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              深冷處理對雙金屬帶鋸條基體用Rm80鋼的影響

              更新時間:2018-09-05 14:33:51 瀏覽次數:2717次 編輯:admin

              雙金屬帶鋸條是由刃部高速鋼材料與基體超高強度彈簧鋼構成的復合鋸切下料工具,具有高效、低耗、節能、節材等特點,在機械制造、冶金、化工、軍工等行業廣泛應用。近年來,隨著鋸切下料向高效、鋸切高硬度材料、長壽命、低成本以及自動化方向發展,不僅要求雙金屬帶鋸條刃部有更高的切削性、耐磨性及抗沖擊韌性,同時基體材料也應有更高的疲勞強度和剛性與之匹配。Rm80鋼以其高的強度與良好的抗疲勞性能,是國內雙金屬帶鋸條一種新的基體材料。深冷處理作為一種能明顯改善高速鋼綜合性能和使用壽命的新工藝,近些年來日益為美、俄、英、日等國所重視?;鼗鹎盎蚝笊罾涮幚?,均能改善性能,尤以后者改善韌性效果更好;深冷工藝應視工作條件而定。

              關于其機理,通常認為:

              (1)能析出超微細碳化物;

              (2)獲得的片狀不完全孿晶馬氏體周圍存在較寬的位錯組列區域;

              (3)穩定的殘留奧氏體的亞結構為大量的位錯與堆積層錯,內部破碎為更多塊狀的小單元。

              目前,深冷處理的應用研究主要集中在工模具鋼,在合金結構鋼、硬質合金、鋁合金及其復合材料等方面也取得了一定進展,而在超高強度鋼方面還未見報道。本文目的在于結合實際應用研究提高雙金屬帶鋸條基體Rm80超高強度鋼使用壽命的途徑。

              1 試驗材料及方法

              Rm80鋼化學成分w(%)為:0.35C,3.05Cr,1.98Mo,0.54Ni,0.36V,0.0015S,0.010P, 0.68Mn,0.46Si。樣品是在高純N2保護氣氛下的管式加熱爐中1190℃奧氏體化,然后在-60℃冷卻箱中進行淬火;回火在高純N2保護氣氛下的馬弗爐中進行;深冷處理是在-196℃的液氮介質中進行,深冷處理后取出樣品放入常溫(25℃)水中。
                     在POLYVAR-MET金相顯微鏡上進行組織觀察。在Instran 8032電子拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗和疲勞試驗。拉伸樣品尺寸為4×0.9 (mm),標距為50 mm; 疲勞樣品的一邊帶有半徑為1.5 mm的缺口,其截面尺寸為21×0.9 (mm)。疲勞試驗條件;σmax=392 MPa、σmin=0 MPa,應力比R=0,f=4 Hz,正弦波拉-拉循環加載方式。每隔一定循環次數時停機,并用JXD-2型讀數顯微鏡測量出相應的裂紋長度,采用較小二乘法求出疲勞裂紋穩態擴展階段的直線段斜率,即為裂紋平均擴展速率。

              2 試驗結果

              2.1 力學性能

              深冷處理與回火工藝的不同組合對Rm80鋼力學性能的影響見表1所示。

              表1 Rm80鋼熱處理工藝及所得力學性能

              2.1.1 回火次數與回火后深冷處理的影響

              由表1可以看出,隨回火次數增多,該鋼的強度變化幅度很小,δ隨之增加。但一次回火的δ卻反常下降(低于淬火態)。經深冷處理后,其強韌性普遍提高,尤以一次回火后深冷處理的效果更為顯著。隨回火次數增加,深冷處理效果逐漸減弱。例如,一次回火后的σb、σ0.2、δ分別為1763 MPa、1304 MPa及3.28%,深冷處理后,分別提高到1804 MPa、1375 MPa及8.15%??梢?,回火后深冷處理對提高該鋼的力學性能(尤其是δ)是有利的,該結果對指導生產具有實際意義。

              2.1.2 深冷處理時間的影響

              由表1可以看出,深冷處理時間對該鋼的σb基本無影響??偟膩碚f,σ0.2與深冷時間長短關系不大,但隨回火次數增加而略微升高。進行24h深冷處理后,其δ普遍高于深冷0.5h。且回火次數增加,呈現下降趨勢??梢?,適當延長深冷時間以及與回火工藝的合理匹配對改善該鋼的力學性能是有利的。

              2.1.3 回火前或后深冷處理的影響

              由表1可看出,回火前深冷處理提高σb、σ0.2的效果要較回火后深冷處理明顯,而回火后深冷處理提高δ卻較之前者顯著。此結果與文獻[2、5、8]的結論一致。

              2.2 疲勞性能

              回火次數與深冷處理對Rm80鋼疲勞裂紋擴展的影響見圖1所示。從圖中確定出滿足近似線性關系的區間,采用較小二乘法求出回歸方程,用該線性回歸方程的斜率表示疲勞裂紋穩態擴展階段的平均擴展速率,計算結果見表2所示。從中可看出,以一次回火后深冷(工藝5)的裂紋擴展速率較低;回火次數增加,裂紋擴展速率也增大(工藝8、11)。結果表明:從改善該鋼抗疲勞性能的角度看,以一次回火后深冷處理的效果顯著。

              3 討論

              Rm80鋼含有較多的Cr、Mo、V碳化物形成元素,經1190℃奧氏體化后,淬火組織中尚殘留著少量細小碳化物顆粒,使組織得以細化。這可能與碳化物顆粒鄰近的溶質富集區提供較多的奧氏體形核位置有關[11]?;鼗鸷?,固溶的C、Cr、Mo、V從馬氏體基體中析出,減少了固溶強化效果,改善韌性,同時,析出的彌散分布的碳化物又造成二次硬化效果,能彌補固溶強化效果減弱所造成的強度下降。通過調整回火工藝,控制Cr、Mo、V在馬氏體基體與碳化物中的分配,達到強度不降低的同時改善韌性,多次回火工藝是途徑之一。深冷處理能促使固溶于馬氏體基體中的C 發生析出反應[5~7],對于經淬火或回火處理的Rm80鋼來說,深冷處理也應發生同樣的析出過程。即經過-196℃深冷處理后,使馬氏體基體體積收縮,導致Fe的晶格常數縮小,一方面在基體中產生很大的微觀內應力以及微變形,使晶體缺陷顯著增加;另一方面使過飽和C引發的點陣畸變增大,導致碳化物析出熱力學驅動力增大。但低溫下C原子擴散難度大,在-196℃超低溫下不易發生分解。在向室溫回升過程中,C原子擴散能力增強,會在晶體缺陷處析出與基體共格的超微細碳化物[5]。由此看出,深冷處理過程中發生的組織結構變化類似于回火過程中的組織轉變。此外,深冷處理也可能發生類似于高速鋼在深冷過程中導致的組織細化現象[6,7],改善基體韌性。有關這方面的內容有待于今后進一步的研究。

              深冷處理與回火工藝二者明顯差別在于前者析出的碳化物更微細、更彌散,產生彌散強化與組織細化的多重強韌化效應,導致深冷處理的力學性能及抗疲勞裂紋擴展能力普遍高于常規回火工藝?;鼗鹎盎蚝笊罾涮幚砉に嚨牟煌M合,發生組織結構轉變歷程也不盡相同,從而導致性能上的差別。不難想象,回火處理使深冷過程中析出的超微細碳化物長大,有削弱深冷處理效果的趨勢。盡管如此,其析出的碳化物尺寸仍小于常規回火工藝,故其強韌化效果高于常規回火工藝?;鼗鸷蟮幕w中尚存在著固溶C,經深冷處理后,同樣會產生微觀內應力、微變形作用,使晶體缺陷增多,從而導致超微細碳化物的析出以及顯微組織的細化,結果明顯改善強韌性。這也就不難理解為何在對高速鋼進行深冷處理時,大多數文獻[2,5]推薦使用回火后深冷處理工藝。

              此外,實驗中發現該鋼次回火后塑性明顯下降,深冷處理后,塑性顯著回復。作者在研究多次回火工藝對46CrNiMoVA鋼力學性能與顯微組織的影響時,也曾遇到過此類反?,F象,進一步回火后塑性又得以改善。對這些問題的深入研究有助于豐富我們對深冷處理提高韌性本質的理解。

              4 結論

              (1)深冷處理使Rm80鋼的力學性能普遍高于常規回火工藝,尤其是提高塑性與抗疲勞裂紋擴展能力更明顯。

              (2)回火前或后深冷處理,均能提高其性能,前者偏重于提高強度,后者提高塑性及抗裂紋擴展能力的幅度較大,以一次回火后深冷處理的效果良好。

              (3)回火次數增加,強度變化幅度不大,塑性增加,但次回火后的塑性卻明顯反常下降。

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