含鎢3.0%高釩鑄鐵的組織與耐磨性能

王振廷，馮 帆，朱士奎，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）

含鎢3.0%高釩鑄鐵的組織與耐磨性能

王振廷，馮 帆，朱士奎，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）

為提高材料的硬度和耐磨性能，以生鐵、鉬鐵、釩鐵、鎢鐵和廢鋼為原料，采用中頻感應(yīng)爐在大氣環(huán)境下熔煉、澆注出含鎢質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%的高釩鑄鐵。利用掃描電鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、能譜分析儀（EDS）等手段對(duì)含鎢3.0%高釩鑄鐵進(jìn)行組織性能和物相分析；通過(guò)沖擊韌性實(shí)驗(yàn)、洛氏硬度實(shí)驗(yàn)和室溫下干滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)等，對(duì)熱處理前后含鎢3.0%的高釩鑄鐵的硬度及其耐磨性進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：熱處理前后含鎢3.0%的高釩鑄鐵中，釩的主要碳化物為VC，近似球狀或桿狀；VC中還固溶了Mo、W、Fe等合金元素，最高硬度為63.7 HRC，沖擊韌性達(dá)到9.65 J/cm2，磨損失量為0.001 5 g，其硬度、沖擊韌性、耐磨性等均有很大提高。

高釩鑄鐵；鎢；組織性能；摩擦磨損

0　引　言

在工業(yè)生產(chǎn)中，破碎機(jī)錘頭等零件多以高鉻鑄鐵作為耐磨材料，其耐磨性依靠較硬的馬氏體基體以及在基體中分布的M7C3型碳化物。這些碳化物具有很高的硬度，可以顯著提高高鉻鑄鐵的耐磨性［1］。有相關(guān)試驗(yàn)研究表明，高釩鑄鐵材料耐磨性要優(yōu)于高鉻鑄鐵，且使用壽命是高鉻鑄鐵的3倍多。釩是強(qiáng)碳化物形成元素，可以與碳形成硬度為2 600 HV的碳化物［1］。釩的碳化物在基體中通常為彌散分布的顆粒狀或塊狀，其形狀圓潤(rùn)、分布均勻，對(duì)基體的割裂作用大大減少，有助于提高材料的沖擊韌度［2］。鎢元素也是強(qiáng)碳化物形成元素之一，其碳化物硬度較高，穩(wěn)定性較好，是耐磨材料中理想的合金元素［3-4］。

文中以釩作為主要合金元素，研究通過(guò)添加鎢元素，研制適合破碎機(jī)錘頭的高硬度、高耐磨合金材料。通過(guò)添加鎢元素改善高釩鑄鐵的組織特征，提高合金材料沖擊韌性，抗磨性等綜合性能。以硬度更高的碳化物替代硬度較低的碳化物，以彌散分布、呈球狀或近似球狀碳化物替代斷續(xù)分布、呈條塊狀的碳化物，在大幅度提高材料耐磨性的同時(shí)提高其沖擊韌性。目前，國(guó)內(nèi)外已有的關(guān)于高鉻鑄鐵和高釩鑄鐵的研究較多［5-10］，但是關(guān)于含鎢高釩鑄鐵的組織及性能的影響尚未見(jiàn)報(bào)道，因此，筆者通過(guò)成分設(shè)計(jì)，材料配比，制備含鎢3.0%的高釩鑄鐵，探究其組織性能，對(duì)其硬度及耐磨性能進(jìn)行研究。

1　實(shí)驗(yàn)條件與方法

以生鐵、鉬鐵、釩鐵、鎢鐵和廢鋼作為主要原料，各原料化學(xué)成分見(jiàn)表1。設(shè)計(jì)W元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%的高釩鑄鐵的成分配比，見(jiàn)表2，采用爐料量為2 000 g的中頻感應(yīng)爐熔煉、澆注含鎢高釩鑄鐵試樣。

熔煉前對(duì)原材料進(jìn)行烘干，熔煉溫度控制在1 550℃。由于釩易在熔煉過(guò)程中被氧化，所以要待其他原料完全熔化后，熔體經(jīng)過(guò)扒渣、靜置后再加入釩鐵，然后插鋁脫氧、保溫靜置3 min迅速出爐。為避免澆包與鐵液間的溫差過(guò)大，澆注前要預(yù)熱澆包。出爐前采取包底沖入法，將變質(zhì)劑烘干后置于包底，變質(zhì)處理后進(jìn)行攪拌，扒渣，最后迅速澆注成棒狀鑄態(tài)試樣，并將一部分鑄鐵試樣進(jìn)行熱處理。熱處理工藝參數(shù)為：950℃高溫淬火和400℃回火。

表1　原料化學(xué)成分Table 1　Chemical composition of raw materials

表2　成分配比Table 2　Proportion of components　%

采用NH7720型電火花切割機(jī)將試樣切割成10 mm×10 mm×10 mm，使用V（HNO3）∶V（HF）=9∶1的腐蝕液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，采用FEI Quanta200型掃描電鏡（SEM）進(jìn)行顯微組織觀察，并結(jié)合依附于該掃描電鏡的EDAX Genesis2000型能譜分析儀分析組織成分，通過(guò)Rigaku D/max 2200旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線衍射儀作物相組成分析。采用HR-150洛氏硬度計(jì)測(cè)量硬度。每組無(wú)缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣的取樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，采用JB-30型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，作沖擊韌性實(shí)驗(yàn)。在MMS-2A型屏顯式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上作室溫干燥滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)：試樣切割尺寸10 mm×10 mm×7 mm的試塊，用直徑40 mm熱處理后的GCr15作對(duì)磨壞，載荷200 N，對(duì)磨時(shí)間60 min，動(dòng)磨輪轉(zhuǎn)速200 r/min。用AB265-S型雙量程分析天平稱量磨損失量。

2　結(jié)果與分析

2.1顯微組織及特征

圖1為含鎢3.0%高釩鑄鐵SEM照片。圖1a可見(jiàn)許多細(xì)小顆粒，彌散均勻但不連續(xù)地分布在基體中。圖1b為圖1a中方框區(qū)域的放大照片，可以清晰地看到，顆粒的形態(tài)近似球狀或桿狀，直徑大約在2～10 μm；也有少部分不規(guī)則塊狀，尺寸在1～2 μm。

圖1　含鎢3.0%高釩鑄鐵SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photo of 3.0%high vanadium

圖2為含鎢3.0%的高釩鑄鐵能譜分析。圖1中標(biāo)記為A的晶粒中，主要的化學(xué)組成元素是V、Mo、W、Fe、C。標(biāo)記為B的基體部分中，主要的化學(xué)組成元素是V、Mo、W、Fe、C。

2.2物相分析

圖 3為含鎢 3.0%高釩鑄鐵熱處理前后的XRD。圖3a為鑄態(tài)高釩鑄鐵XRD圖譜，圖3b為熱處理后XRD圖譜。從XRD圖譜中可以看出：熱處理后高釩鑄鐵的衍射峰與鑄態(tài)高釩鑄鐵衍射峰相比，其強(qiáng)度明顯增強(qiáng)；碳化物主要形式均為VC，熱處理前后高釩鑄鐵中的碳化物種類無(wú)明顯變化。結(jié)合能譜分析推斷，高釩鑄鐵中的主要碳化物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，起到固溶強(qiáng)化的作用。

2.3沖擊韌性

圖4為不同淬火溫度下沖擊韌性曲線。從圖4可以得知，含W3.0%的高釩鑄鐵，無(wú)論是鑄態(tài)還是經(jīng)不同溫度熱處理（淬火+400℃回火）后，沖擊韌性均高于不含W的高釩鑄鐵。且含W3.0%的高釩鑄鐵經(jīng)950℃熱淬火處理后，沖擊韌性均達(dá)到最大值9.65 J/ cm2。沖擊韌性達(dá)到最大值后，隨著淬火溫度的不斷增加，高釩鑄鐵的沖擊韌性曲線呈下降趨勢(shì)。這是由于在同一回火溫度下，淬火溫度逐漸升高，殘余奧氏體量逐漸增大，導(dǎo)致沖擊韌性逐漸降低。

圖2　含鎢3.0%高釩鑄鐵能譜分析Fig.2 Energy spectrum analysis of high vanadium cast iron with tungsten 3.0%

圖3　含鎢3.0%高釩鑄鐵熱處理前后的XRDFig.3　XRD spectra of 3.0%high vanadium cast iron and heat treated with high vanadium content

圖4　不同淬火溫度下沖擊韌性曲線Fig.4 Impact toughness curve at different quenching temperatures

2.4硬度及耐磨性能

圖5為洛氏硬度測(cè)試曲線。從圖5中可以看出，無(wú)論是鑄態(tài)還是經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理 （淬火+ 400℃回火），含W3.0%的高釩鑄鐵的硬度均高于不含W高釩鑄鐵的硬度。經(jīng)950℃淬火，400℃回火后，含鎢3.0%高釩鑄鐵的洛氏硬度最高，達(dá)到63.7 HRC，隨著淬火溫度的增加，高釩鑄鐵硬度下降。分析認(rèn)為，在熱處理過(guò)程中，奧氏體相析出的碳結(jié)合了溶于基體中的W、Mo等元素，析出碳化物，從而降低了基體的洛氏硬度。

圖5　洛氏硬度測(cè)試曲線Fig.5 Rockwell hardness test curve

圖6為磨損質(zhì)量對(duì)比。從圖6中可以看出，鑄態(tài)以及 980℃+400℃回火處理的高釩鑄鐵，含W3.0%的磨損量小于不含W的磨損量，體現(xiàn)了相對(duì)較好的耐磨性。經(jīng)950℃淬火和400℃回火處理，含鎢3.0%的與不含W的高釩鑄鐵磨損量均為0.001 5 g?？梢?jiàn)，W元素的加入可以提高高釩鑄鐵的硬度及耐磨性，但其耐磨性能除了受到硬度和W元素影響外，還受到其他因素的影響。高釩鑄鐵具有優(yōu)良的耐磨性能，其主要原因，一是碳化物硬度高，VC顯微硬度為2 600 HV，比一般碳化物顯微硬度硬度都要高很多；二是碳化物的形態(tài)好，VC是均勻分布的，其形狀多為球狀、團(tuán)狀和團(tuán)塊狀，只有少量的VC呈現(xiàn)條狀，既有利于沖擊韌性提高，又有利于提高耐磨性；三是淬透性好，基體硬度高，W、Mo、V等合金元素，提高了材料的淬透性。

圖6　磨損質(zhì)量對(duì)比Fig.6 Wear mass loss

3　結(jié)　論

（1）含W3.0%的高釩鑄鐵中碳化物以VC為主要存在形式，并含有少量Mo、W、Fe等元素。V、Mo、W、C等元素固溶在基體中，使基體硬度得到提高。

（2）含W3.0%的高釩鑄鐵，經(jīng)950℃淬火+400℃回火，硬度、沖擊韌性均達(dá)到最大值，分別為63.7 HRC、9.65 J/cm2。與相同實(shí)驗(yàn)條件下不含W的高釩鑄鐵相比較，沖擊韌性和硬度有很大提高。隨熱處理溫度升高，沖擊韌性、硬度明顯降低。

（3）經(jīng) 950℃淬火+400℃回火熱處理，含W3.0%的高釩鑄鐵與不含W的高釩鑄鐵磨損失量均為0.001 5 g，W元素能夠有效地提高高釩鑄鐵的耐磨性能，但其耐磨性能除了受到硬度和W元素影響外，還受到其他因素的影響。

［1］劉冬冬，張國(guó)賞，魏世忠，等.高釩高速鋼磨損性能的研究現(xiàn)狀［J］.鑄造技術(shù)，2013，34（2）:135-137.

［2］陳慧敏，徐流杰，李朝峰，等.碳含量影響高釩高速鋼摩擦磨損性能的試驗(yàn)研究［J］.鑄造技術(shù)，2008，29（10）:1335-1339.

［3］趙傳蓉，王媛媛，李亮.熱處理工藝對(duì)高釩鑄鐵組織和性能的影響［J］.鑄造技術(shù)，2014，14（4）:692-694.

［4］徐流杰，魏世忠，龍 銳，等.高釩高速鋼中碳化釩的形態(tài)分布研究［J］.鑄造，2003，52（11）:1069-1073.［5］于廣文，孫玉福，李志明，等.鎢對(duì)Cr24高鉻鑄鐵組織及性能的影響［J］.鑄造，2007，12（2）:1316-1319.

［6］魏世忠，韓明儒，徐流杰.高釩高速鋼耐磨材料［M］.北京:科學(xué)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］楊躍輝，張曉娟，褚祥治，等.合金元素對(duì)高Cr鑄鐵組織和性能的影響［J］.唐山學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（6）:26-29.

（編輯徐巖）

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

WANG Zhenting，F(xiàn)ENG 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，F(xiàn)e 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，博士后，研究方向：表面工程與耐磨材料，E-mail:wangzt2002@163.com。