雙液雙金屬高Cr合金/鋼復合材料性能優(yōu)化熱力學研究

王艷林，周 孟，龐曉露，王自東

（北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083）

雙液雙金屬高Cr合金/鋼復合材料性能優(yōu)化熱力學研究

王艷林，周 孟，龐曉露，王自東

（北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083）

對不同企業(yè)生產(chǎn)的雙液雙金屬高Cr合金/鋼復合材料進行了熱力學分析，研究其鋼中微量元素的固溶與沉淀析出規(guī)律，并根據(jù)具體工況優(yōu)化了復合材料化學成分，改善其性能。研究表明：Ti/Nb基微合金鋼中各微量元素固溶量隨溫度的減小而降低，尤其是元素Nb、Ti變化較明顯，且Ti元素在全固溶溫度～1 050℃范圍內(nèi)，其固溶量急速下降；系數(shù)k1，k2，m1及m2隨溫度的變化較復雜，各材料中系數(shù)m2隨溫度降低而減小，系數(shù)k1隨溫度降低而增大，可見在冷卻過程中析出的第二相所占的比例是隨時改變，在高溫階段以TiN析出為主，低溫階段以NbC析出為主；優(yōu)化后的復合材料，其高Cr合金錘頭處存在條帶狀碳化物，硬度平均為HRC62.6，碳鋼錘柄組織為貝氏體+細致的回火屈氏體，硬度平均為HRC43.6；改進后材料的使用性能得到了大幅改善，提高了企業(yè)的市場滿意度和產(chǎn)品的競爭力。

復合材料；成分優(yōu)化；熱力學；耐磨；斷裂

錘式破碎機是廣泛應用于交通、礦山、電力、冶金及化工等行業(yè)的機械設備，隨著國家大力投資基礎實施建設和“一帶一路”國家戰(zhàn)略的大力推進，該設備應用將越來越廣，而錘頭是其關鍵但又易磨損的配件[1-2]。復合錘頭產(chǎn)品主要是通過雙液雙金屬復合鑄造的方法制備，即通過冶金結(jié)合將雙金屬高Cr合金（錘頭）/鋼（錘柄）制備出復合錘頭，錘頭在工作時受力復雜，工況條件惡劣，高Cr合金磨損嚴重，而碳鋼部分易開裂，為了有效防止使用時斷裂，同時又賦予產(chǎn)品高的抗磨性，所以根據(jù)具體工藝條件，科學選材和精準設計材料顯得非常重要[3-4]。市場上使用的復合錘頭目前主要存在耐磨性差，沖擊韌性低，碳鋼錘柄處易裂等問題[5]，所以在制備過程中需科學設計其化學成分；合理匹配澆鑄溫度，防止界面結(jié)合強度差，孔洞等缺陷的產(chǎn)生；對于后續(xù)熱處理工序，需根據(jù)具體工藝參數(shù)，科學設計其化學成分，防止材料中晶粒粗化，從而降低其綜合性能，尤其是碳鋼錘柄部分經(jīng)熱處理后，其基體組織易粗化，從而導致其在工作過程中開裂[6-7]。

微合金元素在鋼中一是起到強烈的析出強化作用，另外就是有效地控制基體晶粒尺寸，從而間接地起到晶粒細化作用，而兩種作用都是由微合金碳化物、氮化物、或碳氮化物的析出引起的[8-10]，并且在不同溫度下形成的析出物，其析出特點及其起到的作用也不相同[11-13]。針對某生產(chǎn)企業(yè)制備的復合錘頭使用性能差，在市場上反應不好的現(xiàn)象，選擇了三家不同企業(yè)生產(chǎn)的復合錘頭產(chǎn)品，對碳鋼錘柄材料中的四元第二相進行了熱力學分析，根據(jù)分析結(jié)果和實際工況等情況，優(yōu)化了雙液雙金屬高Cr合金/鋼復合材料化學成分，并對其組織、性能等進行了檢測與分析。

1 熱力學分析

關于特殊鋼中多元第二相平衡固溶的熱力學問題，根據(jù)處于固溶態(tài)的M1、M2、C、N元素的量必須符合固溶度積公式以及M1，M2，C，N各元素的含量保持物料平衡條件，基于化學平衡法建立了鋼中多元第二相平衡固溶的熱力學分析模型[14-15]，利用此模型對雙液雙金屬高Cr合金/鋼復合材料碳鋼部分中第二相進行熱力學分析，該鋼中主要微合金元素為Ti、Nb等，即對Ti/Nb基微合金鋼進行熱力學研究，其四元第二相析出物化學式為，在熱力學分析過程中，[Nb]，[Ti]，[N]，[C]分別為鋼中Nb，Ti，C，N元素在不同溫度下的固溶量，k1，k2，m1及m2分別為相中NbC，TiC，NbN，TiN組元的有效活度，t為鋼中多元第二相析出物的總摩爾量。采用數(shù)值迭代法對三家不同企業(yè)生產(chǎn)的復合錘頭碳鋼錘柄部分中全固溶溫度；在800℃至不同微合金系的全固溶溫度范圍內(nèi)的平衡固溶[Nb]，[Ti]，[N]，[C]；系數(shù)k1，k2、m1，m2以及鋼中四元第二相析出物總摩爾量t進行計算與分析。對于Ti/Nb基微合金鋼的熱力學分析過程中固溶度積公式中的相應常數(shù)取值如表1所示，且ANb=92.9，ATi=47.9，AN=14以及AC=12。

表1 Ti-Nb-N-C系的熱力學分析過程中各系數(shù)取值Tab.1 The coefficient values of Ti-Nb-N-C system in thermodynamic analysis process

選取三家不同企業(yè)生產(chǎn)的復合材料碳鋼錘柄部其化學成分檢測結(jié)果如表2所示，由于生產(chǎn)此產(chǎn)品的企業(yè)裝備、工藝及控制等不同，其氣體元素N含量波動較大。對碳鋼錘柄材料中的四元第二相進行了熱力學分析，分析結(jié)果如下：對材料S1，其全固溶溫度TAS為1 317.73℃，材料S2，其全固溶溫度TAS為1 781.01℃，可見此化學成分設計的材料將會出現(xiàn)液析現(xiàn)象，材料S3，其全固溶溫度TAS為1 513.32℃；不同材料中微量元素的固溶與沉淀析出情況，系數(shù)k1，k2，m1，m2以及四元第二相析出物總摩爾量隨溫度的變化規(guī)律如圖1～圖3所示，結(jié)果表明不同元素固溶量隨溫度的減小而降低，尤其是元素Nb、Ti變化較明顯，且Ti元素在全固溶溫度TAS～1 050℃范圍內(nèi)，其固溶量急速下降，所以其析出量將急速增加，系數(shù)k1，k2，m1及m2隨溫度的變化較復雜，可見在冷卻過程中析出的第二相所占比例是隨時改變，在高溫階段四元第二相析出物以TiN析出為主，低溫階段以NbC析出為主，材料S2，S3中系數(shù)m2一直較大，說明在整個析出過程中TiN所占比例明顯，但材料S2中在高溫下析出的第二相顆粒，尤其是液析相為微米級，其對阻止奧氏體晶粒粗化基本無作用；不同材料中四元第二相析出物的總摩爾量t隨溫度的降低而逐漸增大，在800℃時，材料S1中析出物的總摩爾量為1.682e-4 mol，但其第二相析出物的體積分數(shù)較小，材料S2中析出物的總摩爾量為5.448e-4 mol，材料S3中析出物的總摩爾量為2.199e-4 mol。

通過以上分析可知，Ti/Nb基微合金鋼中各微量元素隨溫度、質(zhì)量分數(shù)變化，其固溶與沉淀析出規(guī)律較清晰，這對根據(jù)鋼中各微量元素的量而科學設計生產(chǎn)工藝提供了依據(jù)。再者，根據(jù)市場對碳鋼錘柄使用時開裂反饋情況，三家企業(yè)生產(chǎn)的不同材料中產(chǎn)品S1市場評價差，易開裂，產(chǎn)品S2市場評價一般，產(chǎn)品S3市場評價良好，可見要使鋼中第二相起到強烈的阻止晶粒粗化的作用，需使第二相在合適的溫度下析出，并在鋼中具有一定的體積分數(shù)。

表2 三家不同企業(yè)生產(chǎn)的材料化學成分檢測結(jié)果Tab.2 Nominal composition in material of three different companies

圖1 材料S1中[Nb],[Ti],[C],[N]和k1，k2，m1，m2，t隨溫度的變化規(guī)律Fig.1 The changing rule of[Nb],[Ti],[C],[N]andk1，k2，m1，m2，twith temperature in material S1

圖2 材料S2中[Nb],[Ti],[C],[N]和k1，k2，m1，m2，t隨溫度的變化規(guī)律Fig.2 The changing rule of[Nb],[Ti],[C],[N]andk1，k2，m1，m2，twith temperature in material S2

圖3 材料S3中[Nb],[Ti],[C],[N]和k1，k2，m1，m2，t隨溫度的變化規(guī)律Fig.3 The changing rule of[Nb],[Ti],[C],[N]andk1，k2，m1，m2，t with temperature in material S3

2 實驗及結(jié)果分析

根據(jù)以上熱力學分析結(jié)果、具體制備工藝、市場使用反饋及實際工況等情況，優(yōu)化了國內(nèi)某生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的雙液雙金屬高Cr合金/鋼復合材料中的化學成分，并制備出復合錘頭，如圖4所示，主要有錘柄、過渡層、錘頭抗磨層組成。該材料化學成分檢測結(jié)果如表3所示，并對其碳鋼錘柄中四元第二相進行了熱力學分析，其全固溶溫度TAS為1 550.03℃，該材料在不同溫度下不同微量元素的固溶與沉淀析出情況，系數(shù)k1，k2，m1，m2以及四元第二相析出物總摩爾量t隨溫度的變化規(guī)律如圖5所示，結(jié)果表明不同微量元素的固溶量隨溫度降低而減小，尤其是元素Nb、Ti變化較明顯，且Ti元素在全固溶溫度TAS～1 050℃范圍內(nèi)，其固溶量急速下降，所以其析出量將急速增加，Nb元素在1 350～1 050℃范圍內(nèi)，其固溶量急速下降，系數(shù)m2隨溫度下降逐漸較小，而系數(shù)k1逐漸增大，但系數(shù)m2一直大于k1，k2及m1，在1 050℃時m2為0.881 934 87，在800℃時m2為0.692 531 93，說明在整個析出過程中TiN所占的比例明顯，其四元第二相析出物的總摩爾量t隨溫度的降低而逐漸增大，在800℃時為3.671e-4 mol。

在制備過程中需對復合錘頭進行熱處理，其工藝參數(shù)為：在加熱爐內(nèi)以60～70℃/h升溫到650℃×1 h→1 050℃×4 h→風冷到600℃→空冷→回火溫度430℃×5 h。研究表明[16]要使鋼中多元第二相析出物在熱處理時能有效阻止其基體晶粒粗化，應使鋼中微量元素在熱處理溫度下絕大部分含量已沉淀析出，而且第二相析出物顆粒尺寸為納米級，并具有一定的體積分數(shù)，以上熱力學分析結(jié)果表明，材料S0的化學成分設計滿足此要求，當加熱溫度為1 050℃時，該材料中阻止奧氏體晶粒粗化的四元第二相析出物為Nb0.24159303Ti0.75840695C0.28991454N0.71008544。熱處理后對復合錘頭的組織、硬度等進行了檢測與分析，金相組織如圖6所示。可見高Cr合金錘頭處存在條帶狀碳化物，碳鋼錘柄處組織為貝氏體+細致的回火屈氏體 （為了更好地改善其綜合性能，今后應適當提高淬火冷卻速率，避免組織中存在貝氏體），兩者界面結(jié)合良好。硬度檢測結(jié)果如表4所示H高Cr合金錘頭處的硬度平均為 HRC62.6，碳鋼錘柄處的硬度平均為HRC43.6，滿足市場所需要求。圖7為材料S0硬度檢測D2點微觀組織，可見高Cr合金錘頭處存在等軸碳化物，碳鋼錘柄處主要為回火屈氏體。此材料經(jīng)過近1年的市場使用，客戶反饋材料的使用性能得到了大幅改善，碳鋼錘柄工作時開裂失效問題基本杜絕，從而提高了該企業(yè)的市場滿意度和產(chǎn)品的競爭力。所以根據(jù)具體使用工況和制備工藝，科學設計雙液雙金屬高Cr合金/鋼復合材料化學成分顯得非常重要。

圖4 復合錘頭實物Fig.4 The composite hammerhead

表3 材料S0化學成分檢測結(jié)果Tab.3 Nominal composition in material S0

圖5 材料S0中[Nb],[Ti],[C],[N]和k1，k2，m1，m2，t隨溫度的變化規(guī)律Fig.5 The changing rule of[Nb],[Ti],[C],[N]andk1，k2，m1，m2，twith temperature in material S0

圖6 材料S0金相組織Fig.6 The microstructure in materialS0

表4 材料S0硬度檢測結(jié)果Tab.4 Hardness（HRC）in materialS0

圖7 材料S0硬度檢測D2點微觀組織Fig.7 The microstructure of hardness testingD2point in materialS0

3 結(jié)論

1）熱力學分析表明Ti/Nb基微合金鋼中各微量元素固溶量隨溫度的降低而減小，尤其是元素Nb、Ti變化較明顯，且Ti元素在全固溶溫度～1 050℃范圍內(nèi)，其固溶量急速下降，各材料中系數(shù)k1，k2，m1及m2隨溫度的變化較復雜，系數(shù)m2隨溫度降低而減小，而系數(shù)k1隨溫度降低而增大，可見在鋼冷卻過程中析出的第二相所占比例是隨時改變，在高溫階段以TiN析出為主，低溫階段以NbC析出為主。

2）根據(jù)熱力學分析及實際工況，優(yōu)化后的雙液雙金屬高Cr合金/鋼復合材料，其高Cr合金錘頭處存在條帶狀碳化物，硬度平均為HRC62.6，碳鋼錘柄組織為貝氏體+細致的回火屈氏體，硬度平均為HRC43.6，界面結(jié)合良好，材料的使用性能得到了大幅改善。

3）改進后的材料經(jīng)過近1年的市場使用，客戶反饋材料的使用性能得到了大幅改善，碳鋼錘柄工作時開裂失效問題基本杜絕，從而提高了企業(yè)的市場滿意度和產(chǎn)品的競爭力。根據(jù)具體使用工況和制備工藝，科學設計雙液雙金屬高Cr合金/鋼復合材料化學成分顯得非常重要。

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Thermodynamic Study on Performance Optimization of Two-liquid Bimetal High Cr-containing Alloy/Steel Composite Materials

Wang Yanlin,Zhou Meng,Pang Xiaolu,Wang Zidong
（School of Materials Science&Engineering，University of Science&Technology Beijing，Beijing 100083，China）

Thermodynamic analysis was conducted for the two-liquid bimetal high Cr-containing alloy/steel composite materials manufactured by different companies,and the equilibrium solid solution and precipitation behavior of trace elements in steels was studied in different temperature and chemical composition.The chemical composition of composite materials was optimized according to the specific engineering conditions,and the performance was then improved.This study shows:the solid solution quantity of each trace element decreases as the temperature decreases in Ti/Nb microalloyed steels,and the effects of Ti and Nb are more significant,the solid solution quantity of Ti declines rapidly in the range of carbonitride full dissolution temperature,until to 10509; the changing rule ofk1,k2,m1andm2with temperature is complicated and them2decreases as the temperature decreases,but thek1increases as the temperature decreases,so the proportion of second-phase changes at any time in the process of steel cooling;at high temperature phase,the precipitated mainly is TiN and at low temperature phase,the precipitated mainly is NbC;the composite material after optimizing has banded carbide in high Cr-containing alloy hammerhead with the mean hardness HRC62.6;the organization is bainite and refined tempered troostite in carbon steel hammerhandle with the mean hardness HRC43.6;the material application performance is significantly improved after optimizing,and the enterprise’s market satisfaction and the competitiveness of products are thus enhanced.

composite materials;composition optimization;thermodynamics;wear-resisting;fracture

TB331

A

1005-0523（2016）06-0015-07

（責任編輯 姜紅貴）

2016-10-15

中國博士后科學基金（2016M591072）；江西省青年科學家培養(yǎng)對象（20133BCB23032）

王艷林（1982—），男，博士，博士后，高級工程師，研究方向為復合材料與制備工藝。

王自東（1964—），男，教授，博士，博士生導師，國防973首席科學家，主要研究方向為金屬凝固理論、原位納米增強金屬材料。近年來承擔國家973計劃，863計劃，國家自然科學基金，國家支撐計劃、總裝備部預研等多個重大科研項目，獲省部級科技進步一等獎2項，省部級鑒定2項，高技術向生產(chǎn)實際轉(zhuǎn)化2項并獲得成功，獲得發(fā)明專利16項，共發(fā)表論文137篇，其中被SCI收錄48篇，EI收錄53篇，主編，合編及合著教材8本。