高釩合金鑄鐵的組織與耐磨性能

王振廷,　高紅明,　葛升平,　于書經(jīng),　趙春香

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院， 哈爾濱 150022)

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高釩合金鑄鐵的組織與耐磨性能

王振廷1,高紅明1,葛升平1,于書經(jīng)1,趙春香2

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院， 哈爾濱 150022)

為了提高合金鑄鐵的耐磨性,通過成分設(shè)計、材料配比以及熔煉澆注等工藝,制備出含C質(zhì)量分數(shù)為3.0%的高釩合金鑄鐵,并分析了高釩合金鑄鐵的組織與耐磨性能。利用掃描電鏡(SEM)和X射線衍射儀(XRD)對高釩合金鑄鐵的顯微組織及物相進行分析,并對高釩合金鑄鐵的洛氏硬度、沖擊韌性和耐磨性進行研究。結(jié)果表明：高釩合金鑄鐵的組成相主要為原位合成的VC硬質(zhì)顆粒相、(Cr,Fe)7C3相以及Fe-Cr相,其平均洛氏硬度約為HRC64.2,平均沖擊韌性為8.8 J/cm2,耐磨性是高鉻鑄鐵的2倍左右,具有很好的耐磨性能。

高釩合金鑄鐵; 原位合成VC; 組織與耐磨性能

0　引　言

近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)節(jié)奏和工作效率變得越來越快,機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度越來越高。由于機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)系統(tǒng)與摩擦和磨損有著密切的關(guān)系,所以每年機械設(shè)備被磨損消耗的速度也隨之加快,摩擦磨損給生產(chǎn)企業(yè)及國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟損失[1-3]。因此，對耐磨材料的研究一直是人們關(guān)注的課題[4-6]。從高錳鋼到高鉻鑄鐵再到高釩高速鋼,耐磨材料也在不斷發(fā)展,其耐磨性有了很大提高[7-11]。研究表明,V在高含量時,比Cr、Mo與C元素的結(jié)合能力強,更易形成碳化物,主要形成VC。VC晶粒細小,呈團球狀或近球狀彌散分布在基體上,它硬度高,在較高的應(yīng)力下不易破碎,既可以很好地保護基體,又能夠有效地抵擋物料的切削,進而提高材料的沖擊韌性、硬度、熱硬性和耐磨性[12-15]。筆者通過成分設(shè)計、材料配比以及熔煉澆注等工藝,制備高釩合金耐磨鑄鐵,并分析研究高釩合金耐磨鑄鐵的組織和性能。

1　實驗材料與測試

熔鑄材料選用高碳鉻鐵、鉬鐵、釩鐵、鎢鐵、硼鐵、鈦鐵、生鐵及廢鋼。首先通過成分設(shè)計以及大量的實驗研究,綜合考慮材料的硬度、耐磨性及韌性,設(shè)計最佳的高釩合金鑄鐵的成分,如表1所示。然后,根據(jù)爐料質(zhì)量和爐子實際情況,進行配料計算,并用真空感應(yīng)熔煉爐熔煉配制好的原料。向熔爐內(nèi)填加爐料時要根據(jù)各種元素的燒損率及熔點,最終確定填加爐料的順序。實驗的填料順序依次為生鐵、廢鋼、鎢鐵、鉬鐵、鉻鐵、釩鐵。由于釩鐵不但燒損量比較大,而且V元素也易氧化,所以釩鐵應(yīng)該在進行預(yù)脫氧處理之后再加入。在出爐前還需進行終脫氧處理,同時,還要作復(fù)合變質(zhì)處理,加入鈦鐵和硼鐵。最后,為了改善碳化物的形態(tài),在鐵液出爐時,以包底沖入法用稀土進行變質(zhì)處理，再進行澆注,澆注溫度在1 450 ℃左右。

表1高釩合金鑄鐵成分的質(zhì)量分數(shù)

Table 1　Composition proportion of high vanadium alloy cast iron　%

試樣的測試,采用MX2600FE型掃描電子顯微鏡(SEM),觀察制備的高釩合金鑄鐵的微觀組織形貌;采用XD-2型X射線衍射儀并結(jié)合能譜分析儀(OX-FORD),對高釩合金鑄鐵進行物相分析;用洛氏硬度計測試高釩合金鑄鐵的洛氏硬度,磨損實驗是在室溫干滑動的條件下進行,采用MMS-2A摩擦磨損實驗機,試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm,對磨試樣為外徑φ40 mm經(jīng)淬火態(tài)的45#鋼環(huán)(HRC56～58)。滑動磨損實驗參數(shù)為,法向載荷200 N,轉(zhuǎn)速200 r/min,磨損時間2 h。對比試樣為高鉻鑄鐵,用電子天平稱量試樣和對比試樣的磨損量,以此衡量高釩合金鑄鐵的耐磨性能。

2　實驗結(jié)果與分析

2.1顯微組織及能譜分析

圖1為高釩合金鑄鐵的顯微組織形貌。從圖1中可以看出,高釩合金鑄鐵組織中含有大量原位生成的顆粒,這些顆粒呈塊狀、團球狀、花瓣狀及短棒狀,且顆粒彌散地分布在基體上。

圖1　高釩合金鑄鐵的顯微組織形貌

為了進一步確定顆粒的成分,分別對團球狀、短棒狀、花瓣狀和無顆粒處進行能譜分析,衍射能譜如圖2所示。通過能譜分析可知,不同形狀的顆粒成分幾乎相同,主要由C和V兩種元素組成,無顆粒處的主要成分由Fe、Cr和C三種元素組成。這說明,顆粒處是碳釩化合物,無顆粒處是基體,主要是鐵和鉻的碳化合物。

圖2　高釩合金鑄鐵不同點的衍射能譜

Fig. 2Diffraction spectra of different points of high vanadium alloy cast iron

2.2組織形貌及相組成

圖3為高釩合金鑄鐵的XRD圖譜。通過對衍射峰的標定及能譜分析,可知高釩合金鑄鐵的組成相主要為VC顆粒相、(Cr,Fe)7C3相以及Fe-Cr相。VC衍射峰的出現(xiàn),表明在高溫的條件下原位生成了VC顆粒。VC顆粒比較細小,硬度高,呈團球狀、團塊狀或花瓣狀彌散分布在基體上,在較高的應(yīng)力下不易破碎,還能夠有效地抵擋物料的切削,進而可以提高材料耐磨性。

圖3　高釩合金鑄鐵的XRD圖譜

2.3洛氏硬度和沖擊韌性

由于高釩合金鑄鐵的組織中含有大量的VC顆粒,所以其硬度比較高。采用洛氏硬度計對高釩合金鑄鐵的不同試樣進行測試。試樣分別取自熔鑄試樣的不同部位,同時,用沖擊實驗機測試不同試樣的沖擊韌性。每個試樣測試5個值,然后取平均值。測試結(jié)果如表2所示。通過測試可知,高釩合金鑄鐵材料的平均洛氏硬度約為HRC 64.2,平均沖擊韌性約為8.8 J/cm2。

表2試樣的洛氏硬度和沖擊韌性

Table 2Rockwell hardness and impact toughness of samples

試樣HRCI/J·cm-2164.78.97263.99.03364.19.15464.78.62564.18.78試樣HRCI/J·cm-2663.89.13764.29.11864.38.51964.28.721064.08.83

2.4耐磨性能

在室溫干滑動磨損條件下，通過測量相同時間和相同載荷下高鉻鑄鐵和高釩合金鑄鐵磨損量得知，在相同時間和載荷下,高鉻鑄鐵的磨損量是高釩合金鑄鐵的2倍。在相同條件下,磨損量大說明耐磨性相對較差,這也表明高釩合金鑄鐵的耐磨性約是高鉻鑄鐵的2倍,相對與高鉻鑄鐵的耐磨性明顯提高了。由此可以看出高釩合金鑄鐵是很好的耐磨材料。

3　結(jié)　論

(1)通過成分設(shè)計、材料配比以及熔煉澆注制備出含C質(zhì)量分數(shù)為3.0%的高釩合金鑄鐵,其主要組成相為VC硬質(zhì)顆粒相、(Cr,Fe)7C3耐磨硬質(zhì)相以及Fe-Cr相。

(2)高釩合金鑄鐵的平均洛氏硬度約為HRC64.2,平均沖擊韌性為8.8 J/cm2。

(3)高釩合金鑄鐵是良好的耐磨材料，耐磨性是高鉻鑄鐵的2倍。

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(編輯徐巖)

Investigation on microstructure and wear resistance of high vanadium alloy cast iron

WANGZhenting1,GAOHongming1,GEShengping1,YUShujing1,ZHAOChunxiang2

(1.School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022,China；2.School of Science，Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022,China)

This paper discusses a novel study directed at improving the wear resistance of alloyed cast iron. The study consists of preparing the high vanadium alloy cast iron containing C (mass fraction) of 3.0%, using techniques such as the composition design, the composition proportion and the melting and pouring, and analyzing the microstructure and wear resistance of the high vanadium alloy cast iron; examining the microstructures and phases of the high vanadium alloy cast iron by scanning electron microscopy(SEM) and X-ray diffract meter (XRD); and identifying the Rockwell hardness, impact toughness and wear resistance of the high vanadium alloy cast iron. The study finds that the high vanadium alloy cast iron has composition phases consisting mainly of in-situ synthesized VC hard particle phase, (Cr,Fe)7C3phase and Fe-Cr phase and has the average rockwell hardness of about HRC64.2, the average impact toughness of 8.8 J/cm2, and the wear resistance about 2 times higher than the high chromium cast iron, demonstrating a better wear resistance.

high vanadium alloy cast iron; in-situ synthesized VC; microstructure and wear resistance

2015-03-06

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃項目(GC13A113)

王振廷(1965-),男,黑龍江省雞西人,教授,博士,研究方向:材料表面改性,E-mail:wangzt2002@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.03.001

TG174

2095-7262(2015)03-0233-04

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