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深冷处理对双金属带锯条基体用Rm80钢的影响

作者:admin  来源:本站  发表时间:2017-12-4 12:31:27  点击:300

摘 要:研究了深冷处理对Rm80钢力学与疲劳性能的影响。结果表明:深冷处理使该钢的力学及疲劳性能普遍提高,尤其以第一次回火后深冷处理具有较好的综合效果。深冷处理过程中马氏体的分解、超微细碳化物的析出以及组织细化是该钢性能得以改善的主要原因。

   双金属带锯条是由刃部高速钢材料与基体超高强度弹簧钢构成的复合锯切下料工具,具有高效、低耗、节能、节材等特点,在机械制造、冶金、化工、军工等行业广泛应用。近年来,随着锯切下料向高效、锯切高硬度材料、长寿命、低成本以及自动化方向发展,不仅要求双金属带锯条刃部有更高的切削性、耐磨性及抗冲击韧性,同时基体材料也应有更高的疲劳强度和刚性与之匹配。Rm80钢以其高的强度与良好的抗疲劳性能,是国内双金属带锯条一种新的基体材料。深冷处理作为一种能明显改善高速钢综合性能和使用寿命的新工艺,近些年来日益为美、俄、英、日等国所重视。回火前或后深冷处理,均能改善性能,尤以后者改善韧性效果更好;深冷工艺应视工作条件而定。关于其机理,通常认为:(1)能析出超微细碳化物;(2)获得的片状不完全孪晶马氏体周围存在较宽的位错组列区域;(3)稳定的残留奥氏体的亚结构为大量的位错与堆积层错,内部破碎为更多块状的小单元。目前,深冷处理的应用研究主要集中在工模具钢,在合金结构钢、硬质合金、铝合金及其复合材料等方面也取得了一定进展,而在超高强度钢方面还未见报道。本文目的在于结合实际应用研究提高双金属带锯条基体Rm80超高强度钢使用寿命的途径。

1 试验材料及方法

  Rm80钢化学成分w(%)为:0.35C,3.05Cr,1.98Mo,0.54Ni,0.36V,0.0015S,0.010P, 0.68Mn,0.46Si。样品是在高纯N2保护气氛下的管式加热炉中1190℃奥氏体化,然后在-60℃冷却箱中进行淬火;回火在高纯N2保护气氛下的马弗炉中进行;深冷处理是在-196℃的液氮介质中进行,深冷处理后取出样品放入常温(25℃)水中。
   在POLYVAR-MET金相显微镜上进行组织观察。在Instran 8032电子拉伸试验机上进行室温拉伸试验和疲劳试验。拉伸样品尺寸为4×0.9 (mm),标距为50 mm; 疲劳样品的一边带有半径为1.5 mm的缺口,其截面尺寸为21×0.9 (mm)。疲劳试验条件;σmax=392 MPa、σmin=0 MPa,应力比R=0,f=4 Hz,正弦波拉-拉循环加载方式。每隔一定循环次数时停机,并用JXD-2型读数显微镜测量出相应的裂纹长度,采用最小二乘法求出疲劳裂纹稳态扩展阶段的直线段斜率,即为裂纹平均扩展速率。

2 试验结果

2.1 力学性能
  深冷处理与回火工艺的不同组合对Rm80钢力学性能的影响见表1所示。

表1 Rm80钢热处理工艺及所得力学性能

编号 工    艺 σb
(MPa)
σ0.2
(MPa)
δ
(%)
1 淬火 2070 1386 5.00
2 淬火+24h深冷 2050 1245 6.06
3 淬火+0.5h深冷 2057 1319 5.94
4 淬火+510℃×2 h回火 1763 1304 3.28
5 淬火+510℃×2 h回火+24 h深冷 1804 1375 8.15
6 淬火+24 h深冷+510℃×2 h回火 1801 1417 6.20
7 淬火+0.5 h深冷+510℃×2 h深冷 1802 1432 6.96
8 淬火+510℃×2 h回火2次 / / /
9 淬火+510℃×2 h回火2次+24 h深冷 1780 1323 8.07
10 淬火+510℃×2 h回火2次+0.5h深冷 1784 1295 7.63
11 淬火+510℃×2 h回火2次
+530℃×2 h回火
1742 1356 6.42
12 淬火+510℃×2 h回火2次
+530℃×2 h回火+24h深冷
1780 1381 6.90
13 淬火+510℃×2 h回火2次
+530℃×2 h回火+0.5 h深冷
1780 1414 5.65
  2.1.1 回火次数与回火后深冷处理的影响
   由表1可以看出,随回火次数增多,该钢的强度变化幅度很小,δ随之增加。但一次回火的δ却反常下降(低于淬火态)。经深冷处理后,其强韧性普遍提高,尤以一次回火后深冷处理的效果更为显著。随回火次数增加,深冷处理效果逐渐减弱。例如,一次回火后的σb、σ0.2、δ分别为1763 MPa、1304 MPa及3.28%,深冷处理后,分别提高到1804 MPa、1375 MPa及8.15%。可见,回火后深冷处理对提高该钢的力学性能(尤其是δ)是有利的,该结果对指导生产具有实际意义。
2.1.2 深冷处理时间的影响
   由表1可以看出,深冷处理时间对该钢的σb基本无影响。总的来说,σ0.2与深冷时间长短关系不大,但随回火次数增加而略微升高。进行24h深冷处理后,其δ普遍高于深冷0.5h。且回火次数增加,呈现下降趋势。可见,适当延长深冷时间以及与回火工艺的合理匹配对改善该钢的力学性能是有利的。
2.1.3 回火前或后深冷处理的影响
   由表1可看出,回火前深冷处理提高σb、σ0.2的效果要较回火后深冷处理明显,而回火后深冷处理提高δ却较之前者显著。此结果与文献[2、5、8]的结论一致。
2.2 疲劳性能
   回火次数与深冷处理对Rm80钢疲劳裂纹扩展的影响见图1所示。从图中确定出满足近似线性关系的区间,采用最小二乘法求出回归方程,用该线性回归方程的斜率表示疲劳裂纹稳态扩展阶段的平均扩展速率,计算结果见表2所示。从中可看出,以一次回火后深冷(工艺5)的裂纹扩展速率最低;回火次数增加,裂纹扩展速率也增大(工艺8、11)。结果表明:从改善该钢抗疲劳性能的角度看,以一次回火后深冷处理的效果显著。
图1 不同工艺状态下的Rm80钢疲劳裂纹扩展

表2 不同工艺状态Rm80钢的裂纹扩展

工艺编号 2 5 8 11
裂纹扩展速度 (μm/周) 0.543 0.457 0.668 0.758
 
3 讨论

  Rm80钢含有较多的Cr、Mo、V碳化物形成元素,经1190℃奥氏体化后,淬火组织中尚残留着少量细小碳化物颗粒,使组织得以细化。这可能与碳化物颗粒邻近的溶质富集区提供较多的奥氏体形核位置有关[11]。回火后,固溶的C、Cr、Mo、V从马氏体基体中析出,减少了固溶强化效果,改善韧性,同时,析出的弥散分布的碳化物又造成二次硬化效果,能弥补固溶强化效果减弱所造成的强度下降。通过调整回火工艺,控制Cr、Mo、V在马氏体基体与碳化物中的分配,达到强度不降低的同时改善韧性,多次回火工艺是途径之一。深冷处理能促使固溶于马氏体基体中的C 发生析出反应[5~7],对于经淬火或回火处理的Rm80钢来说,深冷处理也应发生同样的析出过程。即经过-196℃深冷处理后,使马氏体基体体积收缩,导致Fe的晶格常数缩小,一方面在基体中产生很大的微观内应力以及微变形,使晶体缺陷显著增加;另一方面使过饱和C引发的点阵畸变增大,导致碳化物析出热力学驱动力增大。但低温下C原子扩散难度大,在-196℃超低温下不易发生分解。在向室温回升过程中,C原子扩散能力增强,会在晶体缺陷处析出与基体共格的超微细碳化物[5]。由此看出,深冷处理过程中发生的组织结构变化类似于回火过程中的组织转变。此外,深冷处理也可能发生类似于高速钢在深冷过程中导致的组织细化现象[6,7],改善基体韧性。有关这方面的内容有待于今后进一步的研究。
   深冷处理与回火工艺二者明显差别在于前者析出的碳化物更微细、更弥散,产生弥散强化与组织细化的多重强韧化效应,导致深冷处理的力学性能及抗疲劳裂纹扩展能力普遍高于常规回火工艺。回火前或后深冷处理工艺的不同组合,发生组织结构转变历程也不尽相同,从而导致性能上的差别。不难想象,回火处理使深冷过程中析出的超微细碳化物长大,有削弱深冷处理效果的趋势。尽管如此,其析出的碳化物尺寸仍小于常规回火工艺,故其强韧化效果高于常规回火工艺。回火后的基体中尚存在着固溶C,经深冷处理后,同样会产生微观内应力、微变形作用,使晶体缺陷增多,从而导致超微细碳化物的析出以及显微组织的细化,结果明显改善强韧性。这也就不难理解为何在对高速钢进行深冷处理时,大多数文献[2,5]推荐使用回火后深冷处理工艺。
   此外,实验中发现该钢第一次回火后塑性明显下降,深冷处理后,塑性显著回复。作者在研究多次回火工艺对46CrNiMoVA钢力学性能与显微组织的影响时,也曾遇到过此类反常现象,进一步回火后塑性又得以改善。对这些问题的深入研究有助于丰富我们对深冷处理提高韧性本质的理解。

4 结论

  (1)深冷处理使Rm80钢的力学性能普遍高于常规回火工艺,尤其是提高塑性与抗疲劳裂纹扩展能力更明显。
   (2)回火前或后深冷处理,均能提高其性能,前者偏重于提高强度,后者提高塑性及抗裂纹扩展能力的幅度较大,以一次回火后深冷处理的效果最佳。
   (3)回火次数增加,强度变化幅度不大,塑性增加,但第一次回火后的塑性却明显反常下降。

 

 
 
 
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