随着时代的进步，工业的发展，金属锯片由于生产工艺简单，越来越受青睐，但是目前加工金属锯片用的碳素工具钢热稳定性和高温耐磨性较差，使用寿命短，已不能满足刃具行业升级换代需求。    

由于V是微合金化元素中最易固溶的元素，含V钢相对比较容易实现连铸，在轧钢生产中也不需要大幅度增加轧机的负荷，因此V微合金化在钢材加工领域有很广泛的应用前景。我国钒资源丰富，前人研究结果表明，作为细化晶粒和析出强化作用明显的微合金元素，V已经在低碳低合金高强钢中广泛应用，在热加工过程中析出微细的钒化物，能抑制奥氏体的形变再结晶，阻止奥氏体晶粒长大，细化铁素体晶粒，起到细晶强化和沉淀强化作用。目前V作为单一元素应用在过共析碳素工具钢中的研究较少，特别是V对过共析碳素工具钢热处理后组织和性能的研究更少。因此，本文主要对加V和不加V两种过共析碳素工具钢热轧及热处理后的组织和性能做了详细分析，以探讨V在过共析碳素工具钢中的作用，引领促进工具行业原材料升级换代。随着高端工具钢需求的不断增长，V必将在工具钢的研发和生产中发挥更加重要的作用。

 

1 试验材料及方法

1.1 试验材料制备     

本试验采用的钢板为10mm厚的含V工具钢和不含V工具钢，两种钢板主要化学成分见表1，其冶炼和热轧工艺完全相同，生产工艺路径为：铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼→板坯连铸→加热→轧制→冷却→卷取→检验→入库。

 

表1 试验钢的化学成分（质量分数，%）
Table 1 Chemical composition of the tested steels (mass fraction, %)

 

 

1.2 热轧板力学性能检测     

按GB/T 2975—2018《钢及钢产品　力学性能试验取样位置及试样制备》在上述两种钢板上取横向拉伸试样各2个，表面硬度试样各1个，分别按GB/T 228—2021《金属材料 拉伸试验　第1部分：室温试验方法》和GB/T 230.1—2018《金属材料　洛氏硬度试验　第1部分：试验方法》检测拉伸性能和硬度（检测3点硬度值），取各项检测结果平均值评价各项力学性能。

1.3 热处理试验及硬度检测     

在上述两种成分钢板上分别取50mm ×50mm×10mm试样8块，利用箱式电阻炉进行淬火及回火试验。全部试样淬火加热温度820℃，保温20min，油淬；淬火后两种成分钢板各取一块试样，磨制表面后检测3点洛氏硬度。每种钢板其余7块试样进行回火处理，回火温度分别为250、300、350、400、450、500、550℃，保温时间均为3ｈ。回火试样磨制表面后检测3点洛氏硬度，所有硬度检测结果取平均值作为性能评价值。

1.4 磨损试验     

在经不同温度回火后的钢板上分别取摩擦磨损标准试样，在室温、大气中，空气湿度55％的环境下，按GB/T 12444—2006《金属材料 磨损试验方法试环⁃试块滑动磨损试验》在立式万能摩擦磨损试验机上进行销环滑动磨损试验，摩擦副为GCr15钢。试验载荷80Ｎ，磨削转速为200r/ min。每个试样磨损时间为10min，根据磨损量计算每个试样的磨损率。

1.5 显微组织及碳化物观察     

在上述两种热轧钢板和每种热处理钢板试样上分别取10mm×10mm×10mm金相试样各一块，磨制、抛光横断面，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液侵蚀，利用光学显微镜和场发射扫描电镜观察钢板横断面的显微组织形貌，并用场发射扫描电镜观察测量两种成分热轧态试样的珠光体团直径和片间距，取5个测量值的平均值作为测量结果。用透射电镜观察各试样中析出的碳化物形貌、尺寸，并用能谱分析碳化物成分。

 

2 试验结果

2.1 热轧板显微组织    

在场发射扫描电镜下观察的两种钢板的显微组织均为片层状珠光体，如图1所示。含V热轧钢板珠光体团略小，平均直径为16μm，不含V钢板珠光体团平均直径为25μm。含V钢板珠光体片层间距明显细小，其片层间距平均值为0.17μm，不含V钢板珠光体片间距平均为0.61μm。

 

 

2.2 热轧板力学性能

热轧态两种钢板力学性能对比结果如表2所示。可见，含V工具钢热轧板屈服强度较不含V钢的高116MPa，抗拉强度较不含V钢高179MPa，硬度比不含V钢高4.2HRC，两种钢板断后伸长率无明显差别。

 

表2 热轧态钢板的力学性能
Table 2 Mechanical properties of the hot-rolled steel plates

 

 

2.3 热处理后的硬度与耐磨性     

在经820℃×20min油淬及不同温度回火后，两种钢板的硬度曲线如图2（a）所示。在相同热处理制度下，含V钢淬火后的硬度达66.1HRC，不含V钢为64.5HRC。当回火温度由250℃升高至550℃，含V工具钢硬度由61.3HRC降到47.1HRC，而不含V工具钢硬度由58.5HRC降到31.2HRC，且随回火温度升高，两种成分钢的硬度差距越来越大。含V工具钢在550℃高温回火情况下，硬度仍在45HRC以上。      

不同温度回火后两种钢板的磨损率对比如图2（b）所示。可见，在载荷80Ｎ、磨销转速200r/min条件下，随回火温度由250℃升高至550℃，含V工具钢磨损率由15.5mg·km-1增加到45.1mg·km-1，不含Ｖ工具钢磨损率由18.3mg·km-1增加到49.1mg·km-1。回火温度为250、300和550℃时，两种成分钢的磨损率相差不大，但是回火温度为350、400、450、500℃时，不含V工具钢磨损率明显高于含V工具钢。

 

 

2.4 热处理后的组织形貌      

不同温度回火后两种工具钢的显微组织形貌如图3所示。淬火后两种钢的组织均为马氏体，250℃低温回火后均可见针片状马氏体特征，随着回火温度升高，马氏体针片位相特征逐渐模糊不清。550℃回火时，不含V工具钢可见碳化物球化趋势，已完全不见马氏体针片状特征，而含V工具钢未见球化碳化物。

 

 

2.5 析出相     

透射电镜下观察到的含V工具钢热轧态、淬火态及在不同温度回火后的碳化物形貌如图4所示。各试样中碳化物均以球形和椭球形为主，能谱分析均为VC。热轧试样和淬火试样中的微小碳化物一般不大于10nm；250、300和350℃回火试样中碳化物尺寸多在10~70nm之间；400℃ 和450℃ 回火试样中碳化物尺寸多在50～100nm之间，且大于50nm碳化物数量明显增多；500℃和550℃回火试样中碳化物尺寸多在50～200nm之间，大于100nm碳化物数量明显增多。可见，随着回火温度升高，透射电镜下大尺寸碳化物数量增加，且碳化物最大尺寸增大。

 

3 讨论

3.1 钒对过共析工具钢热轧态组织性能的影响     

由显微组织和力学性能试验结果可知，在生产工艺完全相同的情况下，两种成分的钢板显微组织均为片层状珠光体。含V热轧钢板珠光体团直径16μm，较不含V钢小9μm，含V热轧钢板珠光体片层间距0.17μm，较不含V钢小0.44μm。含V过共析工具钢热轧板强度和硬度明显高于不含V工具钢，屈服强度高116MPa，抗拉强度高179MPa，硬度高4.2HRC。过共析工具钢含碳量高，热轧态组织为珠光体，而珠光体钢的强度和硬度主要与珠光体相变的片层间距有关，片层间距越小，强度和硬度越高。    

V是强碳化物形成元素，具有体心立方结构，在任何温度都可以固溶在钢中，通过固溶强化作用提升钢的强度。一般认为，在低碳钢中添加一定量的V，通过控制轧制使钢在奥氏体⁃铁素体相变过程中析出微细的钒化物粒子，促进铁素体形核，钉扎铁素体晶界，抑制铁素体晶粒长大，细化铁素体晶粒，通过细化晶粒和析出强化两者的综合作用提高钢的强度的同时改善其韧性。但是，过共析钢含碳量高，轧制负荷大，一般只能在900℃以上温度的奥氏体区轧制，而V在奥氏体中溶解度比较高，V的碳化物等粒子一般不会在奥氏体轧制过程中析出，且高碳过共析钢无铁素体相变，所以V在过共析钢中并无细化奥氏体和铁素体晶粒作用。

上述两种成分过共析工具钢的珠光体相变点分别为：含V钢珠光体转变开始点731.8℃，转变终了点423℃；不含V钢珠光体转变开始点734.7℃，转变终了点465℃。由此可见，V使过共析工具钢的珠光体相变温度降低，过冷度更大，因此含Ｖ过共析钢珠光体片间距更细小。虽然轧制过程中无钒化物析出，但在后续卷取冷却过程中，冷却速度一般小于3℃/ｓ，V与C生成少量弥散分布的10nm以下微小VC粒子，图4（ａ）所示，这些细小弥散的VC粒子在珠光体形成末期可以作为形核质点促进渗碳体Fe3C片层的形成，而更主要的作用是使基体贫碳，抑制了渗碳体片层长大，因此含V过共析钢得到的珠光体团更细小、渗碳体片层间距更小，使得钢的强度和硬度更高。

3.2 钒对过共析工具钢热处理组织性能的影响     

由上述试验结果可见，两种钢淬火后组织均为马氏体，但含V钢在淬火冷却形成马氏体过程中，析出了弥散分布的微小VC粒子，这些粒子不仅具有强化作用，同时作为形核质点促进形成的马氏体更细小均匀，因此，含V工具钢淬火硬度略高。

250℃低温回火后两种工具钢均可见针片状马氏体特征。随着回火温度升高，马氏体中碳化物形态转变，马氏体针片状特征逐渐模糊，硬度和耐磨性降低。250～550℃回火时，随回火温度升高，两种工具钢的硬度均逐渐降低，含V工具钢的硬度由61.3HRC降到47.1HRC，不含V工具钢的硬度由58.5HRC降到31.2HRC。回火温度相同条件下，含V工具钢的硬度均高于不含V工具钢，且随回火温度升高，不含V工具钢的硬度下降幅度更大。250～4450℃回火时，随回火温度升高，两种工具钢的磨损率均逐渐增加，含Ｖ工具钢的磨损率由15.5mg·km-1增加到22.8mg·km-1，不含V工具钢的磨损率由18.3mg·km-1增加到38.5mg·km-1。回火温度相同条件下，含V工具钢的磨损率均低于不含V工具钢，且随回火温度升高，不含V工具钢的磨损率增加幅度更大。值得关注的是，450℃以上温度回火时，含V工具钢的硬度仍较高，但磨损率增加的趋势明显，耐磨性明显变差。550℃回火时，不含Ｖ工具钢的磨损率为49.1mg·km-1，含Ｖ工具钢的磨损率为45.1mg·km-1，两者差距很小。

550℃回火的不含V工具钢碳化物球化明显，而550℃回火的含V工具钢未见球化碳化物，说明V在过共析工具钢回火过程中保持马氏体针片状形态特征的作用明显，因此，随着回火温度的升高，含V工具钢硬度降幅较小，550℃回火时仍保持较高的硬度。    

含V工具钢在450℃及以下温度回火时，析出大量细小VC粒子阻碍碳的扩散，马氏体中碳化物转变和位错分解缓慢，因此硬度和磨损率均变化不大，且存在350～450℃平台区，在450℃回火时硬度仍在53HRC以上，磨损率23mg·km-1以下。而不含V碳素工具钢350℃以上温度回火时，马氏体分解形成碳含量较低的针状α 相和更稳定的θ-碳化物（渗碳体），得到回火屈氏体组织，硬度大幅降低。因此，含V过共析工具钢更耐高温，抗回火性能更好，耐磨性能也明显好于不含V碳素工具钢，尤其在450℃及以下温度回火时，含V过共析工具钢耐磨性能明显好于不含V工具钢。 

另一方面，随回火温度升高，含V工具钢中析出的VC碳化物尺寸逐渐增大。500℃及以上温度回火时，析出的粒子尺寸以100nm以上为主，在磨损过程中，100nm的大尺寸粒子作为磨损源导致基体磨损率明显增加，因此耐磨性能明显恶化。

 

4 结论

1)热轧态含V过共析工具钢珠光体团直径和珠光体片间距均小于不含V 工具钢，珠光体团直径平均小９μm，珠光体片层间距平均小了0.44μm，因此，含V过共析工具钢强度和硬度明显高于不含V工具钢，屈服强度高116MPa，抗拉强度高179MPa，硬度高4.2HRC。

2) 含V过共析工具钢淬火过程中析出了弥散分布的微小碳化钒粒子，使淬火马氏体更细小均匀，淬火硬度更高。

3)550℃以下温度回火时，随回火温度升高，无论是否加V，过共析工具钢硬度均逐渐降低，磨损率均逐渐增加；相同温度回火时，含V过共析工具钢硬度更高，磨损率更小，抗回火性能更好，450℃回火硬度仍达53HRC以上，磨损率在23mg·km-1以下。500℃是含V过共析工具钢耐磨损性能恶化的转折点，500℃及以上温度回火时，含V过共析工具钢中析出100nm以上的VC粒子，导致基体磨损率明显增加，耐磨性能恶化。

 

 

来源：Internet

关键词： 钒 过共析工具钢