高钒高速钢

钢种类

高钒高速钢是以钒为主要添加元素，辅以铬、钼等合金元素的钢种。

产品简介

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。

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。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，虽然价格较锰、铬等元素贵，但是高钒高速钢的性价比很高。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。

产品性能

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。

产品处理

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。

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。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。

产品工艺

凝固过程：

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。

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。

产品应用

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，轧辊成分逐渐向高碳高钒方向发展。

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