高釩高速鋼、高鉻鑄鐵耐磨性分析

司岸恒，劉冬冬

（1.河南科技大學 河南省耐磨材料工程技術研究中心，河南 洛陽 471003；2.河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471003）

高釩高速鋼是近年出現的一種新型耐磨材料，因其組織中含有大量高硬度的釩碳化物而具有優良的耐磨性，國外已成功應用于生產軋輥，耐磨性可比高鉻鑄鐵提高3～5倍。作為新一代耐磨材料，高釩高速鋼備受關注。和其他高速鋼相比，高釩高速鋼耐磨性更高，是高速鋼未來發展的一個重要方向。我們針對高碳高釩高速鋼與高鉻鑄鐵磨粒磨損行為進行對比分析，為在實踐方面擴大高碳高釩高速鋼的應用范圍，提高高碳高釩高速鋼的實用性能提供理論依據。

1 試驗方法

1.1 化學成分

高釩高速鋼、高鉻鑄鐵、高錳鋼的主要化學成分范圍見表1。

表1 高碳高釩高速鋼、高鉻鑄鐵的主要化學成分(%)

1.2 試驗過程

熔化在50 kg中頻爐上進行，澆注成Y型試塊。高碳高釩高速鋼、高鉻鑄鐵均進行相應的變質處理。試樣冷卻、清理后，進行熱處理。高碳高釩高速鋼采用1050℃淬火(空冷)，550℃回火處理。高鉻鑄鐵采用1020℃淬火(空冷)，450℃回火處理。用線切割機切成20×m m 20×m m 120 mm試樣。在J B—300 B沖擊試驗機與H R—150 A型洛氏硬度計上進行沖擊韌性和硬度測量。

磨粒磨損試驗在M L—10磨料磨損試驗機上進行。試樣尺寸為4 mm×4 mm×5 mm。采用N o L20氧化鋁耐水砂紙，壓力250 N，試樣行程20 mm×70 mm。每組取3個試樣，測量磨損前后重量差。以3個試樣的平均失重作為最終磨損量。以試樣平均磨損量的倒數作為相對耐磨性。用TG 328B分析天平測量質量，稱重范圍200 g，感量0.1 mg。

2 試驗結果

2.1 金相組織

高釩高速鋼、高鉻鑄鐵的金相組織見圖1。高碳高釩高速鋼的典型組織為：釩碳化物(VC)+鉻鉬復合化合物+馬氏體+殘余奧氏體。高碳高釩高速鋼中的VC硬度高達HV2600～2800．呈團球狀、團塊狀均勻分布．間有少量的VC呈桿狀、條狀。高鉻鑄鐵的典型組織為：Cr7C3+馬氏體+殘余奧氏體。Cr7C3顯微硬度為HVL200～1800，呈板條狀分布于基體中。

圖1 .高釩高速鋼、高鉻鑄鐵的金相組織

2.2 硬度和沖擊韌性

高碳高釩高速鋼、高鉻鑄鐵的硬度和沖擊韌性見表2。由表2可見，高釩高速鋼與高鉻鑄鐵相比較，在硬度略高的情況下，沖擊韌性提高。用高釩高速鋼取代高鉻鑄鐵用作耐磨件，不僅可以安全的使用，而且可以節省消耗。

2.3 磨損失重與耐磨性

高碳高釩高速鋼、高鉻鑄鐵的磨損失重與耐磨性見表3。由表 3可見，在磨粒磨損條件下，，高釩高速鋼的耐磨性是高鉻鑄鐵的3.2倍，表現出很好的耐磨性能。

2.4 變質處理對高釩高速鋼組織的影響

高釩高速鋼常用的變質劑有稀土、鈦、鎂、RE-Ti-Mg和富鈰混合稀土+鈦鐵復合變質劑。文獻[4]研究了稀土變質劑對高釩高速鋼初生碳化物的影響，未經變質處理時，初生為橢圓形、方形、菱形和多角形等形態的顆粒。加入0.3%稀土變質處理后V C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V C受到與之共生的奧氏體限制，呈現為針狀或短桿狀。文獻[5]研究表明，加入1.0%鈦或0.1%鎂變質時，晶粒內和晶界上的網狀碳化物得到明顯細化；同時加入0.1%鎂變質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%R E-T i-M g復合變質劑后，顯著改善了碳化物的分布，使晶粒細化，組織細小且均勻，絕大部分晶界碳化物呈現斷網狀分布。

表2 高碳高釩高速鋼、高鉻鑄鐵的硬度和沖擊韌性

表3 磨粒磨損試驗結果

2.5 高碳高釩高速鋼高耐磨性原因分析

在磨粒磨損條件下，高碳高釩高速鋼具有優良的耐磨性，其主要原因如下：在磨粒磨損條件下，高碳高釩高速鋼具有優良的耐磨性，其主要原因如下：碳化物的硬度高，在高碳高釩高速鋼的基體上彌散的分布著大量的VC型碳化物． 而VC的顯微硬度可高達HV2600～2800，碳化物形態好。高碳高釩高速鋼中的碳化物VC是離散均勻分布的．其形狀多為球狀、團球狀和團塊狀，只有少量的VC呈短桿狀和條狀，與桿狀和板條狀的Cr7C3相比，既有利于提高沖擊韌性，又有利于提高耐磨性。淬透性好，基體硬度高。高碳高釩高速鋼具有很高的淬透性。經1050℃空冷，550 q c回火的高碳高釩高速鋼的基體組織為馬氏體+殘余奧氏體．經我們分析得到高碳高釩高速鋼的顯微硬度為HV 725～802，高于高鉻鑄鐵的基體硬度HV633～72 l。

3 結語

（1）在磨粒磨損條件下，高碳高釩高速鋼的相對耐磨性是高鉻鑄鐵的3.2倍。高碳高釩高速鋼中的碳化物硬度高、形狀好、均勻分布在堅硬的基體上．是其具有優良耐磨性的主要原因。

（2）高碳高釩高速鋼的硬度和沖擊韌性均高于高鉻鑄鐵。可以成為高鉻鑄鐵的安全可靠的更新換代產品。采取適當的熱處理工藝可以使M C型碳化物呈顆粒狀彌散均勻分布。對提高耐磨性及沖擊韌性具有重要意義。高碳高釩高速鋼在冶金礦山行業有廣闊的推廣應用前景。

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[2]Keun Chul Hwang,Sunghak Lee,Hui Choon Lee,Effects of al loying elements on microstructure and fracture properties of cast high speed steel rolls Part II.Fracture behavior.1998.1998.254(1-2):296-304

[3]賀秀芳譯.熱帶粗軋機用高速鋼軋輥的開發[J].軋鋼，1996，（4）.

[4]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.

[5]于新泉，關紹康，王利國等.變質處理對復合軋輥用高速鋼組織和性能的影響[J].鋼鐵研究學報，2003，15（1）：46-51