含Ti高釩合金鑄鐵的組織與性能

王振廷,　朱士奎,　馮　帆,　尹吉勇

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

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含Ti高釩合金鑄鐵的組織與性能

王振廷,朱士奎,馮帆,尹吉勇

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

為了提高高釩合金鑄鐵的耐磨性,設(shè)計(jì)并制備出C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.2%的高釩合金鑄鐵,通過(guò)加入不同含量的Ti,研究Ti含量對(duì)高釩合金鑄鐵組織與性能的影響。使用掃描電鏡(SEM)對(duì)高釩合金鑄鐵的組織進(jìn)行觀察,并通過(guò)其自帶的能譜儀測(cè)量不同組織元素的組成與含量;使用X射線衍射儀(XRD)對(duì)高釩合金鑄鐵的物相進(jìn)行分析;采用洛氏硬度計(jì)、沖擊試驗(yàn)機(jī)以及摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)高釩合金鑄鐵的洛氏硬度、沖擊韌性以及耐磨性進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明:Ti元素的加入可改變高釩合金鑄鐵中碳化物的形態(tài),小幅度增加高釩合金鑄鐵硬度;Ti元素對(duì)高釩合金鑄鐵的沖擊韌性影響不大;相對(duì)于未加入Ti的高釩合金鑄鐵,加入Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的高釩合金鑄鐵耐磨性是原來(lái)的1.62倍。

高釩合金鑄鐵; 耐磨性; 沖擊韌性

0　引　言

由于碳化釩的硬度很高,可達(dá)HV2 600,能夠大幅度提高材料的耐磨性[1-3],所以高釩高速鋼具有優(yōu)異的耐磨性[4]。目前,高釩高速鋼在國(guó)內(nèi)主要用于制造錘頭、襯板、軋輥等耐磨器件,耐磨效果顯著,有著逐步代替高鉻鑄鐵的趨勢(shì)[5-8]。劉冬冬等[9]對(duì)高釩高速鋼的成分與組織,以及變質(zhì)處理對(duì)碳化釩形態(tài)與分布的影響進(jìn)行了概述,分析了高釩高速鋼的耐磨機(jī)理,指出高釩高速鋼為目前研究的重要方向之一,具有十分廣闊的發(fā)展前景。魏世忠等[10]使用中頻感應(yīng)爐制備了含C3%、V10%、Cr4%、Mo3%、Si0.6%、Mn0.8%的高釩高速鋼,并使用高溫箱式電阻爐對(duì)其進(jìn)行熱處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砜商岣吒哜C高速鋼的性能,熱處理后的高釩高速鋼耐磨性可達(dá)高鉻鑄鐵的3倍以上。為了進(jìn)一步提高高釩合金鑄鐵的耐磨等性能,筆者在高釩合金鑄鐵的基礎(chǔ)上,加入Ti元素,對(duì)加入Ti元素的高釩合金鑄鐵的組織與性能,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析。

1　實(shí)驗(yàn)材料與測(cè)試

熔煉所用原材料為生鐵、鉬鐵、低碳鉻鐵、釩鐵、鈦鐵及廢鋼。設(shè)計(jì)的高釩鑄鐵合金成分如表1所示。1～4號(hào)試樣分別對(duì)應(yīng)圖1中的a～d。根據(jù)爐子容量進(jìn)行配料計(jì)算,使用中頻感應(yīng)熔煉爐對(duì)原料進(jìn)行熔煉。熔煉過(guò)程中,根據(jù)各種爐料的熔點(diǎn)及爐料中元素的燒損情況,確定爐料的加入順序。首先,加入生鐵和廢鋼,然后依次加入鉬鐵、低碳鉻鐵、鈦鐵、釩鐵。出爐前分別使用Al和稀土變質(zhì)劑對(duì)鐵液進(jìn)行脫氧處理和變質(zhì)處理。變質(zhì)處理的方式為包底沖入法,即將稀土變質(zhì)劑放入澆包底部,鐵液倒入澆包過(guò)程中發(fā)生反應(yīng),改善碳化物形態(tài)并細(xì)化晶粒。

鐵液澆注完成后,使用線切割機(jī)將鑄件切割成15 mm×15 mm×15 mm,10 mm×10 mm×10 mm,10 mm×10 mm×55 mm,分別用做金相試樣、磨損試樣以及沖擊試樣。使用KSL1600X型高溫電阻爐對(duì)試樣進(jìn)行熱處理,熱處理工藝為:淬火溫度1 000 ℃,空冷至室溫;回火溫度550 ℃,保溫2 h,空冷至室溫。通過(guò)MX2600FE型掃描電鏡(SEM)觀察高釩合金鑄鐵的顯微組織,并使用電鏡自帶能譜儀對(duì)不同組織進(jìn)行能譜測(cè)試,確定所含元素組成及含量。使用XD-2型X射線衍射儀對(duì)高釩合金鑄鐵進(jìn)行物相分析。使用MMS-2A摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)高釩合金鑄鐵的耐磨性進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:法相載荷200 N,時(shí)間1 h,轉(zhuǎn)速200 r/min,對(duì)磨環(huán)采用外徑40 mm的淬火態(tài)45鋼(硬度HRC56～58)。使用電子天平稱量磨損前后的質(zhì)量,計(jì)算出失重,衡量材料的耐磨性能。對(duì)沖擊試樣進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn),測(cè)量高釩合金鑄鐵的沖擊韌性。實(shí)驗(yàn)中以Cr15Mo高鉻鑄鐵與不同成分的高釩合金鑄鐵做性能對(duì)比。

表1高釩合金鑄鐵成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Table 1　Composition proportion of high vanadium alloy cast iron　%

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1顯微組織與能譜分析

圖1為不同成分的高釩合金鑄鐵的顯微組織形貌。從圖1可以看出,Ti的加入可以改變高釩合金鑄鐵中碳化物的形態(tài)。不含Ti的高釩合金鑄鐵中碳化物形狀多為花瓣?duì)?少數(shù)為圓形和不規(guī)則形狀,隨著Ti的加入,花瓣?duì)钐蓟飻?shù)量減少,顆粒狀的碳化物數(shù)量增多。Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),碳化物顆粒細(xì)小,分布均勻,當(dāng)Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí),碳化物產(chǎn)生了團(tuán)聚。圖2為Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的高釩合金鑄鐵熱處理后的顯微組織。通過(guò)圖2與圖1c對(duì)比可知,熱處理對(duì)試樣中碳化物的形態(tài)分布沒(méi)有明顯影響。

圖3為Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的高釩合金鑄鐵能譜。從圖3中可以看出,顆粒A主要由C、V、Ti元素組成,含有少量的Cr、Fe、W元素,顆粒B的組成與顆粒A相同,顆?？赡転閂C和TiC。C為基體,主要含有Fe、Mn、Cr、V、Si等元素組成,基體可能主要是Fe,并固溶了一定量的其他元素。

2.2物相分析

圖4為高釩合金鑄鐵的XRD衍射,由圖4可以看出,合金中主要包含F(xiàn)e、TiC和VC相,但在圖2中,未發(fā)現(xiàn)有TiC顆粒,圓球狀或不規(guī)則狀顆粒主要由V、Ti和C三種元素組成,分析認(rèn)為,Ti為最強(qiáng)碳化物形成元素,但是由于加入量少,未能形成TiC,由于Ti與V原子序數(shù)只相差1,原子大小相近,加入的Ti原子置換了VC中的V原子,形成復(fù)合碳化物(Ti,V)C。

圖1　高釩合金鑄鐵的顯微組織形貌

圖2　Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%高釩合金鑄鐵熱處理后的顯微組織

Fig. 2Microstructure of high vanadium alloy cast iron containing Ti of 1% after heat treatment

圖3　Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%高釩合金鑄鐵能譜

Fig. 3Diffraction spectra of high vanadium alloy cast iron containing Ti of 1%

圖4　Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的高釩合金鑄鐵XRD衍射

Fig. 4XRD pattern of high vanadium alloy cast iron containing Ti of 1%

2.3洛氏硬度與沖擊韌性

加入不同含量Ti元素的高釩合金鑄鐵,其洛氏硬度與沖擊韌性的測(cè)試均測(cè)量5組數(shù)據(jù),取平均值。測(cè)量結(jié)果如表2所示,其中5號(hào)試樣為高鉻鑄鐵。由于熱處理可使基體轉(zhuǎn)變成馬氏體,消除了內(nèi)應(yīng)力,增強(qiáng)基體硬度,提高沖擊韌性。由表2可得,高釩合金鑄鐵的硬度及沖擊韌性均高于高鉻鑄鐵,Ti的加入可使高釩合金鑄鐵的硬度小幅度提升,Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)達(dá)到最大,為64.7HRC。Ti的加入對(duì)高釩合金鑄鐵的沖擊韌性影響不大,依然維持在9 J/cm2左右。

表2含Ti高釩合金鑄鐵的洛氏硬度和沖擊韌性

Table 2Rockwell hardness and impact toughness of high vanadium alloy cast iron containing Ti

試樣鑄態(tài)沖擊韌性/J·cm-2洛氏硬度/HRC熱處理沖擊韌性/J·cm-2洛氏硬度/HRC158.27.9562.79.03258.57.9863.18.92359.18.0064.79.15458.78.1464.29.08549.46.8653.67.98

2.4耐磨性

圖5為不同成分高釩合金鑄鐵熱處理后的相對(duì)耐磨性。

圖5　不同成分高釩合金鑄鐵熱處理后的相對(duì)耐磨性

Fig. 5Relative wear resistance of high vanadium alloy cast iron with different composition after heat treatment

高釩合金鑄鐵的耐磨性較好,以不加Ti的高釩合金鑄鐵為基準(zhǔn),相對(duì)耐磨性為1,高鉻鑄鐵為0.52,可見(jiàn)不加Ti的高釩合金鑄鐵耐磨性為高鉻鑄鐵的1.9倍。Ti元素的加入改變了碳化物的形狀,細(xì)小且彌散分布的碳化物對(duì)基體產(chǎn)生了彌散強(qiáng)化,提高了高釩合金鑄鐵的硬度,彌散分布的碳化物能夠更加有效地抵擋摩擦過(guò)程中摩擦副對(duì)高釩合金鑄鐵的切削作用,從而提高耐磨性。由圖5可見(jiàn),Ti元素的加入,能夠增加高釩合金鑄鐵的耐磨性,Ti含量為1%時(shí),耐磨性為原先的1.62倍。

3　結(jié)　論

(1)向高釩合金鑄鐵中加入Ti能夠改變合金中碳化物的形態(tài),隨著Ti元素的增加,花瓣?duì)畹奶蓟餃p少,顆粒狀及圓球狀顆粒增多,Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),高釩合金鑄鐵中碳化物多為顆粒狀及圓球狀,且顆粒較小,分布均勻。

(2)Ti的加入可小幅度提高高釩合金鑄鐵的硬度,Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)最高,熱處理后可達(dá)HRC64.7,對(duì)高釩合金鑄鐵沖擊韌性幾乎沒(méi)有影響。

(3)高釩合金鑄鐵中加入Ti元素可以提高耐磨性,Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),熱處理后的耐磨性為原先的1.62倍。

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(編輯徐巖)

Effect of Ti content on microstructure and properties of high vanadium alloy cast iron

WANGZhenting,ZHUShikui,FENGFan,YINJiyong

(School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is specifically directed at improving the wear resistance of high vanadium alloy cast iron. This improvement is performed by designing and preparing the high vanadium alloy cast iron containing C of 2.2% and identifying the effect of Ti content on microstructure and properties of high vanadium alloy cast iron by adding different content of Ti; using scan electron microscopy (SEM) with energy spectrometer to observe the microstructure of high vanadium alloy cast iron and measure the composition and content of different structure; examining the phase of the high vanadium alloy cast iron by X-ray diffract meter (XRD); and testing the hardness, impact toughness, and wear resistance of high vanadium alloy cast iron by using the hardness tester, impact tester and friction and wear tester. The results show that the addition of Ti element can provide a change in the morphology of carbides in high vanadium alloy cast iron, and a modest increase in the hardness of high vanadium alloy cast iron; the Ti element has little effect on the impact toughness of high vanadium alloy cast iron; and the high vanadium alloy cast iron containing Ti of 1% boasts wear resistance 1.62 times better than that of high vanadium alloy cast iron without Ti.

high vanadium alloy cast iron; wear resistance; impact toughness

2015-09-10

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(GC13A113)

王振廷(1965-),男,黑龍江省雞西人,教授,博士,研究方向:表面工程與耐磨材料,E-mail:wangzt2002@163.com.

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.05.006

TG174

2095-7262(2015)05-0493-04

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