費(fèi)爾檢測小課堂 | 進(jìn)階篇--高釩高速鋼
作者：費(fèi)爾檢測發(fā)布時(shí)間 : 2020-04-10 類型：權(quán)威檢測標(biāo)簽： 認(rèn)證證書高釩高速鋼發(fā)展史
早在1861年，Mushet首次冶煉了含有2.15%C、1.04%Si、0.58%Mn、0.40%Cr、5.44%W的鋼，由于這種鋼在空氣中即能淬火，所以Mushet將此鋼稱為“自硬鋼”，這就是高速鋼的前身。從上世紀(jì)三十年代末期，一直到五十年代，高速鋼的硬度范圍，始終在HRC62~66之間，有時(shí)還低于這個(gè)硬度范圍。
釩首次加入高速鋼中，是在1903年左右，當(dāng)時(shí)是把釩當(dāng)作一種凈化劑以消除夾雜物和減少在鋼中殘留的含氣量，因?yàn)殁C具有強(qiáng)的脫氧能力。釩作為重要元素加入高速鋼中是在1928年，當(dāng)時(shí)為提高切削性能，人們調(diào)整高速鋼的成分，發(fā)現(xiàn)了釩含量在1%以上時(shí)，可以提高耐磨性能，于是形成了近代仍廣泛應(yīng)用的18-4-1型含釩高速鋼(W18Cr4V)。當(dāng)時(shí)已認(rèn)識到增加釩量的同時(shí)，必須增加碳含量，由于釩和碳必須成比例地提高，所以形成了高碳高釩高速鋼?？梢哉f，高釩高速鋼是基于刀具選材發(fā)展起來的，其釩元素含量大都在5%以下。
高釩高速鋼用于生產(chǎn)軋輥是一次應(yīng)用上的創(chuàng)新，與生產(chǎn)刀具相比，其成分也進(jìn)行了進(jìn)一步的調(diào)整，主要涉及以下幾個(gè)方面：
(1) 有較高的C和V含量，釩含量一般提高到3-8%。其目的是為得到MC型碳化物，有效地提高軋輥的耐磨性和使用安全性。
(2) 有較高Cr含量，增加Cr含量，使軋輥中含有一定數(shù)量的M7C3型碳化物，對改善輥面的抗粗糙性，降低軋制力是有益的。
(3) 離心鑄造高速鋼軋輥中含有5%以下的Nb，以降低高速鋼中合金元素密度差(主要用于平衡鎢、釩形成的MC型碳化物與鐵的密度差)過大引起的偏析。
(4) Co提高高速鋼的紅硬性，應(yīng)用于熱軋機(jī)上的高速鋼軋輥，加入Co可明顯提高耐磨性，熱軋高速鋼軋輥中一般加入10%以下的Co。
在高釩高速鋼應(yīng)用于軋輥取得成功的背景下，河南省耐磨材料工程技術(shù)研究中心通過調(diào)整成分(將釩含量提高到10%左右，去掉鎢、降低鉻含量)，首次將高釩高速鋼成功地應(yīng)用于粉磨行業(yè)，取得顯著成效。吉林工業(yè)大學(xué)和吉林大學(xué)等單位，在含釩高速鋼的凝固過程、熱處理工藝和摩擦磨損性能方面進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，取得了相應(yīng)進(jìn)展。
綜合高釩系高速鋼的發(fā)展歷史來看，所開發(fā)的高釩高速鋼化學(xué)成分雖不相同，但一個(gè)共同的趨勢是碳與合金元素的含量不斷提高。其中碳元素質(zhì)量百分含量達(dá)到3.2%，合金總含量可達(dá)15%。
H.F.Fishmeister的研究結(jié)果表明，含有大量的釩、鈮(強(qiáng)碳化物形成元素)和碳有利于形成MC型碳化物。這就決定了軋輥用高速鋼不可能采用常規(guī)高速鋼，其成分基礎(chǔ)應(yīng)是高碳高釩(鈮)系高速鋼，由于鈮的價(jià)格過高，目前應(yīng)用較少。因此，高速鋼就以提高V含量為主要發(fā)展趨勢。
高釩高速鋼各主要元素的作用
高釩高速鋼的顯微組織取決于化學(xué)成分。普通高速鋼中除碳元素外，一般含有釩、鎢、鉻、鉬等多種合金元素。高速鋼中各種元素的含量和作用是相互關(guān)聯(lián)的，表現(xiàn)為碳元素和碳化物形成合金元素之間的原子比例關(guān)系影響著鋼的耐磨性能。根據(jù)不同的資源狀況及工件所使用的工況條件與制造工藝等，工件的化學(xué)成分亦有所差異。
碳作為高速鋼中的基本元素，對高速鋼各種性能的影響極為顯著。它和高速鋼中的其它合金結(jié)合起來，形成多種合金碳化物，通過適當(dāng)熱加工和熱處理使其合理地分布元素，而對高速鋼各項(xiàng)性能產(chǎn)生最基本的影響。高速鋼增加含碳量能提高材料的耐磨使用性能，已被大量的事實(shí)所肯定。G.Steven又從理論上作了進(jìn)一步的探討，并確定了根據(jù)碳化物形成元素的含量來計(jì)算含碳量的方法，也就是“平衡碳原則”，也可稱之為“定比碳”計(jì)算法。將鋼中的含碳量提高到“平衡碳”量水平，則可提高高速鋼的室溫硬度、熱硬性、耐磨性能等。當(dāng)含碳量不足時(shí)，碳化物的數(shù)量也相應(yīng)減少，使鋼的耐磨性能和切削性能都要降低。反之含碳量過高時(shí)，則形成大量過剩碳化物，使碳化物的不均勻性顯著增加，鋼的塑性、韌性降低，鍛造性能變差。同時(shí)，還會導(dǎo)致鋼的溶點(diǎn)降低，碳化物集聚長大傾向加大，使淬火加熱時(shí)，易產(chǎn)生各種不良組織，造成鋼的各種性能下降。
釩是高釩高速鋼中另一主要合金元素。釩在高速鋼中，一部分溶解于基體中，一部分形成碳化物，而且是最能促進(jìn)碳化物形成和穩(wěn)定的因素。對于熱軋輥的高釩高速鋼，釩主要形成MC型碳化物。VC的溶點(diǎn)和溶解溫度都很高，在奧氏體化時(shí)，VC在1100℃以上才開始溶解，溶解量也不多，大部分的釩仍保留在碳化物中。溶解的釩能大大加強(qiáng)鋼的二次硬化，而保留的VC，則可大大增加鋼的耐磨性。根據(jù)“定比碳”理論，釩量增加，碳含量也要相應(yīng)增加，高碳高釩高速鋼也由此而來。方便起見，也可稱其為高釩高速鋼。高碳高釩高速鋼的顯著特點(diǎn)就是形成大量的高硬度的MC型碳化物，具有高的耐磨性能，同時(shí)也由于釩和碳的增加可顯著提高熱硬性，也具備優(yōu)良的切削性能。
鎢元素的作用主要是強(qiáng)化高速鋼的回火馬氏體基體，淬火時(shí)能固溶于高速鋼基體，固溶質(zhì)量百分含量約為7%，提高了馬氏體抗高溫分解的穩(wěn)定性。但由于鎢的碳化物呈尖角形態(tài)的塊狀分布，與其它合金相相比，比重較大，有偏析傾向，另外，鎢降低了高速鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，在高釩高速鋼用于熱軋輥材質(zhì)的情況下，鎢元素含量要減少，甚至剔除。例如德國目前采用低鎢、高釩的高速鋼，而且曾試驗(yàn)由釩代替鎢。關(guān)于釩替代鎢的比例關(guān)系，Houdremont及Schrader認(rèn)為不是直線關(guān)系而是拋物線關(guān)系。
鉻、鉬亦為高釩高速鋼不可缺少的合金元素，都有提高淬透性和回火硬度的作用。鉬容易被氧化，鉻元素有增加抗氧化及抗腐蝕能力的作用。鉬在高速鋼中能提高鋼的強(qiáng)度和韌性;鉻在熱軋過程中，能起到減少軋輥和鋼材粘滯力，增加表面光潔度的能力。鉬對高速鋼而言，由于對脫碳和鋼的晶粒變粗(晶粒不均勻性)有較高的敏感性，鉬元素的含量不超過3%。而鉻存在于高速鋼的各種牌號中，可以說沒有不含鉻的高速鋼，而且?guī)资陙?，世界各國列入?biāo)準(zhǔn)的上百種高速鋼中，除個(gè)別的鋼牌號外，鉻的含量均保持在4%左右，沒有發(fā)生大的變化。
根據(jù)以上碳及其它合金元素的特點(diǎn)，Park，Joon.Wook等人研究了高速鋼熱軋輥的化學(xué)成分、顯微結(jié)構(gòu)、硬度和磨損特性之間的關(guān)系。結(jié)果表明：高釩高速鋼軋輥，因具有大量高硬度的MC型碳化物而具有最好的耐磨性，僅在熱軋時(shí)的表面光潔度較差。為了提高耐磨性，同時(shí)兼顧表面光潔度，建議適當(dāng)降低熱軋輥中的釩含量，增加金屬元素鉻的含量。另外，建議加入其它合金元素來加強(qiáng)固溶強(qiáng)化和二次硬化作用，提高基體的強(qiáng)韌性，使其有效的保護(hù)碳化物。
日本川崎制鐵(株)鐵鋼研究所研究了合金元素對C、V系鋼的耐磨性和高溫沖擊特性的影響。所用合金成分范圍為(%)：C：1.0-3.7，Si：0.5-1.6，Mn：0.3-3.7，Cu：0-2.0，Ni：0.2-4.5，Cr：3.6-9.1，Mo：2.5-6.6，W：0-11.1，V：3.1-8.6，Nb：0-1.8。結(jié)果表明，高碳釩系高速鋼的耐磨性基本上由基體上釩系粒狀碳化物所決定。
韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)的Kang、Y.J.等人研究了離心鑄造高速鋼軋輥中碳和鉻對其耐磨性和表面粗糙度的影響，通過在高溫下的磨損試驗(yàn)，模擬軋輥在熱軋過程中的磨損情況。磨損試驗(yàn)結(jié)果顯示，耐磨性隨含碳量的增加而增強(qiáng)。在含有較少量鉻的高速鋼軋輥中，含有大量的硬質(zhì)的MC碳化物而使其耐磨性增強(qiáng)，但在軋制過程中，軋輥表面與軋材粘著而產(chǎn)生剝落，使軋輥表面變得非常粗糙。含有較多鉻量的軋輥則擁有比較好的表面光潔度，為了提高耐磨性以及表面光潔度，在用于熱軋時(shí)建議適當(dāng)增加鉻含量。
