V含量對V-Cr-Mn合金白口鑄鐵干摩擦磨損性能的影響

于婷，清水一道，楠本賢太

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V含量對V-Cr-Mn合金白口鑄鐵干摩擦磨損性能的影響

于婷1，清水一道2，楠本賢太2

(1.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028；2.室蘭工業(yè)大學 制造與工程設計中心，日本北海道 室蘭 0508585)

采用SEM、XRD、EDS以及往復式干摩擦磨損試驗機對V含量不同的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的顯微組織以及干摩擦磨損性能進行了研究.結(jié)果表明：V含量不同的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的顯微組織均為奧氏體、MC型碳化物及M7C3型碳化物；V含量為7.5 %的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵在室溫下的干摩擦磨損性能優(yōu)于V含量為10%和5%的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵；不同V含量的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的干摩擦磨損性能與合金碳化物的硬度、顆粒尺寸及含量有關(guān).

V-Cr-Mn合金白口鑄鐵；干摩擦磨損性能； MC、M7C3型合金碳化物

0 引言

在冶金、礦山等行業(yè)中，每年因磨損而失效的機械設備和零部件很多，造成的經(jīng)濟損失相當巨大[1-2].企業(yè)通常采用堆焊或替換磨損部件等方法來解決磨損問題，保證生產(chǎn).但堆焊后的零部件性能不穩(wěn)定，存在一定的安全隱患，因而在精密、高速的生產(chǎn)過程中企業(yè)一般采用定期更換磨損部件的方法.而某些易磨損零部件的更換周期較短，導致生產(chǎn)成本增加，生產(chǎn)效率降低[3].因此，工業(yè)領(lǐng)域渴望高性能、低價格耐磨材料的誕生.

鉻系耐磨白口鑄鐵是現(xiàn)今應用較廣，生產(chǎn)技術(shù)較完善的耐磨材料之一.然而，鉻系白口鑄鐵中的網(wǎng)狀M7C3型碳化物雖然具有較高的硬度和一定的韌性，但其對基體仍有一定的割裂作用，因而其使用范圍有一定的局限性[4].強碳化物形成元素V與C結(jié)合可以形成硬度高達2800HV的VC.VC不僅硬度高于M7C3型碳化物(1 200 HV～1800 HV)，而且其形貌為顆粒狀或球狀，對基體幾乎無割裂作用[5].文獻[5-7]研究了V在中鉻白口鑄鐵中的作用.研究發(fā)現(xiàn)，V可以強化中鉻白口鑄鐵基體組織，改善碳化物的種類、形貌及分布情況，使中鉻白口鑄鐵具有潛在的良好耐磨損性能.因此本實驗通過向Cr含量為9%的合金白口鑄鐵中加入不同含量的V，研究了V對中鉻白口鑄鐵的干摩擦磨損性能的影響.

1 實驗材料與方法

本實驗V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的設計成分為5%、7.5%、10%的V，9%Cr、4%Mn以及1%Si，其余為Fe.其中Mn的主要作用為提高奧氏體的穩(wěn)定性.根據(jù)設計成分，將Fe-V(82.31%V)、Fe-Cr(69.45%Cr)、Fe-Mn(75.41%Mn)、Fe-Si(75.21%Si)、廢鋼以及生鐵作為原材料，采用感應電爐進行熔煉，熔煉溫度為1500℃.充分熔煉后澆注成，長為125 mm、橫截面積為53 mm×53mm的Y型鑄錠.V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的實際成分及熱處理工藝如表1所示.

采用JSM-6510A型掃描電子顯微鏡(SEM)及其附帶的JED-2300能譜儀(EDS)對拋光后的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的顯微組織進行觀察和能譜分析；采用Rint-Ultima+型X射線衍射儀(XRD)對物相進行分析；采用FV-800和FM-300型硬度計測定硬度；采用石墨球化率測定軟件(Ver.2.2)測定碳化物含量.采用NUS-ISO3型干摩擦磨損試驗機進行干摩擦磨損試驗.干摩擦磨損實驗在常溫下進行，試驗片尺寸為50mm×40 mm×4 mm，載荷為19.6N，磨料為18#的SiC砂紙，砂紙粒度為78 μm，SiC磨粒硬度為2 600 HV[8].

表1 V-Cr-Mn系白口鑄鐵的成分及熱處理條件

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同V含量V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的微觀組織

圖1、圖2分別為不同V含量V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的X射線衍射圖譜及掃描電鏡組織.由圖1、圖2可以看出，不同V含量V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的顯微組織均由γ-Fe相、以VC為主的MC型碳化物相和M7C3型碳化物相組成(如圖1所示).并且MC型碳化物和M7C3型碳化物呈顆粒狀、花瓣狀、短棒狀和網(wǎng)狀(如圖2所示).結(jié)合7.5V-9Cr合金白口鑄鐵的面能譜分析圖,如圖3.

可以判斷顆粒狀、花瓣狀以及短棒狀的組織為MC型碳化物，而網(wǎng)狀組織為M7C3型碳化物.

圖1 不同V含量V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的X射線衍射圖譜

圖2 不同V含量的 V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的掃描電鏡組織

圖3 7.5V-9Cr合金白口鑄鐵的面分析能譜圖

表2為不同V含量V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的合金碳化物含量.由表2可以看出，7.5V-9Cr和5V-9Cr合金白口鑄鐵的總合金碳化物含量較高，均在20%以上，而10V-9Cr合金白口鑄鐵的總合金碳化物含量相對較低約為16%.并且隨著V含量的增加，V-Cr-Mn合金白口鑄鐵中的MC型碳化物含量逐漸增加，M7C3型碳化物含量逐漸減少.這是因為V不僅能夠促進MC型碳化物的生成，而且能夠抑制M7C3型碳化物的生成，且V含量越高其作用越明顯.根據(jù)文獻[5]可知MC型碳化物、M7C3型碳化物含量的變化對合金白口鑄鐵的磨損性能有很大影響.

表2 不同V含量的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的碳化物含量

2.2 不同V含量的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的硬度

表3為不同V含量V-Cr-Mn合金白口鑄鐵試樣的整體及各相的顯微組織硬度.由表3可以看出，不同V含量V-Cr-Mn合金白口鑄鐵試樣的整體硬度相差不大，約為52HRC；MC型碳化物的硬度最高，約為M7C3型碳化物的2倍.奧氏體的硬度介于338～404 HV之間.

表3 不同V含量的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵試樣的顯微組織硬度及整體硬度

2.3 不同V含量的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的干摩擦磨損性能

圖4為不同V含量V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的干摩擦磨損量隨摩擦次數(shù)的變化圖.由圖4可以看出， 不同V含量的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的磨損量均隨摩擦次數(shù)的增加而增加，其中7.5V-9Cr合金白口鑄鐵的磨損量最小，耐干摩擦磨損性能最好，5V-9Cr和10V-9Cr合金白口鑄鐵的磨損量較大，耐干摩擦磨損性能較差.

圖4 不同V含量V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的干摩擦磨損量隨摩擦次數(shù)的變化

圖5為不同V含量的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的干摩擦磨損表面.從圖5可以看出：不同V含量的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的干摩擦磨損表面均存在大量凹凸不平的溝槽和劃痕，呈現(xiàn)典型的磨粒磨損特征，并且MC型碳化物顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞，M7C3型碳化物上存在明顯的切削痕跡，磨料的磨損軌跡有偏離摩擦軌道的跡象(如圖5(b)).這表明SiC磨料對不同V含量的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵進行了磨料切削作用.在磨損過程中SiC磨料對MC型碳化物顆粒進行了碰撞和擠壓作用.在不斷地撞擊和擠壓過程中，一方面MC型碳化物在抵抗SiC磨料碰撞和擠壓的過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐步遭到破壞，直至粉碎，最終脫離基體，且MC型碳化物的顆粒尺寸越大，抵抗SiC磨料碰撞和擠壓能力越強，耐磨性能越好.另一方面SiC磨料在移動的過程中受到MC型碳化物的阻礙，出現(xiàn)偏離磨損軌道的現(xiàn)象.另外，M7C3型碳化物也具有一定的耐磨性能，但其相對SiC磨料較軟，因而在干摩擦磨損過程中M7C3型碳化物被SiC磨料逐層切削，脫離基體.

圖5 不同V含量的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的干摩擦磨損表面

3 討論

由2.3可知，7.5V-9Cr合金白口鑄鐵的耐干摩擦磨損性能最好，5V-9Cr和10V-9Cr合金白口鑄鐵的耐干摩擦磨損性能較差.并且該干摩擦磨損的機理為磨粒磨損，磨損后的MC型碳化物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞，M7C3型碳化物被逐層切削.顯然MC型碳化物和M7C3型碳化物對干摩擦磨損進行了較強的抵抗作用.隨V含量的增加MC型碳化物的含量增加，而M7C3型碳化物的含量減少(表2).因此10V-9Cr合金白口鑄鐵中的MC型碳化物含量最多，M7C3型碳化物含量最少，5V-9Cr合金白口鑄鐵中的MC型碳化物含量最少，M7C3型碳化物含量最多，而7.5V-9Cr合金白口鑄鐵中的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型碳化的形貌為對基體幾乎無割裂作用的球狀和顆粒狀，因此MC型碳化物的耐磨性能優(yōu)于M7C3型碳化物.一般認為釩合金鉻系白口鑄鐵中MC型碳化物含量越高，其耐磨性能越好[9].該結(jié)論忽略了MC型碳化物顆粒尺寸以及M7C3型碳化物對耐磨性能的影響.

在本實驗中MC型碳化物的顆粒尺寸越大，V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的耐干摩擦磨損性能越好，且M7C3型碳化物雖然耐磨性能較MC型碳化物顆粒差，但也具有一定的耐磨性能.因此大顆粒的MC型碳化物以及M7C3型碳化物的含量越多，V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的干摩擦磨損性能越優(yōu)異.由于V能夠細化組織，且V含量越高細化作用越強，組織尺寸越小[5-7]，所以10V-9Cr合金白口鑄鐵中的MC型碳化物的顆粒尺寸相對較小，并且其M7C3型碳化物的含量也相對較低，因此10V-9Cr合金白口鑄鐵的耐干摩擦磨損性能較差.而5V-9Cr合金白口鑄鐵雖然含有較多的M7C3型碳化物，但MC型碳化物含量較少，其耐干摩擦磨損性能同樣較差.綜上所述7.5V-9Cr合金白口鑄鐵耐干摩擦磨損性能最好.

4 結(jié)論

(1)不同V含量的V-Cr-Mn合金白口鑄鐵的顯微組織均由MC型碳化物、M7C3型碳化物及奧氏體組成.且隨著V含量的增加，MC型碳化物含量增加，M7C3型碳化物含量減少；

(2)不同V含量V-Cr-Mn合金白口鑄鐵試樣的整體硬度相差不大，為52HRC左右.而M7C3型碳化物硬度約為1 200 HV，MC型碳化物的硬度最高，約為2 200 HV，是M7C3型碳化物的兩倍；

(3)7.5V-9Cr合金白口鑄鐵耐干摩擦磨損性能優(yōu)于5V-9Cr和10V-9Cr合金白口鑄鐵.

致謝：感謝大連交通大學材料科學與工程學院丁志敏教和沈長斌教授對論文工作的指導。

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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，碩士研究生，主要從事金屬的強韌性的研究E- mail:tingzideyouxiang@163.com.

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