陳 剛， 姚遠(yuǎn)超， 賈寓真， 蘇 斌， 劉國躍， 曾 斌

(1. 湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410082； 2. 湖南省鋸切工程技術(shù)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(yōu)良的性能迅速取代其他類型的帶鋸條，成為鋸切行業(yè)的主流工具，需求量日益增大[2-3]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雙金屬帶鋸條得到不斷的發(fā)展和完善，背部材料也經(jīng)歷了一系列的變化，從最初的彈簧鋼到高強(qiáng)度鋼，再到目前市面上應(yīng)用最多的超高強(qiáng)度鋼。近些年，國外一些研究人員正在致力于開發(fā)雙金屬帶鋸條專用鋼。

以往有關(guān)雙金屬帶鋸條的研究大多集中在焊接[4-8]、齒形設(shè)計(jì)及齒距優(yōu)化等方面[9-11]，也有關(guān)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(guān)背部材料的熱處理工藝的報(bào)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(fā)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)提升整體性能的目的?？镄窆獾萚16]發(fā)現(xiàn)在1150～1160 ℃淬火、640 ℃回火后RM80鋼具有良好的強(qiáng)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(xiàn)象，造成了實(shí)際服役時(shí)往往因背部材料的斷裂而導(dǎo)致帶鋸條失效。因此，在滿足齒部材料的熱處理工藝范圍內(nèi)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(jià)值與實(shí)際意義。

30Cr4MoNiV鋼是我國自主研發(fā)的雙金屬帶鋸條背材專用鋼[18]，具有優(yōu)良的疲勞性能、耐腐蝕性能和較高的屈強(qiáng)比等特點(diǎn)，有望打破進(jìn)口帶鋸條對我國高端帶鋸條市場的壟斷。但目前未見關(guān)于30Cr4MoNiV鋼熱處理方面的報(bào)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(jié)合雙金屬帶鋸條的熱處理工藝參數(shù)，對30Cr4MoNiV鋼背材的熱處理工藝進(jìn)行系統(tǒng)的研究，分析其微觀組織和力學(xué)性能的演變規(guī)律，并與國外帶鋸條(CDW)的彎曲疲勞性能和鋸切壽命進(jìn)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(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用材料為國產(chǎn)30Cr4MoNiV鋼帶材和進(jìn)口CDW鋼帶材，兩者規(guī)格均為43 mm(寬)×1.3 mm(厚)，化學(xué)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(jìn)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(jìn)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

從熱處理30Cr4MoNiV鋼帶材上切取硬度試樣、金相試樣和標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。參照GB/T 230.1—2009《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，采用200HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)測試30Cr4MoNiV鋼淬火、回火后的硬度。金相試樣經(jīng)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(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，采用DNS100電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測定30Cr4MoNiV鋼的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率，試驗(yàn)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(yàn)和鋸切試驗(yàn)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(yàn)在彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，鋸條長度為192 cm，氣壓為0.6～0.68 MPa，鋸切試驗(yàn)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(yàn)結(jié)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(zhuǎn)變成馬氏體組織，在這個(gè)過程中，合金元素會(huì)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(shí)也會(huì)導(dǎo)致Ms點(diǎn)降低，晶粒尺寸粗大，甚至?xí)霈F(xiàn)過熱、過燒的現(xiàn)象。圖1 為不同淬火溫度下30Cr4MoNiV鋼的顯微組織?？梢钥闯?，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(shí)長大較為明顯，該溫度下的馬氏體塊與1150 ℃和1190 ℃時(shí)相比，較為明晰并粗大。

圖1 30Cr4MoNiV鋼經(jīng)不同溫度淬火后的顯微組織

硬度可以在一定程度上驗(yàn)證組織的好與壞，表2為不同淬火溫度下30Cr4MoNiV鋼的硬度?？梢钥闯觯S著淬火溫度的升高，硬度先下降后上升，在1190 ℃時(shí)達(dá)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(quán)衡：合金元素固溶充分，硬度上升；晶粒長大，硬度下降。在1170 ℃時(shí)，晶粒長大明顯而此時(shí)合金元素固溶不足，1190 ℃時(shí)，晶粒尺寸較1170 ℃長大并不明顯，但合金元素固溶充分。根據(jù)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(jù)后續(xù)的回火工藝進(jìn)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(wěn)態(tài)的淬火組織轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)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(xù)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(shí)產(chǎn)生了粗大馬氏體，在回火的過程中發(fā)生了組織遺傳現(xiàn)象，盡管多次高溫回火可以消除這種遺傳，但在本試驗(yàn)中即使回火3次也沒有完全消除。30Cr4MoNiV鋼經(jīng)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(tài)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變。回火溫度在600 ℃以下時(shí)，α相發(fā)生回復(fù)，其中的位錯(cuò)胞和位錯(cuò)胞內(nèi)的位錯(cuò)線消失，位錯(cuò)密度降低，剩余的位錯(cuò)重排成二維位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，將鐵素體晶粒分割成許多亞晶粒，但此時(shí)的α相仍保持板條狀形態(tài)?；鼗饻囟仍?00 ℃以上時(shí)，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(zhuǎn)變?yōu)榈容S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(jīng)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(xué)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(shí)，淬火溫度為1150 ℃和1170 ℃的硬度變化不大，而淬火溫度為1190 ℃時(shí)的硬度有所提高，這是由于30Cr4MoNiV鋼中的強(qiáng)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(qiáng)度與塑性兩者不可兼具，強(qiáng)度高則塑性差，然而從圖3(b, c)發(fā)現(xiàn)：隨回火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度逐漸下降，而伸長率出現(xiàn)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(xiàn)象?？估瓘?qiáng)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(fù)和再結(jié)晶所導(dǎo)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(jié)果。強(qiáng)塑積可表征金屬強(qiáng)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(biāo)，圖3(d)為30Cr4MoNiV鋼在不同回火溫度下的強(qiáng)塑積，可見隨著回火溫度的升高，強(qiáng)塑積整體上呈下降的趨勢，而1190 ℃淬火后的強(qiáng)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(qiáng)硬度和保證組織不過熱的綜合性能指標(biāo)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(qiáng)度為1382 MPa，伸長率達(dá)到11.32%，強(qiáng)塑積為15.64 GPa·%。

圖3 30Cr4MoNiV鋼經(jīng)不同溫度淬火和回火后的力學(xué)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(yàn)和鋸切疲勞試驗(yàn)結(jié)果?？梢?，未經(jīng)熱處理的30Cr4MoNiV鋼成品鋸條的彎曲疲勞壽命僅為3745次，比未經(jīng)熱處理的CDW鋼(4671次)低了24.7%；經(jīng)最后熱處理后30Cr4MoNiV鋼的彎曲疲勞達(dá)到了5270次，較未熱處理時(shí)提高了40.7%，并與經(jīng)熱處理后CDW鋼的彎曲疲勞性能相當(dāng)。同時(shí)，經(jīng)最佳熱處理后的30Cr4MoNiV鋼帶鋸條單根鋸切刀數(shù)為54次，比CDW鋼的帶鋸條單根鋸切刀數(shù)高出25.6%?？梢姴捎脙?yōu)化熱處理工藝的30Cr4MoNiV鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，該鋼的帶鋸條產(chǎn)品性能已達(dá)到國外先進(jìn)水平。

圖4 30Cr4MoNiV鋼和CDW鋼成品的疲勞性能

3 結(jié)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(huì)引起淬火馬氏體組織粗大；在520～640 ℃范圍內(nèi)隨回火溫度的升高，30Cr4MoNiV鋼的組織由保持馬氏體位向狀態(tài)的回火屈氏體逐漸向回火索氏體轉(zhuǎn)變，且淬火溫度對后續(xù)的回火組織轉(zhuǎn)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(qiáng)度為1382 MPa，伸長率達(dá)到11.32%，強(qiáng)塑積為15.64 GPa·%，且彎曲疲勞性能較未熱處理時(shí)提高了40.7%，與進(jìn)口CDW鋼持平，而鋸切疲勞壽命比進(jìn)口CDW鋼高出25.6%。