離心鑄造復合輥材料及技術研究進展

牛 戈，蔣業華，隋育棟，周謨金，曾紅斌

(昆明理工大學 金屬先進凝固成形與裝備技術國家地方工程聯合實驗室，云南 昆明 650093)

1 前 言

離心鑄造是一種傳統的鑄造方法，按工藝主要分為水平離心鑄造和垂直離心鑄造兩種。由于它獨特的工藝特點——不需要設置型芯就能獲得中空件，且獲得的金屬件組織致密，氣孔、夾雜缺陷少，故離心鑄造在功能梯度復合材料以及耐磨材料如雙金屬、金屬基陶瓷復合管件中得到了廣泛應用。此外，在該傳統鑄造的基礎上也衍生出了新型工藝，如電磁離心法[1]。同時為了全面深入地分析機理，離心鑄造工藝已涉及計算機模擬[2]、缺陷控制、離心轉速準確計算[3]等方面的研究。

復合材料一般是以一種材料為基體、另一種或多種材料為增強體組合而成的多功能材料，這兩種或多種材料可以在功能上實現互補，例如金屬基陶瓷復合材料、雙金屬復合材料、功能梯度復合材料等。其中，功能梯度復合材料是一種新型復合材料，其特征是成分或微觀結構在特定方向上發生變化。研究表明，離心鑄造是目前制備某些功能梯度復合材料最簡單也最高效的一種方法[4]。離心鑄造制備功能梯度復合材料的主要優勢是可以使鑄件具有良好的充型性，能夠控制由于離心力和材料之間密度差而導致的成分梯度[5]。張堅等[6]對功能梯度復合材料的制備工藝進行了詳細總結，指出離心鑄造具有設備簡單、生產效率高、可批量生產、成本低、可制備高致密度和大尺寸功能梯度復合材料等優點。陳佳等[7]對離心鑄造鋁基功能梯度材料(自生Mg2Si/Si顆粒)進行了定量研究，發現零件的直徑越大，增強顆粒距鑄型內壁同等位置的體積分數越高，且顆粒體積分數從內壁到外壁呈現先增大后減小的趨勢。研究表明，離心鑄造復合材料中不同粒徑顆粒的分布具有一定的規律。從內壁到外壁，初晶Si顆粒平均粒徑呈現不斷減小，而初晶Mg2Si顆粒平均粒徑呈現不斷增大的趨勢。

宋延沛等[8]通過離心鑄造制備了復合結構輥環，利用WC顆粒的高密度形成WCp-Fe/C復合材料工作層和廉價的強韌心部材料，以達到大幅度降低成本、提高零件使用壽命的目的，獲得抗沖擊韌性為5～6 J/cm2、復合層硬度達到63HRC～65HRC的WC顆粒增強金屬基復合材料輥環。WC顆粒在與基體的復合過程中顆粒表面有局部溶解，在WC顆粒近處的基體中析出細小棒狀WC結晶體，距離WC顆粒遠處的基體被合金化，并且析出W，Mo，Cr等元素的復式碳化物。韓建寧等[9]采用不同的顆粒加入方式制備了顆粒增強半鋼輥環，通過對比爐內加入、鋼包加入、隨流加入3種方式，發現采用爐內加入的方式離心鑄造得到的顆粒收得率最高，且顆粒彌散分布，對半鋼基體的增強效果也最明顯。顆粒加入前基體的硬度為45HSD，加入后基體的平均硬度提升至55HSD以上，輥環的耐磨性能得到了顯著提升。Song等[10]采用離心鑄造法制備了WC顆粒增強亞鐵基復合輥環，外層復合層的厚度達到20～45 nm，WC顆粒均勻分布在外層，體積分數達到60%～80%，陶瓷顆粒與基體之間有明顯的界面并且沒有觀察到反應產物生成。輥環的外層強度達到80HRA～85HRA，芯部達到73HRA～76HRA，抗沖擊韌性為8 J/cm2。經測試，在同樣工況下，該復合輥環的磨料磨損性能是高速鋼輥環的20倍，壽命是高速鋼輥環的9倍，成本降低50%。

2 復合輥材料的選擇

2.1 雙金屬復合輥

目前國內雙金屬復合輥的制備方法主要有鑲裝復合、堆焊等[11]，存在工藝復雜、成本高、效果差、生產效率低下等局限，而通過采用離心鑄造中間層過渡的連接方式來提高兩金屬的結合強度，可以得到性能較好的雙金屬復合輥。在選擇金屬材料種類時，應注意兩種金屬的線收縮率不能相差太大。另外，還應注意到一般選取高熔點金屬作為外層金屬、低熔點金屬作為內層金屬，以利于形成順序凝固，否則會出現內層金屬先凝固而結合層處的混合金屬后凝固的現象，導致結合層處出現氣孔、夾渣、縮孔、縮松等缺陷[12]。葉富明等[12]研究了碳鋼/高鉻鑄鐵復合輥的離心鑄造成型工藝，內層采用碳鋼、外層采用高鉻鑄鐵，澆注出的輥環外層硬度高、內層韌性優良，經過熱處理后，復合輥的外層硬度在45HRC～65HRC，兩層之間有厚度50～130 μm的過渡層，其組織為碳化物顆粒彌散分布的珠光體，與內外層呈牙狀相互嵌入。采用離心鑄造工藝制備的復合輥壽命提高6倍以上，相比傳統單層高鉻鑄鐵輥環，壽命提高12倍以上。張志文等[13]采用離心鑄造法制備了高合金/球墨鑄鐵雙金屬復合輥環，采用兩套感應電爐分別熔煉高合金鑄鐵和球墨鑄鐵，嚴格控制兩種金屬澆注的時間間隔，先澆注高合金鑄鐵，再澆注球墨鑄鐵，待金屬液完全凝固后，再進行熱處理和機械加工等工序。在制備的高合金/球墨鑄鐵雙金屬復合輥環中，兩種金屬的結合部分存在冶金結合層，相比國外生產的輥環，該復合輥環在性能滿足使用要求的基礎上成本大大降低。國內外輥環性能對比如表1[14-21]。

表1 國內外輥環材料性能對比

2.2 金屬基陶瓷復合輥

在金屬基陶瓷復合材料中應用較多的金屬包括鋁合金、鑄鐵以及合金鋼等，對于礦山、水泥行業等應用場景，需要工件具有高耐磨性、抗沖擊性，因此鑄鐵[22]以及鋼基[23]陶瓷復合材料得到廣泛應用。在磨煤工況下，普通輥主要存在以下問題[24]：① 輥面沖刷快，壽命低，維修成本高，修復困難；② 磨煤平均粒度達不到生產需求；③ 由于輥面的磨損導致整個工件運行振動加劇，穩定性降低。因此，需要探究一種新型金屬基陶瓷復合輥。應用實踐表明，較普通高鉻輥和堆焊輥，復合輥的壽命和使用性能都有很大提升，優勢非常明顯[24]。20世紀初，國內陶瓷顆粒增強金屬基復合材料成為研究熱點，馮培忠等[23]提出利用離心鑄造工藝制備WC顆粒增強鋼基復合輥環，以其作為軋輥的工作層，具有更高的硬度、強度和耐磨性。WC顆粒增強鋼基復合材料軋輥與傳統材料軋輥表面硬度的對比見表2，分析可見，復合材料軋輥的硬度明顯高于普通Cr12軋輥，耐磨性提高更為顯著。復合材料中陶瓷顆粒的體積分數和尺寸對工件的耐磨性有較大影響，且陶瓷顆粒均勻分布在輥環外層，如圖1a和1b[25]。采用重熔金屬的方法可以有效控制陶瓷顆粒的分布和顆粒大小，使得外部顆粒體積分數達到65%～70%，溶解在基體中的陶瓷顆粒增多，未溶解顆粒均勻分布在輥環外表面，復合材料的最高硬度和沖擊韌性分別達到63.3HRC和2.8～3.2 J/cm2，內層基體的硬度和沖擊韌性分別達到46HRC～47HRC和6.7～6.9 J/cm2，過渡區的沖擊韌性較原基體有所降低[25, 26]。金屬基陶瓷復合材料的性能在很大程度上取決于陶瓷與基體界面的結合情況，良好的冶金結合界面可以使工件的綜合性能得到很大提升。高義民等[27]對WC顆粒增強鐵基復合材料界面進行表征發現，WC顆粒與基體之間形成了良好的冶金結合界面(圖2)，復合材料沒有裂紋、氣孔等缺陷，且WC顆粒周圍形成了小的碳化物顆粒，該復合材料的磨料磨損性能是普通高鉻鑄鐵的7.23倍。金屬基陶瓷復合材料在耐磨性上與普通合金相比也有很大提升，一般通過三體磨損試驗探究材料的磨損性能，通過以往的研究及應用發現，陶瓷顆粒增強金屬基復合材料的耐磨性是普通合金的3倍以上[28]。

表2 材料硬度(HRC)與距外表面距離的變化[23]

圖1 重熔前(a)和重熔后(b)復合材料WCP富集區WCP的大小和分布[25]Fig.1 Size and distribution of WCP in the WCP rich region of composites before (a) and after (b) re-melting[25]

3 離心鑄造工藝參數對復合輥性能的影響

3.1 冷卻速率

離心鑄造復合輥的冷卻方式一般分為空冷和水冷，這兩種方式對復合材料的組織性能有很大影響。隨著冷卻速率的增加，基體晶粒尺寸變小，篩網狀組織增多，局部出現孤立和斷網現象。采用空冷時，隨著冷卻速率的降低，微觀組織出現菊花片狀胞晶組織，該胞晶組織的數量隨著冷卻速率的降低而增加。控制冷卻速率能明顯改善材料的硬度、韌性等力學性能[29]。

3.2 澆注溫度

澆注溫度對雙金屬復合輥和陶瓷顆粒增強金屬基復合輥的復合效果有很大影響。在陶瓷顆粒增強金屬基復合輥中，澆注溫度的高低影響陶瓷顆粒在基體中的體積分數。在其它參數相同的條件下，在一定范圍內，澆注溫度越高，陶瓷顆粒在基體中的體積分數越大，最大可以達到80%左右[30]。在雙金屬復合輥中，內外層金屬的澆注溫度不同。對外層金屬而言，當澆注溫度過高時，凝固初期胚殼強度低，易產生裂紋，以高速鋼為外層金屬時還易出現偏析；澆注溫度過低時，易造成充型不良、夾渣等缺陷。當內層金屬的澆注溫度過高時，易造成兩種金屬間出現“反蝕”[31]，導致后續熱處理由于高應力而產生開裂；澆注溫度過低，會導致兩種金屬不能有效復合[32]。

3.3 離心轉速

轉速是離心鑄造的重要工藝參數。轉速過低，離心鑄造時會出現金屬液“雨淋”現象，也會使管坯內出現縮松、夾渣、內表面凹凸不平等缺陷；轉速太高，管坯易出現裂紋、偏析等缺陷。

在陶瓷顆粒增強金屬基復合材料中，離心機的轉速對陶瓷顆粒的體積分數也有影響。在其它參數相同的條件下，轉速越高，顆粒體積分數也越高。轉速和陶瓷顆粒體積分數的關系見式(1)Stocks方程[33]：

Vcent=d2(ρp-ρm)ω2/(18η)

(1)

式中，Vcent為基體熔融體中外加顆粒在離心力方向上的運動速度；ρp-ρm為外加顆粒和基體熔融體之間的密度差；ω為模具旋轉的角速度；d為外加顆粒直徑；η為基體熔融體的動力學粘度系數。由式(1)可知，在相同的η下,轉速越高，ω越大，外加顆粒向外層遷移的速度就越快，體積分數就越高[30]。

3.4 澆注時間

澆注時間的長短主要針對雙金屬復合輥，澆注內外層金屬的間隔時間不能太長或者太短，否則會導致兩種金屬不能有效復合。控制各層間澆注時間，當各金屬層分別以低于熔點30～100 ℃的時間段進行澆注時，效果最佳，層間具有良好的結合強度[32]。間隔時間根據金屬的不同大致為5～13 s[34, 35]。

4 結 語

受冶金、機械等行業需求的牽引，人們對具有優良性能的復合輥材料的需求日益增加，而離心鑄造工藝是發展性能優良的復合輥材料的重要方向。近年來，研究人員在離心鑄造復合材料，如功能梯度復合材料、金屬基陶瓷復合材料以及雙金屬復合材料等領域，對其結合機理、數值模擬、界面反應、組織結構以及性能等做了大量工作，但從目前國內外復合輥的發展來看，還存在以下問題：

(1)工藝方面。雖然研究人員已經對離心工藝的控制、材料的優化、離心過程的計算仿真等方面進行了廣泛的研究，但是在實際應用中，目前國內生產的產品相較于一些發達國家的產品仍存在壽命低、生產效率低等問題。因此，仍需要在已有的基礎上不斷創新改進。

(2)復合機理方面。就金屬基陶瓷復合輥而言，國內在陶瓷預制體增強金屬基復合材料方面已有一定的經驗，但是在大塊預制體的制備以及與金屬復合方面遇到了瓶頸，復合界面的結合強度達不到國際先進水平，因此還需要攻克這一難題。