高釩高速鋼

高釩高速鋼簡介：

高釩高速鋼不僅有很高的硬度和相當的韌性，而且有優良的耐磨性，因此作為新一代耐磨材料，高釩高速鋼備受關注。研究表明，高釩高速鋼的耐磨性是高鉻鑄鐵的3倍以上，是高錳鋼的10倍以上，已被用於軋輥、鎚頭、球磨機襯板和轉子體等多種耐磨件。俄羅斯在高速鋼和一些結構鋼的生產中也開展了用釩代替鎢、鉬和鈮的應用研究。當前中國正處於高釩高速鋼材料的研製、開發和生產應用的起步階段，為此本文對其研究現狀進行了綜述並對發展前景進行了展望。

高釩高速鋼成分設計：

高釩高速鋼以釩為主要添加元素，輔以鉻鉬等合金元素，充分利用釩碳化物(VC)硬度高、形態好的特點來提高材料韌性及耐磨性。目前國外主要採用高碳高釩(鈮)類型的成分設計方案。釩是中國富有元素之一，目前雖然價格較錳、鉻等元素貴，但是高釩高速鋼的性價比很高。目前研究或應用的部分高釩高速鋼的化學成份中除C、V外，還含有Cr、Mo，有些還含有W和Nb。V含量最高達15％，最低也不低於2％，C含量最高可達4.6％。高釩高速鋼中釩碳質量比對其組織和性能也有很大的影響。根據定比碳規律，合金元素及碳含量滿足合金碳化物分子式中的定比關係時，二次硬化的效應最好。VC中V、C的質量比為4.26：1，當釩含量高於化合比時，形成VC后的多餘的釩只能溶於基體而造成貴重金屬的浪費。當碳含量高於化合比時，形成VC后多餘的碳除部分溶於基體外，剩餘部分與成分中的鉻、鉬等其它合金元素形成複合碳化物。研究發現，當V/C=3時，高釩高速鋼的耐磨性最佳，此時隨碳、釩含量增加，耐磨性提高3~4倍。

高釩高速鋼性能：

高釩高速鋼的組織相當複雜，顯微組織分析常採用以下幾種方法：透射電鏡相結構分析，掃描電鏡形貌特徵和微區成分分析，X射線衍射法分析碳化物相的組成，光學金相分析，顯微硬度分析；插熱分析法研究結晶溫度；電子探針測定碳化物的成分等。與黑白金相相比，彩色金相可以分析較為複雜的顯微組織。採用了KOH—K2[Fe(CN)6]水溶液和2，4，6-三硝基苯酚-Na2CO3水溶液作試劑對高釩高速鋼的凝固組織進行分析，MC型碳化物經上述兩種試劑腐蝕呈白色，M6C呈褐色。M2C和M7C3經前一種試劑腐蝕后呈褐色，M3C經后一種試劑腐蝕后呈褐色。高釩高速鋼優良的耐磨性取決於碳化物的種類、形態、分佈和數量，以及馬氏體基體的性能和晶粒大小。高釩高速鋼熱處理后的組織為VC+(Cr、Mo、Fe)7C3+M回+A殘餘；鑄態組織中碳化物主要是MC和少量的M2C、M3C、M6C以及M7C3。研究表明，不同類型碳化物的形成取決於強碳化物形成元素；釩利於MC型碳化物形成，隨釩含量的提高，MC型碳化物大量增加，在奧氏體晶界形成的M7C3和M6C型共晶碳化物明顯減少。研究發現，新型高速鋼的磨損機理主要是犁削和疲勞剝落，高釩高速鋼組織中存在大量的細小彌散分佈的高硬度MC型碳化物，可以有效地阻止磨粒切入基體，同時可以減輕疲勞脫落，因此耐磨性很好。

冶鍊工藝：

很多文獻對高釩高速鋼的冶鍊工藝報導較少。文獻[魏世忠，倪鋒，龍銳，等．高碳高釩耐磨合金定向凝固過程研究[J]．鑄造，2003，52(10)：20—24]對高釩高速鋼的冶鍊工藝進行了系統的論述，冶鍊高釩高速鋼的主要合金原料有釩鐵、鉻鐵、鉬鐵和錳鐵。用這些合金冶鍊高釩高速鋼時，應注意提高貴重而易燒損的釩的吸收率。由於釩在600℃以上極易被氧化，為了防止釩等合金元素的氧化，釩等合金元素應在熔化後期加入，加釩鐵前進行預脫氧，加釩鐵后盡量減少高溫停留時間。為了提高釩的吸收率，出爐前加入0.1％的純鋁進行終脫氧，再以包底沖入法操作進行稀土變質處理。出爐溫度為1600℃左右，澆注溫度為大約1500℃。文獻[劉海峰，劉耀輝，于思榮．高碳高釩系高速鋼的耐磨性研究[J]．摩擦學學報，2000，20(6)：401—406]也曾經用不氧化法熔煉高釩高速鋼，在1600℃時加鋁脫氧出鋼，並在包內預加自製複合變質劑進行變質處理。所有這些工藝都有效的防止了合金元素的氧化，提高了釩的吸收率。採用以上工藝，冶鍊出的高釩高速鋼具有優良的性能。

變質處理：

高釩高速鋼常用的變質劑有稀土、鈦、鎂、RE-Ti-Mg和富鈰混合稀土+鈦鐵複合變質劑。文獻[魏世忠，倪鋒，龍銳，等．高碳高釩耐磨合金定向凝固過程研究[J]．鑄造，2003，52(10)：20—24]研究了稀土變質劑對高釩高速鋼初生碳化物的影響，未經變質處理時，初生VC為橢圓形、方形、菱形和多角形等形態的顆粒。加入0.3％稀土變質處理后VC為圓整的球形或近似球形的顆粒，彌散分佈在基體中，二元共晶VC受到與之共生的奧氏體限制，呈現為針狀或短桿狀。研究表明，加入1.0％鈦或0.1％鎂變質時，晶粒內和晶界上的網狀碳化物得到明顯細化；同時加入0.1％鎂變質可以顯著減少奧氏體和共晶碳化物的含量，使共晶碳化物的分佈有所改善；加入1.4％RE-Ti-Mg複合變質劑后，顯著改善了碳化物的分佈，使晶粒細化，組織細小且均勻，絕大部分晶界碳化物呈現斷網狀分佈。

凝固過程：

高釩鐵碳合金凝固過程及元素的分佈[J]．材料開發與應用，2003，18(6)：13—16]的研究結果表明，在高釩高速鋼凝固過程中，隨著溫度的降低，液態合金冷卻到液相線溫度時，從金屬液中首先析出VC顆粒，發生L→VC的結晶反應。隨著VC的析出，液相中V含量降低，達到共晶成分點時，發生了共晶反應L→γ+VC，這時奧氏體與VC同時析出。由於奧氏體為非小晶面相，而VC為典型的小晶面相，二者具有較大的離異共晶傾向，由於偏析，液相中Mo、Cr等元素的含量升高，當Mo、Cr的含量足夠高時，液相在凝固後期將發生三元共晶反應L→γ+VC+M2C，所形成的三元共晶組織分佈在奧氏體和VC的共晶團之間。

熱處理工藝：

高釩高速鋼含有大量合金元素，組成相多，組織複雜，熱處理工藝明顯不同於普通高速鋼。國內關於高釩高速鋼熱處理工藝的報道很少，根據不同的化學成分制定出合理的熱處理工藝，文獻[王金國，周宏，蘇源德，等．高碳高釩高速鋼的高溫硬度及熱處理的研究[J]．金屬熱處理，2000，(3)：22—03]研究結果表明，隨著淬火溫度的升高，硬度都逐漸升高，達到某一溫度時硬度出現峰值，成分不同時出現峰值的溫度和峰值硬度也不同。隨著碳含量增加，淬火硬度峰值溫度向低溫方向變化，若碳量不變釩量增加，硬度峰值溫度升高。高釩高速鋼回火時，硬度變化與普通高速鋼相似。為使材料具有較高的硬度及良好的耐磨性，高溫淬火需高溫回火，低溫淬火需低溫回火；如果淬火溫度高，而回火溫度低，鋼中殘餘奧氏體量就越多。高釩高速鋼經多次回火后，硬度會降低，磨粒磨損耐磨性也隨之下降。高釩高速鋼合適的熱處理工藝為1000~1050℃淬火，550℃回火，一次回火即可。

高釩高速鋼在耐磨軋輥的應用：

鋼鐵工業是國家的基礎工業，軋輥由於工況條件惡劣，磨損量大而成為鋼鐵行業中用量很大的關鍵部件。隨著世界軋鋼行業的迅速發展，對軋輥的使用壽命提出了更高的要求，耐磨性較好的傳統高鉻鑄鐵軋輥已經不能滿足人們的要求。20世紀80年代，日本川崎制鐵(株)鋼鐵研究所就開發了高釩高速鋼耐磨軋輥，所用合金成分(質量百分數/%：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.)，並認為高釩高速鋼的耐磨性基本上由均勻分佈在基體上的V系粒狀碳化物所決定。高釩高速鋼複合軋輥與其它軋輥相比較具有很多優點：耐磨性是高鉻鑄鐵的3倍左右，高鎳鉻複合軋輥的5~7倍；採用鍛鋼芯材，芯部強度高、韌性好，不易發生斷輥事故；抗表面粗糙能力強，抗裂紋和抗剝落能力好。國內近幾年才開始了對高釩高速鋼軋輥的研究和應用，而且應用範圍較小。為了得到更多的VC，以提高軋輥的耐磨性，目前軋輥成分逐漸向高碳高釩方向發展。