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隨著時代的進步，工業(yè)的發(fā)展，金屬鋸片由于生產工藝簡單，越來越受青睞，但是目前加工金屬鋸片用的碳素工具鋼熱穩(wěn)定性和高溫耐磨性較差，使用壽命短，已不能滿足刃具行業(yè)升級換代需求。    

由于V是微合金化元素中最易固溶的元素，含V鋼相對比較容易實現(xiàn)連鑄，在軋鋼生產中也不需要大幅度增加軋機的負荷，因此V微合金化在鋼材加工領域有很廣泛的應用前景。我國釩資源豐富，前人研究結果表明，作為細化晶粒和析出強化作用明顯的微合金元素，V已經(jīng)在低碳低合金高強鋼中廣泛應用，在熱加工過程中析出微細的釩化物，能抑制奧氏體的形變再結晶，阻止奧氏體晶粒長大，細化鐵素體晶粒，起到細晶強化和沉淀強化作用。目前V作為單一元素應用在過共析碳素工具鋼中的研究較少，特別是V對過共析碳素工具鋼熱處理后組織和性能的研究更少。因此，本文主要對加V和不加V兩種過共析碳素工具鋼熱軋及熱處理后的組織和性能做了詳細分析，以探討V在過共析碳素工具鋼中的作用，引領促進工具行業(yè)原材料升級換代。隨著高端工具鋼需求的不斷增長，V必將在工具鋼的研發(fā)和生產中發(fā)揮更加重要的作用。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料制備     

本試驗采用的鋼板為10mm厚的含V工具鋼和不含V工具鋼，兩種鋼板主要化學成分見表1，其冶煉和熱軋工藝完全相同，生產工藝路徑為：鐵水預處理→轉爐冶煉→爐外精煉→板坯連鑄→加熱→軋制→冷卻→卷取→檢驗→入庫。

表1 試驗鋼的化學成分（質量分數(shù)，%）
Table 1 Chemical composition of the tested steels (mass fraction, %)

1.2 熱軋板力學性能檢測     

按GB/T 2975—2018《鋼及鋼產品　力學性能試驗取樣位置及試樣制備》在上述兩種鋼板上取橫向拉伸試樣各2個，表面硬度試樣各1個，分別按GB/T 228—2021《金屬材料 拉伸試驗　第1部分：室溫試驗方法》和GB/T 230.1—2018《金屬材料　洛氏硬度試驗　第1部分：試驗方法》檢測拉伸性能和硬度（檢測3點硬度值），取各項檢測結果平均值評價各項力學性能。

1.3 熱處理試驗及硬度檢測     

在上述兩種成分鋼板上分別取50mm ×50mm×10mm試樣8塊，利用箱式電阻爐進行淬火及回火試驗。全部試樣淬火加熱溫度820℃，保溫20min，油淬；淬火后兩種成分鋼板各取一塊試樣，磨制表面后檢測3點洛氏硬度。每種鋼板其余7塊試樣進行回火處理，回火溫度分別為250、300、350、400、450、500、550℃，保溫時間均為3ｈ?；鼗鹪嚇幽ブ票砻婧髾z測3點洛氏硬度，所有硬度檢測結果取平均值作為性能評價值。

1.4 磨損試驗     

在經(jīng)不同溫度回火后的鋼板上分別取摩擦磨損標準試樣，在室溫、大氣中，空氣濕度55％的環(huán)境下，按GB/T 12444—2006《金屬材料 磨損試驗方法試環(huán)?試塊滑動磨損試驗》在立式萬能摩擦磨損試驗機上進行銷環(huán)滑動磨損試驗，摩擦副為GCr15鋼。試驗載荷80Ｎ，磨削轉速為200r/ min。每個試樣磨損時間為10min，根據(jù)磨損量計算每個試樣的磨損率。

1.5 顯微組織及碳化物觀察     

在上述兩種熱軋鋼板和每種熱處理鋼板試樣上分別取10mm×10mm×10mm金相試樣各一塊，磨制、拋光橫斷面，用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液侵蝕，利用光學顯微鏡和場發(fā)射掃描電鏡觀察鋼板橫斷面的顯微組織形貌，并用場發(fā)射掃描電鏡觀察測量兩種成分熱軋態(tài)試樣的珠光體團直徑和片間距，取5個測量值的平均值作為測量結果。用透射電鏡觀察各試樣中析出的碳化物形貌、尺寸，并用能譜分析碳化物成分。

2 試驗結果

2.1 熱軋板顯微組織    

在場發(fā)射掃描電鏡下觀察的兩種鋼板的顯微組織均為片層狀珠光體，如圖1所示。含V熱軋鋼板珠光體團略小，平均直徑為16μm，不含V鋼板珠光體團平均直徑為25μm。含V鋼板珠光體片層間距明顯細小，其片層間距平均值為0.17μm，不含V鋼板珠光體片間距平均為0.61μm。

2.2 熱軋板力學性能

熱軋態(tài)兩種鋼板力學性能對比結果如表2所示。可見，含V工具鋼熱軋板屈服強度較不含V鋼的高116MPa，抗拉強度較不含V鋼高179MPa，硬度比不含V鋼高4.2HRC，兩種鋼板斷后伸長率無明顯差別。

表2 熱軋態(tài)鋼板的力學性能
Table 2 Mechanical properties of the hot-rolled steel plates

2.3 熱處理后的硬度與耐磨性     

在經(jīng)820℃×20min油淬及不同溫度回火后，兩種鋼板的硬度曲線如圖2（a）所示。在相同熱處理制度下，含V鋼淬火后的硬度達66.1HRC，不含V鋼為64.5HRC。當回火溫度由250℃升高至550℃，含V工具鋼硬度由61.3HRC降到47.1HRC，而不含V工具鋼硬度由58.5HRC降到31.2HRC，且隨回火溫度升高，兩種成分鋼的硬度差距越來越大。含V工具鋼在550℃高溫回火情況下，硬度仍在45HRC以上。      

不同溫度回火后兩種鋼板的磨損率對比如圖2（b）所示?？梢姡谳d荷80Ｎ、磨銷轉速200r/min條件下，隨回火溫度由250℃升高至550℃，含V工具鋼磨損率由15.5mg·km-1增加到45.1mg·km-1，不含Ｖ工具鋼磨損率由18.3mg·km-1增加到49.1mg·km-1?；鼗饻囟葹?50、300和550℃時，兩種成分鋼的磨損率相差不大，但是回火溫度為350、400、450、500℃時，不含V工具鋼磨損率明顯高于含V工具鋼。

2.4 熱處理后的組織形貌      

不同溫度回火后兩種工具鋼的顯微組織形貌如圖3所示。淬火后兩種鋼的組織均為馬氏體，250℃低溫回火后均可見針片狀馬氏體特征，隨著回火溫度升高，馬氏體針片位相特征逐漸模糊不清。550℃回火時，不含V工具鋼可見碳化物球化趨勢，已完全不見馬氏體針片狀特征，而含V工具鋼未見球化碳化物。

2.5 析出相     

透射電鏡下觀察到的含V工具鋼熱軋態(tài)、淬火態(tài)及在不同溫度回火后的碳化物形貌如圖4所示。各試樣中碳化物均以球形和橢球形為主，能譜分析均為VC。熱軋試樣和淬火試樣中的微小碳化物一般不大于10nm；250、300和350℃回火試樣中碳化物尺寸多在10~70nm之間；400℃ 和450℃ 回火試樣中碳化物尺寸多在50～100nm之間，且大于50nm碳化物數(shù)量明顯增多；500℃和550℃回火試樣中碳化物尺寸多在50～200nm之間，大于100nm碳化物數(shù)量明顯增多?？梢?，隨著回火溫度升高，透射電鏡下大尺寸碳化物數(shù)量增加，且碳化物最大尺寸增大。

3 討論

3.1 釩對過共析工具鋼熱軋態(tài)組織性能的影響     

由顯微組織和力學性能試驗結果可知，在生產工藝完全相同的情況下，兩種成分的鋼板顯微組織均為片層狀珠光體。含V熱軋鋼板珠光體團直徑16μm，較不含V鋼小9μm，含V熱軋鋼板珠光體片層間距0.17μm，較不含V鋼小0.44μm。含V過共析工具鋼熱軋板強度和硬度明顯高于不含V工具鋼，屈服強度高116MPa，抗拉強度高179MPa，硬度高4.2HRC。過共析工具鋼含碳量高，熱軋態(tài)組織為珠光體，而珠光體鋼的強度和硬度主要與珠光體相變的片層間距有關，片層間距越小，強度和硬度越高。    

V是強碳化物形成元素，具有體心立方結構，在任何溫度都可以固溶在鋼中，通過固溶強化作用提升鋼的強度。一般認為，在低碳鋼中添加一定量的V，通過控制軋制使鋼在奧氏體?鐵素體相變過程中析出微細的釩化物粒子，促進鐵素體形核，釘扎鐵素體晶界，抑制鐵素體晶粒長大，細化鐵素體晶粒，通過細化晶粒和析出強化兩者的綜合作用提高鋼的強度的同時改善其韌性。但是，過共析鋼含碳量高，軋制負荷大，一般只能在900℃以上溫度的奧氏體區(qū)軋制，而V在奧氏體中溶解度比較高，V的碳化物等粒子一般不會在奧氏體軋制過程中析出，且高碳過共析鋼無鐵素體相變，所以V在過共析鋼中并無細化奧氏體和鐵素體晶粒作用。

上述兩種成分過共析工具鋼的珠光體相變點分別為：含V鋼珠光體轉變開始點731.8℃，轉變終了點423℃；不含V鋼珠光體轉變開始點734.7℃，轉變終了點465℃。由此可見，V使過共析工具鋼的珠光體相變溫度降低，過冷度更大，因此含Ｖ過共析鋼珠光體片間距更細小。雖然軋制過程中無釩化物析出，但在后續(xù)卷取冷卻過程中，冷卻速度一般小于3℃/ｓ，V與C生成少量彌散分布的10nm以下微小VC粒子，圖4（ａ）所示，這些細小彌散的VC粒子在珠光體形成末期可以作為形核質點促進滲碳體Fe3C片層的形成，而更主要的作用是使基體貧碳，抑制了滲碳體片層長大，因此含V過共析鋼得到的珠光體團更細小、滲碳體片層間距更小，使得鋼的強度和硬度更高。

3.2 釩對過共析工具鋼熱處理組織性能的影響     

由上述試驗結果可見，兩種鋼淬火后組織均為馬氏體，但含V鋼在淬火冷卻形成馬氏體過程中，析出了彌散分布的微小VC粒子，這些粒子不僅具有強化作用，同時作為形核質點促進形成的馬氏體更細小均勻，因此，含V工具鋼淬火硬度略高。

250℃低溫回火后兩種工具鋼均可見針片狀馬氏體特征。隨著回火溫度升高，馬氏體中碳化物形態(tài)轉變，馬氏體針片狀特征逐漸模糊，硬度和耐磨性降低。250～550℃回火時，隨回火溫度升高，兩種工具鋼的硬度均逐漸降低，含V工具鋼的硬度由61.3HRC降到47.1HRC，不含V工具鋼的硬度由58.5HRC降到31.2HRC。回火溫度相同條件下，含V工具鋼的硬度均高于不含V工具鋼，且隨回火溫度升高，不含V工具鋼的硬度下降幅度更大。250～4450℃回火時，隨回火溫度升高，兩種工具鋼的磨損率均逐漸增加，含Ｖ工具鋼的磨損率由15.5mg·km-1增加到22.8mg·km-1，不含V工具鋼的磨損率由18.3mg·km-1增加到38.5mg·km-1?；鼗饻囟认嗤瑮l件下，含V工具鋼的磨損率均低于不含V工具鋼，且隨回火溫度升高，不含V工具鋼的磨損率增加幅度更大。值得關注的是，450℃以上溫度回火時，含V工具鋼的硬度仍較高，但磨損率增加的趨勢明顯，耐磨性明顯變差。550℃回火時，不含Ｖ工具鋼的磨損率為49.1mg·km-1，含Ｖ工具鋼的磨損率為45.1mg·km-1，兩者差距很小。

550℃回火的不含V工具鋼碳化物球化明顯，而550℃回火的含V工具鋼未見球化碳化物，說明V在過共析工具鋼回火過程中保持馬氏體針片狀形態(tài)特征的作用明顯，因此，隨著回火溫度的升高，含V工具鋼硬度降幅較小，550℃回火時仍保持較高的硬度。    

含V工具鋼在450℃及以下溫度回火時，析出大量細小VC粒子阻礙碳的擴散，馬氏體中碳化物轉變和位錯分解緩慢，因此硬度和磨損率均變化不大，且存在350～450℃平臺區(qū)，在450℃回火時硬度仍在53HRC以上，磨損率23mg·km-1以下。而不含V碳素工具鋼350℃以上溫度回火時，馬氏體分解形成碳含量較低的針狀α 相和更穩(wěn)定的θ-碳化物（滲碳體），得到回火屈氏體組織，硬度大幅降低。因此，含V過共析工具鋼更耐高溫，抗回火性能更好，耐磨性能也明顯好于不含V碳素工具鋼，尤其在450℃及以下溫度回火時，含V過共析工具鋼耐磨性能明顯好于不含V工具鋼。 

另一方面，隨回火溫度升高，含V工具鋼中析出的VC碳化物尺寸逐漸增大。500℃及以上溫度回火時，析出的粒子尺寸以100nm以上為主，在磨損過程中，100nm的大尺寸粒子作為磨損源導致基體磨損率明顯增加，因此耐磨性能明顯惡化。

4 結論

1)熱軋態(tài)含V過共析工具鋼珠光體團直徑和珠光體片間距均小于不含V 工具鋼，珠光體團直徑平均?。?mu;m，珠光體片層間距平均小了0.44μm，因此，含V過共析工具鋼強度和硬度明顯高于不含V工具鋼，屈服強度高116MPa，抗拉強度高179MPa，硬度高4.2HRC。

2) 含V過共析工具鋼淬火過程中析出了彌散分布的微小碳化釩粒子，使淬火馬氏體更細小均勻，淬火硬度更高。

3)550℃以下溫度回火時，隨回火溫度升高，無論是否加V，過共析工具鋼硬度均逐漸降低，磨損率均逐漸增加；相同溫度回火時，含V過共析工具鋼硬度更高，磨損率更小，抗回火性能更好，450℃回火硬度仍達53HRC以上，磨損率在23mg·km-1以下。500℃是含V過共析工具鋼耐磨損性能惡化的轉折點，500℃及以上溫度回火時，含V過共析工具鋼中析出100nm以上的VC粒子，導致基體磨損率明顯增加，耐磨性能惡化。