釩對高鉻合金鑄滲層組織與性能的影響

岳建國，劉汪洋，陳 沖，魏世忠，刁曉剛

（1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.河南科技大學(xué) 金屬材料磨損控制與成型技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，河南 洛陽 471003；3.中信重工洛陽重鑄鐵業(yè)有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471003）

鑄滲技術(shù)是在鑄型特定位置涂覆合金涂層，利用熔融金屬的余熱和凝固時的結(jié)晶潛熱，使合金涂層在鑄件表面形成一層具有特殊性能復(fù)合層的技術(shù)[1]。鑄滲技術(shù)源于涂覆鑄造工藝，首先由美國人Davis在1913年提出，直到20世紀(jì)70年代國內(nèi)外才對鑄件表面合金化開始進行研究[2-3]。目前常用的鑄滲工藝主要有普通砂型鑄滲工藝、V-EPC鑄滲工藝、壓力鑄滲工藝以及離心鑄滲工藝等[4-7]?；w材料主要有中高碳鋼、高鉻鑄鐵。鑄滲復(fù)合材料既可以選擇Ti、V、Ni、Cr等金屬為主的合金，亦可以選擇SiC顆粒、WC陶瓷顆粒、ZTA等非金屬。鑄滲技術(shù)使鑄件成型和表面強化同時進行，與輝光離子滲氮、激光表面改性[8-9]等二次表面強化技術(shù)相比，其突出優(yōu)勢在于無需額外增加專業(yè)設(shè)備，工序簡單，生產(chǎn)周期短，成本低廉，耗能較少[10]。

釩作為一種強碳化物元素不僅可以細(xì)化鋼鐵材料的組織和晶粒，還能夠提高晶粒粗化的溫度，同時能夠形成MC型碳化釩硬質(zhì)相，從而提高鋼的顯微硬度、韌性以及綜合性能[11]。魏世忠等[12-13]研究了35CrMo鋼表面高釩合金鑄滲層的組織和性能。王西[14]研究了高釩高耐磨合金鑄滲層制備及耐磨性能，鑄滲復(fù)合層耐磨性與基體相比最高提高了2.86倍。徐流杰等[15]研究了ZG310-570表面高釩高耐磨合金層的磨粒磨損性能和沖擊磨損性能，分別是BTMCr20鋼的1.6倍和1.26倍。魏毅等[16]研究了Cr含量對鑄滲層組織及性能的影響，研究表明，當(dāng)鑄滲合金粉末中Cr含量為60%時，菊花狀彌散分布的Cr7C3型碳化物明顯增多，鑄滲層耐磨性能最佳，是基體的1.7倍。

本研究通過配制不同含釩量的高鉻合金粉末，在ZG45鋼基體表面形成一定厚度的鑄滲層，研究了不同含釩量對鑄滲層組織和耐磨性能的影響。

1 試驗方法

1.1 鑄滲層的制備

基體材料為ZG45鋼，采用V鑄滲工藝制備鑄滲層。以60目（～250μm）的高釩鐵粉（50wt%V）、高碳鉻鐵粉、純鐵粉作為鑄滲劑原料，在φ300 mm球磨機中混合30 min。鑄滲合金粉末中釩含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、3%、6%和9%，具體成分配比見表1。

表1 鑄滲劑的合金元素成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Alloying element composition in the casting penetrants（mass fraction，%）

本試驗試塊制備工藝見圖1，試塊總厚55 mm，鑄滲合金層涂覆厚度5.5 mm。粘結(jié)劑采用聚乙烯醇縮丁醛，為了便于與合金粉末充分混合，使用前將無水乙醇和聚乙烯醇縮丁醛按照質(zhì)量比2:1進行混合。在鑄滲合金粉末中加入粉末質(zhì)量5%的粘結(jié)劑進行充分混合，涂覆在消失模凹槽內(nèi)，待充分硬化后在試塊表面涂刷消失模專用涂料，并低溫烘干。采用40 kg中頻感應(yīng)爐熔煉ZG45鋼，由于鑄滲合金粉末對鋼液具有激冷作用，且試塊的總體蓄熱量較小，因此澆注溫度應(yīng)適當(dāng)提高，實際澆注溫度為1650℃。冷卻后得到鑄滲試塊，隨后采用空淬+低溫回火對試樣進行熱處理。

圖1 鑄滲試塊制備工藝Fig.1 Casting infiltration specimen preparation process

1.2 試驗方法

所用試樣采用線切割的方式加工，在鑄滲層表面沿著垂直于表面的方向切取。采用QSN750直讀光譜儀對φ15 mm×15 mm試樣鑄滲層的化學(xué)成分進行分析；切取尺寸為10 mm×10 mm×15 mm試樣進行打磨拋光，并使用體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精進行腐蝕，使用JSM-5610LV鎢燈絲掃描電鏡（SEM）觀察試樣鑄滲層和結(jié)合界面的顯微組織，并利用能譜儀（EDS）分析鑄滲層各相成分。在鑄滲復(fù)合層中切取尺寸為10 mm×10 mm×3 mm的鑄滲層并打磨拋光，采用D8型X射線衍射儀（XRD對鑄滲復(fù)合層的相組成進行分析。采用HR-150A洛氏硬度計對熱處理前后鑄滲層的硬度進行檢測，測試前需先用標(biāo)準(zhǔn)樣塊對洛氏硬度計進行校準(zhǔn)，每個試樣在距鑄滲層表面2 mm處測量5組數(shù)據(jù)，并計算平均值。使用MLD-10型沖擊磨損試驗機檢測熱處理后鑄滲層的抗沖擊磨損性能。沖擊試驗機錘頭重量為10 kg，設(shè)置的沖擊功為2 J。沖擊磨損試樣的尺寸為10 mm×10 mm×25 mm，每隔5 min測試一次，共測試4次。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 鑄滲層的化學(xué)成分

采用QSN750直讀光譜儀對φ15 mm×15 mm試樣鑄滲層宏觀化學(xué)成分進行分析，每個試樣檢測3次后取平均值，鑄滲層化學(xué)成分見表2。由表2可以看出，鑄滲層中C、Cr和V元素含量稀釋為鑄滲合金粉末的1/3左右。

表2 鑄滲層實際化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Actual chemical composition of the casting infiltration layers（mass fraction，%）

2.2 熱力學(xué)計算

JMatPro是一款功能強大的材料特性仿真計算軟件，能夠用于計算各種金屬和合金的多種特性。為了了解和預(yù)測鑄滲層組織中的物相組成，使用JMatPro軟件計算了4號試樣鑄滲層在600℃條件下平衡組織的物相組成，見圖2。由圖2可知，4號試樣在600℃時平衡組織中MC型碳化物的含量僅為2.83wt%。

圖2 JMatPro軟件計算的600℃時4號試樣鑄滲層中相的組成Fig.2 Phase composition in casting infiltration lager of the No.4 specimen at 600℃calculated by JMatPro

2.3 鑄滲層鑄態(tài)組織

鑄滲合金粉末依靠樹脂的粘結(jié)作用形成以合金顆粒為骨架的涂覆層，顆粒之間存在大量孔隙。澆注時，高溫ZG45鋼液的烘烤作用使合金粉末中的樹脂氣化揮發(fā)，同時鋼液滲入孔隙并包裹合金粉末，鋼液的余熱和結(jié)晶潛熱使合金粉末完全熔化，鋼液和鑄滲層分別凝固，最終在鋼基體表面形成一定厚度的鑄滲層。鋼液和熔化后鑄滲層之間發(fā)生元素擴散，兩者之間形成冶金結(jié)合界面。

圖3為鑄滲試樣鑄滲層鑄態(tài)XRD分析結(jié)果。未添加釩時，室溫下試樣鑄滲層的鑄態(tài)組織由α-Fe和Cr7C3型碳化物組成。結(jié)合熱力學(xué)計算數(shù)據(jù)可知，添加釩后由于VC的含量較少，VC的衍射峰很微弱，鑄滲層的鑄態(tài)組織主要由α-Fe、Cr7C3和微量的VC組成。

圖3 鑄態(tài)試樣鑄滲層的XRD分析結(jié)果Fig.3 XRD analysis results infiltration layers of the as-cast casting specimen

圖4所示為1～4號試樣鑄滲層鑄態(tài)顯微組織SEM圖。根據(jù)XRD分析結(jié)果可知，鑄滲層鑄態(tài)組織由初生α-Fe基體和晶界處的共晶組織組成；隨V含量的增加，晶粒逐漸細(xì)化，且共晶組織逐漸增多。圖5（a）為4號試樣鑄滲層的顯微組織SEM圖以及對應(yīng)點的EDS分析結(jié)果，鑄滲層主要由基體和網(wǎng)狀共晶組織組成。由圖5（b，c）可知，A點EDS結(jié)果中V含量為47.33at%，C含量為46.26at%；B點EDS結(jié)果中C含量為37.50at%，Cr、Fe、V含量之和為62.50at%。結(jié)合XRD分析結(jié)果，可知A點對應(yīng)的相為VC，B點對應(yīng)的相為Cr7C3，且Cr7C3中固溶了一定量的Fe和V，說明4號試樣鑄態(tài)組織中共晶組織為α-Fe+Cr7C3+VC。V和Cr同為第四周期元素，原子序列分別為23和24，C和Cr原子的3d亞層的電子數(shù)分別為3和4，因此V和C的親和力大于Cr與C的親合力。通常情況下，C的原子半徑與金屬原子半徑的比值RC/RM<0.59時形成簡單點陣化合物[17]；而C的原子半徑與V原子半徑的比值RC/RV=0.57，且V/C化學(xué)成分比值很小，因此在本研究中釩與碳的化合物主要為MC型VC。

圖4 試樣鑄滲層鑄態(tài)的SEM圖Fig.4 SEM images of casting infiltration layers of the spcimens

圖5 4號試樣鑄滲層的EDS分析Fig.5 EDSanalysis of casting infiltration layer of the specimen No.4

2.4 結(jié)合界面組織

基體ZG45鋼的表面形成了一層厚度約10 mm的

鑄滲合金層。圖6為3、4號試樣的SEM形貌和鑄滲層與基體界面處不同元素的線掃描圖。如圖6（a，c）所示，左側(cè)為鑄滲層，右側(cè)為基體。鑄滲層與基體結(jié)合良好，存在一層過渡層，無明顯裂紋、氣孔、夾渣等鑄造缺陷。由圖6（b，d）可以看出，鑄滲層和ZG45鋼基體之間存在50～100μm的過渡層，過渡層自左向右各元素呈梯度分布。C、Cr、V 3種元素含量逐漸降低，表明合金元素自鑄滲層向ZG45鋼基體發(fā)生了擴散，而Fe自ZG45鋼向鑄滲層發(fā)生了擴散。由于鑄滲層厚度由原始的5.5 mm形成約10 mm鑄滲層，合金元素的濃度被稀釋，鑄滲層中釩含量較少，但在界面線掃描分析中V依然有自鑄滲層向基體擴散的現(xiàn)象。

圖6 鑄滲層與基體界面SEM圖和EDS線掃描分析Fig.6 SEM images and EDSanalysis of the interface between the casting infiltration layer and the matrix

為了進一步觀察鑄滲層和基體組織中各合金元素的分布，使用EDS能譜儀對4號試樣結(jié)合面兩側(cè)進行面掃描分析，見圖7。圖7（a）為4號試樣的SEM圖，圖7（b～e）分別為Fe、C、Cr、V在界面兩側(cè)的分布情況?？梢钥闯觯現(xiàn)e主要集中在基體和鑄滲層α-Fe中，Cr、C、V主要分布在過渡層和鑄滲層中，碳化物集中區(qū)域Cr、C、V的含量更高，共晶組織中彌散分布著含釩量很高的團球狀VC。通過面掃圖與SEM圖對比可以看出，C、Cr、V的分布與碳化物的分布高度重合，共晶組織由α-Fe+Cr7C3+VC組成。

圖7 4號試樣界面處的SEM圖和元素EDS面掃描分析Fig.7 SEM image and EDSsurface scanning analysis at interface of the specimen No.4

2.5 鑄滲層熱處理態(tài)組織

熱處理可以改善鑄態(tài)組織，消除鑄態(tài)組織應(yīng)力，提高鑄件的硬度、韌性和耐磨性。本研究鑄滲層接近高鉻鑄鐵，因此采用空淬+低溫回火對試樣進行熱處理，熱處理工藝見圖8。

圖8 熱處理0工藝曲線Fig.8 Heat treatment process

熱處理后試樣鑄滲層組織如圖9所示，鑄滲層組織的α-Fe基體中析出大量二次碳化物。鑄滲層雖然在鑄造過程中發(fā)生了合金粉末的熔化，由于合金粉末涂層對金屬液的激冷作用使鑄滲層快速凝固，導(dǎo)致大量碳化物來不及析出長大，合金元素固溶于α-Fe基體中。熱處理過程中，鑄態(tài)共晶組織逐漸聚集長大，并且在鑄滲層基體中有一定數(shù)量顆粒狀的二次碳化物析出，并且析出的顆粒狀二次相的數(shù)量隨著釩含量的增加而增加。4號試樣中白色顆粒狀析出物的EDS分析結(jié)果如圖10所示。從EDS分析數(shù)據(jù)可看出，主要有碳、鉻、鐵和釩，可判斷白色顆粒為Cr7C3二次析出物。

圖9 熱處理后試樣鑄滲層的SEM圖Fig.9 SEM images of casting infiltration layer of the specimens after heat treatment

圖10 熱處理后4號試樣鑄滲層中二次碳化物的EDS分析Fig.10 EDSanalysis of secondary carbides in casting infiltration layer of the specimen No.4 after heat treatment

2.6 鑄滲層硬度

不同V含量試樣熱處理前后鑄滲層的洛氏硬度見圖11，鑄滲層熱處理前硬度均在40 HRC左右，隨著V含量的增加，硬度有所增加。熱處理后4個試樣的鑄滲層硬度都有不同程度的升高，其中3、4號試樣熱處理后超過60 HRC，4號試樣硬度最大，達到65.2 HRC。這是由于熱處理時有大量的二次碳化物在晶內(nèi)析出，顯著增加鑄滲層的硬度。隨著V含量的增加，鑄滲層的硬度逐漸增加，主要是由于V對基體的固溶強化和VC的逐漸增多造成，V含量對熱處理后二次硬化的影響顯著。

圖11 熱處理前后鑄滲試樣的洛氏硬度Fig.11 Rockwell hardness of the cast specimens before and after heat treatment

2.7 鑄滲層沖擊磨損性能

圖12為不同V含量鑄滲層試樣隨沖擊時間的磨損累計量情況?？梢钥闯觯煌嚇予T滲層沖擊磨損量隨著V含量的增加而減少，V含量為2.97wt.%時的4號試樣鑄滲層的抗沖擊磨損性能最好，耐磨性是未添加V的鑄滲層1.48倍。隨著沖擊時間的增加，試樣磨損速率有所降低，這是由于鑄滲層在沖擊作用下產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，其抗沖擊磨損性能均有所增強。

圖12 不同V含量試樣鑄滲層沖擊磨損量隨沖擊時間變化Fig.12 Impact wear mass loss curves of the casting infiltration layer with different vanadium contents with impact time

圖13為不同V含量鑄滲層沖擊磨損后的表面形貌。沖擊磨損面主要以切削犁溝、疲勞剝層和剝落坑為主，并有少量微小的鑿坑。疲勞剝層和剝落坑是在反復(fù)沖擊作用下試樣表面產(chǎn)生的應(yīng)力不斷累積，當(dāng)應(yīng)力超過材料的疲勞強度時就會在鑄滲層表面形成疲勞剝層和剝落坑。由于物料硬度高，當(dāng)物料在沖擊力作用下產(chǎn)生垂直于沖擊力方向的位移時形成切應(yīng)力，就會在鑄滲層表面形成切削犁溝；隨著沖擊的不斷發(fā)生，磨損面由于局部組織脆化以及強度下降，無法抵抗磨料的入侵，在這些部位形成鑿坑。V的加入在鑄滲層組織中形成團球狀碳化釩，并細(xì)化了鑄滲層的晶粒，從而提高硬度和強度；V含量越高，碳化V含量越高，對組織的強化作用也明顯。由13（a～d）可以看出，隨V含量增加，切削犁溝、疲勞剝層和剝落坑的數(shù)量和尺寸明顯減少。

圖13 試樣鑄滲層的沖擊磨損表面形貌Fig.13 Impact wear surface morphologies of casting infiltration layers of the specimens

3 結(jié)論

1）鑄滲層平均厚度在10 mm左右，鑄滲層與基體之間形成了厚度50～100μm的過渡層，界面結(jié)合良好，過渡層內(nèi)各合金元素成梯度分布，C、Cr、V自鑄滲層向基體發(fā)生了擴散，鑄滲層內(nèi)C、Cr、V的分布與碳化物的分布高度重合。

2）含V高鉻鑄鐵鑄滲層組織主要由α-Fe基體與α-Fe+M7C3+VC共晶組織組成。共晶組織在整個空間在晶間呈網(wǎng)狀分布，隨著V含量的增加，共晶組織逐漸細(xì)化，碳化物含量增加，VC含量也增加。

3）熱處理后有大量的二次碳化物在晶內(nèi)析出，顯著提高鑄滲層的硬度。隨著V含量的增加，鑄滲層的硬度逐漸增加，主要是由于V對基體的固溶強化和VC含量逐漸增多造成。鑄滲層中V含量為2.97%時，硬度最高，達到65.2 HRC。

4）隨著鑄滲層中V含量增加，熱處理后二次硬化效果顯著提高，抗沖擊磨損性能逐漸提高。V含量2.97%的鑄滲層耐磨性是未添加釩的鑄滲層的1.48倍。