噴射成形高釩鋼復(fù)合軋輥修復(fù)及摩擦行為研究項目摘要

如何修復(fù)失效軋輥一直是軋輥制造業(yè)面臨的重大問題。目前雖然修復(fù)技術(shù)較多，但普遍存在修復(fù)組織粗大、修復(fù)層厚度較薄以及結(jié)合強(qiáng)度偏低等問題。因此，本項目擬采用噴射成形技術(shù)開展高釩鋼復(fù)合軋輥修復(fù)實驗研究，充分利用噴射成形快速凝固特點，獲得組織細(xì)小、成分均勻、無明顯宏觀偏析的修復(fù)組織。首先，開展噴射成形工藝設(shè)計和改進(jìn)優(yōu)化，重點實現(xiàn)霧化錐和沉積器運(yùn)動的有效耦合、改進(jìn)沉積基體預(yù)熱方式等；然后，重點研究修復(fù)層/基體的界面結(jié)合特征，揭示噴射成形工藝與材料組織性能的內(nèi)在聯(lián)系，闡明微觀組織、碳化物特征對摩擦行為及磨損機(jī)制的影響規(guī)律。最后，根據(jù)實驗工藝參數(shù)及組織性能結(jié)果，基于有限元模擬，對真實工況復(fù)雜環(huán)境下的噴射成形復(fù)合軋輥修復(fù)進(jìn)行預(yù)測。為實現(xiàn)噴射成形復(fù)合軋輥修復(fù)的工程化應(yīng)用奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

如何設(shè)計最優(yōu)化方案修復(fù)失效材料和部件，一直是再制造行業(yè)面臨的重大問題。目前雖然修復(fù)技術(shù)較多，但普遍存在修復(fù)組織粗大、修復(fù)層厚度較薄以及結(jié)合強(qiáng)度偏低等問題。本項目采用噴射成形技術(shù)應(yīng)用于材料修復(fù)領(lǐng)域，并對工藝方案進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，實現(xiàn)霧化錐和沉積器運(yùn)動的有效耦合、改進(jìn)沉積基體預(yù)熱方式?；跓崃W(xué)、動力學(xué)模型，研究了噴射霧化液滴-介質(zhì)交換溫度變化規(guī)律及相演變特征，建立了基于熱交換系數(shù)、潤濕角、相變的耦合交互作用模型，揭示了不同熱交換條件下液滴溫度變化、凝固過程演變規(guī)律。運(yùn)用相場法模擬不同邊界熱通量下枝晶生長行為，奠定噴射霧化合金液滴快速凝固控制理論。研究不同Ti、Co元素含量修復(fù)材料的晶粒尺寸、錯配度、強(qiáng)化相尺寸及分布特征，探討了影響因素對摩擦磨損性能的綜合作用機(jī)制，建立了合金設(shè)計、凝固工藝制定、組織成分及性能調(diào)控的理論聯(lián)系。

高釩高速鋼以釩為主要添加元素，輔以鉻鉬等合金元素，充分利用釩碳化物(VC)硬度高、形態(tài)好的特點來提高材料韌性及耐磨性。國外主要采用高碳高釩(鈮)類型的成分設(shè)計方案。釩是中國富有元素之一，雖然價格較錳、鉻等元素貴，但是高釩高速鋼的性價比很高。研究或應(yīng)用的部分高釩高速鋼的化學(xué)成份中除C、V外，還含有Cr、Mo，有些還含有W和Nb。V含量最高達(dá)15%，最低也不低于2%，C含量最高可達(dá)4.6%。高釩高速鋼中釩碳質(zhì)量比對其組織和性能也有很大的影響。根據(jù)定比碳規(guī)律，合金元素及碳含量滿足合金碳化物分子式中的定比關(guān)系時，二次硬化的效應(yīng)最好。VC中V、C的質(zhì)量比為4.26：1，當(dāng)釩含量高于化合比時，形成VC后的多余的釩只能溶于基體而造成貴重金屬的浪費(fèi)。當(dāng)碳含量高于化合比時，形成VC后多余的碳除部分溶于基體外，剩余部分與成分中的鉻、鉬等其它合金元素形成復(fù)合碳化物。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)V/C=3時，高釩高速鋼的耐磨性最佳，此時隨碳、釩含量增加，耐磨性提高3~4倍。

冶煉工藝：

很多文獻(xiàn)對高釩高速鋼的冶煉工藝報導(dǎo)較少。文獻(xiàn)[魏世忠，倪鋒，龍銳，等．高碳高釩耐磨合金定向凝固過程研究[J]．鑄造，2003，52(10)：20—24]對高釩高速鋼的冶煉工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的論述，冶煉高釩高速鋼的主要合金原料有釩鐵、鉻鐵、鉬鐵和錳鐵。用這些合金冶煉高釩高速鋼時，應(yīng)注意提高貴重而易燒損的釩的吸收率。由于釩在600℃以上極易被氧化，為了防止釩等合金元素的氧化，釩等合金元素應(yīng)在熔化后期加入，加釩鐵前進(jìn)行預(yù)脫氧，加釩鐵后盡量減少高溫停留時間。為了提高釩的吸收率，出爐前加入0.1%的純鋁進(jìn)行終脫氧，再以包底沖入法操作進(jìn)行稀土變質(zhì)處理。出爐溫度為1600℃左右，澆注溫度為大約1500℃。文獻(xiàn)[劉海峰，劉耀輝，于思榮．高碳高釩系高速鋼的耐磨性研究[J]．摩擦學(xué)學(xué)報，2000，20(6)：401—406]也曾經(jīng)用不氧化法熔煉高釩高速鋼，在1600℃時加鋁脫氧出鋼，并在包內(nèi)預(yù)加自制復(fù)合變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理。所有這些工藝都有效的防止了合金元素的氧化，提高了釩的吸收率。采用以上工藝，冶煉出的高釩高速鋼具有優(yōu)良的性能。

變質(zhì)處理：

高釩高速鋼常用的變質(zhì)劑有稀土、鈦、鎂、RE-Ti-Mg和富鈰混合稀土 鈦鐵復(fù)合變質(zhì)劑。20—24]研究了稀土變質(zhì)劑對高釩高速鋼初生碳化物的影響，未經(jīng)變質(zhì)處理時，初生VC為橢圓形、方形、菱形和多角形等形態(tài)的顆粒。加入0.3%稀土變質(zhì)處理后VC為圓整的球形或近似球形的顆粒，彌散分布在基體中，二元共晶VC受到與之共生的奧氏體限制，呈現(xiàn)為針狀或短桿狀。研究表明，加入1.0%鈦或0.1%鎂變質(zhì)時，晶粒內(nèi)和晶界上的網(wǎng)狀碳化物得到明顯細(xì)化；同時加入0.1%鎂變質(zhì)可以顯著減少奧氏體和共晶碳化物的含量，使共晶碳化物的分布有所改善；加入1.4%RE-Ti-Mg復(fù)合變質(zhì)劑后，顯著改善了碳化物的分布，使晶粒細(xì)化，組織細(xì)小且均勻，絕大部分晶界碳化物呈現(xiàn)斷網(wǎng)狀分布。

凝固過程：

高釩鐵碳合金凝固過程及元素的分布[J]．材料開發(fā)與應(yīng)用，2003，18(6)：13—16]的研究結(jié)果表明，在高釩高速鋼凝固過程中，隨著溫度的降低，液態(tài)合金冷卻到液相線溫度時，從金屬液中首先析出VC顆粒，發(fā)生L→VC的結(jié)晶反應(yīng)。隨著VC的析出，液相中V含量降低，達(dá)到共晶成分點時，發(fā)生了共晶反應(yīng)L→γ VC，這時奧氏體與VC同時析出。由于奧氏體為非小晶面相，而VC為典型的小晶面相，二者具有較大的離異共晶傾向，由于偏析，液相中Mo、Cr等元素的含量升高，當(dāng)Mo、Cr的含量足夠高時，液相在凝固后期將發(fā)生三元共晶反應(yīng)L→γ VC M2C，所形成的三元共晶組織分布在奧氏體和VC的共晶團(tuán)之間。

熱處理工藝：

高釩高速鋼含有大量合金元素，組成相多，組織復(fù)雜，熱處理工藝明顯不同于普通高速鋼。國內(nèi)關(guān)于高釩高速鋼熱處理工藝的報道很少，根據(jù)不同的化學(xué)成分制定出合理的熱處理工藝，文獻(xiàn)[王金國，周宏，蘇源德，等．高碳高釩高速鋼的高溫硬度及熱處理的研究[J]．金屬熱處理，2000，(3)：22—03]研究結(jié)果表明，隨著淬火溫度的升高，硬度都逐漸升高，達(dá)到某一溫度時硬度出現(xiàn)峰值，成分不同時出現(xiàn)峰值的溫度和峰值硬度也不同。隨著碳含量增加，淬火硬度峰值溫度向低溫方向變化，若碳量不變釩量增加，硬度峰值溫度升高。高釩高速鋼回火時，硬度變化與普通高速鋼相似。為使材料具有較高的硬度及良好的耐磨性，高溫淬火需高溫回火，低溫淬火需低溫回火；如果淬火溫度高，而回火溫度低，鋼中殘余奧氏體量就越多。高釩高速鋼經(jīng)多次回火后，硬度會降低，磨粒磨損耐磨性也隨之下降。高釩高速鋼合適的熱處理工藝為1000~1050℃淬火，550℃回火，一次回火即可。