高钒高速钢的研究及应用现状

近20年研究发现，高钒高速钢不仅有很高的硬度和相当的韧性，而且有优良的耐磨性，因此作为新一代耐磨材料，高钒高速钢备受关注。研究表明，高钒高速钢的耐磨性是高铬铸铁的3倍以上，是高锰钢的10倍以上，已被用于轧辊、锤头、球磨机衬板和转子体等多种耐磨件。俄罗斯在高速钢和一些结构钢的生产中也开展了用钒代替钨、钼和铌的应用研究。当前中国正处于高钒高速钢材料的研制、开发和生产应用的起步阶段，为此本文对其研究现状进行了综述并对发展前景进行了展望。

1 高钒高速钢的成分设计
高钒高速钢以钒为主要添加元素，辅以铬钼等合金元素，充分利用钒碳化物(VC)硬度高、形态好的特点来提高材料韧性及耐磨性。目前国外主要采用高碳高钒(铌)类型的成分设计方案。钒是中国富有元素之一，目前虽然价格较锰、铬等元素贵，但是高钒高速钢的性价比很高。
目前研究或应用的部分高钒高速钢的化学成份中除C、V外，还含有Cr、Mo，有些还含有W和Nb。V含量最高达15％，最低也不低于2％，C含量最高可达4.6％。高钒高速钢中钒碳质量比对其组织和性能也有很大的影响。根据定比碳规律，合金元素及碳含量满足合金碳化物分子式中的定比关系时，二次硬化的效应最好。VC中V、C的质量比为4.26：1，当钒含量高于化合比时，形成VC后的多余的钒只能溶于基体而造成贵重金属的浪费。当碳含量高于化合比时，形成VC后多余的碳除部分溶于基体外，剩余部分与成分中的铬、钼等其它合金元素形成复合碳化物。研究发现，当V/C=3时，高钒高速钢的耐磨性最佳，此时随碳、钒含量增加，耐磨性提高3~4倍。

2 高钒高速钢的组织与性能
高钒高速钢的组织相当复杂，显微组织分析常采用以下几种方法：透射电镜相结构分析，扫描电镜形貌特征和微区成分分析，X射线衍射法分析碳化物相的组成，光学金相分析，显微硬度分析；插热分析法研究结晶温度；电子探针测定碳化物的成分等。与黑白金相相比，彩色金相可以分析较为复杂的显微组织。采用了KOH—K2[Fe(CN)6]水溶液和2，4，6-三硝基苯酚-Na2CO3水溶液作试剂对高钒高速钢的凝固组织进行分析，MC型碳化物经上述两种试剂腐蚀呈白色，M6C呈褐色。M2C和M7C3经前一种试剂腐蚀后呈褐色，M3C经后一种试剂腐蚀后呈褐色。
高钒高速钢优良的耐磨性取决于碳化物的种类、形态、分布和数量，以及马氏体基体的性能和晶粒
大小。高钒高速钢热处理后的组织为VC+(Cr、Mo、Fe)7C3+M回+A残余；铸态组织中碳化物主要是MC和少量的M2C、M3C、M6C以及M7C3。研究表明，不同类型碳化物的形成取决于强碳化物形成元素；钒利于MC型碳化物形成，随钒含量的提高，MC型碳化物大量增加，在奥氏体晶界形成的M7C3和M6C型共晶碳化物明显减少。研究发现，新型高速钢的磨损机理主要是犁削和疲劳剥落，高钒高速钢组织中存在大量的细小弥散分布的高硬度MC型碳化物，可以有效地阻止磨粒切入基体，同时可以减轻疲劳脱落，因此耐磨性很好。

3 高钒高速钢的冶炼工艺与变质处理

3．1 冶炼工艺
很多文献对高钒高速钢的冶炼工艺报导较少。文献[魏世忠，倪锋，龙锐，等．高碳高钒耐磨合金定向凝固过程研究[J]．铸造，2003，52(10)：20—24]对高钒高速钢的冶炼工艺进行了系统的论述，冶炼高钒高速钢的主要合金原料有钒铁、铬铁、钼铁和锰铁。用这些合金冶炼高钒高速钢时，应注意提高贵重而易烧损的钒的吸收率。由于钒在600℃以上极易被氧化，为了防止钒等合金元素的氧化，钒等合金元素应在熔化后期加入，加钒铁前进行预脱氧，加钒铁后尽量减少高温停留时间。为了提高钒的吸收率，出炉前加入0.1％的纯铝进行终脱氧，再以包底冲入法操作进行稀土变质处理。出炉温度为1600℃左右，浇注温度为大约1500℃。文献[刘海峰，刘耀辉，于思荣．高碳高钒系高速钢的耐磨性研究[J]．摩擦学学报，2000，20(6)：401—406]也曾经用不氧化法熔炼高钒高速钢，在1600℃时加铝脱氧出钢，并在包内预加自制复合变质剂进行变质处理。所有这些工艺都有效的防止了合金元素的氧化，提高了钒的吸收率。采用以上工艺，冶炼出的高钒高速钢具有优良的性能。

3．2 变质处理
高钒高速钢常用的变质剂有稀土、钛、镁、RE-Ti-Mg和富铈混合稀土+钛铁复合变质剂。文献[魏世忠，倪锋，龙锐，等．高碳高钒耐磨合金定向凝固过程研究[J]．铸造，2003，52(10)：20—24]研究了稀土变质剂对高钒高速钢初生碳化物的影响，未经变质处理时，初生VC为椭圆形、方形、菱形和多角形等形态的颗粒。加入0.3％稀土变质处理后VC为圆整的球形或近似球形的颗粒，弥散分布在基体中，二元共晶VC受到与之共生的奥氏体限制，呈现为针状或短杆状。研究表明，加入1.0％钛或0.1％镁变质时，晶粒内和晶界上的网状碳化物得到明显细化；同时加入0.1％镁变质可以显著减少奥氏体和共晶碳化物的含量，使共晶碳化物的分布有所改善；加入1.4％RE-Ti-Mg复合变质剂后，显著改善了碳化物的分布，使晶粒细化，组织细小且均匀，绝大部分晶界碳化物呈现断网状分布。

4 高钒高速钢的凝固过程与热处理工艺

4．1 凝固过程
文献[魏世忠，倪锋，朱金华，等．高钒铁碳合金凝固过程及元素的分布[J]．材料开发与应用，2003，18(6)：13—16]的研究结果表明，在高钒高速钢凝固过程中，随着温度的降低，液态合金冷却到液相线温度时，从金属液中首先析出VC颗粒，发生L→VC的结晶反应。随着VC的析出，液相中V含量降低，达到共晶成分点时，发生了共晶反应L→γ+VC，这时奥氏体与VC同时析出。由于奥氏体为非小晶面相，而VC为典型的小晶面相，二者具有较大的离异共晶倾向，由于偏析，液相中Mo、Cr等元素的含量升高，当Mo、Cr的含量足够高时，液相在凝固后期将发生三元共晶反应L→γ+VC+M2C，所形成的三元共晶组织分布在奥氏体和VC的共晶团之间。

4．2 热处理工艺
高钒高速钢含有大量合金元素，组成相多，组织复杂，热处理工艺明显不同于普通高速钢。国内关于高钒高速钢热处理工艺的报道很少，根据不同的化学成分制定出合理的热处理工艺，文献[王金国，周宏，苏源德，等．高碳高钒高速钢的高温硬度及热处理的研究[J]．金属热处理，2000，(3)：22—03]研究结果表明，随着淬火温度的升高，硬度都逐渐升高，达到某一温度时硬度出现峰值，成分不同时出现峰值的温度和峰值硬度也不同。随着碳含量增加，淬火硬度峰值温度向低温方向变化，若碳量不变钒量增加，硬度峰值温度升高。高钒高速钢回火时，硬度变化与普通高速钢相似。为使材料具有较高的硬度及良好的耐磨性，高温淬火需高温回火，低温淬火需低温回火；如果淬火温度高，而回火温度低，钢中残余奥氏体量就越多。高钒高速钢经多次回火后，硬度会降低，磨粒磨损耐磨性也随之下降。高钒高速钢合适的热处理工艺为：1000~1050℃淬火，550℃回火，一次回火即可。

5 高钒高速钢在耐磨轧辊方面的应用
钢铁工业是国家的基础工业，轧辊由于工况条件恶劣，磨损量大而成为钢铁行业中用量很大的关键部件。随着世界轧钢行业的迅速发展，对轧辊的使用寿命提出了更高的要求，耐磨性较好的传统高铬铸铁轧辊已经不能满足人们的要求。20世纪80年代，日本川崎制铁(株)钢铁研究所就开发了高钒高速钢耐磨轧辊，所用合金成分(质量百分数/%：C1.0~3.7；Si0.5~1.6；Mn0.3~3.7；Cr3.6~9.1；Mo2.5~6.6；V3.1~8.6；Ni0.2~4.5；Cu0~2.0；W0~11.1；Nb0~1.8.)，并认为高钒高速钢的耐磨性基本上由均匀分布在基体上的V系粒状碳化物所决定。高钒高速钢复合轧辊与其它轧辊相比较具有很多优点：耐磨性是高铬铸铁的3倍左右，高镍铬复合轧辊的5~7倍；采用锻钢芯材，芯部强度高、韧性好，不易发生断辊事故；抗表面粗糙能力强，抗裂纹和抗剥落能力好。国内近几年才开始了对高钒高速钢轧辊的研究和应用，而且应用范围较小。为了得到更多的VC，以提高轧辊的耐磨性，目前轧辊成分逐渐向高碳高钒方向发展。

6 建议
高钒高速钢目前在国内已经得到了初步的研究和应用，尤其在耐磨材料方面的应用取得了很好效果，但对于高钒高速钢的凝固特性、变质处理和热处理等方面的研究还存在许多问题。为此提出以下几条建议：
(1)成分优化：针对不同行业的使用要求，进行相应的成分设计。
(2)加强高钒高速钢热处理工艺以及碳化钒形态、分布及形成条件的研究。
(3)加强高钒高速钢凝固特性和变质处理的研究。
(4)加快高钒高速钢从生产刀具和轧辊到生产锤头等普通粉磨行业的耐磨件的推广。

本文摘自《河南科技大学学报(自然科学版)》 (邵抗振-魏世忠-龙锐---河南科技大学材料科学与工程学院及河南省耐磨材料工程技术研究中心)

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