釩添加量對冷硬鑄鐵組織及耐磨性的影響

高 杰,郭克星,支澤林,陳思思,孫亞云,張 銀

(1.陜西省特種設備檢驗檢測研究院, 西安 710048;2.寶雞石油鋼管有限責任公司,寶雞 721008)

0 引 言

冷硬鑄鐵具有很好的耐腐蝕和耐沖擊磨損性能,且價格低廉,廣泛應用于礦山、建筑、交通、軍工、航空航天等領域[1-5]。冷硬鑄鐵的耐磨性與其鑄態組織的相結構有著必然聯系,其以高硬度的碳化物相作為耐磨骨架,奧氏體為基體,二者協同提高耐磨性。雖然冷硬鑄鐵具有較好的耐磨性,但冷硬鑄鐵軋輥在使用過程中仍然會出現局部脫落和耐磨性不佳的現象[6],因此不斷提高冷硬鑄鐵的耐磨性依然是材料工作者的任務。近年來為了改善冷硬鑄鐵的耐磨性,材料工作者開始向其中添加合金元素[7-9];這些合金元素可以作為碳化物的形成元素,也可以固溶于基體相中,從而提高淬透性以及碳化物和基體的硬度,有效改善冷硬鑄鐵的耐磨性,提高其在苛刻環境下的服役能力。研究[10]發現,釩的添加對冷硬鑄鐵耐磨性的改善效果顯著。吳來磊[11]研究發現,釩可以使無限冷硬鑄鐵中的碳化物由網狀沿晶間分布逐漸細化為球狀和短棒狀均勻分布,添加釩的冷硬鑄鐵回火后的最高硬度可以達到60 HRC,耐磨性也顯著提高。然而,釩對冷硬鑄鐵不同磨損條件下耐磨性與磨損形貌的關系以及磨損機理的影響尚缺乏數據支撐。基于此,作者采用金屬型鑄造制備了不同釩添加量的冷硬鑄鐵,研究了釩質量分數對冷硬鑄鐵顯微組織以及抗沖擊磨粒磨損和摩擦磨損性能的影響,以期為耐磨軋輥的研制和開發提供試驗參考。

1 試樣制備與試驗方法

以低硅生鐵、廢鋼、鉬鐵、錳鐵、鉻鐵、鎳鐵、釩鐵為原料,制備添加質量分數分別為0,0.4%,0.8%,1.2%,1.6%,2.0%釩的冷硬鑄鐵。將除釩鐵外的原料在10 kg高頻感應電爐中熔煉,其名義化學成分(質量分數/%)為3.3C,0.8Si,0.7Mn,2.7Cr,0.3Mo,1.2Ni;熔煉溫度為1 550 ℃,待原料熔化后加入釩鐵,靜置5 min左右,當合金液溫度達到1 420～1 450 ℃時澆注到尺寸為125 mm×100 mm×25 mm的金屬型中。金屬型需要經過預處理,即在表面涂刷覆膜砂涂料并預熱至150 ℃。待試驗合金冷卻至950～1 000 ℃時,快速脫模并置于支架上空冷(自淬火),當溫度降至700 ℃時埋砂緩冷(自回火),通過自淬火+自回火達到降低鑄件內應力的目的。

采用線切割加工得到尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣、尺寸為10 mm×10 mm×30 mm的沖擊磨損試樣和尺寸為φ27 mm×5 mm的摩擦磨損試樣。金相試樣經打磨、拋光,清水和無水乙醇清洗后吹干,王水腐蝕60～65 s,采用Nikon Epiphot 300U型倒置式光學顯微鏡觀察顯微組織。采用MLD-10型動載磨料磨損試驗機進行沖擊磨料磨損試驗,沖錘質量為10 kg,下試樣軸轉速為200 r·min-1,磨粒為粒徑125 μm的石英砂,流量為1 kg·h-1,落錘的沖擊功分別為1,3 J;磨損后將試樣置于乙醇溶液中超聲清洗20 min。采用MS105DU型電子天平稱取沖擊磨粒磨損前后的試樣質量,計算磨損質量損失。采用GHT-1000E型高溫真空摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗,電機轉速為797 r·min-1,電機頻率為17.72 Hz,測試時間為100 min,試驗溫度為室溫,摩擦半徑為4 mm,對磨材料為45鋼,試驗載荷分別為6.9,9.8 N。采用JEOL-6700F型掃描電鏡觀察磨損形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可見,不同釩含量冷硬鑄鐵組織中的晶粒生長均呈各向異性,且形狀不規則。未添加釩的冷硬鑄鐵組織為亞共晶白口鑄鐵組織,由奧氏體基體、少量馬氏體、碳化物和萊氏體組成[12],奧氏體晶粒粗大,多呈塊狀、條狀分布,碳化物呈連續網狀分布;當釩質量分數為0.4%時,奧氏體與碳化物的尺寸變小,但減小的程度不明顯;當釩質量分數為1.2%時,奧氏體顯著細化,晶粒分布均勻,碳化物由網狀基本變為長條狀[13-14];當釩質量分數為2.0%時,碳化物顆粒尺寸增大并發生聚集。

圖1 不同釩質量分數冷硬鑄鐵的顯微組織Fig.1 Microstructures of chilled cast iron with different mass fractions of vanadium

2.2 抗磨粒磨損性能

由圖2可見,當擺錘沖擊功為1 J時,隨著釩質量分數的增加,冷硬鑄鐵的磨損質量損失先下降后略微升高,當釩質量分數為1.2%時,磨損質量損失最小,抗沖擊磨粒磨損性能最佳。冷硬鑄鐵的基體和碳化物抵抗磨粒磨損的能力決定了材料的耐磨性[15]。隨著釩含量的增加,冷硬鑄鐵的組織發生細化,碳化物分布逐漸均勻,耐磨性能提高,但是當釩質量分數大于1.2%時,晶粒開始變得粗大,耐磨性降低,但是仍然高于未添加釩的冷硬鑄鐵。在沖擊磨粒磨損時,隨著擺錘沖擊功的增大,磨損質量損失增加[16]。在3 J沖擊功下釩質量分數1.2%冷硬鑄鐵的磨損質量損失(0.017 7 mg)遠大于1 J沖擊功下的磨損質量損失(0.007 0 mg)。

圖2 沖擊功為1 J下磨料磨損試驗后冷硬鑄鐵的磨損質量損失隨釩質量分數的變化曲線Fig.2 Variation curves of wear mass loss vs vanadium mass fraction for chilled cast iron after abrasive wear tests under impact energy of 1 J

由圖3可以看出,磨粒對試樣表面均產生了顯著的犁削作用。未添加釩的冷硬鑄鐵磨損表面主要由剝落凹坑、層片狀材料剝落留下的微臺階、裂紋以及大量平行犁溝組成, 磨損機理為微觀切削。在磨損初期,硬度較低的基體相先被磨掉,石英砂磨粒在法向力的作用下壓入磨損表面,在切向力的作用下對磨損表面進行犁削,從而形成大量平行犁溝,犁溝的兩側及前端形成材料卷曲和堆積。由于未添加釩的冷硬鑄鐵塑韌性較差[17],因此犁溝較粗大,犁脊處的撕裂痕跡較嚴重。磨粒切削產生的切應力大于冷硬鑄鐵的屈服強度而尚未達到其剪切強度,裂紋在平行于表面的亞表層產生并擴展形成宏觀裂紋,從而形成材料剝落[18]。因此磨損表面呈現出層片狀碎片。與未添加釩的冷硬鑄鐵相比,含質量分數1.2%釩的冷硬鑄鐵磨損表面裂紋和層片狀剝落顯著減少。這是因為含質量分數1.2%釩的冷硬鑄鐵的組織顯著細化,碳化物分布更加均勻,硬度和塑韌性得到了提高[17],磨粒壓入基體內部變得困難。在1 J沖擊功下沖擊磨粒磨損時含質量分數1.2%釩的冷硬鑄鐵的磨損機理主要是塑性疲勞;在3 J沖擊功下該冷硬鑄鐵表面大量破碎,磨損形貌主要包括卷曲、剝落和少量的犁溝,且犁溝的深度和寬度較低沖擊功下增加,磨損機理主要是斷裂磨損。

圖3 不同沖擊功下沖擊磨粒磨損后不同釩質量分數冷硬鑄鐵的磨損形貌Fig.3 Wear morphology of chilled cast iron with different mass fractions of vanadium after impact abrasive wear under different impact energies: (d) amplification of box area in (c)

2.3 摩擦磨損性能

由圖4可以看出,不同釩含量冷硬鑄鐵的摩擦磨損過程均可分為急劇摩擦和穩定摩擦兩個階段,摩擦因數在急劇摩擦階段迅速升高,經過短時間跑合達到穩定狀態。在跑合過程中摩擦因數出現了下降趨勢,這是因為在磨損過程中摩擦接觸面之間的摩擦產物不斷累積,當形成連續潤滑膜時,摩擦因數下降。在穩定磨損階段,9.8 N載荷下的摩擦因數波動程度低于6.9 N載荷下,這與之前的的研究結果類似[19]。添加釩后,冷硬鑄鐵的穩定摩擦因數降低,且隨著釩含量的增加,穩定摩擦因數呈現出先降低后升高的趨勢;9.8 N載荷下的穩定摩擦因數低于6.9 N載荷下,表明較大載荷下冷硬鑄鐵的摩擦磨損過程更加平穩,摩擦潤滑層更趨近于連續。

圖4 不同載荷摩擦磨損時不同釩質量分數冷硬鑄鐵的摩擦因數變化曲線以及穩定摩擦因數隨釩質量分數的變化曲線Fig.4 Variation curves of friction factor (a-b) and curves of stable friction factor vs vanadium mass fraction (c) for chilled cast iron with different mass fractions of vanadium during frictional wear under different loads

由圖5可以看出,不同釩含量鑄鐵表面磨痕深度不均勻,出現了許多剝落坑型的孤島突出峰和犁溝,表面較粗糙[20-23]。當載荷為6.9 N時,未添加釩的冷硬鑄鐵表面有大量的犁溝和黏著剝落,磨損機理為微觀切削;添加質量分數0.4%釩后鑄鐵表面的犁溝減少,磨損機理主要是黏著磨損;添加質量分數0.8%釩后,鑄鐵磨痕顯著減少,磨損機理為多次塑變磨損;當添加質量分數1.2%釩時,細小的潤滑層趨近于連續,磨損形貌得到顯著改善,犁溝減少,磨損機理為疲勞磨損。當載荷為9.8 N時,未添加釩的冷硬鑄鐵磨損表面有大量顆粒,磨損機理主要是磨粒磨損;當釩質量分數為1.2%時,犁溝數量顯著減少,細小的潤滑層基本連續,磨損機理為疲勞磨損。未添加釩的冷硬鑄鐵塑韌性較差,磨損后發生材料剝落形成磨粒,因此犁溝較為明顯。加入釩后鑄鐵組織細化,碳化物分布變均勻,基體的強度在一定程度上得到了提高,磨損后形成少量細小磨屑,填平磨損產生的凹坑并形成細小連續的潤滑層。

圖5 不同載荷摩擦磨損后不同釩質量分數冷硬鑄鐵的磨損形貌Fig.5 Wear morphology of chilled cast iron with different mass fractions of vanadium after frictional wear under different loads

3 結 論

(1) 隨著釩含量的增加,冷硬鑄鐵的顯微組織發生明顯細化,碳化物分布更加均勻,碳化物由網狀變為長條狀,但當釩質量分數超過1.2%時,碳化物過度長大并發生聚集。當釩質量分數為1.2%時冷硬鑄鐵組織最佳。

(2) 隨著釩含量的增加,沖擊磨粒磨損試驗后冷硬鑄鐵的磨損質量損失先下降后略微升高,當釩質量分數為1.2%時,磨損質量損失最小,抗沖擊磨粒磨損性能最佳。未添加釩冷硬鑄鐵的沖擊磨粒磨損機理在1 J沖擊功下以微觀切削為主;含質量分數1.2%釩的冷硬鑄鐵的沖擊磨粒磨損機理在1 J沖擊功下以塑性疲勞為主,在3 J沖擊功下以斷裂磨損為主。

(3) 添加質量分數0,0.4%,0.8%,1.2%釩的冷硬鑄鐵在6.9 N載荷下的摩擦磨損機理分別為微觀切削、黏著磨損、多次塑變磨損和疲勞磨損;添加質量分數0,1.2%釩的冷硬鑄鐵在9.8 N載荷下的摩擦磨損機理分別為磨粒磨損和疲勞磨損。