為了研究釩微合金化對(duì)低合金耐磨鋼組織和性能的影響，在低碳低合金耐磨鋼中添加0.13%的釩，通過(guò)光學(xué)顯微鏡(OM)、透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、室溫拉伸實(shí)驗(yàn)、–20℃低溫沖擊實(shí)驗(yàn)、布氏硬度實(shí)驗(yàn)等手段研究了釩微合金化對(duì)低碳低合金耐磨鋼的微觀組織和性能的影響。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)同一條件處理后均得到回火馬氏體組織，馬氏體板條中均有ε-碳化物析出，2#鋼組織中有V的碳氮化物析出；實(shí)驗(yàn)鋼均達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中NM450級(jí)別耐磨鋼要求。V合金化處理對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的組織和性能的影響不明顯，反而增加了合金成本；磨損條件和耐磨鋼是影響耐磨鋼磨損性能的主要因素，磨損機(jī)理均為磨削磨損。

耐磨鋼的發(fā)展經(jīng)歷了從高錳鋼、超高錳鋼到低碳鋼、中合金耐磨鋼的過(guò)程[1-3]。高錳鋼在高沖擊載荷條件下加工硬化可使其組織轉(zhuǎn)變，強(qiáng)度、硬度、耐磨性增加，因而長(zhǎng)期被作為通用的耐磨鋼。但隨著使用條件和成形條件的變化，高錳鋼不再是通用的耐磨鋼[4-7]，逐漸被低碳鋼、中合金耐磨鋼所取代。這一類耐磨鋼主要是通過(guò)合金元素進(jìn)行成分優(yōu)化，通過(guò)合理的熱處理工藝獲得馬氏體、貝氏體以及貝氏體-馬氏體混合組織，得到高強(qiáng)度高硬度來(lái)提高耐磨性，同時(shí)由于低碳鋼、中合金耐磨鋼具有合金含量低(≤5%)、綜合性能良好、生產(chǎn)靈活方便、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、工程機(jī)械、鐵路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[8-10]。本文針對(duì)本鋼開(kāi)發(fā)耐磨鋼的實(shí)際需求，為了實(shí)現(xiàn)成本控制和性能控制的雙贏，對(duì)合金元素與組織和性能的關(guān)系以及最終對(duì)耐磨鋼耐磨性影響因素和機(jī)理做了相應(yīng)的研究，達(dá)到低成本高性能的需求。

實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)鋼由本鋼集團(tuán)技術(shù)研究院200 kg真空感應(yīng)爐熔煉，并軋制成15 mm厚鋼板，化學(xué)成分如表1

所示，1#和2#實(shí)驗(yàn)鋼的主要差別在于2#鋼在1#鋼的基礎(chǔ)上添加了0.13%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的V進(jìn)行微合金化處理。實(shí)驗(yàn)鋼熱處理工藝為920℃保溫30 min后水淬+250℃低溫回火1 h后空冷。

利用線切割在熱處理后的實(shí)驗(yàn)鋼上截取10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣，經(jīng)過(guò)機(jī)械研磨和拋光后在體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液中腐蝕，利用OLYMPUS-GX71光學(xué)金相顯微鏡(OM)觀察金相組織。在金相試樣上取1 mm厚薄片試樣，制備成透射電鏡試樣，利用TECNAI G2-20型透射電子顯微鏡(TEM)觀察試樣顯微組織形貌。利用320HBS-3000型布氏硬度計(jì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)鋼布氏硬度HB。利用SANS-CMT5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在室溫條件下檢測(cè)力學(xué)性能，拉伸試樣參照標(biāo)準(zhǔn)HGBT228—2002加工，拉伸速度為2 mm/min。利用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)按照國(guó)家標(biāo)GB/T229—1994“金屬夏比缺口沖擊實(shí)驗(yàn)方法”檢測(cè)實(shí)驗(yàn)鋼–20℃的沖擊性能，試樣為標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。利用ML-100型銷(xiāo)盤(pán)式磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)鋼耐磨性，以磨損失重與磨損行程的比值(mg/m)表示磨損率。利用SSX-550掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損表面，分析磨損機(jī)理。

結(jié)果與分析

金相組織與力學(xué)性能

圖1為實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)相同熱處理?xiàng)l件處理后金相組織。從圖中可以看出，二者均獲得回火馬氏體組織。圖1(a)組織為不添加V的1#鋼板組織，其晶粒粗大，馬氏體板條較寬較長(zhǎng)，碳化物析出相粗大；圖1(b)為添加0.13%V后鋼板的金相組織，與1#鋼板相比，晶粒細(xì)化，原奧氏體更加明顯且晶粒內(nèi)部的板條馬氏體也有所細(xì)化，板條束較窄較短，析出物增多且細(xì)小分布在奧氏體晶界和板條束之間。

為了確定V合金化鋼組織變化細(xì)節(jié)，利用透射電鏡(TEM)觀察了1#和2#實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織。圖2(a)為1#鋼板顯微組織，板條束寬大，且內(nèi)部有粗大ε-碳化物析出；圖2(b)為2#鋼板顯微組織，與1#鋼組織相比，板條窄小，且在板條內(nèi)部有細(xì)小的ε-碳化物析出。2#鋼的放大倍數(shù)TEM圖顯示在晶粒的邊界有橢圓形碳化物析出(圖2(c))，且能譜(EDX)分析表明其中V和Ti的含量較高(圖2(d))，但是合金化中并未加入Ti，這可能是合金原料中殘留的Ti帶入的。同理對(duì)1#鋼板顯微組織進(jìn)行高倍TEM觀察，未發(fā)現(xiàn)類似碳化物析出。V的碳化物在熔煉過(guò)程中形成，并且穩(wěn)定存在于鑄坯中，在正火加熱時(shí)(1250℃)不會(huì)發(fā)生分解，這是由于碳化物的存在提供了更多的形核質(zhì)點(diǎn)，使得奧氏體晶粒得到細(xì)化，同時(shí)部分未形成碳化物析出的V元素固溶于奧氏體晶粒中，從而一定程度上提高了2#實(shí)驗(yàn)鋼板的淬透性，因此與1#不加V實(shí)驗(yàn)鋼相比，2#實(shí)驗(yàn)鋼鋼板組織中回火馬氏體條更加細(xì)小。

表2為1#和2#實(shí)驗(yàn)鋼在相同熱處理?xiàng)l件下的力學(xué)性能，由表中數(shù)據(jù)可以看出V合金化鋼由于晶粒得到細(xì)化，其硬度和強(qiáng)度均比基礎(chǔ)鋼的硬度和強(qiáng)度增加，延伸率和沖擊性能都略有降低，但差別不大，表明V微合金化對(duì)低碳低合金耐磨鋼的組織和性能影響不明顯。

磨損實(shí)驗(yàn)

垂直于實(shí)驗(yàn)鋼板表面取樣，加工成磨損標(biāo)準(zhǔn)試樣。實(shí)驗(yàn)前用酒精清洗、吹干，測(cè)得試樣重量作為原始重量。磨損實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示。磨損試樣磨損端直徑4 mm，磨盤(pán)直徑260 mm，將砂粒粒度212、140μm的SiC金相砂紙固定在磨盤(pán)上作為磨料，磨盤(pán)轉(zhuǎn)速為60 rad/min，載荷為42、84 N。實(shí)驗(yàn)后在砂紙上形成的螺旋線，根據(jù)公式(1)計(jì)算螺旋線的長(zhǎng)度即為磨損行程。

式中，S為磨損行程；r1為螺旋線的起始半徑，mm；r2為螺旋線的終止半徑，mm；a為螺旋線的進(jìn)給量，mm/rad。圖4為實(shí)驗(yàn)鋼在載荷為84 N，砂粒粒度為212μm時(shí)的磨損表面SEM圖。圖4(a)顯示1#鋼表面劃痕為犁溝狀且較寬，同時(shí)在犁溝上有磨屑堆積，測(cè)得磨損率為13.767 mg/m；2#鋼表面劃痕呈與1#相似的犁溝狀但較細(xì)，犁溝中有片狀脫落磨屑，沒(méi)有堆積現(xiàn)象(圖4(b))，測(cè)得的磨損率為13.961 mg/m。2#鋼雖然加入V進(jìn)行合金化處理，但由于最終獲得組織和性能與1#鋼相近，使得2#鋼的磨損表面形貌和磨損率均與1#相似，表明磨損與材料最終的組織硬度和性能關(guān)系明顯，而與合金化元素的加入關(guān)系不大。二者的磨損機(jī)理均為犁溝型的磨削磨損伴有磨屑的韌性斷裂。