含Ti高钒合金铸铁的组织与性能

王振廷,　朱士奎,　冯　帆,　尹吉勇

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022)



含Ti高钒合金铸铁的组织与性能

王振廷,朱士奎,冯帆,尹吉勇

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022)

为了提高高钒合金铸铁的耐磨性,设计并制备出C质量分数为2.2%的高钒合金铸铁,通过加入不同含量的Ti,研究Ti含量对高钒合金铸铁组织与性能的影响。使用扫描电镜(SEM)对高钒合金铸铁的组织进行观察,并通过其自带的能谱仪测量不同组织元素的组成与含量;使用X射线衍射仪(XRD)对高钒合金铸铁的物相进行分析;采用洛氏硬度计、冲击试验机以及摩擦磨损试验机分别对高钒合金铸铁的洛氏硬度、冲击韧性以及耐磨性进行测试。结果表明:Ti元素的加入可改变高钒合金铸铁中碳化物的形态,小幅度增加高钒合金铸铁硬度;Ti元素对高钒合金铸铁的冲击韧性影响不大;相对于未加入Ti的高钒合金铸铁,加入Ti质量分数为1%的高钒合金铸铁耐磨性是原来的1.62倍。

高钒合金铸铁; 耐磨性; 冲击韧性

0　引　言

由于碳化钒的硬度很高,可达HV2 600,能够大幅度提高材料的耐磨性[1-3],所以高钒高速钢具有优异的耐磨性[4]。目前,高钒高速钢在国内主要用于制造锤头、衬板、轧辊等耐磨器件,耐磨效果显著,有着逐步代替高铬铸铁的趋势[5-8]。刘冬冬等[9]对高钒高速钢的成分与组织,以及变质处理对碳化钒形态与分布的影响进行了概述,分析了高钒高速钢的耐磨机理,指出高钒高速钢为目前研究的重要方向之一,具有十分广阔的发展前景。魏世忠等[10]使用中频感应炉制备了含C3%、V10%、Cr4%、Mo3%、Si0.6%、Mn0.8%的高钒高速钢,并使用高温箱式电阻炉对其进行热处理。实验结果表明,经过适当的热处理可提高高钒高速钢的性能,热处理后的高钒高速钢耐磨性可达高铬铸铁的3倍以上。为了进一步提高高钒合金铸铁的耐磨等性能,笔者在高钒合金铸铁的基础上,加入Ti元素,对加入Ti元素的高钒合金铸铁的组织与性能,进行实验和分析。

1　实验材料与测试

熔炼所用原材料为生铁、钼铁、低碳铬铁、钒铁、钛铁及废钢。设计的高钒铸铁合金成分如表1所示。1～4号试样分别对应图1中的a～d。根据炉子容量进行配料计算,使用中频感应熔炼炉对原料进行熔炼。熔炼过程中,根据各种炉料的熔点及炉料中元素的烧损情况,确定炉料的加入顺序。首先,加入生铁和废钢,然后依次加入钼铁、低碳铬铁、钛铁、钒铁。出炉前分别使用Al和稀土变质剂对铁液进行脱氧处理和变质处理。变质处理的方式为包底冲入法,即将稀土变质剂放入浇包底部,铁液倒入浇包过程中发生反应,改善碳化物形态并细化晶粒。

铁液浇注完成后,使用线切割机将铸件切割成15 mm×15 mm×15 mm,10 mm×10 mm×10 mm,10 mm×10 mm×55 mm,分别用做金相试样、磨损试样以及冲击试样。使用KSL1600X型高温电阻炉对试样进行热处理,热处理工艺为:淬火温度1 000 ℃,空冷至室温;回火温度550 ℃,保温2 h,空冷至室温。通过MX2600FE型扫描电镜(SEM)观察高钒合金铸铁的显微组织,并使用电镜自带能谱仪对不同组织进行能谱测试,确定所含元素组成及含量。使用XD-2型X射线衍射仪对高钒合金铸铁进行物相分析。使用MMS-2A摩擦磨损试验机对高钒合金铸铁的耐磨性进行测试。实验参数为:法相载荷200 N,时间1 h,转速200 r/min,对磨环采用外径40 mm的淬火态45钢(硬度HRC56～58)。使用电子天平称量磨损前后的质量,计算出失重,衡量材料的耐磨性能。对冲击试样进行冲击实验,测量高钒合金铸铁的冲击韧性。实验中以Cr15Mo高铬铸铁与不同成分的高钒合金铸铁做性能对比。

表1高钒合金铸铁成分的质量分数

Table 1　Composition proportion of high vanadium alloy cast iron　%

2　实验结果与分析

2.1显微组织与能谱分析

图1为不同成分的高钒合金铸铁的显微组织形貌。从图1可以看出,Ti的加入可以改变高钒合金铸铁中碳化物的形态。不含Ti的高钒合金铸铁中碳化物形状多为花瓣状,少数为圆形和不规则形状,随着Ti的加入,花瓣状碳化物数量减少,颗粒状的碳化物数量增多。Ti质量分数为1%时,碳化物颗粒细小,分布均匀,当Ti质量分数为1.5%时,碳化物产生了团聚。图2为Ti质量分数为1%的高钒合金铸铁热处理后的显微组织。通过图2与图1c对比可知,热处理对试样中碳化物的形态分布没有明显影响。

图3为Ti质量分数为1%的高钒合金铸铁能谱。从图3中可以看出,颗粒A主要由C、V、Ti元素组成,含有少量的Cr、Fe、W元素,颗粒B的组成与颗粒A相同,颗粒可能为VC和TiC。C为基体,主要含有Fe、Mn、Cr、V、Si等元素组成,基体可能主要是Fe,并固溶了一定量的其他元素。

2.2物相分析

图4为高钒合金铸铁的XRD衍射,由图4可以看出,合金中主要包含Fe、TiC和VC相,但在图2中,未发现有TiC颗粒,圆球状或不规则状颗粒主要由V、Ti和C三种元素组成,分析认为,Ti为最强碳化物形成元素,但是由于加入量少,未能形成TiC,由于Ti与V原子序数只相差1,原子大小相近,加入的Ti原子置换了VC中的V原子,形成复合碳化物(Ti,V)C。

图1　高钒合金铸铁的显微组织形貌

图2　Ti质量分数为1%高钒合金铸铁热处理后的显微组织

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

图3　Ti质量分数为1%高钒合金铸铁能谱

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

图4　Ti质量分数为1%的高钒合金铸铁XRD衍射

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

2.3洛氏硬度与冲击韧性

加入不同含量Ti元素的高钒合金铸铁,其洛氏硬度与冲击韧性的测试均测量5组数据,取平均值。测量结果如表2所示,其中5号试样为高铬铸铁。由于热处理可使基体转变成马氏体,消除了内应力,增强基体硬度,提高冲击韧性。由表2可得,高钒合金铸铁的硬度及冲击韧性均高于高铬铸铁,Ti的加入可使高钒合金铸铁的硬度小幅度提升,Ti质量分数为1%时达到最大,为64.7HRC。Ti的加入对高钒合金铸铁的冲击韧性影响不大,依然维持在9 J/cm2左右。

表2含Ti高钒合金铸铁的洛氏硬度和冲击韧性

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

试样铸态冲击韧性/J·cm-2洛氏硬度/HRC热处理冲击韧性/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

图5为不同成分高钒合金铸铁热处理后的相对耐磨性。

图5　不同成分高钒合金铸铁热处理后的相对耐磨性

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

高钒合金铸铁的耐磨性较好,以不加Ti的高钒合金铸铁为基准,相对耐磨性为1,高铬铸铁为0.52,可见不加Ti的高钒合金铸铁耐磨性为高铬铸铁的1.9倍。Ti元素的加入改变了碳化物的形状,细小且弥散分布的碳化物对基体产生了弥散强化,提高了高钒合金铸铁的硬度,弥散分布的碳化物能够更加有效地抵挡摩擦过程中摩擦副对高钒合金铸铁的切削作用,从而提高耐磨性。由图5可见,Ti元素的加入,能够增加高钒合金铸铁的耐磨性,Ti含量为1%时,耐磨性为原先的1.62倍。

3　结　论

(1)向高钒合金铸铁中加入Ti能够改变合金中碳化物的形态,随着Ti元素的增加,花瓣状的碳化物减少,颗粒状及圆球状颗粒增多,Ti质量分数为1%时,高钒合金铸铁中碳化物多为颗粒状及圆球状,且颗粒较小,分布均匀。

(2)Ti的加入可小幅度提高高钒合金铸铁的硬度,Ti质量分数为1%时最高,热处理后可达HRC64.7,对高钒合金铸铁冲击韧性几乎没有影响。

(3)高钒合金铸铁中加入Ti元素可以提高耐磨性,Ti质量分数为1%时,热处理后的耐磨性为原先的1.62倍。

[1]魏世忠, 李炎, 吴逸贵, 等. 高钒高速钢中碳化钒的微细结构分析[J]. 电子显微学报2005, 24(5): 479-482.

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[10]魏世忠, 朱金华, 龙锐. 热处理对高钒高速钢组织与性能的影响[J]. 金属热处理, 2005, 30(6): 65-69.

(编辑徐岩)

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

黑龙江省应用技术研究与开发计划项目(GC13A113)

王振廷(1965-),男,黑龙江省鸡西人,教授,博士,研究方向:表面工程与耐磨材料,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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