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    高钒高速钢的发展史以及其各主要元素作用

    2020-05-13 10:39:12  来源:广东精谱实业有限公司
    高钒高速钢发展史
       
       早在1861年,Mushet首次冶炼了含有2.15%C、1.04%Si、0.58%Mn、0.40%Cr、5.44%W的钢,由于这种钢在空气中即能淬火,所以Mushet将此钢称为“自硬钢”,这就是高速钢的前身。从上世纪三十年代末期,一直到五十年代,高速钢的硬度范围,始终在HRC62~66之间,有时还低于这个硬度范围。
     
       钒首次加入高速钢中,是在1903年左右,当时是把钒当作一种净化剂以消除夹杂物和减少在钢中残留的含气量,因为钒具有强的脱氧能力。钒作为重要元素加入高速钢中是在1928年,当时为提高切削性能,人们调整高速钢的成分,发现了钒含量在1%以上时,可以提高耐磨性能,于是形成了近代仍广泛应用的18-4-1型含钒高速钢(W18Cr4V)。当时已认识到增加钒量的同时,必须增加碳含量,由于钒和碳必须成比例地提高,所以形成了高碳高钒高速钢。可以说,高钒高速钢是基于刀具选材发展起来的,其钒元素含量大都在5%以下。
       
       高钒高速钢用于生产轧辊是一次应用上的创新,与生产刀具相比,其成分也进行了进一步的调整,主要涉及以下几个方面:

    (1) 有较高的C和V含量,钒含量一般提高到3-8%。其目的是为得到MC型碳化物,有效地提高轧辊的耐磨性和使用安全性。

    (2) 有较高Cr含量,增加Cr含量,使轧辊中含有一定数量的M7C3型碳化物,对改善辊面的抗粗糙性,降低轧制力是有益的。

    (3) 离心铸造高速钢轧辊中含有5%以下的Nb,以降低高速钢中合金元素密度差(主要用于平衡钨、钒形成的MC型碳化物与铁的密度差)过大引起的偏析。

    (4) Co提高高速钢的红硬性,应用于热轧机上的高速钢轧辊,加入Co可明显提高耐磨性,热轧高速钢轧辊中一般加入10%以下的Co。
       
       在高钒高速钢应用于轧辊取得成功的背景下,河南省耐磨材料工程技术研究中心通过调整成分(将钒含量提高到10%左右,去掉钨、降低铬含量),首次将高钒高速钢成功地应用于粉磨行业,取得显著成效。吉林工业大学和吉林大学等单位,在含钒高速钢的凝固过程、热处理工艺和摩擦磨损性能方面进行了基础研究,取得了相应进展。
       
       综合高钒系高速钢的发展历史来看,所开发的高钒高速钢化学成分虽不相同,但一个共同的趋势是碳与合金元素的含量不断提高。其中碳元素质量百分含量达到3.2%,合金总含量可达15%。
       H.F.Fishmeister的研究结果表明,含有大量的钒、铌(强碳化物形成元素)和碳有利于形成MC型碳化物。这就决定了轧辊用高速钢不可能采用常规高速钢,其成分基础应是高碳高钒(铌)系高速钢,由于铌的价格过高,目前应用较少。因此,高速钢就以提高V含量为主要发展趋势。
     


    高钒高速钢各主要元素的作用

       高钒高速钢的显微组织取决于化学成分。普通高速钢中除碳元素外,一般含有钒、钨、铬、钼等多种合金元素。高速钢中各种元素的含量和作用是相互关联的,表现为碳元素和碳化物形成合金元素之间的原子比例关系影响着钢的耐磨性能。根据不同的资源状况及工件所使用的工况条件与制造工艺等,工件的化学成分亦有所差异。
    碳作为高速钢中的基本元素,对高速钢各种性能的影响极为显著。它和高速钢中的其它合金结合起来,形成多种合金碳化物,通过适当热加工和热处理使其合理地分布元素,而对高速钢各项性能产生*基本的影响。高速钢增加含碳量能提高材料的耐磨使用性能,已被大量的事实所肯定。G.Steven又从理论上作了进一步的探讨,并确定了根据碳化物形成元素的含量来计算含碳量的方法,也就是“平衡碳原则”,也可称之为“定比碳”计算法。将钢中的含碳量提高到“平衡碳”量水平,则可提高高速钢的室温硬度、热硬性、耐磨性能等。当含碳量不足时,碳化物的数量也相应减少,使钢的耐磨性能和切削性能都要降低。反之含碳量过高时,则形成大量过剩碳化物,使碳化物的不均匀性显著增加,钢的塑性、韧性降低,锻造性能变差。同时,还会导致钢的溶点降低,碳化物集聚长大倾向加大,使淬火加热时,易产生各种不良组织,造成钢的各种性能下降。
     
       钒是高钒高速钢中另一主要合金元素。钒在高速钢中,一部分溶解于基体中,一部分形成碳化物,而且是*能促进碳化物形成和稳定的因素。对于热轧辊的高钒高速钢,钒主要形成MC型碳化物。VC的溶点和溶解温度都很高,在奥氏体化时,VC在1100℃以上才开始溶解,溶解量也不多,大部分的钒仍保留在碳化物中。溶解的钒能大大加强钢的二次硬化,而保留的VC,则可大大增加钢的耐磨性。根据“定比碳”理论,钒量增加,碳含量也要相应增加,高碳高钒高速钢也由此而来。方便起见,也可称其为高钒高速钢。高碳高钒高速钢的显著特点就是形成大量的高硬度的MC型碳化物,具有高的耐磨性能,同时也由于钒和碳的增加可显著提高热硬性,也具备优良的切削性能。
     
       钨元素的作用主要是强化高速钢的回火马氏体基体,淬火时能固溶于高速钢基体,固溶质量百分含量约为7%,提高了马氏体抗高温分解的稳定性。但由于钨的碳化物呈尖角形态的块状分布,与其它合金相相比,比重较大,有偏析倾向,另外,钨降低了高速钢的导热系数,在高钒高速钢用于热轧辊材质的情况下,钨元素含量要减少,甚至剔除。例如德国目前采用低钨、高钒的高速钢,而且曾试验由钒代替钨。关于钒替代钨的比例关系,Houdremont及Schrader认为不是直线关系而是抛物线关系。
     
       铬、钼亦为高钒高速钢不可缺少的合金元素,都有提高淬透性和回火硬度的作用。钼容易被氧化,铬元素有增加抗氧化及抗腐蚀能力的作用。钼在高速钢中能提高钢的强度和韧性;铬在热轧过程中,能起到减少轧辊和钢材粘滞力,增加表面光洁度的能力。钼对高速钢而言,由于对脱碳和钢的晶粒变粗(晶粒不均匀性)有较高的敏感性,钼元素的含量不超过3%。而铬存在于高速钢的各种牌号中,可以说没有不含铬的高速钢,而且几十年来,世界各国列入标准的上百种高速钢中,除个别的钢牌号外,铬的含量均保持在4%左右,没有发生大的变化。
     
       根据以上碳及其它合金元素的特点,Park,Joon.Wook等人研究了高速钢热轧辊的化学成分、显微结构、硬度和磨损特性之间的关系。结果表明:高钒高速钢轧辊,因具有大量高硬度的MC型碳化物而具有*好的耐磨性,仅在热轧时的表面光洁度较差。为了提高耐磨性,同时兼顾表面光洁度,建议适当降低热轧辊中的钒含量,增加金属元素铬的含量。另外,建议加入其它合金元素来加强固溶强化和二次硬化作用,提高基体的强韧性,使其有效的保护碳化物。
     
       日本川崎制铁(株)铁钢研究所研究了合金元素对C、V系钢的耐磨性和高温冲击特性的影响。所用合金成分范围为(%):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。结果表明,高碳钒系高速钢的耐磨性基本上由基体上钒系粒状碳化物所决定。
     
       韩国浦项科技大学的Kang、Y.J.等人研究了离心铸造高速钢轧辊中碳和铬对其耐磨性和表面粗糙度的影响,通过在高温下的磨损试验,模拟轧辊在热轧过程中的磨损情况。磨损试验结果显示,耐磨性随含碳量的增加而增强。在含有较少量铬的高速钢轧辊中,含有大量的硬质的MC碳化物而使其耐磨性增强,但在轧制过程中,轧辊表面与轧材粘着而产生剥落,使轧辊表面变得非常粗糙。含有较多铬量的轧辊则拥有比较好的表面光洁度,为了提高耐磨性以及表面光洁度,在用于热轧时建议适当增加铬含量。