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高钒高速钢冲击磨损性能与机理的研究
发布时间：2013-10-13 08:30 来源：未知
基于刀具发展而来的高钒高速钢已用于轧辊及破碎行业用锤头等的制造，钒元素含量己由原来的低于5%发展到现有的15%左右，国内在含钒高速钢的凝固过程、定向凝固、热处理工艺和摩擦磨损及磨粒磨损性能方面进行了基础研究，并取得了相应进展，河南省耐磨材料工程技术研究中心现己将高钒高速钢推广应用于冶金、矿山、电力及煤炭等部门所用破碎机的锤头、颚板和板锤等耐磨件，并取得了良好效果．这些耐磨件大都在恶劣的冲击磨损工况下服役，为此，本文作者以目前广泛使用的高铬铸铁为对比材料，利用可模拟锤式破碎机耐磨件实际服役工况的WM-1型冲击磨损试验机，研究了高钒高速钢以鹅卵石为磨料时的冲击磨损性能及其磨损机理，为高钒高速钢的进一步推广应用提供参考依据。
1、实验部分
1.1试样及组成
试验所选用的材料为高钒高速钢( V9)和高铬铸铁( Cr26)，其主要化学成分（以质量分数计）及机械性能见表1．
高钒高速钢根据有关研究成果用1000℃淬火（空冷）和530℃回火（空冷）工艺进行热处理，其组织为钒碳化物+少量铬钼复合碳化物+马氏体+残余奥氏体[见图1(a)]．对比材料高铬铸铁的热处理工艺为1 000℃淬火（空冷）和450℃回火（空冷），其组织为铬碳化物+马氏体+残余奥氏体。
采用HR-150A型洛氏硬度计测定试样的硬度．冲击韧性采用JB-300B型冲击试验机测定，其尺寸为20 mm×20 mm×110mm，无缺口．
1.2冲击磨损试验
采用河南省耐磨材料工程技术研究中心自行研制的WM-1型冲击磨损试验机，其结构原理及其试样的夹具如图2所示，该装置主要由动力输送机构、转子体、试样夹具及封闭冲击磨损腔等部分组成，试样通过侧面活动式密封窗口拆卸，该试验机1次安装V9和Cr26试样各3根，以保证试验工况一致，
试样在主轴及转子带动下以2 840 r/min的高速旋转，试样端部最大线速度为42 m/s，大体相当于中速反击式破碎机的工作速度，磨料选用鹅卵石，显微硬度为1237HV左右，进入冲击磨损腔时其直径为25 mm左右，受到试样的猛击而破碎，出料颗粒直径小于5 mm.
将6根试样(2种试样各3根)同时安装在冲击磨损试验机上，用10 kg鹅卵石预磨，然后取下清洗、烘干，用精度为0. 01 g的JA12002型电子天平（下同）称量其磨损质量损失；再将其重新安装在试验机上用30 kg鹅卵石正磨，取下后清洗、烘干、称量，算出磨损量；重复操作2次，得出每种试样每破碎30 kg鹅卵石时的平均磨损量，
采用Jeol-5610LV型扫描电子显微镜(SEM)观察磨损表面及亚表层形貌，进而分析其磨损机理．
2、结果及分析
2.1 冲击磨损性能
表2列出了V9和Cr26每破碎30 kg鹅卵石的平均磨损质量损失，可以看出，高钒高速钢V9耐磨性为高铬铸铁Cr26的3倍以上．
2.2冲击磨损机理
图3示出了Cr26和V9经鹅卵石颗粒冲击磨损试验后的磨损表面形貌SEM照片．可以看出，试样表面存在大量短程显微切削痕迹和冲击剥落坑，
对比图3（a和b）可见，Cr26磨损表面的冲击剥落坑比V9磨损表面多，且大而深，结合图4(a)可以认为试样Cr26的磨损层在不断受到冲击下伴随着基体的硬化，相当数量的位错交结在碳化物周围，使其应力增加，导致大块碳化物上萌生裂纹，并发生碎裂而脱落，距磨损表面稍远的碳化物和基体上出现显微裂纹而形成恶性循环剥落，从而加速磨损的形成。
由图4(b)可见，试样V9的磨损亚表层区域没有出现碳化物碎裂，试样V9中碳化钒(VC)的TEM像及其晶带轴衍射斑点和VC中的纳米微粒见图5．可以看出，VC中存在尺寸约几个纳米到几十个纳米的点状微粒且分布密度很高，可以认为，在颗粒的冲击下，V9中VC不容易开裂，在一定程度上形成了抗磨支点，并对基体起到一定的保护作用．
另一方面，试样V9的基体为马氏体和残余奥氏体的混合组织，图6(a和b)分别为其基体组织中马氏体和残余奥氏体混合存在的衍射衬度明场像和用奥氏体(111)衍射斑点做的暗场像，图6(c)为该视域的选区电子衍射像，图中四方形的基本特征平行四边形为马氏体的衍射斑点，2个基矢量70。的基本特征平行四边形为奥氏体的衍射斑点，还有其它杂散斑点是微小析出物造成的，可见奥氏体呈团块状和板条状等，内部位错密度较高，马氏体多为小竹叶状或短板条状，其大都成束分布，束内取向大致相同，各束之间具有不同取向，在马氏体条间和马氏体束间仍有奥氏体存在，由此认为，基体本身具有较高的抗冲击能力，为钒的碳化物提供有效的支撑和�；ぷ饔�，防止了碳化物剥落，
综上所述，大量不易开裂的球状或类球状钒的碳化物分布在高钒高速钢的基体上而形成抗磨支点，起到�；せ宓淖饔茫换寰哂凶愎坏挠捕群腿托�，抗冲击磨损能力强，为钒的碳化物提供有效的支撑和�；�，以上两方面共同作用，高钒高速钢的磨损机理主要为基体在鹅卵石颗粒冲击下，受到显微切削而导致碳化物脱落，使基体受到颗粒的蚕食作用而反复进行的磨损过程．
3、结论
a．高钒高速钢V9的耐磨性为高铬铸铁Cr26的3倍以上．
b．在颗粒的高速冲击下，高铬铸铁磨损机理主要为划伤和碳化物裂纹导致的剥落；高钒高速钢的磨损机理主要为基体在鹅卵石颗粒冲击下而受到显微切削，导致碳化物脱落，使基体受到颗粒的蚕食作用而不断反复进行的磨损过程．
