼復合軋輥的生產技術及其應用現狀［J］.東北大學學報(自然科學版)，2006，27 (S2):23－27.

［13］Kim SW，LeeU J，WooK D，et al.Solidification microstructures and mechanical properties of vertical centrifugal cast high speed steel［J］.Materials Science and Technology，2003，19(12):1727－1732.

［14］Hashimoto M，Otomo S，Yoshida K，et al.Development of high－performance roll by continuous pouring process for cladding［J］.ISIJ International，1992，32(11):1202－1210.

［15］曾巍.熱等靜壓高速鋼復合軋輥的特點和性能［J］.江蘇冶金，2008，36(4):4－6.

［16］劉耀輝，劉海鋒，于思榮.液固結合雙金屬復合材料界面研究［J］.機械工程學報，2000(7).

［17］Takeuchi E，Zene M.Novel continous casting progress for clad steel slabs with level de magnetic field［J］.Iron making and Steel making，1997，24(3):257－163.

［18］Sano Y，Hattori T，Haga M.Characteristics of high－carbon high speed steel rolls for hot strop mill［J］.ISIJ，1992，32 (11):1194－1201.

［19］Loginoval L.Phase－field simulations of non－Isothermal Binary alloy solidification［J］.Acta Mater，2001，49:573－581.

［20］許春偉，李炎，魏世忠，等.高釩高速鋼/35CrMo復合軋輥界面組織和性能研究［J］.鑄造技術，2007，28(3):319－322.

［21］趙愛民.加筋復合白口鑄鐵界面的結合強度［J］.北京科技大學學報，1997(10).

［22］Hassi M M，Otomo S.Development of high performance roll by continuous pouring process for cladding［J］.ISIJ，1992，11 (32):1201－1210.

［23］劉清梅，吳振卿，關紹康.高鉻鑄鐵和中碳鋼復合界面結合情況分析［J］.鑄造設備研究，2002(6).

［24］劉耀輝，劉海鋒.高速鋼/結構鋼雙金屬復合材料界面研究［J］.特種鑄造及有色合金，2001(2).

［25］馮明杰，王恩剛，王俊剛，等.W9Mo3Cr4V/45鋼復合軋輥的液－固結合界面［J］.鋼鐵研究學報，2008，20(9):36－41.

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.

國家自然科學基金資助 (50904015)，中央高校基本科研業務費研究生科研項目 (NO.90602006).

李萬明 (1985—)，男，山東萊蕪人，東北大學博士研究生;姜周華 (1963—)，男，浙江蕭山人，東北大學教授，博士生導師.