牛 戈，蔣業(yè)華，隋育棟，周謨金，曾紅斌

(昆明理工大學(xué) 金屬先進(jìn)凝固成形與裝備技術(shù)國(guó)家地方工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093)

1 前 言

離心鑄造是一種傳統(tǒng)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(dú)特的工藝特點(diǎn)——不需要設(shè)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(fù)合材料以及耐磨材料如雙金屬、金屬基陶瓷復(fù)合管件中得到了廣泛應(yīng)用。此外，在該傳統(tǒng)鑄造的基礎(chǔ)上也衍生出了新型工藝，如電磁離心法[1]。同時(shí)為了全面深入地分析機(jī)理，離心鑄造工藝已涉及計(jì)算機(jī)模擬[2]、缺陷控制、離心轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確計(jì)算[3]等方面的研究。

復(fù)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，例如金屬基陶瓷復(fù)合材料、雙金屬?gòu)?fù)合材料、功能梯度復(fù)合材料等。其中，功能梯度復(fù)合材料是一種新型復(fù)合材料，其特征是成分或微觀(guān)結(jié)構(gòu)在特定方向上發(fā)生變化。研究表明，離心鑄造是目前制備某些功能梯度復(fù)合材料最簡(jiǎn)單也最高效的一種方法[4]。離心鑄造制備功能梯度復(fù)合材料的主要優(yōu)勢(shì)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(dǎo)致的成分梯度[5]。張堅(jiān)等[6]對(duì)功能梯度復(fù)合材料的制備工藝進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)，指出離心鑄造具有設(shè)備簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、可批量生產(chǎn)、成本低、可制備高致密度和大尺寸功能梯度復(fù)合材料等優(yōu)點(diǎn)。陳佳等[7]對(duì)離心鑄造鋁基功能梯度材料(自生Mg2Si/Si顆粒)進(jìn)行了定量研究，發(fā)現(xiàn)零件的直徑越大，增強(qiáng)顆粒距鑄型內(nèi)壁同等位置的體積分?jǐn)?shù)越高，且顆粒體積分?jǐn)?shù)從內(nèi)壁到外壁呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。研究表明，離心鑄造復(fù)合材料中不同粒徑顆粒的分布具有一定的規(guī)律。從內(nèi)壁到外壁，初晶Si顆粒平均粒徑呈現(xiàn)不斷減小，而初晶Mg2Si顆粒平均粒徑呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)。

宋延沛等[8]通過(guò)離心鑄造制備了復(fù)合結(jié)構(gòu)輥環(huán)，利用WC顆粒的高密度形成WCp-Fe/C復(fù)合材料工作層和廉價(jià)的強(qiáng)韌心部材料，以達(dá)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(fù)合層硬度達(dá)到63HRC～65HRC的WC顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料輥環(huán)。WC顆粒在與基體的復(fù)合過(guò)程中顆粒表面有局部溶解，在WC顆粒近處的基體中析出細(xì)小棒狀WC結(jié)晶體，距離WC顆粒遠(yuǎn)處的基體被合金化，并且析出W，Mo，Cr等元素的復(fù)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(qiáng)半鋼輥環(huán)，通過(guò)對(duì)比爐內(nèi)加入、鋼包加入、隨流加入3種方式，發(fā)現(xiàn)采用爐內(nèi)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(duì)半鋼基體的增強(qiáng)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(huán)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(qiáng)亞鐵基復(fù)合輥環(huán)，外層復(fù)合層的厚度達(dá)到20～45 nm，WC顆粒均勻分布在外層，體積分?jǐn)?shù)達(dá)到60%～80%，陶瓷顆粒與基體之間有明顯的界面并且沒(méi)有觀(guān)察到反應(yīng)產(chǎn)物生成。輥環(huán)的外層強(qiáng)度達(dá)到80HRA～85HRA，芯部達(dá)到73HRA～76HRA，抗沖擊韌性為8 J/cm2。經(jīng)測(cè)試，在同樣工況下，該復(fù)合輥環(huán)的磨料磨損性能是高速鋼輥環(huán)的20倍，壽命是高速鋼輥環(huán)的9倍，成本降低50%。

2 復(fù)合輥材料的選擇

2.1 雙金屬?gòu)?fù)合輥

目前國(guó)內(nèi)雙金屬?gòu)?fù)合輥的制備方法主要有鑲裝復(fù)合、堆焊等[11]，存在工藝復(fù)雜、成本高、效果差、生產(chǎn)效率低下等局限，而通過(guò)采用離心鑄造中間層過(guò)渡的連接方式來(lái)提高兩金屬的結(jié)合強(qiáng)度，可以得到性能較好的雙金屬?gòu)?fù)合輥。在選擇金屬材料種類(lèi)時(shí)，應(yīng)注意兩種金屬的線(xiàn)收縮率不能相差太大。另外，還應(yīng)注意到一般選取高熔點(diǎn)金屬作為外層金屬、低熔點(diǎn)金屬作為內(nèi)層金屬，以利于形成順序凝固，否則會(huì)出現(xiàn)內(nèi)層金屬先凝固而結(jié)合層處的混合金屬后凝固的現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)合層處出現(xiàn)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(fù)合輥的離心鑄造成型工藝，內(nèi)層采用碳鋼、外層采用高鉻鑄鐵，澆注出的輥環(huán)外層硬度高、內(nèi)層韌性?xún)?yōu)良，經(jīng)過(guò)熱處理后，復(fù)合輥的外層硬度在45HRC～65HRC，兩層之間有厚度50～130 μm的過(guò)渡層，其組織為碳化物顆粒彌散分布的珠光體，與內(nèi)外層呈牙狀相互嵌入。采用離心鑄造工藝制備的復(fù)合輥壽命提高6倍以上，相比傳統(tǒng)單層高鉻鑄鐵輥環(huán)，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?gòu)?fù)合輥環(huán)，采用兩套感應(yīng)電爐分別熔煉高合金鑄鐵和球墨鑄鐵，嚴(yán)格控制兩種金屬澆注的時(shí)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(jìn)行熱處理和機(jī)械加工等工序。在制備的高合金/球墨鑄鐵雙金屬?gòu)?fù)合輥環(huán)中，兩種金屬的結(jié)合部分存在冶金結(jié)合層，相比國(guó)外生產(chǎn)的輥環(huán)，該復(fù)合輥環(huán)在性能滿(mǎn)足使用要求的基礎(chǔ)上成本大大降低。國(guó)內(nèi)外輥環(huán)性能對(duì)比如表1[14-21]。

表1 國(guó)內(nèi)外輥環(huán)材料性能對(duì)比

2.2 金屬基陶瓷復(fù)合輥

在金屬基陶瓷復(fù)合材料中應(yīng)用較多的金屬包括鋁合金、鑄鐵以及合金鋼等，對(duì)于礦山、水泥行業(yè)等應(yīng)用場(chǎng)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(fù)合材料得到廣泛應(yīng)用。在磨煤工況下，普通輥主要存在以下問(wèn)題[24]：① 輥面沖刷快，壽命低，維修成本高，修復(fù)困難；② 磨煤平均粒度達(dá)不到生產(chǎn)需求；③ 由于輥面的磨損導(dǎo)致整個(gè)工件運(yùn)行振動(dòng)加劇，穩(wěn)定性降低。因此，需要探究一種新型金屬基陶瓷復(fù)合輥。應(yīng)用實(shí)踐表明，較普通高鉻輥和堆焊輥，復(fù)合輥的壽命和使用性能都有很大提升，優(yōu)勢(shì)非常明顯[24]。20世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料成為研究熱點(diǎn)，馮培忠等[23]提出利用離心鑄造工藝制備WC顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合輥環(huán)，以其作為軋輥的工作層，具有更高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性。WC顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料軋輥與傳統(tǒng)材料軋輥表面硬度的對(duì)比見(jiàn)表2，分析可見(jiàn)，復(fù)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(fù)合材料中陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)和尺寸對(duì)工件的耐磨性有較大影響，且陶瓷顆粒均勻分布在輥環(huán)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?jǐn)?shù)達(dá)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(huán)外表面，復(fù)合材料的最高硬度和沖擊韌性分別達(dá)到63.3HRC和2.8～3.2 J/cm2，內(nèi)層基體的硬度和沖擊韌性分別達(dá)到46HRC～47HRC和6.7～6.9 J/cm2，過(guò)渡區(qū)的沖擊韌性較原基體有所降低[25, 26]。金屬基陶瓷復(fù)合材料的性能在很大程度上取決于陶瓷與基體界面的結(jié)合情況，良好的冶金結(jié)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(duì)WC顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料界面進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)，WC顆粒與基體之間形成了良好的冶金結(jié)合界面(圖2)，復(fù)合材料沒(méi)有裂紋、氣孔等缺陷，且WC顆粒周?chē)纬闪诵〉奶蓟镱w粒，該復(fù)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(fù)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(guò)三體磨損試驗(yàn)探究材料的磨損性能，通過(guò)以往的研究及應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)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(fù)合材料WCP富集區(qū)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(shù)對(duì)復(fù)合輥性能的影響

3.1 冷卻速率

離心鑄造復(fù)合輥的冷卻方式一般分為空冷和水冷，這兩種方式對(duì)復(fù)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(wǎng)狀組織增多，局部出現(xiàn)孤立和斷網(wǎng)現(xiàn)象。采用空冷時(shí)，隨著冷卻速率的降低，微觀(guān)組織出現(xiàn)菊花片狀胞晶組織，該胞晶組織的數(shù)量隨著冷卻速率的降低而增加?？刂评鋮s速率能明顯改善材料的硬度、韌性等力學(xué)性能[29]。

3.2 澆注溫度

澆注溫度對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合輥和陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合輥的復(fù)合效果有很大影響。在陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合輥中，澆注溫度的高低影響陶瓷顆粒在基體中的體積分?jǐn)?shù)。在其它參數(shù)相同的條件下，在一定范圍內(nèi)，澆注溫度越高，陶瓷顆粒在基體中的體積分?jǐn)?shù)越大，最大可以達(dá)到80%左右[30]。在雙金屬?gòu)?fù)合輥中，內(nèi)外層金屬的澆注溫度不同。對(duì)外層金屬而言，當(dāng)澆注溫度過(guò)高時(shí)，凝固初期胚殼強(qiáng)度低，易產(chǎn)生裂紋，以高速鋼為外層金屬時(shí)還易出現(xiàn)偏析；澆注溫度過(guò)低時(shí)，易造成充型不良、夾渣等缺陷。當(dāng)內(nèi)層金屬的澆注溫度過(guò)高時(shí)，易造成兩種金屬間出現(xiàn)“反蝕”[31]，導(dǎo)致后續(xù)熱處理由于高應(yīng)力而產(chǎn)生開(kāi)裂；澆注溫度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致兩種金屬不能有效復(fù)合[32]。

3.3 離心轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速是離心鑄造的重要工藝參數(shù)。轉(zhuǎn)速過(guò)低，離心鑄造時(shí)會(huì)出現(xiàn)金屬液“雨淋”現(xiàn)象，也會(huì)使管坯內(nèi)出現(xiàn)縮松、夾渣、內(nèi)表面凹凸不平等缺陷；轉(zhuǎn)速太高，管坯易出現(xiàn)裂紋、偏析等缺陷。

在陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，離心機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)也有影響。在其它參數(shù)相同的條件下，轉(zhuǎn)速越高，顆粒體積分?jǐn)?shù)也越高。轉(zhuǎn)速和陶瓷顆粒體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系見(jiàn)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(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)的角速度；d為外加顆粒直徑；η為基體熔融體的動(dòng)力學(xué)粘度系數(shù)。由式(1)可知，在相同的η下,轉(zhuǎn)速越高，ω越大，外加顆粒向外層遷移的速度就越快，體積分?jǐn)?shù)就越高[30]。

3.4 澆注時(shí)間

澆注時(shí)間的長(zhǎng)短主要針對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合輥，澆注內(nèi)外層金屬的間隔時(shí)間不能太長(zhǎng)或者太短，否則會(huì)導(dǎo)致兩種金屬不能有效復(fù)合?？刂聘鲗娱g澆注時(shí)間，當(dāng)各金屬層分別以低于熔點(diǎn)30～100 ℃的時(shí)間段進(jìn)行澆注時(shí)，效果最佳，層間具有良好的結(jié)合強(qiáng)度[32]。間隔時(shí)間根據(jù)金屬的不同大致為5～13 s[34, 35]。

4 結(jié) 語(yǔ)

受冶金、機(jī)械等行業(yè)需求的牽引，人們對(duì)具有優(yōu)良性能的復(fù)合輥材料的需求日益增加，而離心鑄造工藝是發(fā)展性能優(yōu)良的復(fù)合輥材料的重要方向。近年來(lái)，研究人員在離心鑄造復(fù)合材料，如功能梯度復(fù)合材料、金屬基陶瓷復(fù)合材料以及雙金屬?gòu)?fù)合材料等領(lǐng)域，對(duì)其結(jié)合機(jī)理、數(shù)值模擬、界面反應(yīng)、組織結(jié)構(gòu)以及性能等做了大量工作，但從目前國(guó)內(nèi)外復(fù)合輥的發(fā)展來(lái)看，還存在以下問(wèn)題：

(1)工藝方面。雖然研究人員已經(jīng)對(duì)離心工藝的控制、材料的優(yōu)化、離心過(guò)程的計(jì)算仿真等方面進(jìn)行了廣泛的研究，但是在實(shí)際應(yīng)用中，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品相較于一些發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品仍存在壽命低、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題。因此，仍需要在已有的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新改進(jìn)。

(2)復(fù)合機(jī)理方面。就金屬基陶瓷復(fù)合輥而言，國(guó)內(nèi)在陶瓷預(yù)制體增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料方面已有一定的經(jīng)驗(yàn)，但是在大塊預(yù)制體的制備以及與金屬?gòu)?fù)合方面遇到了瓶頸，復(fù)合界面的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)不到國(guó)際先進(jìn)水平，因此還需要攻克這一難題。