熱處理對65Mn鋸片用鋼組織及性能的影響

白永國，王毅堅，索忠源

(1．吉林化工學院 教務處，吉林吉林132022;．2吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林132022)

國產金剛石鋸片基體多數采用65Mn鋼板制造，因其具有良好的強度、硬度、彈性和淬透性等綜合機械性能得到了廣泛的應用［1-3］．65Mn鋼作為鋸片使用的一個重要參數就是硬度，其一般要求為38 ～43HRC［4-6］．控制硬度的技術關鍵在于熱處理的質量，在熱處理過程中既要保證基體淬硬，又不能產生大的變形．目前工廠生產鋸基的熱處理方法大多采用輥底式加熱［7］，淬火方式普遍采用出爐后立即垂直入油冷卻，然后在Ms點以上移入淬火壓床加壓冷卻到室溫．但在實際生產過程中經常出現鋸片淬火后硬度不均勻的現象，不能滿足設計要求，影響了產品合格率．為避免使用過程中意外失效的發生，有必要對其熱處理過程中的顯微組織及力學性能演化進行系統的分析，以充分發揮其潛在的性能，為工業生產提供實驗數據．

基于此，本文針對65Mn冶金鋸片鋼板進行了淬前退火處理、利用不同淬回火溫度下的實驗研究，并通過力學性能測試和金相顯微觀察等手段，確定了其發生脆性轉變的溫度范圍，選取了適當熱處理工藝過程，充分發掘現有65Mn鋼的潛力．

1 試驗方法

采用鞍鋼鋼板65Mn為原材料，供貨狀態為熱軋．試驗用的化學成分如表1所示．

表1 65Mn原料主要化學成分 wt．%

將鋼板首先進行球化退火，其加熱溫度為740℃，保溫120 min，隨爐冷卻至550℃后，空冷［8］，其目的在于退火過程去除熱軋態原料熱應力，解決后續淬火后材料硬度分布不均．然后分別將65Mn加熱到800℃、820℃、840℃、860℃、880℃保溫20 min，保證其完全奧氏體化，油淬(10#、20#機油)．最后在空氣爐中回火 120 min，回火溫度分別為370℃、390℃、410℃、430℃和450℃，隨爐冷卻．制成的拉伸試樣尺寸為8 mm×60 mm×200 mm，拉伸速率為5 mm/min，沖擊試樣尺寸為5 mm×10 mm ×55 mm(半沖擊試樣)，開V型缺口并采用15 kg擺錘室溫下進行沖擊．拉伸及沖擊試樣平行條件下每組選取3個，取其算數平均值．采用4%硝酸酒精溶液對拋光后的試樣進行侵蝕，在TX-600V倒置金相顯微鏡下觀察金相試樣形貌．

2 結果與討論

2.1 不同淬火溫度下65Mn鋼的組織形貌演化過程

圖1為65Mn通過不同淬火溫度下保溫20 min后組織變化形貌．馬氏體針狀明顯，其組織形貌均為典型的淬火馬氏體+部分殘余奧氏體．隨著淬火溫度的提高，860℃、880℃淬火后得到較為粗大的馬氏體，組織越粗大，脆性越大，導致回火馬氏體粗大，力學性能下降［9］．而淬火溫度較低時，分別為800℃和820℃，對應圖1(a，b)，針狀馬氏體細小，殘余奧氏體數量較多，尤其是圖1(a)中含有部分白色鐵素體，對合金整體硬度有影響．淬火溫度過低，淬火組織會出現鐵素體，成為軟點，降低材料的硬度．隨淬火溫度升高，淬火后鐵素體融入馬氏體的量逐漸增多，硬度將會有所升高，但隨著淬火溫度過高，馬氏體組織也會比較粗大．因此，從淬火溫度分析，840℃淬火，其合金顯微形貌更趨于合理．圖2為不同淬火溫度下65Mn鋼硬度的變化規律，從硬度上分析，隨著溫度的升高，硬度越大，這與顯微形貌的分析一致，840℃以上淬火后的硬度變化增加放緩．

圖1 不同淬火溫度下65Mn鋼試樣的組織變化

圖2 不同淬火溫度下65Mn鋼硬度的變化規律

2.2 不同回火溫度下65Mn鋼的微觀形貌

通過上面的分析，采用840℃淬火試樣進行回火．圖3為65Mn合金經840℃淬火后在不同溫度下回火后的組織變化特征，每一溫度下的回火保溫時間均為120 min．圖3具有明顯的其特點是:回火之后均可得到回火馬氏體+回火屈氏體．圖3(a)為370℃回火組織形貌，由圖可見，合金的組織為回火馬氏體，部分回火屈氏體，馬氏體的針狀形貌依稀可見，由于取向不同，有的針狀馬氏體呈亮白色，馬氏體針細小，圖中顯示有白色細粒狀碳化物顆粒析出，即回火屈氏體，其分部較均勻，尺寸在1 μm左右．當回火溫度繼續升高時，微觀形貌襯度增強，回火馬氏體進一步分解，析出更多回火屈氏體，馬氏體粒狀有拉長跡象，如圖3(b)所示．圖3(c)為410℃回火120 min后的顯微形貌，回火屈氏體有部分異常長大，分部不規律．隨著回火溫度的提高，馬氏體針的清晰度下降，回火屈氏體分部及尺寸在增多、增大，如圖3(d)所示．當回火溫度提高到450℃后，回火屈氏體的尺寸由最初的1 μm長大到5 μm，該組織的出現，使得該合金的抗回火能力顯著降低，其回火后的硬度也明顯降低．

圖3 不同回火溫度下65Mn試樣的組織變化

2.3 不同回火溫度下的力學性能變化

圖4 顯示了回火溫度同強度及沖擊韌性之間的關系曲線．從圖中可以看出，抗拉強度隨著回火溫度的增加持續降低，從370℃時的1 540 MPa降低到450℃時的1 290 MPa左右，只是在410℃時略有升高．從沖擊韌性可知，隨著回火溫度的提高而上升，符合回火的一般規律［1］．但是，在410℃時，沖擊韌性值僅為19 J左右，遠低于370℃時的34 J和450℃時的37 J，說明在這個溫度發生了回火脆性，考慮到強度值的跳動，更說明了這一點．

圖4 不同回火溫度對強度與沖擊韌性的影響

65Mn在410℃附近出現了回火脆性，屬于第一類回火脆性，其原因是，當回火溫度較低時，合金元素的過飽和度增加，析出驅動力增加，但由于溫度低擴散速度小，不利于合金元素析出，而當回火溫度較高時，雖然析出驅動力減小，但溶質原子的擴散速度增加，析出加快，兩方面綜合的結果，導致在本文410℃附近溫度有一個最快的析出速度，這一點從圖3(c)屈氏體的快速長大相一致．因此，極有可能是410℃為65Mn鋼的最快析出溫度，此時碳化物大量析出，導致強度上升，韌性下降．

硬度是材料強度微觀的表現，可以間接的反應材料的強度變化，對于65Mn鋸片用鋼而言是最重要的參數．圖5為65Mn鋼不同回火溫度下同硬度的關系曲線．圖中可見，隨著回火溫度的增加，其硬度下降平緩，在410℃附近發生脆性轉變時，硬度值沒有發生明顯變化，硬度隨回火時間的變化幾乎呈直線下降，達到450℃時，硬度下降較多，這與其形成大量的回火屈氏體相關，與圖3、圖4的變化過程相符．值得注意的是，在410℃附近發生脆性轉變時，雖然強度明顯上升，但硬度仍在隨溫度上升而降低．這是因為，測量硬度所導致的范性變形與測量強度的拉伸變形并不相同．由于升溫所產生的基體組織軟化會超過析出強化的貢獻，因此在硬度上受析出強化的影響沒有拉伸過程中明顯．

圖5 不同回火溫度同硬度的關系曲線

通過以上的綜合分析，65Mn鋸片用鋼在430℃回火后，其組織、硬度、沖擊韌度及強度均達到最佳，在某廠的實際生產過程中，該工藝的應用使其淬火變形明顯降低，使用效果好．因此，該合金的最佳熱處理工藝為840℃(保溫20 min)淬火+430℃(保溫120 min)回火．

3 結 論

(1)65Mn鋸片用鋼在800～880℃范圍內油淬，其淬火組織為淬火馬氏體+殘余奧氏體;隨著淬火溫度的升高，淬火馬氏體組織不斷長大;硬度隨淬火溫度的升高由800℃的58 HRC逐漸提高到880℃的66 HRC．

(2)在370～450℃溫度范圍內回火，隨著回火溫度的升高，試樣的組織由淬火馬氏體逐漸轉化為回火馬氏體+回火屈氏體組織;強度、硬度逐步降低，而塑性、韌性相應提高;65Mn鋸片用鋼在410℃附近出現回火脆性．

(3)65Mn鋸片用鋼最佳熱處理工藝為840℃(保溫20 min)淬火+430℃(保溫120 min)回火．

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