高钒高速钢、高铬铸铁耐磨性分析

司岸恒，刘冬冬

（1.河南科技大学 河南省耐磨材料工程技术研究中心，河南 洛阳 471003；2.河南科技大学 材料科学与工程学院，河南 洛阳 471003）

高钒高速钢是近年出现的一种新型耐磨材料，因其组织中含有大量高硬度的钒碳化物而具有优良的耐磨性，国外已成功应用于生产轧辊，耐磨性可比高铬铸铁提高3～5倍。作为新一代耐磨材料，高钒高速钢备受关注。和其他高速钢相比，高钒高速钢耐磨性更高，是高速钢未来发展的一个重要方向。我们针对高碳高钒高速钢与高铬铸铁磨粒磨损行为进行对比分析，为在实践方面扩大高碳高钒高速钢的应用范围，提高高碳高钒高速钢的实用性能提供理论依据。

1 试验方法

1.1 化学成分

高钒高速钢、高铬铸铁、高锰钢的主要化学成分范围见表1。

表1 高碳高钒高速钢、高铬铸铁的主要化学成分(%)

1.2 试验过程

熔化在50 kg中频炉上进行，浇注成Y型试块。高碳高钒高速钢、高铬铸铁均进行相应的变质处理。试样冷却、清理后，进行热处理。高碳高钒高速钢采用1050℃淬火(空冷)，550℃回火处理。高铬铸铁采用1020℃淬火(空冷)，450℃回火处理。用线切割机切成20×m m 20×m m 120 mm试样。在J B—300 B冲击试验机与H R—150 A型洛氏硬度计上进行冲击韧性和硬度测量。

磨粒磨损试验在M L—10磨料磨损试验机上进行。试样尺寸为4 mm×4 mm×5 mm。采用N o L20氧化铝耐水砂纸，压力250 N，试样行程20 mm×70 mm。每组取3个试样，测量磨损前后重量差。以3个试样的平均失重作为最终磨损量。以试样平均磨损量的倒数作为相对耐磨性。用TG 328B分析天平测量质量，称重范围200 g，感量0.1 mg。

2 试验结果

2.1 金相组织

高钒高速钢、高铬铸铁的金相组织见图1。高碳高钒高速钢的典型组织为：钒碳化物(VC)+铬钼复合化合物+马氏体+残余奥氏体。高碳高钒高速钢中的VC硬度高达HV2600～2800．呈团球状、团块状均匀分布．间有少量的VC呈杆状、条状。高铬铸铁的典型组织为：Cr7C3+马氏体+残余奥氏体。Cr7C3显微硬度为HVL200～1800，呈板条状分布于基体中。

图1 .高钒高速钢、高铬铸铁的金相组织

2.2 硬度和冲击韧性

高碳高钒高速钢、高铬铸铁的硬度和冲击韧性见表2。由表2可见，高钒高速钢与高铬铸铁相比较，在硬度略高的情况下，冲击韧性提高。用高钒高速钢取代高铬铸铁用作耐磨件，不仅可以安全的使用，而且可以节省消耗。

2.3 磨损失重与耐磨性

高碳高钒高速钢、高铬铸铁的磨损失重与耐磨性见表3。由表 3可见，在磨粒磨损条件下，，高钒高速钢的耐磨性是高铬铸铁的3.2倍，表现出很好的耐磨性能。

2.4 变质处理对高钒高速钢组织的影响

高钒高速钢常用的变质剂有稀土、钛、镁、RE-Ti-Mg和富铈混合稀土+钛铁复合变质剂。文献[4]研究了稀土变质剂对高钒高速钢初生碳化物的影响，未经变质处理时，初生为椭圆形、方形、菱形和多角形等形态的颗粒。加入0.3%稀土变质处理后V C为圆整的球形或近似球形的颗粒，弥散分布在基体中，二元共晶V C受到与之共生的奥氏体限制，呈现为针状或短杆状。文献[5]研究表明，加入1.0%钛或0.1%镁变质时，晶粒内和晶界上的网状碳化物得到明显细化；同时加入0.1%镁变质可以显著减少奥氏体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复合变质剂后，显著改善了碳化物的分布，使晶粒细化，组织细小且均匀，绝大部分晶界碳化物呈现断网状分布。

表2 高碳高钒高速钢、高铬铸铁的硬度和冲击韧性

表3 磨粒磨损试验结果

2.5 高碳高钒高速钢高耐磨性原因分析

在磨粒磨损条件下，高碳高钒高速钢具有优良的耐磨性，其主要原因如下：在磨粒磨损条件下，高碳高钒高速钢具有优良的耐磨性，其主要原因如下：碳化物的硬度高，在高碳高钒高速钢的基体上弥散的分布着大量的VC型碳化物． 而VC的显微硬度可高达HV2600～2800，碳化物形态好。高碳高钒高速钢中的碳化物VC是离散均匀分布的．其形状多为球状、团球状和团块状，只有少量的VC呈短杆状和条状，与杆状和板条状的Cr7C3相比，既有利于提高冲击韧性，又有利于提高耐磨性。淬透性好，基体硬度高。高碳高钒高速钢具有很高的淬透性。经1050℃空冷，550 q c回火的高碳高钒高速钢的基体组织为马氏体+残余奥氏体．经我们分析得到高碳高钒高速钢的显微硬度为HV 725～802，高于高铬铸铁的基体硬度HV633～72 l。

3 结语

（1）在磨粒磨损条件下，高碳高钒高速钢的相对耐磨性是高铬铸铁的3.2倍。高碳高钒高速钢中的碳化物硬度高、形状好、均匀分布在坚硬的基体上．是其具有优良耐磨性的主要原因。

（2）高碳高钒高速钢的硬度和冲击韧性均高于高铬铸铁。可以成为高铬铸铁的安全可靠的更新换代产品。采取适当的热处理工艺可以使M C型碳化物呈颗粒状弥散均匀分布。对提高耐磨性及冲击韧性具有重要意义。高碳高钒高速钢在冶金矿山行业有广阔的推广应用前景。

[1]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 I:Microstructural analysis.Materials Sci ence and Engineering.1998.254(1-2):282-295

[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]贺秀芳译.热带粗轧机用高速钢轧辊的开发[J].轧钢，1996，（4）.

[4]魏世忠，倪锋，龙锐，等.高碳高钒耐磨合金定向凝固过程研究[J].铸造，2003，52（10）：20-24.

[5]于新泉，关绍康，王利国等.变质处理对复合轧辊用高速钢组织和性能的影响[J].钢铁研究学报，2003，15（1）：46-51