工艺参数对Fe-Cr-B合金/45#钢复合轧辊复合界面显微组织影响的研究

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复合轧辊成功的关键在于复合界面的结合状况。本论文采用电渣结晶器快速冷却凝固Fe-Cr-B合金熔体与电磁感应加热45#钢辊芯相结合的液-固复合铸造的方法制备了Fe-Cr-B合金/45#钢复合轧辊,着重研究了工艺参数:复合比(FeCr-B合金包覆层的厚度与45#钢辊芯直径之比)、辊芯预热温度、Fe-Cr-B合金熔体的浇注温度和合金熔体浇铸后电磁感应加热保温时间的变化对于复合轧辊的结合状况及复合界面显微组织的影响。采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对复合轧辊复合界面的显微组织进行了观察与分析,运用X射线衍射仪(XRD)对复合界面内存在的主要物相进行了分析,并且,使用维氏显微硬度计对复合界面及其两侧区域的硬度进行了测试,基于研究结果对复合界面的显微组织特征和变化进行了机理探索,获得的结果如下:铸态Fe-Cr-B合金/45#钢复合轧辊复合界面主要由三部分构成,即:包覆层亚区、复合界面区以及辊芯亚区。包覆层亚区内的显微组织主要由树枝晶基体和基体组织之间呈网状分布的共晶体组成,复合界面区内的显微组织主要由珠光体组成,辊芯亚区内的显微组织主要由块状铁素体和晶界碳化物或碳硼化物组成。由于包覆层一侧的Fe-Cr-B合金与辊芯一侧的45#钢所含合金元素的种类和含量存在差异,所以在冷却凝固过程中位于复合界面区两侧的合金元素发生了相互扩散,其中,Cr、Mn、Ni、Mo和B等合金元素由包覆层经复合界面区向辊芯扩散,Fe元素由辊芯经复合界面区向包覆层扩散,而C元素则共同向复合界面区进行扩散。当复合比分别为0.67、1和1.5时,随着复合比的增加,包覆层亚区的区域面积增大,区域内的树枝晶基体晶粒变粗大,共晶组织减少,由连续网状向着断网状发展;复合界面区由平直的细线状向着弯曲的粗线状发生转变,最终转变为犬牙交错、蜿蜒曲折的宽带;辊芯亚区内的晶粒尺寸以及区域面积不断增大。因此,随着复合比的增加,Fe-Cr-B合金包覆层与45#钢辊芯的结合质量不断得到改善。当45#钢辊芯的预热温度分别为850℃、900℃和950℃时,随着45#钢辊芯预热温度的提高,包覆层亚区的区域面积增加,区域内的树枝晶基体晶粒逐渐粗大,共晶组织由连续网状向着断网状发展,共晶组织不断减少;复合界面区由机械结合向冶金结合发生转变,并且区域面积不断增加、界面宽度逐渐加大,最终转变为界面连续且弯曲的粗线;辊芯亚区内的晶粒尺寸变得粗大,区域面积不断增加。因此,随着45#钢辊芯预热温度的提高,Fe-Cr-B合金包覆层与45#钢辊芯的结合质量不断得到改善。当Fe-Cr-B合金熔体的浇注温度分别为1545℃、1575℃和1605℃时,随着Fe-Cr-B合金熔体浇注温度的提高,包覆层亚区内的树枝晶基体晶粒尺寸不断增加,分布于基体组织之间的共晶组织连续性下降,数量降低,向着断网状方向发展;复合界面区由机械结合向冶金结合发生转变,并由断续的、较小的区域面积向着连续的、弯曲的、较大区域面积的粗线方向发展;辊芯亚区内的晶粒尺寸变得粗大,区域面积不断增加。因此,随着Fe-Cr-B合金熔体浇注温度的提高,FeCr-B合金包覆层与45#钢辊芯的结合质量不断得到改善。当电磁感应加热保温时间分别为8min、15min和30min时,随着Fe-Cr-B合金熔体浇注后电磁感应加热保温时间的延长,包覆层亚区的区域面积急剧增加,分布于包覆层亚区内的树枝晶基体晶粒尺寸增大,分布于树枝晶基体组织之间的共晶组织急剧减少;复合界面区由机械结合向冶金结合发生转变,并由不完整的断续的平直状的结合方式向犬牙交错状发生转变;辊芯亚区的区域面积大幅增加,晶粒尺寸也发生了长大。因此,随着Fe-Cr-B合金熔体浇注后电磁感应加热保温时间的延长,Fe-Cr-B合金包覆层与45#钢辊芯的结合质量不断得到改善。
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