热处理对65Mn锯片用钢组织及性能的影响

白永国，王毅坚，索忠源

(1．吉林化工学院 教务处，吉林吉林132022;．2吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林132022)

国产金刚石锯片基体多数采用65Mn钢板制造，因其具有良好的强度、硬度、弹性和淬透性等综合机械性能得到了广泛的应用［1-3］．65Mn钢作为锯片使用的一个重要参数就是硬度，其一般要求为38 ～43HRC［4-6］．控制硬度的技术关键在于热处理的质量，在热处理过程中既要保证基体淬硬，又不能产生大的变形．目前工厂生产锯基的热处理方法大多采用辊底式加热［7］，淬火方式普遍采用出炉后立即垂直入油冷却，然后在Ms点以上移入淬火压床加压冷却到室温．但在实际生产过程中经常出现锯片淬火后硬度不均匀的现象，不能满足设计要求，影响了产品合格率．为避免使用过程中意外失效的发生，有必要对其热处理过程中的显微组织及力学性能演化进行系统的分析，以充分发挥其潜在的性能，为工业生产提供实验数据．

基于此，本文针对65Mn冶金锯片钢板进行了淬前退火处理、利用不同淬回火温度下的实验研究，并通过力学性能测试和金相显微观察等手段，确定了其发生脆性转变的温度范围，选取了适当热处理工艺过程，充分发掘现有65Mn钢的潜力．

1 试验方法

采用鞍钢钢板65Mn为原材料，供货状态为热轧．试验用的化学成分如表1所示．

表1 65Mn原料主要化学成分 wt．%

将钢板首先进行球化退火，其加热温度为740℃，保温120 min，随炉冷却至550℃后，空冷［8］，其目的在于退火过程去除热轧态原料热应力，解决后续淬火后材料硬度分布不均．然后分别将65Mn加热到800℃、820℃、840℃、860℃、880℃保温20 min，保证其完全奥氏体化，油淬(10#、20#机油)．最后在空气炉中回火 120 min，回火温度分别为370℃、390℃、410℃、430℃和450℃，随炉冷却．制成的拉伸试样尺寸为8 mm×60 mm×200 mm，拉伸速率为5 mm/min，冲击试样尺寸为5 mm×10 mm ×55 mm(半冲击试样)，开V型缺口并采用15 kg摆锤室温下进行冲击．拉伸及冲击试样平行条件下每组选取3个，取其算数平均值．采用4%硝酸酒精溶液对抛光后的试样进行侵蚀，在TX-600V倒置金相显微镜下观察金相试样形貌．

2 结果与讨论

2.1 不同淬火温度下65Mn钢的组织形貌演化过程

图1为65Mn通过不同淬火温度下保温20 min后组织变化形貌．马氏体针状明显，其组织形貌均为典型的淬火马氏体+部分残余奥氏体．随着淬火温度的提高，860℃、880℃淬火后得到较为粗大的马氏体，组织越粗大，脆性越大，导致回火马氏体粗大，力学性能下降［9］．而淬火温度较低时，分别为800℃和820℃，对应图1(a，b)，针状马氏体细小，残余奥氏体数量较多，尤其是图1(a)中含有部分白色铁素体，对合金整体硬度有影响．淬火温度过低，淬火组织会出现铁素体，成为软点，降低材料的硬度．随淬火温度升高，淬火后铁素体融入马氏体的量逐渐增多，硬度将会有所升高，但随着淬火温度过高，马氏体组织也会比较粗大．因此，从淬火温度分析，840℃淬火，其合金显微形貌更趋于合理．图2为不同淬火温度下65Mn钢硬度的变化规律，从硬度上分析，随着温度的升高，硬度越大，这与显微形貌的分析一致，840℃以上淬火后的硬度变化增加放缓．

图1 不同淬火温度下65Mn钢试样的组织变化

图2 不同淬火温度下65Mn钢硬度的变化规律

2.2 不同回火温度下65Mn钢的微观形貌

通过上面的分析，采用840℃淬火试样进行回火．图3为65Mn合金经840℃淬火后在不同温度下回火后的组织变化特征，每一温度下的回火保温时间均为120 min．图3具有明显的其特点是:回火之后均可得到回火马氏体+回火屈氏体．图3(a)为370℃回火组织形貌，由图可见，合金的组织为回火马氏体，部分回火屈氏体，马氏体的针状形貌依稀可见，由于取向不同，有的针状马氏体呈亮白色，马氏体针细小，图中显示有白色细粒状碳化物颗粒析出，即回火屈氏体，其分部较均匀，尺寸在1 μm左右．当回火温度继续升高时，微观形貌衬度增强，回火马氏体进一步分解，析出更多回火屈氏体，马氏体粒状有拉长迹象，如图3(b)所示．图3(c)为410℃回火120 min后的显微形貌，回火屈氏体有部分异常长大，分部不规律．随着回火温度的提高，马氏体针的清晰度下降，回火屈氏体分部及尺寸在增多、增大，如图3(d)所示．当回火温度提高到450℃后，回火屈氏体的尺寸由最初的1 μm长大到5 μm，该组织的出现，使得该合金的抗回火能力显著降低，其回火后的硬度也明显降低．

图3 不同回火温度下65Mn试样的组织变化

2.3 不同回火温度下的力学性能变化

图4 显示了回火温度同强度及冲击韧性之间的关系曲线．从图中可以看出，抗拉强度随着回火温度的增加持续降低，从370℃时的1 540 MPa降低到450℃时的1 290 MPa左右，只是在410℃时略有升高．从冲击韧性可知，随着回火温度的提高而上升，符合回火的一般规律［1］．但是，在410℃时，冲击韧性值仅为19 J左右，远低于370℃时的34 J和450℃时的37 J，说明在这个温度发生了回火脆性，考虑到强度值的跳动，更说明了这一点．

图4 不同回火温度对强度与冲击韧性的影响

65Mn在410℃附近出现了回火脆性，属于第一类回火脆性，其原因是，当回火温度较低时，合金元素的过饱和度增加，析出驱动力增加，但由于温度低扩散速度小，不利于合金元素析出，而当回火温度较高时，虽然析出驱动力减小，但溶质原子的扩散速度增加，析出加快，两方面综合的结果，导致在本文410℃附近温度有一个最快的析出速度，这一点从图3(c)屈氏体的快速长大相一致．因此，极有可能是410℃为65Mn钢的最快析出温度，此时碳化物大量析出，导致强度上升，韧性下降．

硬度是材料强度微观的表现，可以间接的反应材料的强度变化，对于65Mn锯片用钢而言是最重要的参数．图5为65Mn钢不同回火温度下同硬度的关系曲线．图中可见，随着回火温度的增加，其硬度下降平缓，在410℃附近发生脆性转变时，硬度值没有发生明显变化，硬度随回火时间的变化几乎呈直线下降，达到450℃时，硬度下降较多，这与其形成大量的回火屈氏体相关，与图3、图4的变化过程相符．值得注意的是，在410℃附近发生脆性转变时，虽然强度明显上升，但硬度仍在随温度上升而降低．这是因为，测量硬度所导致的范性变形与测量强度的拉伸变形并不相同．由于升温所产生的基体组织软化会超过析出强化的贡献，因此在硬度上受析出强化的影响没有拉伸过程中明显．

图5 不同回火温度同硬度的关系曲线

通过以上的综合分析，65Mn锯片用钢在430℃回火后，其组织、硬度、冲击韧度及强度均达到最佳，在某厂的实际生产过程中，该工艺的应用使其淬火变形明显降低，使用效果好．因此，该合金的最佳热处理工艺为840℃(保温20 min)淬火+430℃(保温120 min)回火．

3 结 论

(1)65Mn锯片用钢在800～880℃范围内油淬，其淬火组织为淬火马氏体+残余奥氏体;随着淬火温度的升高，淬火马氏体组织不断长大;硬度随淬火温度的升高由800℃的58 HRC逐渐提高到880℃的66 HRC．

(2)在370～450℃温度范围内回火，随着回火温度的升高，试样的组织由淬火马氏体逐渐转化为回火马氏体+回火屈氏体组织;强度、硬度逐步降低，而塑性、韧性相应提高;65Mn锯片用钢在410℃附近出现回火脆性．

(3)65Mn锯片用钢最佳热处理工艺为840℃(保温20 min)淬火+430℃(保温120 min)回火．

［1］ 苑少强，王春，梁国俐，等．回火温度对冶金锯片用钢65Mn组织及性能的影响［J］．机械设计与制造，2010，(4):123-125．

［2］ 田亚强，杨子旋，宋进英，等．控轧控冷工艺对冶金锯片用65Mn钢表面氧化皮的影响［J］．热加工工艺，2013，42(7):14-17．

［3］ 何立新，陈连生．回火温度和保温时间对冶金锯片用65Mn钢性能的影响［J］．河北冶金，2013，(11):16-19．

［4］ 张羊换，刘宗昌．65Mn圆锯片热处理工艺及力学性能的研究［J］．热加工工艺，1994(6):33-35．

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