钒微合金化对低合金耐磨钢组织与性能的影响

MIAO Juan, LIU Zhi-pu, WANG Qun-jiao, XU Yong, MIN Hong-gang, ZHOU Yan-feng, ZHAO Di, WU Gang

内容导读

为了研究钒微合金化对低合金耐磨钢组织和性能的影响，在低碳低合金耐磨钢中添加0.13%的钒，通过光学显微镜(OM)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、室温拉伸实验、-20 ℃低温冲击实验、布氏硬度实验等手段研究了钒微合金化对低碳低合金耐磨钢的微观组织和性能的影响。结果表明：实验钢经同一条件处理后均得到回火马氏体组织，马氏体板条中均有ε-碳化物析出，2#钢组织中有V的碳氮化物析出；实验钢均达到了国家标准中NM450级别耐磨钢要求。V合金化处理对实验钢的组织和性能的影响不明显，反而增加了合金成本；磨损条件和耐磨钢是影响耐磨钢磨损性能的主要因素，磨损机理均为磨削磨损。

耐磨钢的发展经历了从高锰钢、超高锰钢到低碳钢、中合金耐磨钢的过程[1-3]。高锰钢在高冲击载荷条件下加工硬化可使其组织转变，强度、硬度、耐磨性增加，因而长期被作为通用的耐磨钢。但随着使用条件和成形条件的变化，高锰钢不再是通用的耐磨钢[4-7]，逐渐被低碳钢、中合金耐磨钢所取代。这一类耐磨钢主要是通过合金元素进行成分优化，通过合理的热处理工艺获得马氏体、贝氏体以及贝氏体-马氏体混合组织，得到高强度高硬度来提高耐磨性，同时由于低碳钢、中合金耐磨钢具有合金含量低(≤5%)、综合性能良好、生产灵活方便、价格便宜等特点，广泛应用于矿山机械、工程机械、铁路运输等领域[8-10]。

本文针对本钢开发耐磨钢的实际需求，为了实现成本控制和性能控制的双赢，对合金元素与组织和性能的关系以及最终对耐磨钢耐磨性影响因素和机理做了相应的研究，达到低成本高性能的需求。

实验材料及方法

实验钢由本钢集团技术研究院200 kg真空感应炉熔炼，并轧制成15 mm厚钢板，化学成分如表1所示，1#和2#实验钢的主要差别在于2#钢在1#钢的基础上添加了0.13%(质量分数)的V进行微合金化处理。实验钢热处理工艺为920 ℃保温30 min后水淬+250 ℃低温回火1 h后空冷。

表1 实验钢化学成分(质量分数，%)

利用线切割在热处理后的实验钢上截取10 mm×10 mm×10 mm的金相试样，经过机械研磨和抛光后在体积分数4%硝酸酒精溶液中腐蚀，利用OLYMPUS-GX71光学金相显微镜(OM)观察金相组织。在金相试样上取1 mm厚薄片试样，制备成透射电镜试样，利用TECNAI G2-20型透射电子显微镜(TEM)观察试样显微组织形貌。利用320HBS-3000型布氏硬度计测试实验钢布氏硬度HB。利用SANSCMT5105型电子万能试验机在室温条件下检测力学性能，拉伸试样参照标准HGBT228—2002加工，拉伸速度为2 mm/min。利用摆锤式冲击试验机按照国家标GB/T229—1994“金属夏比缺口冲击实验方法”检测实验钢-20 ℃的冲击性能，试样为标准夏比V型缺口试样，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm。利用ML-100型销盘式磨粒磨损试验机检测实验钢耐磨性，以磨损失重与磨损行程的比值(mg/m)表示磨损率。利用SSX-550扫描电子显微镜(SEM)观察磨损表面，分析磨损机理。

结果与分析

金相组织与力学性能

图1为实验钢经相同热处理条件处理后金相组织。从图中可以看出，二者均获得回火马氏体组织。图1(a)组织为不添加V的1#钢板组织，其晶粒粗大，马氏体板条较宽较长，碳化物析出相粗大；图1(b)为添加0.13%V后钢板的金相组织，与1#钢板相比，晶粒细化，原奥氏体更加明显且晶粒内部的板条马氏体也有所细化，板条束较窄较短，析出物增多且细小分布在奥氏体晶界和板条束之间。

图1 不同型号实验钢在相同热处理条件下的金相组织：(a) 1#；(b) 2#

为了确定V合金化钢组织变化细节，利用透射电镜(TEM)观察了1#和2#实验钢的显微组织。图2(a)为1#钢板显微组织，板条束宽大，且内部有粗大ε-碳化物析出；图2(b)为2#钢板显微组织，与1#钢组织相比，板条窄小，且在板条内部有细小的ε-碳化物析出。2#钢的放大倍数TEM图显示在晶粒的边界有椭圆形碳化物析出(图2(c))，且能谱(EDX)分析表明其中V和Ti的含量较高(图2(d))，但是合金化中并未加入Ti，这可能是合金原料中残留的Ti带入的。同理对1#钢板显微组织进行高倍TEM观察，未发现类似碳化物析出。V的碳化物在熔炼过程中形成，并且稳定存在于铸坯中，在正火加热时(1250 ℃)不会发生分解，这是由于碳化物的存在提供了更多的形核质点，使得奥氏体晶粒得到细化，同时部分未形成碳化物析出的V元素固溶于奥氏体晶粒中，从而一定程度上提高了2#实验钢板的淬透性，因此与1#不加V实验钢相比，2#实验钢钢板组织中回火马氏体条更加细小。

图2 不同型号实验钢在相同热处理条件的TEM图和能谱分析：(a) 1#；(b) 2#；(c) 高倍2#；(d) 2#能谱

表2 不同型号实验钢在相同条件下的力学性能

表2为1#和2#实验钢在相同热处理条件下的力学性能，由表中数据可以看出V合金化钢由于晶粒得到细化，其硬度和强度均比基础钢的硬度和强度增加，延伸率和冲击性能都略有降低，但差别不大，表明V微合金化对低碳低合金耐磨钢的组织和性能影响不明显。

磨损实验

垂直于实验钢板表面取样，加工成磨损标准试样。实验前用酒精清洗、吹干，测得试样重量作为原始重量。磨损实验原理如图3所示。磨损试样磨损端直径4 mm，磨盘直径260 mm，将砂粒粒度212、140 μm的SiC金相砂纸固定在磨盘上作为磨料，磨盘转速为60 rad/min，载荷为42、84 N。

实验后在砂纸上形成的螺旋线，根据公式(1)计算螺旋线的长度即为磨损行程。

图3 ML-100磨料磨损实验机

式中，S为磨损行程；r1为螺旋线的起始半径，mm；r2为螺旋线的终止半径，mm；a为螺旋线的进给量，mm/rad。

图4为实验钢在载荷为84 N，砂粒粒度为212 μm时的磨损表面SEM图。图4(a)显示1#钢表面划痕为犁沟状且较宽，同时在犁沟上有磨屑堆积，测得磨损率为13.767 mg/m；2#钢表面划痕呈与1#相似的犁沟状但较细，犁沟中有片状脱落磨屑，没有堆积现象(图4(b))，测得的磨损率为13.961 mg/m。2#钢虽然加入V进行合金化处理，但由于最终获得组织和性能与1#钢相近，使得2#钢的磨损表面形貌和磨损率均与1#相似，表明磨损与材料最终的组织硬度和性能关系明显，而与合金化元素的加入关系不大。二者的磨损机理均为犁沟型的磨削磨损伴有磨屑的韧性断裂。

图4 实验钢在载荷84 N、砂粒粒度212 μm下的磨损表面SEM图：(a) 1#；(b) 2#

图5 为实验钢在载荷42 N，砂粒粒度为140 μm时的磨损表面SEM图。从图中可以看出在小载荷小磨粒条件下，1#钢和2#钢的磨损表面基本一致，均为细密的犁沟状划痕，且没有磨屑的堆积现象，测得的磨损率分别为8.094和8.000 mg/m。由磨损表面分析二者的磨损机理均为磨削磨损。

上述模拟不同载荷和磨粒作用条件下耐磨钢的性能分析可知，耐磨钢的磨损性能不仅取决于磨损工况，还与耐磨钢最终的组织和性能密切相关，而与单一合金元素的合金化处理关系不明显。因而需要在充分分析磨损条件的情况下，选择合理的成分和处理工艺，使耐磨钢获得合适的组织和性能匹配，从而实现提高耐磨钢耐磨性的目的。

图5 实验钢在载荷42 N、砂粒粒度140 μm下的磨损表面SEM图：(a) 1#；(b) 2#

结束语

(1) 1#和2#实验钢在920 ℃淬火+250 ℃回火处理后均得到回火马氏体组织，1#钢马氏体板条中有粗大的ε-碳化物析出，2#钢板条马氏体中细小ε-碳化物析出，同时组织中有V的碳氮化物析出，2#钢组织与1#钢相比略细。

(2) 1#和2#实验钢热处理后屈服强度均超过1250 MPa，抗拉强度超过1550 MPa，硬度超过HB420，性能均达到了国家标准中NM450级别耐磨钢要求。V合金化处理的2#实验钢增加了合金成本但对性能的影响不明显。

(3) 磨损条件和耐磨钢最终的组织和性能是影响耐磨钢磨损性能的主要因素。当磨损载荷和磨粒粒度增加，磨损率增加耐磨性下降。1#钢和2#钢最终的组织和性能基本相似，在相同磨损条件下，磨损率和磨损机理基本一致。