含钨3.0%高钒铸铁的组织与耐磨性能

王振廷，冯 帆，朱士奎，尹吉勇

（黑龙江科技大学 材料科学与工程学院，哈尔滨150022）

含钨3.0%高钒铸铁的组织与耐磨性能

王振廷，冯 帆，朱士奎，尹吉勇

（黑龙江科技大学 材料科学与工程学院，哈尔滨150022）

为提高材料的硬度和耐磨性能，以生铁、钼铁、钒铁、钨铁和废钢为原料，采用中频感应炉在大气环境下熔炼、浇注出含钨质量分数3.0%的高钒铸铁。利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、能谱分析仪（EDS）等手段对含钨3.0%高钒铸铁进行组织性能和物相分析；通过冲击韧性实验、洛氏硬度实验和室温下干滑动摩擦实验等，对热处理前后含钨3.0%的高钒铸铁的硬度及其耐磨性进行研究。实验结果表明：热处理前后含钨3.0%的高钒铸铁中，钒的主要碳化物为VC，近似球状或杆状；VC中还固溶了Mo、W、Fe等合金元素，最高硬度为63.7 HRC，冲击韧性达到9.65 J/cm2，磨损失量为0.001 5 g，其硬度、冲击韧性、耐磨性等均有很大提高。

高钒铸铁；钨；组织性能；摩擦磨损

0　引　言

在工业生产中，破碎机锤头等零件多以高铬铸铁作为耐磨材料，其耐磨性依靠较硬的马氏体基体以及在基体中分布的M7C3型碳化物。这些碳化物具有很高的硬度，可以显著提高高铬铸铁的耐磨性［1］。有相关试验研究表明，高钒铸铁材料耐磨性要优于高铬铸铁，且使用寿命是高铬铸铁的3倍多。钒是强碳化物形成元素，可以与碳形成硬度为2 600 HV的碳化物［1］。钒的碳化物在基体中通常为弥散分布的颗粒状或块状，其形状圆润、分布均匀，对基体的割裂作用大大减少，有助于提高材料的冲击韧度［2］。钨元素也是强碳化物形成元素之一，其碳化物硬度较高，稳定性较好，是耐磨材料中理想的合金元素［3-4］。

文中以钒作为主要合金元素，研究通过添加钨元素，研制适合破碎机锤头的高硬度、高耐磨合金材料。通过添加钨元素改善高钒铸铁的组织特征，提高合金材料冲击韧性，抗磨性等综合性能。以硬度更高的碳化物替代硬度较低的碳化物，以弥散分布、呈球状或近似球状碳化物替代断续分布、呈条块状的碳化物，在大幅度提高材料耐磨性的同时提高其冲击韧性。目前，国内外已有的关于高铬铸铁和高钒铸铁的研究较多［5-10］，但是关于含钨高钒铸铁的组织及性能的影响尚未见报道，因此，笔者通过成分设计，材料配比，制备含钨3.0%的高钒铸铁，探究其组织性能，对其硬度及耐磨性能进行研究。

1　实验条件与方法

以生铁、钼铁、钒铁、钨铁和废钢作为主要原料，各原料化学成分见表1。设计W元素质量分数3.0%的高钒铸铁的成分配比，见表2，采用炉料量为2 000 g的中频感应炉熔炼、浇注含钨高钒铸铁试样。

熔炼前对原材料进行烘干，熔炼温度控制在1 550℃。由于钒易在熔炼过程中被氧化，所以要待其他原料完全熔化后，熔体经过扒渣、静置后再加入钒铁，然后插铝脱氧、保温静置3 min迅速出炉。为避免浇包与铁液间的温差过大，浇注前要预热浇包。出炉前采取包底冲入法，将变质剂烘干后置于包底，变质处理后进行搅拌，扒渣，最后迅速浇注成棒状铸态试样，并将一部分铸铁试样进行热处理。热处理工艺参数为：950℃高温淬火和400℃回火。

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

表2　成分配比Table 2　Proportion of components　%

采用NH7720型电火花切割机将试样切割成10 mm×10 mm×10 mm，使用V（HNO3）∶V（HF）=9∶1的腐蚀液对试样进行腐蚀，采用FEI Quanta200型扫描电镜（SEM）进行显微组织观察，并结合依附于该扫描电镜的EDAX Genesis2000型能谱分析仪分析组织成分，通过Rigaku D/max 2200旋转阳极X射线衍射仪作物相组成分析。采用HR-150洛氏硬度计测量硬度。每组无缺口标准试样的取样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，采用JB-30型摆锤式冲击试验机，作冲击韧性实验。在MMS-2A型屏显式摩擦磨损试验机上作室温干燥滑动摩擦实验：试样切割尺寸10 mm×10 mm×7 mm的试块，用直径40 mm热处理后的GCr15作对磨坏，载荷200 N，对磨时间60 min，动磨轮转速200 r/min。用AB265-S型双量程分析天平称量磨损失量。

2　结果与分析

2.1显微组织及特征

图1为含钨3.0%高钒铸铁SEM照片。图1a可见许多细小颗粒，弥散均匀但不连续地分布在基体中。图1b为图1a中方框区域的放大照片，可以清晰地看到，颗粒的形态近似球状或杆状，直径大约在2～10 μm；也有少部分不规则块状，尺寸在1～2 μm。

图1　含钨3.0%高钒铸铁SEM照片Fig.1 SEM photo of 3.0%high vanadium

图2为含钨3.0%的高钒铸铁能谱分析。图1中标记为A的晶粒中，主要的化学组成元素是V、Mo、W、Fe、C。标记为B的基体部分中，主要的化学组成元素是V、Mo、W、Fe、C。

2.2物相分析

图 3为含钨 3.0%高钒铸铁热处理前后的XRD。图3a为铸态高钒铸铁XRD图谱，图3b为热处理后XRD图谱。从XRD图谱中可以看出：热处理后高钒铸铁的衍射峰与铸态高钒铸铁衍射峰相比，其强度明显增强；碳化物主要形式均为VC，热处理前后高钒铸铁中的碳化物种类无明显变化。结合能谱分析推断，高钒铸铁中的主要碳化物VC中熔入了Mo、W、Fe等元素，α-Fe中固溶了W、Mo、V等合金元素，起到固溶强化的作用。

2.3冲击韧性

图4为不同淬火温度下冲击韧性曲线。从图4可以得知，含W3.0%的高钒铸铁，无论是铸态还是经不同温度热处理（淬火+400℃回火）后，冲击韧性均高于不含W的高钒铸铁。且含W3.0%的高钒铸铁经950℃热淬火处理后，冲击韧性均达到最大值9.65 J/ cm2。冲击韧性达到最大值后，随着淬火温度的不断增加，高钒铸铁的冲击韧性曲线呈下降趋势。这是由于在同一回火温度下，淬火温度逐渐升高，残余奥氏体量逐渐增大，导致冲击韧性逐渐降低。

图2　含钨3.0%高钒铸铁能谱分析Fig.2 Energy spectrum analysis of high vanadium cast iron with tungsten 3.0%

图3　含钨3.0%高钒铸铁热处理前后的XRDFig.3　XRD spectra of 3.0%high vanadium cast iron and heat treated with high vanadium content

图4　不同淬火温度下冲击韧性曲线Fig.4 Impact toughness curve at different quenching temperatures

2.4硬度及耐磨性能

图5为洛氏硬度测试曲线。从图5中可以看出，无论是铸态还是经过不同温度热处理 （淬火+ 400℃回火），含W3.0%的高钒铸铁的硬度均高于不含W高钒铸铁的硬度。经950℃淬火，400℃回火后，含钨3.0%高钒铸铁的洛氏硬度最高，达到63.7 HRC，随着淬火温度的增加，高钒铸铁硬度下降。分析认为，在热处理过程中，奥氏体相析出的碳结合了溶于基体中的W、Mo等元素，析出碳化物，从而降低了基体的洛氏硬度。

图5　洛氏硬度测试曲线Fig.5 Rockwell hardness test curve

图6为磨损质量对比。从图6中可以看出，铸态以及 980℃+400℃回火处理的高钒铸铁，含W3.0%的磨损量小于不含W的磨损量，体现了相对较好的耐磨性。经950℃淬火和400℃回火处理，含钨3.0%的与不含W的高钒铸铁磨损量均为0.001 5 g。可见，W元素的加入可以提高高钒铸铁的硬度及耐磨性，但其耐磨性能除了受到硬度和W元素影响外，还受到其他因素的影响。高钒铸铁具有优良的耐磨性能，其主要原因，一是碳化物硬度高，VC显微硬度为2 600 HV，比一般碳化物显微硬度硬度都要高很多；二是碳化物的形态好，VC是均匀分布的，其形状多为球状、团状和团块状，只有少量的VC呈现条状，既有利于冲击韧性提高，又有利于提高耐磨性；三是淬透性好，基体硬度高，W、Mo、V等合金元素，提高了材料的淬透性。

图6　磨损质量对比Fig.6 Wear mass loss

3　结　论

（1）含W3.0%的高钒铸铁中碳化物以VC为主要存在形式，并含有少量Mo、W、Fe等元素。V、Mo、W、C等元素固溶在基体中，使基体硬度得到提高。

（2）含W3.0%的高钒铸铁，经950℃淬火+400℃回火，硬度、冲击韧性均达到最大值，分别为63.7 HRC、9.65 J/cm2。与相同实验条件下不含W的高钒铸铁相比较，冲击韧性和硬度有很大提高。随热处理温度升高，冲击韧性、硬度明显降低。

（3）经 950℃淬火+400℃回火热处理，含W3.0%的高钒铸铁与不含W的高钒铸铁磨损失量均为0.001 5 g，W元素能够有效地提高高钒铸铁的耐磨性能，但其耐磨性能除了受到硬度和W元素影响外，还受到其他因素的影响。

［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］陈慧敏，徐流杰，李朝峰，等.碳含量影响高钒高速钢摩擦磨损性能的试验研究［J］.铸造技术，2008，29（10）:1335-1339.

［3］赵传蓉，王媛媛，李亮.热处理工艺对高钒铸铁组织和性能的影响［J］.铸造技术，2014，14（4）:692-694.

［4］徐流杰，魏世忠，龙 锐，等.高钒高速钢中碳化钒的形态分布研究［J］.铸造，2003，52（11）:1069-1073.［5］于广文，孙玉福，李志明，等.钨对Cr24高铬铸铁组织及性能的影响［J］.铸造，2007，12（2）:1316-1319.

［6］魏世忠，韩明儒，徐流杰.高钒高速钢耐磨材料［M］.北京:科学出版社，2009.

［7］XU L J，WEI S Z，XING J D，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（1）:34-41.

［8］LIU CHUNSHENG，WANG QINGHUA，LI DEGEN.Fractal characteristic and specific energy model of conical picks cutting resistance spectrum［J］.Journal of China Coal Society，2015，40（11）: 2623-2628.

［9］XU L J，X ING J D，WEI S Z，et al.Optimization of heat treatment technique of high-vanadium high-speed steel based on back-propagation neural networks［J］.Materials&Design2007，28（5）:1425-1432.

［10］WEI S Z，ZHU J H，XU L J.Effects of vanadium and carbon on microstructures and abrasive wear resistance of high speed steel［J］.Tribology International，2006，39（4）:642-645.

［11］杨跃辉，张晓娟，褚祥治，等.合金元素对高Cr铸铁组织和性能的影响［J］.唐山学院学报，2013（6）:26-29.

（编辑徐岩）

Microstructure and wear resistance of high vanadium cast iron which is 3.0%tungsten inclusive

WANG Zhenting，FENG Fan，ZHU Shikui，YIN Jiyong
（School of Materials Science&Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China）

This paper discusses a novel study directed at improving the wear resistance and hardness of materials.The study involves melting and pouring the high vanadium alloy cast iron with W（mass fraction）of 3.0%in atmospheric environment using raw materials such as pig iron，molybdenum iron，vanadium iron，tungsten iron，and scrap steel and using intermediate frequency induction furnace.The paper goes on to detail an analysis of phases and microstructures properties of high vanadium iron containing 3.0%tungsten by scanning electron microscopy（SEM），X-ray diffraction（XRD），energy spectrum analyzer（EDS）；and an identification of the hardness and wear resistance of the high vanadium alloy cast iron containing W （mass fraction）of 3.0%before and after heat treatment by impact toughness test，rockwell hardness test，and dry sliding friction test under room temperature. Results show that，in high vanadium cast iron with 3.0%tungsten before and after heat treatment，vanadium is dominated by carbide VC，behaving as a approximate spherical or rod-shaped structure；and solid solution treatment of Mo，W，Fe and other alloying elements in VC contributes to the maximum hardness of 63.7 HRC，the impact toughness of 9.65 J/cm2，and the wear loss of 0.001 5 g，suggesting a significantly greater improvement in hardness，impact toughness，and wear resistance.

high vanatium cast iron；tungsten；mincrostructure propertics；friction and wear

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.012

TG174；TG115.58

1671-0118（2013）06-0633-04

A

2015-09-10

黑龙江省应用技术研究与开发计划项目（GC13A113）

王振廷（1965－），男，黑龙江省鸡西人，教授，博士后，研究方向：表面工程与耐磨材料，E-mail:wangzt2002@163.com。