梁 剛， 王振廷

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150022)

高釩高速鋼是一種具有良好沖擊韌性、高硬度和優(yōu)良耐磨性的材料，近年來(lái)，被用于采煤機(jī)錘頭制造［1］。高釩高速鋼錘頭的耐磨性比高鉻鑄鐵錘頭高出3～4 倍，這是由于V 的加入使得基體中的碳形成了VC，VC 熔點(diǎn)高，在奧氏體化過(guò)程中會(huì)有少量溶解在碳化物中，加強(qiáng)鋼的二次硬化，而保留的VC又可極大地提高其耐磨性［2－4］。與其他高速鋼相比，高釩高速鋼具有更加優(yōu)異的耐磨性能，其耐磨性成為高速鋼研究的重點(diǎn)領(lǐng)域［5－7］。Mo 可以提高高釩高速鋼的韌性硬度、淬透性和回火硬度［8－10］。筆者通過(guò)添加Mo 和變質(zhì)處理改變高釩高速鋼顯微組織中碳化物的形貌和分布，并對(duì)不同的高釩高速鋼試樣進(jìn)行室溫干磨損實(shí)驗(yàn)，為高釩高速鋼的發(fā)展提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)主要原料為生鐵、鉬鐵、廢鋼、釩鐵，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)用的變質(zhì)劑為RE －Mg 變質(zhì)劑。物相分析與磨損實(shí)驗(yàn)試樣分別為未變質(zhì)高釩高速鋼、變質(zhì)高釩高速鋼和變質(zhì)高釩鉬高速鋼，其化學(xué)成中C 和V 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.5%和5.0%，Mo 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%。由于稀土鎂合金是變質(zhì)劑出爐后再放入澆包的，且含量較少，故忽略不計(jì)。

表1 實(shí)驗(yàn)原料化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of raw materials

1.2 方法

試樣制備實(shí)驗(yàn)選用2 kg 真空感應(yīng)爐，加料先后順序?yàn)樯F、廢鋼、釩鐵、鉬鐵。釩鐵在出鋼前5～7 min內(nèi)加入，可以有效防止鐵水在熔化過(guò)程中過(guò)分氧化，鉬鐵在釩鐵熔化后立即加入。采用包底沖入法進(jìn)行RE－Mg 變質(zhì)處理。出爐溫度約1 500 ℃，澆注溫度約1 450 ℃，選用砂型為澆注鑄型，砂型可以直接澆注，澆包需進(jìn)行預(yù)加熱以防止過(guò)冷使金屬液冷卻過(guò)快。

熱處理實(shí)驗(yàn)在KSL －1600X 型箱式爐中進(jìn)行，升溫速率為7 °C/min，加熱到1 000 °C 保溫1 h 空冷后，經(jīng)過(guò)250 °C 回火1 h 處理。采用X 射線衍射儀和金相顯微鏡進(jìn)行物相分析和微觀形貌觀察。

耐磨性實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，采用MMS－2A型屏顯式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)磨材料為GCr15 的對(duì)磨環(huán)，載荷為200 N，磨損時(shí)間為60 min，轉(zhuǎn)速為200 rad/min。磨損后，采用AB265 －S 型雙量程分析天平稱重。

2 結(jié)果與分析

2.1 物相與組織分析

圖1 為熱處理后高釩高速鋼金相組織。其中圖1a為未變質(zhì)高釩高速鋼，圖1b 為變質(zhì)高釩高速鋼，圖1c 為變質(zhì)高釩鉬高速鋼。經(jīng)過(guò)熱處理后，大部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并且在馬氏體基體析出了彌散型顆粒狀碳化物，且比較均勻，顯微組織由馬氏體基體、少量殘余奧氏體和碳化物組成。加入RE－Mg 變質(zhì)劑和Mo 之后，高釩高速鋼中大塊碳化物破碎，變?yōu)楦?xì)小的碳化物。

圖1 熱處理后高釩高速鋼的金相組織Fig．1 Microstructure of high vanadium high speed steel after heat treatment

圖2 為熱處理和鑄態(tài)下未變質(zhì)高釩高速鋼、變質(zhì)高釩高速鋼和變質(zhì)高釩鉬高速鋼的XRD 衍射圖譜。碳化物類型及衍射強(qiáng)度與加入的合金元素種類和含量有關(guān)。由圖2 可以看出，高釩高速鋼鑄態(tài)顯微組織由奧氏體基體(A)及V、Mo 元素形成的碳化物組成。由于Cr 元素含量很少，未形成碳化物，故此圖譜中未標(biāo)出。經(jīng)過(guò)熱處理后，高釩高速鋼的基體組織由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體(M)，碳化物由V8C7轉(zhuǎn)變?yōu)閂2C。

圖2 熱處理和鑄態(tài)下高釩高速鋼XRD 衍射圖譜Fig．2 XRD patterns of high vanadium high speed steel under heat treatment or casting

2.2 耐磨性分析

1 000 ℃熱處理后的未變質(zhì)高釩高速鋼、變質(zhì)高釩高速鋼和變質(zhì)高釩鉬高速鋼摩擦系數(shù)－時(shí)間曲線，見(jiàn)圖3。由圖3 可以看出，在相同條件下，變質(zhì)高釩鉬高速鋼的摩擦系數(shù)最小，未變質(zhì)高釩高速鋼的摩擦系數(shù)最大。影響摩擦系數(shù)的因素有試樣表面的粗糙程度、磨粒壓入試樣表面的深度及摩擦過(guò)程中試樣表面的微變形程度［11－12］。磨粒壓入試樣的深度取決于試樣的軟硬程度，微變形程度取決于試樣的硬度和耐磨損程度。以上分析表明，變質(zhì)高釩鉬高速鋼表面堅(jiān)硬比較耐磨，磨粒壓入其表面深度較淺;未變質(zhì)高釩高速鋼的磨粒壓入表面深度較深。

圖3 摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig．3 Change of friction coefficient over time

圖4 為未變質(zhì)高釩高速鋼、變質(zhì)高釩高速鋼和變質(zhì)高釩鉬高速鋼的失重量變化情況。由圖4 可以看到，室溫干磨損實(shí)驗(yàn)中，變質(zhì)高釩鉬高速鋼的相對(duì)磨損量最小，僅為0.011 9 g，耐磨性能最好。

圖4 失重量變化Fig．4 Change of wear quantity

試樣磨損面與對(duì)磨環(huán)相對(duì)滑動(dòng)使材料表面發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，從而產(chǎn)生一定的形變強(qiáng)化，使其耐磨性升高。試樣在1 000 ℃熱處理、250 ℃回火后，組織變?yōu)榛鼗瘃R氏體，材料硬度增加，高硬度的馬氏體有效阻止了磨粒對(duì)基體的滑傷，防止磨損過(guò)程中碳化物突出而發(fā)生早期剝落，并且保護(hù)高硬度碳化物耐磨相，提高其耐磨性。當(dāng)磨粒對(duì)基體造成劃傷后，首先是較軟的表層基體磨損，隨后是凸出并呈網(wǎng)狀分布的硬質(zhì)碳化物磨損，這些碳化物對(duì)內(nèi)部基體具有屏蔽作用，使得基體的磨損速率減緩。變質(zhì)處理并加入Mo 元素之后，大部分網(wǎng)狀碳化物的晶粒細(xì)化，硬質(zhì)碳化物尺寸變小，均勻地彌散分布在基體中，增加了硬質(zhì)碳化物晶粒表面積和晶粒間的結(jié)合力。硬質(zhì)碳化物與對(duì)磨環(huán)的接觸變?yōu)榻朴邳c(diǎn)接觸或線接觸，磨料極難存在于此接觸界面上，實(shí)際接觸面積變小，力的作用全部集中到凸出的硬質(zhì)碳化物上，磨損率減少。

3 結(jié) 論

(1)高釩高速鋼經(jīng)普通砂型鑄造熱處理后，組織主要由馬氏體、Fe3C 和V2C 組成。

(2)用RE－Mg 變質(zhì)劑對(duì)高釩高速鋼進(jìn)行變質(zhì)處理，高釩高速鋼碳化物明顯細(xì)化，加入Mo 元素后，晶粒更加細(xì)化且碳化物彌散分布。

(3)Mo 元素的加入有效提高了高釩高速鋼的耐磨性。在室溫、載荷200 N、磨損時(shí)間60 min、轉(zhuǎn)速200 rad/min 的條件下，變質(zhì)高釩鉬高速鋼的失重量為0.011 9 g。

［1］劉冬冬，張國(guó)賞，魏世忠，等．高釩高速鋼磨損性能的研究現(xiàn)狀［J］．鑄造技術(shù)，2013，34(2):135 －137．

［2］ZHANG HUI，ZOU YONG，ZOU ZENGDA，et al．Effects of chromium addition on microstructure and properties of TiC-VC reinforced Fe-based laser cladding coatings［J］．Journal of Alloys and Compounds，2014，614(25):107 －112．

［3］UEMATSU Y，KAKIUCHI T，TOKAJI K，et al．Effects of shot peening on fatigue behavior in high speed steel and cast iron with spheroidal vanadium carbides dispersed within martensitic-matrix microstructure［J］．Materials Science and Engineering:A，2013，561(20):386 －393．

［4］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(bào)，2000，20(6):401 －406．

［5］XU LIUJIE，WEI SHIZHONG，XING JIANGDONG，et al．Effects of carbon content and sliding ratio on wear behavior of high-vanadium high-speed steel (HVHSS)under high-stress rolling-sliding contact［J］．Tribology International，2014，70:34 －41．

［6］XU LIUJIE，XING JIANDONG，WEI SHIZHONG，et al．Optimisation of chemical composition of high speed steel with high vanadium content for abrasive wear using an artificial neural network［J］．Materials ＆ Design，2007，28(3):1031 －1037．

［7］徐流杰，魏世忠，張永振，等．滑動(dòng)率對(duì)高釩高速鋼滾－滑動(dòng)摩擦磨損行為的影響［J］．材料熱處理學(xué)報(bào)，2012，33(9):

43 －48．

［8］宋育來(lái)，汪 兵，陳邦文，等．鉬、鈦對(duì)700MPa 級(jí)耐候鋼組織與力學(xué)性能的影響［J］．鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2011，23(7):31－35．

［9］王珍傳，徐 樂(lè)，劉文忠，等．鉬、氮元素對(duì)鈦微合金化馬氏體鋼的力學(xué)性能影響［J］．鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2013，25(8):32－36．

［10］鄭麗娟，劉會(huì)瑩，付學(xué)中，等．Mo 強(qiáng)化Fe-Cr-C 系堆焊材料組織和力學(xué)性能分析［J］．熱加工工藝，2012，41(7):1 －3．

［11］LI M，LU Q H，YIN J，et al．Effects of post-thermal treatment on preparation of surface microstructures induced by polarized laser on polyimide film［J］．Materials Chemistry and Physics，2002，77(3):895 －898．

［12］肖 乾，王成國(guó)，周新建，等．不同摩擦系數(shù)條件下的輪軌滾動(dòng)接觸特性分析［J］．中國(guó)鐵道科學(xué)，2011，32(4):66－71．