V含量对V-Cr-Mn合金白口铸铁干摩擦磨损性能的影响

于婷，清水一道，楠本賢太



V含量对V-Cr-Mn合金白口铸铁干摩擦磨损性能的影响

于婷1，清水一道2，楠本賢太2

(1.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028；2.室兰工业大学 制造与工程设计中心，日本北海道 室兰 0508585)

采用SEM、XRD、EDS以及往复式干摩擦磨损试验机对V含量不同的V-Cr-Mn合金白口铸铁的显微组织以及干摩擦磨损性能进行了研究.结果表明：V含量不同的V-Cr-Mn合金白口铸铁的显微组织均为奥氏体、MC型碳化物及M7C3型碳化物；V含量为7.5 %的V-Cr-Mn合金白口铸铁在室温下的干摩擦磨损性能优于V含量为10%和5%的V-Cr-Mn合金白口铸铁；不同V含量的V-Cr-Mn合金白口铸铁的干摩擦磨损性能与合金碳化物的硬度、颗粒尺寸及含量有关.

V-Cr-Mn合金白口铸铁；干摩擦磨损性能； MC、M7C3型合金碳化物

0 引言

在冶金、矿山等行业中，每年因磨损而失效的机械设备和零部件很多，造成的经济损失相当巨大[1-2].企业通常采用堆焊或替换磨损部件等方法来解决磨损问题，保证生产.但堆焊后的零部件性能不稳定，存在一定的安全隐患，因而在精密、高速的生产过程中企业一般采用定期更换磨损部件的方法.而某些易磨损零部件的更换周期较短，导致生产成本增加，生产效率降低[3].因此，工业领域渴望高性能、低价格耐磨材料的诞生.

铬系耐磨白口铸铁是现今应用较广，生产技术较完善的耐磨材料之一.然而，铬系白口铸铁中的网状M7C3型碳化物虽然具有较高的硬度和一定的韧性，但其对基体仍有一定的割裂作用，因而其使用范围有一定的局限性[4].强碳化物形成元素V与C结合可以形成硬度高达2800HV的VC.VC不仅硬度高于M7C3型碳化物(1 200 HV～1800 HV)，而且其形貌为颗粒状或球状，对基体几乎无割裂作用[5].文献[5-7]研究了V在中铬白口铸铁中的作用.研究发现，V可以强化中铬白口铸铁基体组织，改善碳化物的种类、形貌及分布情况，使中铬白口铸铁具有潜在的良好耐磨损性能.因此本实验通过向Cr含量为9%的合金白口铸铁中加入不同含量的V，研究了V对中铬白口铸铁的干摩擦磨损性能的影响.

1 实验材料与方法

本实验V-Cr-Mn合金白口铸铁的设计成分为5%、7.5%、10%的V，9%Cr、4%Mn以及1%Si，其余为Fe.其中Mn的主要作用为提高奥氏体的稳定性.根据设计成分，将Fe-V(82.31%V)、Fe-Cr(69.45%Cr)、Fe-Mn(75.41%Mn)、Fe-Si(75.21%Si)、废钢以及生铁作为原材料，采用感应电炉进行熔炼，熔炼温度为1500℃.充分熔炼后浇注成，长为125 mm、横截面积为53 mm×53mm的Y型铸锭.V-Cr-Mn合金白口铸铁的实际成分及热处理工艺如表1所示.

采用JSM-6510A型扫描电子显微镜(SEM)及其附带的JED-2300能谱仪(EDS)对抛光后的V-Cr-Mn合金白口铸铁的显微组织进行观察和能谱分析；采用Rint-Ultima+型X射线衍射仪(XRD)对物相进行分析；采用FV-800和FM-300型硬度计测定硬度；采用石墨球化率测定软件(Ver.2.2)测定碳化物含量.采用NUS-ISO3型干摩擦磨损试验机进行干摩擦磨损试验.干摩擦磨损实验在常温下进行，试验片尺寸为50mm×40 mm×4 mm，载荷为19.6N，磨料为18#的SiC砂纸，砂纸粒度为78 μm，SiC磨粒硬度为2 600 HV[8].

表1 V-Cr-Mn系白口铸铁的成分及热处理条件

2 实验结果与分析

2.1 不同V含量V-Cr-Mn合金白口铸铁的微观组织

图1、图2分别为不同V含量V-Cr-Mn合金白口铸铁的X射线衍射图谱及扫描电镜组织.由图1、图2可以看出，不同V含量V-Cr-Mn合金白口铸铁的显微组织均由γ-Fe相、以VC为主的MC型碳化物相和M7C3型碳化物相组成(如图1所示).并且MC型碳化物和M7C3型碳化物呈颗粒状、花瓣状、短棒状和网状(如图2所示).结合7.5V-9Cr合金白口铸铁的面能谱分析图,如图3.

可以判断颗粒状、花瓣状以及短棒状的组织为MC型碳化物，而网状组织为M7C3型碳化物.

图1 不同V含量V-Cr-Mn合金白口铸铁的X射线衍射图谱

图2 不同V含量的 V-Cr-Mn合金白口铸铁的扫描电镜组织

图3 7.5V-9Cr合金白口铸铁的面分析能谱图

表2为不同V含量V-Cr-Mn合金白口铸铁的合金碳化物含量.由表2可以看出，7.5V-9Cr和5V-9Cr合金白口铸铁的总合金碳化物含量较高，均在20%以上，而10V-9Cr合金白口铸铁的总合金碳化物含量相对较低约为16%.并且随着V含量的增加，V-Cr-Mn合金白口铸铁中的MC型碳化物含量逐渐增加，M7C3型碳化物含量逐渐减少.这是因为V不仅能够促进MC型碳化物的生成，而且能够抑制M7C3型碳化物的生成，且V含量越高其作用越明显.根据文献[5]可知MC型碳化物、M7C3型碳化物含量的变化对合金白口铸铁的磨损性能有很大影响.

表2 不同V含量的V-Cr-Mn合金白口铸铁的碳化物含量

2.2 不同V含量的V-Cr-Mn合金白口铸铁的硬度

表3为不同V含量V-Cr-Mn合金白口铸铁试样的整体及各相的显微组织硬度.由表3可以看出，不同V含量V-Cr-Mn合金白口铸铁试样的整体硬度相差不大，约为52HRC；MC型碳化物的硬度最高，约为M7C3型碳化物的2倍.奥氏体的硬度介于338～404 HV之间.

表3 不同V含量的V-Cr-Mn合金白口铸铁试样的显微组织硬度及整体硬度

2.3 不同V含量的V-Cr-Mn合金白口铸铁的干摩擦磨损性能

图4为不同V含量V-Cr-Mn合金白口铸铁的干摩擦磨损量随摩擦次数的变化图.由图4可以看出， 不同V含量的V-Cr-Mn合金白口铸铁的磨损量均随摩擦次数的增加而增加，其中7.5V-9Cr合金白口铸铁的磨损量最小，耐干摩擦磨损性能最好，5V-9Cr和10V-9Cr合金白口铸铁的磨损量较大，耐干摩擦磨损性能较差.

图4 不同V含量V-Cr-Mn合金白口铸铁的干摩擦磨损量随摩擦次数的变化

图5为不同V含量的V-Cr-Mn合金白口铸铁的干摩擦磨损表面.从图5可以看出：不同V含量的V-Cr-Mn合金白口铸铁的干摩擦磨损表面均存在大量凹凸不平的沟槽和划痕，呈现典型的磨粒磨损特征，并且MC型碳化物颗粒的内部结构遭到严重破坏，M7C3型碳化物上存在明显的切削痕迹，磨料的磨损轨迹有偏离摩擦轨道的迹象(如图5(b)).这表明SiC磨料对不同V含量的V-Cr-Mn合金白口铸铁进行了磨料切削作用.在磨损过程中SiC磨料对MC型碳化物颗粒进行了碰撞和挤压作用.在不断地撞击和挤压过程中，一方面MC型碳化物在抵抗SiC磨料碰撞和挤压的过程中内部结构逐步遭到破坏，直至粉碎，最终脱离基体，且MC型碳化物的颗粒尺寸越大，抵抗SiC磨料碰撞和挤压能力越强，耐磨性能越好.另一方面SiC磨料在移动的过程中受到MC型碳化物的阻碍，出现偏离磨损轨道的现象.另外，M7C3型碳化物也具有一定的耐磨性能，但其相对SiC磨料较软，因而在干摩擦磨损过程中M7C3型碳化物被SiC磨料逐层切削，脱离基体.

图5 不同V含量的V-Cr-Mn合金白口铸铁的干摩擦磨损表面

3 讨论

由2.3可知，7.5V-9Cr合金白口铸铁的耐干摩擦磨损性能最好，5V-9Cr和10V-9Cr合金白口铸铁的耐干摩擦磨损性能较差.并且该干摩擦磨损的机理为磨粒磨损，磨损后的MC型碳化物的内部结构遭到严重破坏，M7C3型碳化物被逐层切削.显然MC型碳化物和M7C3型碳化物对干摩擦磨损进行了较强的抵抗作用.随V含量的增加MC型碳化物的含量增加，而M7C3型碳化物的含量减少(表2).因此10V-9Cr合金白口铸铁中的MC型碳化物含量最多，M7C3型碳化物含量最少，5V-9Cr合金白口铸铁中的MC型碳化物含量最少，M7C3型碳化物含量最多，而7.5V-9Cr合金白口铸铁中的MC型碳化物和M7C3型碳化物含量均居中.由于MC型碳化物的硬度高于M7C3型碳化物，且MC型碳化的形貌为对基体几乎无割裂作用的球状和颗粒状，因此MC型碳化物的耐磨性能优于M7C3型碳化物.一般认为钒合金铬系白口铸铁中MC型碳化物含量越高，其耐磨性能越好[9].该结论忽略了MC型碳化物颗粒尺寸以及M7C3型碳化物对耐磨性能的影响.

在本实验中MC型碳化物的颗粒尺寸越大，V-Cr-Mn合金白口铸铁的耐干摩擦磨损性能越好，且M7C3型碳化物虽然耐磨性能较MC型碳化物颗粒差，但也具有一定的耐磨性能.因此大颗粒的MC型碳化物以及M7C3型碳化物的含量越多，V-Cr-Mn合金白口铸铁的干摩擦磨损性能越优异.由于V能够细化组织，且V含量越高细化作用越强，组织尺寸越小[5-7]，所以10V-9Cr合金白口铸铁中的MC型碳化物的颗粒尺寸相对较小，并且其M7C3型碳化物的含量也相对较低，因此10V-9Cr合金白口铸铁的耐干摩擦磨损性能较差.而5V-9Cr合金白口铸铁虽然含有较多的M7C3型碳化物，但MC型碳化物含量较少，其耐干摩擦磨损性能同样较差.综上所述7.5V-9Cr合金白口铸铁耐干摩擦磨损性能最好.

4 结论

(1)不同V含量的V-Cr-Mn合金白口铸铁的显微组织均由MC型碳化物、M7C3型碳化物及奥氏体组成.且随着V含量的增加，MC型碳化物含量增加，M7C3型碳化物含量减少；

(2)不同V含量V-Cr-Mn合金白口铸铁试样的整体硬度相差不大，为52HRC左右.而M7C3型碳化物硬度约为1 200 HV，MC型碳化物的硬度最高，约为2 200 HV，是M7C3型碳化物的两倍；

(3)7.5V-9Cr合金白口铸铁耐干摩擦磨损性能优于5V-9Cr和10V-9Cr合金白口铸铁.

致谢：感谢大连交通大学材料科学与工程学院丁志敏教和沈长斌教授对论文工作的指导。

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YU Ting1, K.Shimizu2, K.Kusumoto2

(1.School of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2.Manufacturing and Engineering Design Center, Muroran Institute of Technology, Muroran 0508585, Japan)

The microstructures and dry friction and wear properties of V-Cr-Mn alloy white cast iron containing different V content were studied by SEM, XRD, EDS and reciprocating dry friction and wear testing machine. The results indicate that the microstructures of the V-Cr-Mn alloy white cast iron with different V content are austenite, MC type carbides and M7C3carbides. The dry friction wear resistance at room temperature of the V-Cr-Mn alloy white cast iron with 7.5%(wt) V content is better than that of 10% and 5%V content; The dry friction and wear properties of the V-Cr-Mn alloy white cast iron containing different V content were related to the hardness, particle size and content of alloy carbide.

V-Cr-Mn alloy white cast iron; dry friction and wear properties; MC, M7C3type carbide

1673- 9590(2016)02- 0107- 05

2015-07-24

于婷(1988-)，女，硕士研究生，主要从事金属的强韧性的研究E- mail:tingzideyouxiang@163.com.

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