高釩高速鋼因富含高硬度富釩碳化物，在精密制造、電子封裝基板加工、微孔鉆削以及高端耐磨模具等領域具有廣闊應用前景。然而，傳統鑄造制備的高釩高速鋼容易形成粗大、偏聚的共晶碳化物，成為裂紋萌生與疲勞剝落的薄弱環節；粉末冶金雖能改善組織均勻性，但工藝流程復雜、成本較高，限制了其工程化應用。

近日，北京科技大學粉末冶金與核材料研究所石雅賢、華北電力大學卓越工程師學院/先進材料研究院黎興剛教授、北京科技大學葛昌純院士等在國際摩擦學期刊Tribology International發表題為“Achieving superior wear resistance in a high-vanadium high-speed steel through in-situ nitrogen alloying during spray forming”的研究論文。研究提出了一種在噴射成形過程中利用氮氣霧化實現原位氮合金化的策略，使氮在熔滴飛行、沉積與凝固過程中參與基體和第二相演化，構建了細小均勻的V(C, N)碳氮化物強化組織，實現了高釩高速鋼耐磨性能的顯著提升。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.triboint.2026.111845

研究發現，氮氣霧化噴射成形能夠在材料整體尺度上同步實現組織細化與原位強化。與電渣重熔鑄態樣品（CM4）相比，噴射成形樣品（SFM4）中MC型析出相以細小球狀形貌彌散分布。EDS元素映射與線掃結果顯示，氮元素在V富集析出相中明顯富集，說明噴射成形過程中形成了原位V(C, N)碳氮化物。

圖1 噴射成型樣品中富V型析出物的EDS表征

進一步的EBSD表征表明，氮氣霧化噴射成形不僅優化了析出相形貌和分布，也顯著提高了材料內部的位錯密度。SFM4樣品中幾何必要位錯（GND）密度較鑄態樣品提高約30%。這種高位錯密度狀態有助于提高加工硬化能力和抗塑性變形能力，從而抑制摩擦過程中的磨粒壓入、犁削以及微裂紋擴展。

圖2 噴射成形樣品與鑄態樣品的晶界取向差、GND密度分布及統計結果

摩擦磨損實驗結果表明，噴射成形高釩高速鋼在中高載荷往復滑動條件下表現出明顯優勢。在200 N載荷下，SFM4樣品磨損速率僅為1.8 × 10?? mm3·N?1·m?1，而CM4樣品為10.32 × 10?? mm3·N?1·m?1；兩者磨損失重分別為0.34 mg和1.95 mg，對應氮氣SFM4的耐磨性能達到鑄態樣品的5.74倍。同時，SFM4在200 N與300 N載荷下摩擦系數變化較小，表現出更好的載荷適應性和摩擦穩定性。

圖3 SFM4與CM4樣品在200 N和300 N載荷下的摩擦系數及磨損速率對比

為了深入揭示其內在機制，團隊結合磨痕表面/截面表征與第一性原理計算，從原子尺度、微觀組織到宏觀磨損行為構建了“氮原子固溶-碳氮化物形成-界面穩定化-損傷抑制”的強化邏輯鏈。

1.組織細化與原位碳氮化物強化：氮氣霧化噴射成形抑制了粗大碳化物形成，使富V的MC型析出相為細小、球狀、彌散分布的V(C, N)碳氮化物，有利于分散承載并阻礙磨粒犁削。

2.位錯密度提升與協同承載：噴射成形樣品中更高的GND密度提高了基體的加工硬化能力；均勻析出相與高位錯密度基體共同承擔摩擦接觸載荷，降低局部應力集中。

3.原位氮合金化的強鍵合作用：第一性原理計算表明，N 原子優先占據α-Fe的八面體間隙位，并主要以取代C原子的方式進入MC型碳化物晶格，增強Fe-N和V-N鍵合，提高基體和析出相的楊氏模量與剪切模量。

4.裂紋萌生與疲勞剝落受抑：鑄態樣品中粗大MC碳化物易在摩擦剪切應力作用下發生橫向開裂，并誘發疲勞剝落；而SFM4中M(C, N)型碳氮化物未觀察到明顯開裂，磨損機制由嚴重疲勞剝落轉向更溫和、可控的磨粒/氧化磨損。

圖4 不同制備路線樣品磨痕截面形貌及元素分布：噴射成形樣品損傷更輕，鑄態樣品出現明顯內部裂紋與剝落

圖5 不同載荷下SFM4與CM4樣品磨痕表面形貌及元素分布

圖6 粗大不規則碳化物誘發裂紋萌生與裂紋偏轉的實驗觀察及示意圖

圖7 N原子在基體和析出相不同位置的電荷密度分布情況

該研究面向高端耐磨工具鋼的低成本、高性能制備需求，提出了將噴射成形與原位氮合金化相結合的新思路。該策略在避免傳統后處理氮化能耗高、滲層不均等問題的同時，實現了材料整體尺度上的組織調控與性能提升，為下一代高耐磨工具鋼的成分設計和工藝優化提供了重要參考。

論文第一作者為北京科技大學石雅賢，通訊作者為華北電力大學黎興剛教授和北京科技大學葛昌純院士。研究工作得到國家自然科學基金、廣東省教育廳項目和深圳市科技計劃項目等支持。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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