9Cr5MoV鋼的磁性分析與深冷處理

孫世清, 梁文瑞, 張 楠

(河北科技大學材料科學與工程學院，河北石家莊 050018)

作為冷軋設備的最重要消耗性部件，冷軋輥的質量直接關系到冷軋生產的效率、質量及經濟效益[1]。軋輥的壽命主要取決于其硬度和強度，硬度決定了軋輥的耐磨性，所以在很大程度上也決定了軋輥的使用壽命。目前國內外大部分軋輥廠采用提高鉻含量和改進常規熱處理工藝的方法[2-3]。9Cr5MoV鋼是含鉻量在5%左右的高碳合金鋼，含鉻量高，形成了比M3C硬度高且彌散分布的M7C3型碳化物[4]，具有良好的淬透性和耐磨性。冷軋輥鋼的優異性能還需要通過合理的處理工藝組合來保證。

鋼中的殘余奧氏體(Ar)與鋼的淬火溫度密切相關，Ar可導致低溫回火零件如冷軋輥的抗拉強度、疲勞強度下降，耐磨性和硬度不足，壽命縮短，接觸疲勞抗力下降等[5]。因此，本研究首先結合磁性法[6-8]分析鋼中Ar量在冷處理[9]時的變化規律，進一步調整9Cr5MoV鋼淬火工藝、冷處理工藝和回火工藝，提高9Cr5MoV鋼的硬度。

1 試驗方法

1.1 試驗材料成分及狀態

試驗用9Cr5MoV鋼的化學成分見表1。試驗材料原始組織為調質態。

表1 9Cr5MoV鋼的化學成分

1.2 試驗條件及方法

將試驗材料切割成12 mm ×14 mm×16 mm的試樣備用。9Cr5MoV鋼的Ac1=778 ℃，Accm=1 040 ℃[10]，將此作為制定淬火工藝的參考依據。采用SLX-80深冷處理系統進行冷處理試驗。對不同處理狀態的試樣進行洛氏硬度測試，每個試樣測得5個點的硬度值，并求得硬度平均值。

1.2.1 磁性分析試驗

淬火工藝：930 ℃，30 min，水冷。對調質態和930 ℃淬火態試樣進行碳化物定量金相分析，金相腐蝕液采用4%的硝酸酒精。淬火后續冷處理工藝：-80 ℃，-120 ℃，保溫時間均為30 min。采用線切割方法由不同狀態試樣切取Φ3 mm×3.2 mm 的樣品用于磁性分析，樣品質量在萬分之一光電天平上稱取。在 Model 6000型 Physics Property Measurement System的振動樣品磁強計選件(VSM)上對樣品進行室溫(27 ℃)磁滯回線測試，所加最大外磁場強度H為20 000 ×79.6 A·m-1。

1.2.2 淬火后深冷處理試驗

工藝流程：淬火→深冷處理。

淬火工藝：910 ℃，930 ℃，950 ℃，970 ℃，990 ℃，1 010 ℃，保溫時間均為30 min，水冷。深冷處理工藝：-120 ℃,30 min。

1.2.3 回火后深冷處理試驗

工藝流程：淬火→回火→深冷處理。

淬火工藝： 950 ℃，30 min，水冷?；鼗鸸に嚕?40 ℃，250 ℃，450 ℃，650 ℃，750 ℃，回火時間均為120 min。深冷處理工藝： -120 ℃，30 min。

2 試驗結果與分析

2.1 磁性分析結果與討論

圖1為調質態和930 ℃淬火態試樣的金相組織。經定量金相分析，調質態試樣的碳化物含量為7.2%，而930 ℃×30 min淬水后試樣的碳化物含量為2.6%。

圖1 試樣的金相組織 Fig.1 Metallographic structure

圖2為不同狀態樣品的室溫(27 ℃)磁滯回線?？梢?，所有樣品均可在20 000×79.6 A·m-1的磁場強度下達到磁化強度M(即單位質量的磁化強度)的飽和，可得到樣品的飽和磁化強度(MS)，MS數值大小可以反映樣品中鐵磁相即鐵素體及馬氏體的相對數量。

以調質態樣品作為磁性分析的標樣，其他狀態樣品作為待測樣品。根據定量金相分析結果，即調質態樣品的碳化物含量(PC)r=7.2%，而930 ℃×30 min淬水樣品的碳化物含量為PC=2.6%，同時認為冷處理時的碳化物含量沒有變化，即其他待測樣品的PC也取2.6%。根據樣品磁性測試分析得到的MS結果，按式(1)進行殘余奧氏體量PA的計算分析。

PA=[ (標樣MS-待測樣MS)/標樣MS]×100%+[(PC)r-PC]。

(1)

不同處理狀態樣品殘余奧氏體定量分析結果見表2。

表2 不同處理狀態樣品殘余奧氏體定量分析結果

鋼在調質態，碳化物量為7.2%，余為鐵素體，其飽和磁化強度最高。

鋼在930 ℃淬火態及隨后冷處理時，碳化物量均為2.6%。-80 ℃和-120 ℃冷處理后殘余奧氏體含量由13.5%分別減少為11.7%和10.1%。這表明，-120 ℃深冷處理較-80 ℃冷處理能更有效地減少鋼中殘余奧氏體。

2.2 淬火后深冷處理試驗結果與討論

圖3 不同溫度淬火后-120 ℃深冷處理前后9Cr5MoV鋼的硬度Fig.3 Effect of quenching temperatures and cryogenic treatment on the hardness of 9Cr5MoV steel

圖3為不同溫度淬火后，-120 ℃深冷處理前后9Cr5MoV鋼的硬度變化情況?？梢姡罾涮幚砬颁摰挠捕入S淬火溫度首先升高，淬火溫度在930～950 ℃之間鋼的硬度很高(約為65 HRC)，進一步提高淬火溫度，鋼的硬度反而下降，這與淬火后鋼中殘余奧氏體量增加，碳化物量減少有關。深冷處理后鋼的硬度隨淬火溫度首先升高，而后硬度穩定在約66 HRC，這是由于殘余奧氏體在-120 ℃深冷處理時轉變成了馬氏體的緣故，而且淬火溫度愈高硬度提高愈明顯，硬度提高值由約0.5 HRC(淬火溫度910 ℃)提高到約2 HRC(淬火溫度1 010 ℃)。表明淬火溫度愈高，深冷處理的作用愈明顯。綜合分析，如不進行深冷處理，淬火溫度選擇在950 ℃，鋼的硬度達到最高值(65 HRC)；如進行深冷處理，淬火溫度選擇在950 ℃，鋼的硬度已超過未經深冷處理最高值(66 HRC)，進一步提高淬火溫度，鋼的硬度也不再明顯變化。因此，鋼的淬火溫度選擇在950 ℃是合理的，此后深冷處理可使鋼的硬度再提高約1 HRC。

2.3 回火后深冷處理試驗結果與討論

圖4 不同溫度回火后-120 ℃深冷處理前后9Cr5MoV鋼的硬度Fig.4 Effect of tempering temperatures and cryogenic treatment on the hardness of 9Cr5MoV steel

圖4為950 ℃×30 min淬火，不同溫度回火后，-120 ℃深冷處理前后9Cr5MoV鋼硬度變化情況?？梢?，低溫回火后，鋼中的殘余奧氏體尚未分解，-120 ℃深冷處理可促使其向馬氏體轉變，從而鋼的硬度提高約1 HRC。隨著回火溫度的提高，殘余奧氏體已在回火時分解，深冷處理時已不再有相變發生，硬度也不再明顯變化。

綜上所述，淬火、淬火+低溫回火后，深冷處理均可使殘余奧氏體向馬氏體轉變，提高鋼的硬度。淬火+高溫回火后，殘余奧氏體已經在回火時分解，深冷處理無法再提高鋼的硬度。

3 結 論

1)9Cr5MoV鋼在930 ℃淬火態、-80 ℃和-120 ℃冷處理態，鋼中殘余奧氏體含量分別為13.5%，11.7%和10.1%，深冷處理(-120 ℃)較冷處理(-80 ℃)能更有效地減少鋼中殘余奧氏體。

2)950 ℃淬火可使淬火態鋼的硬度達到最大值(65 HRC)，此后-120 ℃深冷處理可使鋼的硬度再提高至66 HRC。

3)950 ℃淬火+140 ℃低溫回火后，-120 ℃深冷處理可使鋼的硬度提高約1 HRC。

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