熱處理工藝對雙金屬帶鋸條背材30Cr4MoNiV鋼組織和性能的影響

陳 剛， 姚遠超， 賈寓真， 蘇 斌， 劉國躍， 曾 斌

(1. 湖南大學 材料科學與工程學院， 湖南 長沙 410082； 2. 湖南省鋸切工程技術研究中心， 湖南 長沙 410200；3. 湖南泰嘉新材料科技股份有限公司， 湖南 長沙 410200； 4. 湖南華菱漣源鋼鐵有限公司， 湖南 婁底 417000)

雙金屬帶鋸條于1964年研制成功[1]，因其優良的性能迅速取代其他類型的帶鋸條，成為鋸切行業的主流工具，需求量日益增大[2-3]。經過幾十年的發展，雙金屬帶鋸條得到不斷的發展和完善，背部材料也經歷了一系列的變化，從最初的彈簧鋼到高強度鋼，再到目前市面上應用最多的超高強度鋼。近些年，國外一些研究人員正在致力于開發雙金屬帶鋸條專用鋼。

以往有關雙金屬帶鋸條的研究大多集中在焊接[4-8]、齒形設計及齒距優化等方面[9-11]，也有關于噴砂工藝對雙金屬帶鋸條的鋸切性能和疲勞壽命的影響[12-13]，而有關背部材料的熱處理工藝的報道并不多。柳艷等[14]研究了M42-X32雙金屬帶鋸條的高溫回火工藝，盧斌等[15]發現淬火對背部材料組織和性能的影響較齒部材料大，這意味著存在稍微降低齒部性能而大幅提升背部材料性能的可能，從而實現提升整體性能的目的。匡旭光等[16]發現在1150～1160 ℃淬火、640 ℃回火后RM80鋼具有良好的強度和塑性匹配，該工藝下的高速切削疲勞性能提升了將近30%。雙金屬帶鋸條的熱處理工藝通常是按照適合齒部材料的工藝制定的[17]，而這往往并不適合背部材料，這種一味地追求齒部高性能，卻忽略了背部材料性能的現象，造成了實際服役時往往因背部材料的斷裂而導致帶鋸條失效。因此，在滿足齒部材料的熱處理工藝范圍內探究背部材料的最佳工藝來提升帶鋸條的整體性能，具有重要的研究價值與實際意義。

30Cr4MoNiV鋼是我國自主研發的雙金屬帶鋸條背材專用鋼[18]，具有優良的疲勞性能、耐腐蝕性能和較高的屈強比等特點，有望打破進口帶鋸條對我國高端帶鋸條市場的壟斷。但目前未見關于30Cr4MoNiV鋼熱處理方面的報道，更加缺乏與國外帶鋸條疲勞性能和鋸切壽命的對比研究。本文結合雙金屬帶鋸條的熱處理工藝參數，對30Cr4MoNiV鋼背材的熱處理工藝進行系統的研究，分析其微觀組織和力學性能的演變規律，并與國外帶鋸條(CDW)的彎曲疲勞性能和鋸切壽命進行對比分析，以期為采用30Cr4MoNiV鋼作為背材的雙金屬帶鋸條的熱處理工藝制訂提供參考依據。

1 試驗材料及方法

試驗所用材料為國產30Cr4MoNiV鋼帶材和進口CDW鋼帶材，兩者規格均為43 mm(寬)×1.3 mm(厚)，化學成分相近，如表1所示。采用LX0211箱式高溫電阻爐(溫度控制誤差為±2 ℃)對30Cr4MoNiV鋼帶材進行淬火、回火處理，淬火溫度為1150、1170和1190 ℃，保溫5 min后采用光亮快速淬火油進行冷卻，回火溫度分別為520、560、600和640 ℃，回火3次，每次保溫60 min，空冷。

表1 30Cr4MoNiV鋼和CDW鋼的化學成分(質量分數，%)

從熱處理30Cr4MoNiV鋼帶材上切取硬度試樣、金相試樣和標準拉伸試樣。參照GB/T 230.1—2009《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，采用200HRS-150型數顯洛氏硬度計測試30Cr4MoNiV鋼淬火、回火后的硬度。金相試樣經打磨、拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用FEI QUANTA 200掃描電鏡(SEM)觀察微觀組織。參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，采用DNS100電子萬能試驗機進行拉伸試驗，測定30Cr4MoNiV鋼的抗拉強度和斷后伸長率，試驗固定采樣頻率為2.0 Hz，拉伸速度為2.0 mm/min。拉彎疲勞試驗和鋸切試驗均采用最佳熱處理工藝下齒部焊接高速鋼粒子的成品鋸條，其中拉彎疲勞試驗在彎曲疲勞試驗機上進行，鋸條長度為192 cm，氣壓為0.6～0.68 MPa，鋸切試驗采用H-460HA鋸床切割4根GCr15棒材，棒材單根直徑為φ80 mm，硬度為32～38 HRC。

2 試驗結果與分析

2.1 淬火溫度對組織和性能的影響

淬火的目的主要是將混亂的原始組織先奧氏體化，而后轉變成馬氏體組織，在這個過程中，合金元素會固溶到馬氏體中，一般淬火溫度越高，固溶越充分，淬火后的馬氏體硬度增加，同時也會導致Ms點降低，晶粒尺寸粗大，甚至會出現過熱、過燒的現象。圖1 為不同淬火溫度下30Cr4MoNiV鋼的顯微組織。可以看出，30Cr4MoNiV鋼淬火后的組織為淬火馬氏體+少量殘留奧氏體，且隨著淬火溫度的升高，晶粒逐漸長大，在1170 ℃淬火時長大較為明顯，該溫度下的馬氏體塊與1150 ℃和1190 ℃時相比，較為明晰并粗大。

圖1 30Cr4MoNiV鋼經不同溫度淬火后的顯微組織

硬度可以在一定程度上驗證組織的好與壞，表2為不同淬火溫度下30Cr4MoNiV鋼的硬度。可以看出，隨著淬火溫度的升高，硬度先下降后上升，在1190 ℃時達到最大值。淬火后的硬度是合金元素固溶和晶粒長大兩者之間的權衡：合金元素固溶充分，硬度上升；晶粒長大，硬度下降。在1170 ℃時，晶粒長大明顯而此時合金元素固溶不足，1190 ℃時，晶粒尺寸較1170 ℃長大并不明顯，但合金元素固溶充分。根據淬火組織和硬度可以初步斷定1190 ℃為最佳的淬火溫度，而最佳工藝還要依據后續的回火工藝進行制定。

表2 30Cr4MoNiV鋼不同溫度淬火后的硬度

2.2 回火溫度對組織和性能的影響

回火的主要目的是將亞穩態的淬火組織轉化為相對穩定的回火組織。圖2為30Cr4MoNiV鋼不同溫度淬火、回火后的顯微組織。可以看出，淬火溫度對后續回火組織影響不大，僅對晶粒尺寸略有影響，這是由于淬火溫度過高時產生了粗大馬氏體，在回火的過程中發生了組織遺傳現象，盡管多次高溫回火可以消除這種遺傳，但在本試驗中即使回火3次也沒有完全消除。30Cr4MoNiV鋼經不同溫度淬火后，在520～640 ℃回火過程中，隨回火溫度的升高，碳化物由過渡相逐步向平衡態轉變，組織由保持馬氏體位向(板條狀)的回火屈氏體逐漸向回火索氏體轉變。回火溫度在600 ℃以下時，α相發生回復，其中的位錯胞和位錯胞內的位錯線消失，位錯密度降低，剩余的位錯重排成二維位錯網絡，將鐵素體晶粒分割成許多亞晶粒，但此時的α相仍保持板條狀形態。回火溫度在600 ℃以上時，粒狀滲碳體聚集長大，板條狀顯微組織消失，亞晶合并形成大角度晶界，組織轉變為等軸晶，在回火溫度為640 ℃的組織圖中，可以清楚地觀察到等軸狀晶粒。

圖2 30Cr4MoNiV鋼經不同溫度淬火和回火后的顯微組織淬火溫度：(a1～a4)1150 ℃；(b1～b4)1170 ℃；(c1～c4)1190 ℃ 回火溫度：(a1～c1) 520 ℃；(a2～c2) 560 ℃；(a3～c3) 600 ℃；(a4～c4) 640 ℃

圖3為30Cr4MoNiV鋼不同淬火、回火溫度下的力學性能。由圖3(a)可以看出，隨回火溫度的升高，試樣的硬度整體上呈下降的趨勢。值得注意的是，在520～560 ℃回火時，淬火溫度為1150 ℃和1170 ℃的硬度變化不大，而淬火溫度為1190 ℃時的硬度有所提高，這是由于30Cr4MoNiV鋼中的強碳化物形成元素V、Mo、Cr等在該溫度附近引起了二次硬化。通常，強度與塑性兩者不可兼具，強度高則塑性差，然而從圖3(b, c)發現：隨回火溫度的升高，抗拉強度逐漸下降，而伸長率出現先上升后下降(淬火溫度為1190 ℃)和先下降后上升 (淬火為溫度1150 ℃和1170 ℃)的現象。抗拉強度隨回火溫度的升高逐漸下降主要是碳化物析出和聚集長大、球化以及α相的回復和再結晶所導致的，而伸長率是晶粒尺寸、固溶元素以及元素偏聚等多種因素綜合的結果。強塑積可表征金屬強韌性水平的綜合性能，是評判金屬材料性能好壞最常用的指標，圖3(d)為30Cr4MoNiV鋼在不同回火溫度下的強塑積，可見隨著回火溫度的升高，強塑積整體上呈下降的趨勢，而1190 ℃淬火后的強塑積隨回火溫度的升高先上升后下降，主要得益于該鋼的合金元素含量高，高溫下固溶更加充分。針對鋸帶背材用鋼，在追求較高的淬火強硬度和保證組織不過熱的綜合性能指標下，30Cr4MoNiV鋼的最佳熱處理工藝可取1190 ℃淬火+600 ℃×60 min 回火3次，該工藝下的抗拉強度為1382 MPa，伸長率達到11.32%，強塑積為15.64 GPa·%。

圖3 30Cr4MoNiV鋼經不同溫度淬火和回火后的力學性能

2.3 疲勞性能和鋸切性能

圖4為30Cr4MoNiV鋼和CDW鋼成品的彎曲疲勞試驗和鋸切疲勞試驗結果。可見，未經熱處理的30Cr4MoNiV鋼成品鋸條的彎曲疲勞壽命僅為3745次，比未經熱處理的CDW鋼(4671次)低了24.7%；經最后熱處理后30Cr4MoNiV鋼的彎曲疲勞達到了5270次，較未熱處理時提高了40.7%，并與經熱處理后CDW鋼的彎曲疲勞性能相當。同時，經最佳熱處理后的30Cr4MoNiV鋼帶鋸條單根鋸切刀數為54次，比CDW鋼的帶鋸條單根鋸切刀數高出25.6%。可見采用優化熱處理工藝的30Cr4MoNiV鋼具有良好的綜合力學性能，該鋼的帶鋸條產品性能已達到國外先進水平。

圖4 30Cr4MoNiV鋼和CDW鋼成品的疲勞性能

3 結論

1) 雙金屬帶鋸條背材用鋼30Cr4MoNiV在1190 ℃保溫5 min后淬火，既能保證合金元素固溶充分，又不會引起淬火馬氏體組織粗大；在520～640 ℃范圍內隨回火溫度的升高，30Cr4MoNiV鋼的組織由保持馬氏體位向狀態的回火屈氏體逐漸向回火索氏體轉變，且淬火溫度對后續的回火組織轉變影響不大。

2) 雙金屬帶鋸條背材用鋼30Cr4MoNiV的最佳熱處理工藝為1190 ℃×5 min淬火+600 ℃×60 min回火3次，該工藝下的組織為回火索氏體，抗拉強度為1382 MPa，伸長率達到11.32%，強塑積為15.64 GPa·%，且彎曲疲勞性能較未熱處理時提高了40.7%，與進口CDW鋼持平，而鋸切疲勞壽命比進口CDW鋼高出25.6%。