Mo和变质处理对高钒高速钢耐磨性的影响

梁 刚， 王振廷

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院，哈尔滨150022)

高钒高速钢是一种具有良好冲击韧性、高硬度和优良耐磨性的材料，近年来，被用于采煤机锤头制造［1］。高钒高速钢锤头的耐磨性比高铬铸铁锤头高出3～4 倍，这是由于V 的加入使得基体中的碳形成了VC，VC 熔点高，在奥氏体化过程中会有少量溶解在碳化物中，加强钢的二次硬化，而保留的VC又可极大地提高其耐磨性［2－4］。与其他高速钢相比，高钒高速钢具有更加优异的耐磨性能，其耐磨性成为高速钢研究的重点领域［5－7］。Mo 可以提高高钒高速钢的韧性硬度、淬透性和回火硬度［8－10］。笔者通过添加Mo 和变质处理改变高钒高速钢显微组织中碳化物的形貌和分布，并对不同的高钒高速钢试样进行室温干磨损实验，为高钒高速钢的发展提供了理论依据。

1 实验材料与方法

1.1 材料

实验主要原料为生铁、钼铁、废钢、钒铁，其化学成分见表1。实验用的变质剂为RE －Mg 变质剂。物相分析与磨损实验试样分别为未变质高钒高速钢、变质高钒高速钢和变质高钒钼高速钢，其化学成中C 和V 的质量分数分别为3.5%和5.0%，Mo 元素的质量分数为0.5%。由于稀土镁合金是变质剂出炉后再放入浇包的，且含量较少，故忽略不计。

表1 实验原料化学成分Table 1 Chemical composition of raw materials

1.2 方法

试样制备实验选用2 kg 真空感应炉，加料先后顺序为生铁、废钢、钒铁、钼铁。钒铁在出钢前5～7 min内加入，可以有效防止铁水在熔化过程中过分氧化，钼铁在钒铁熔化后立即加入。采用包底冲入法进行RE－Mg 变质处理。出炉温度约1 500 ℃，浇注温度约1 450 ℃，选用砂型为浇注铸型，砂型可以直接浇注，浇包需进行预加热以防止过冷使金属液冷却过快。

热处理实验在KSL －1600X 型箱式炉中进行，升温速率为7 °C/min，加热到1 000 °C 保温1 h 空冷后，经过250 °C 回火1 h 处理。采用X 射线衍射仪和金相显微镜进行物相分析和微观形貌观察。

耐磨性实验在室温下进行，采用MMS－2A型屏显式摩擦磨损实验机，对磨材料为GCr15 的对磨环，载荷为200 N，磨损时间为60 min，转速为200 rad/min。磨损后，采用AB265 －S 型双量程分析天平称重。

2 结果与分析

2.1 物相与组织分析

图1 为热处理后高钒高速钢金相组织。其中图1a为未变质高钒高速钢，图1b 为变质高钒高速钢，图1c 为变质高钒钼高速钢。经过热处理后，大部分残余奥氏体转变为马氏体，并且在马氏体基体析出了弥散型颗粒状碳化物，且比较均匀，显微组织由马氏体基体、少量残余奥氏体和碳化物组成。加入RE－Mg 变质剂和Mo 之后，高钒高速钢中大块碳化物破碎，变为更细小的碳化物。

图1 热处理后高钒高速钢的金相组织Fig．1 Microstructure of high vanadium high speed steel after heat treatment

图2 为热处理和铸态下未变质高钒高速钢、变质高钒高速钢和变质高钒钼高速钢的XRD 衍射图谱。碳化物类型及衍射强度与加入的合金元素种类和含量有关。由图2 可以看出，高钒高速钢铸态显微组织由奥氏体基体(A)及V、Mo 元素形成的碳化物组成。由于Cr 元素含量很少，未形成碳化物，故此图谱中未标出。经过热处理后，高钒高速钢的基体组织由奥氏体转变为马氏体(M)，碳化物由V8C7转变为V2C。

图2 热处理和铸态下高钒高速钢XRD 衍射图谱Fig．2 XRD patterns of high vanadium high speed steel under heat treatment or casting

2.2 耐磨性分析

1 000 ℃热处理后的未变质高钒高速钢、变质高钒高速钢和变质高钒钼高速钢摩擦系数－时间曲线，见图3。由图3 可以看出，在相同条件下，变质高钒钼高速钢的摩擦系数最小，未变质高钒高速钢的摩擦系数最大。影响摩擦系数的因素有试样表面的粗糙程度、磨粒压入试样表面的深度及摩擦过程中试样表面的微变形程度［11－12］。磨粒压入试样的深度取决于试样的软硬程度，微变形程度取决于试样的硬度和耐磨损程度。以上分析表明，变质高钒钼高速钢表面坚硬比较耐磨，磨粒压入其表面深度较浅;未变质高钒高速钢的磨粒压入表面深度较深。

图3 摩擦系数随时间的变化Fig．3 Change of friction coefficient over time

图4 为未变质高钒高速钢、变质高钒高速钢和变质高钒钼高速钢的失重量变化情况。由图4 可以看到，室温干磨损实验中，变质高钒钼高速钢的相对磨损量最小，仅为0.011 9 g，耐磨性能最好。

图4 失重量变化Fig．4 Change of wear quantity

试样磨损面与对磨环相对滑动使材料表面发生严重的塑性变形，从而产生一定的形变强化，使其耐磨性升高。试样在1 000 ℃热处理、250 ℃回火后，组织变为回火马氏体，材料硬度增加，高硬度的马氏体有效阻止了磨粒对基体的滑伤，防止磨损过程中碳化物突出而发生早期剥落，并且保护高硬度碳化物耐磨相，提高其耐磨性。当磨粒对基体造成划伤后，首先是较软的表层基体磨损，随后是凸出并呈网状分布的硬质碳化物磨损，这些碳化物对内部基体具有屏蔽作用，使得基体的磨损速率减缓。变质处理并加入Mo 元素之后，大部分网状碳化物的晶粒细化，硬质碳化物尺寸变小，均匀地弥散分布在基体中，增加了硬质碳化物晶粒表面积和晶粒间的结合力。硬质碳化物与对磨环的接触变为近似于点接触或线接触，磨料极难存在于此接触界面上，实际接触面积变小，力的作用全部集中到凸出的硬质碳化物上，磨损率减少。

3 结 论

(1)高钒高速钢经普通砂型铸造热处理后，组织主要由马氏体、Fe3C 和V2C 组成。

(2)用RE－Mg 变质剂对高钒高速钢进行变质处理，高钒高速钢碳化物明显细化，加入Mo 元素后，晶粒更加细化且碳化物弥散分布。

(3)Mo 元素的加入有效提高了高钒高速钢的耐磨性。在室温、载荷200 N、磨损时间60 min、转速200 rad/min 的条件下，变质高钒钼高速钢的失重量为0.011 9 g。

［1］刘冬冬，张国赏，魏世忠，等．高钒高速钢磨损性能的研究现状［J］．铸造技术，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］刘海峰，刘耀辉，于思荣．高碳高钒系高速钢的耐磨性研究［J］．摩擦学学报，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，张永振，等．滑动率对高钒高速钢滚－滑动摩擦磨损行为的影响［J］．材料热处理学报，2012，33(9):

43 －48．

［8］宋育来，汪 兵，陈邦文，等．钼、钛对700MPa 级耐候钢组织与力学性能的影响［J］．钢铁研究学报，2011，23(7):31－35．

［9］王珍传，徐 乐，刘文忠，等．钼、氮元素对钛微合金化马氏体钢的力学性能影响［J］．钢铁研究学报，2013，25(8):32－36．

［10］郑丽娟，刘会莹，付学中，等．Mo 强化Fe-Cr-C 系堆焊材料组织和力学性能分析［J］．热加工工艺，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，王成国，周新建，等．不同摩擦系数条件下的轮轨滚动接触特性分析［J］．中国铁道科学，2011，32(4):66－71．