高碳高钒系高速钢耐磨材料的现状与发展

收稿日期:2004205227; 修订日期:2004208205

基金项目:河南省创新人才基金项目:2004210006000;河南省重大科技

攻关项目:0322020300

作者简介:王　强(19812　),四川省眉山人,硕士.研究方向:耐磨材料.Em ail :feiyue812@

・今日铸造　Today ’s Foundry ・

高碳高钒系高速钢耐磨材料的现状与发展

王　强1,杨涤心1,魏世忠2,龙　锐2

(1.河南科技大学材料学院,河南洛阳471039;2.河南省耐磨材料工程技术研究中心,河南洛阳,471003)

摘要:阐述了新型高碳高钒高速钢的设计思想,重点论述了高碳高钒系高速钢组织形态、热处理工艺、变质处理对其耐磨性能的影响,总结了二次硬化相碳化钒形态分布、基体组织硬度是材料耐磨性能的关键;而组织2热处理工艺2变质处理2材料耐磨性能的内在变化规律还有待进一步深入研究,尤其是在高载荷下的变化规律更符合实际生产,有利于新型高速钢及早投入实际生产。

关键词:碳化钒形态分布;变质处理;热处理工艺;耐磨性能;高速钢

中图分类号:TG 269 文献标识码:A 文章编号:100028365(2004)1120876204

Investigation of the High C arbon High V anadium High Speed Steel Wear 2resistance

WAN G Qiang 1,Y AN G Di 2xin 1,WEI Shi 2Zhong 2,LON G Rui 2

(1.Material Science &Engineering College ,Henan Science and Technology University 471039,China ;2.Henan Engineering Research Center for Wear of Material ,Luoyang 471003,China )

Abstract:This paper discusses the idea of compositions of high speed steel ,especially the effect of material microstructure ,heat 2treatment and modification on the wear 2resistance of the high 2speed steel.It points out that the wear 2resistance of the steel highly dependent on the morphology and size of MC type carbide and there is a long distance to find the relationship among material microstructure ,heat 2treatment ,modification and wear 2resistance in particular the workpiece under a high burden condition.This will have an advantage for practical performance on its real work 2condition.

K ey w ords :Carbide morphology ;Modification treatment ;Heat 2treatment technology ;Wear 2resistance ;

High speed steel

20世纪80年代,新日铁研制出含钒4%～8%与2%～10%,钴0～8%的高钒高速钢,统计表明:该系列的高钒高速钢轧辊寿命大致为高铬铸铁的5～7倍,至少为2倍[1]。近年来,高速钢优良的耐磨性能引起了国内学术界的重视,对含钒量为2%～10%的高钒高速钢进行了系统的研究,并成功地应用于粉磨行业

的锤头、颚板和板锤等耐磨件的生产[2、3]

,以及轧钢轧

制行业的轧辊的生产[4、5]

。北京钢铁研究总院与唐山联强冶金轧辊公司合作开发的离心铸造高速钢复合轧辊在热轧带钢的应用表明:其使用寿命是高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的10倍以上,是高铬铸铁复合轧辊寿命的3～5倍[6]。河南省耐磨材料工程技术研究中心综合国内外研究成果,对新型高碳高钒高速钢成分进行了筛选,并对其组织特征和二次硬化相VC 的形貌和分布对材料硬度和耐磨性影响进行了基础性的研究,

取得了较大的进展,为新型高速钢耐磨材料的研究与应用提供了理论基础。1　设计理念1.1　高钒的确立

高速钢材料中含有碳、钨、铬、钼、钒等多种合金元

素。国外主要采用高碳高钒(铌)类型的成分设计方案。20世纪90年代初,日本川崎制铁公司[1]及文献[7,8]采用加入铌的合金而使得形成(V ,Nb )C 型复合碳化物改善了偏析,提高了二次硬化能力。目前,国内轧辊生产用高速钢成分如表1。

钒为强碳化物形成元素,它对高速钢中的碳化物类型、形态和数量具有重要影响,并会明显促进层片状M 2C 型碳化物(主要是Mo 2C )形成,抑制骨骼状M 6C 型碳化物的形成。文献[9]的研究表明:随钒含量的提高,MC 型碳化物数量增多,M 6C 型碳化物数量减少.提高钒含量和过共晶成分组织(γ+MC +M 2C )的数量,获得大量尺寸细小、弥散分布的颗粒状MC 型碳化物是提高新型高速钢耐磨性的关键。不同成分的高碳高钒高速钢中碳化物相的种类及数量和试样的硬度及耐磨性如表2。

表1　复合轧辊用高速钢材料成分　w(%)

Tab.1　Composition of high speed steel of composite roll[10,11]

C Si Cr Mo W V Co Nb

2.0～4.0- 5.0～20.0 2.0～15.0- 4.0～6.0- 1.0～2.0 1.5～2.5- 2.0～10.0 2.0～10.0- 2.0～10.0--

1.10<0.4 3.8 4.5 5.3 3.0--

1.25<0.4 4.5 5.5 6.5 4.5--

1.7～

2.00.7～1.0

3.0～15.0 2.0～6.0 2.0～8.0-0.0～5.0-

2.0- 4.0(6.0) 2.5- 6.0-0.0(1.0) 1.9～2.0- 5.0～7.0

3.0～

4.0 3.0～4.0

5.0～

6.0--

1.6～

2.00.3～1.0 4.0～8.0 4.0～6.0 1.5～2.5

3.0～5.0-0.5～1.5

表2　试验合金中的碳化物相和试样的硬度及耐磨性

Tab.2　Carbide in tested alloys and the hardness or wear2resistance[9]

合金成分w(%)

部分碳化物(%)

MC M7C3M6C

硬度

HRC

耐磨材料系数

200N250N

1.8C215Cr0.014.80.057.0 1.00 1.00

2.0C22Mo25Cr25W25V10.80.0 4.361.9 1.42 1.83 2.0C22Mo25Cr25W28V12.40.0 2.565.2 4.217.64 2.0C22Mo25Cr25W22.5V22.5Nb9.80.0 4.864.6

3.28 5.03 2.0C22Mo25Cr25W24V24Nb11.00.0 6.863.8 3.76

4.29 2.0C25Mo25Cr25W25V11.00.0

5.862.4 1.83 2.44 2.0C25Mo25Cr25W28V11.60.0 3.263.0 3.92

6.65

1.2　高碳的确立

碳是其最重要的组成元素,一部分碳固溶在基体中,另一部分则以化合态存在于合金碳化物中。为了给合金碳化物提供足够的碳,轧辊用高速钢的碳含量远大于常规高速钢,一般为1.5%～3.5%。根据平衡碳原则,合金元素及碳含量满足合金碳化物分子式中质量之比关系时,二次硬化的效果最好。一些研究指出:当含碳量>2.3%时,随着碳含量的升高,以铬为主的复合碳化物(Cr、Fe)3C

数量和溶入基体的碳量升高,高速钢冲击韧性保持定值,硬度升高,耐磨性好。

2　高碳高钒系高速钢研究

2.1　高碳高钒系高速钢的凝固过程

根据文献[12,13]给出的(Fe25Cr25Mo25V)2V的准二元相图(图1)可知:二次硬化相碳化物的析出时间和析出顺序与高钒高速钢的成分密切相关。

对于亚共晶成分的合金,首先从液相中析出初生γ,随着γ的不断析出,液相中钒的含量升高,液相成分向γ+MC的共晶线方向变化。当钒含量升至共晶点成分时,发生L→γ+MC的共晶反应,析出MC型碳化物。温度继续降低,液相减少,偏析导致液相中Cr、Mo等元素的含量升高,在三元共晶成分点时发生L →γ+MC+(Cr、Fe)3C反应,析出MC+(Cr、Fe)3C 型化合物。

对共晶成分合金,凝固过程中首先发生L→γ+ MC的共晶反应析出共晶碳化物VC。随着凝固过程的继续进行,液相不断减少,液相中Cr、Mo等元素的

图1　(Fe25Cr25Mo25W22C)2V准二元相图

Fig.1　A phase diagram of the pseudo2binary(Fe25Cr25Mo2 5W22C)2V alloy system[14]+(Cr、Fe)3C

含量继续升高,达到一定温度时,发生多元共晶反应L→γ+MC+(Cr、Fe)3C。

过共晶成分的合金,碳化物的析出分为三个阶段。当合金液冷却至液相线温度时,液相中首先析出初生碳化物MC。随着温度的降低,MC不断析出,液相中钒的含量降低,当钒含量降至共晶成分点时,发生L→γ+MC的共晶反应析出共晶碳化物MC。凝固过程的继续进行,液相不断减少,液相中Cr、Mo等元素的含量升高,达到三元共晶成分点时发生L→γ+MC+ (Cr、Fe)3C反应,析出碳化物MC+(Cr、Fe)3C。

2.2　高碳高钒铸钢组织形态对其耐磨性的影响

高碳高钒高速钢淬火回火后的金相组织为钒的碳化物+以铬为主的复合碳化物+金属基体[12]。即VC

《铸造技术》11/2004王　强等:高碳高钒系高速钢耐磨材料的现状与发展