硼對刃具鋼組織與性能的影響

楊　玉，高　磊，王　華，郭曉宏，劉鳳蓮，王英海

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硼對刃具鋼組織與性能的影響

楊玉，高磊，王華，郭曉宏，劉鳳蓮，王英海

（鞍鋼股份有限公司，遼寧鞍山114009）

摘要：為研制開發(fā)適合水淬的新型刃具鋼，采用顯微組織觀察、力學(xué)性能測試、熱處理試驗(yàn)和磨粒磨損試驗(yàn)等技術(shù)手段，對比研究了含硼中碳鋼與不含硼的65Mn鋼熱軋后與熱處理后的顯微組織和應(yīng)用性能.結(jié)果表明：熱軋態(tài)中碳含硼鋼中存在較多鐵素體相，強(qiáng)硬性更低，韌塑性更好；中碳含硼鋼水淬回火后組織為回火馬氏體，硬度可達(dá)50 HRC以上，高于油淬回火的65Mn鋼，韌塑性和耐磨性也明顯好于65Mn鋼.中碳含硼鋼完全適合水淬工藝，減少了工業(yè)污染，符合環(huán)保要求.

關(guān)鍵詞：中碳含硼鋼；回火馬氏體；耐磨性；硬度；鐵素體相；水淬；油淬

目前，我國刃具行業(yè)普遍采用65Mn等高碳鋼油淬+高溫回火的生產(chǎn)工藝，成品性能可以滿足使用要求，但產(chǎn)生的油煙嚴(yán)重污染空氣，不符合環(huán)保要求.隨著我國環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，油淬的熱處理工藝將逐漸被水淬所代替，刃具行業(yè)也正在積極進(jìn)行淬火工藝的改革.而65Mn等高碳錳鋼由于碳含量較高，脆性大、塑韌性差，水淬易開裂，只適于油淬，不適合水淬［1-2］.為支持我國環(huán)保體制改革，適應(yīng)綠色熱處理的理念要求，急待研制開發(fā)一種適合水淬工藝的新型中碳刃具鋼.

要使中碳鋼熱處理后達(dá)到高碳鋼熱處理后的硬度，必須在鋼中加入提高淬硬性的合金元素.硼元素有明顯提高鋼的淬透性和淬硬性的作用［3］.1921年人們第1次發(fā)現(xiàn)了硼在鋼中的淬透性效果，并于1935年開始應(yīng)用在鋼鐵材料中.但由于硼是活性元素，難以控制，對鋼的性能影響波動大，20世紀(jì)60年代到70年代，硼在鋼中的應(yīng)用處于停滯狀態(tài).直到1982年，美國研究人

隨著對硼元素研究的深入，近幾年來，硼合金已開始在國外鋼鐵行業(yè)中大量應(yīng)用.芬蘭羅奇鋼鐵公司開發(fā)的淬火硼鋼具有很強(qiáng)的耐磨性，可有效延長刃具等機(jī)械零件的使用壽命，歐洲和美國已開始用中碳含硼鋼加工制造各種機(jī)械零件和刃具［3］.為盡快研制出適合水淬的新型刃具鋼，滿足用戶使用需求，本文對中碳含硼鋼和65Mn刃具鋼的組織和性能進(jìn)行了較詳細(xì)的研究分析.

1　試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

硼是明顯提高淬透性和淬硬性的元素.硼提高淬硬性能力極強(qiáng)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.001%～0.003%的B的作用可相當(dāng)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%Mn、0.7%Cr、0.5%Mo和1.5%Ni，故鋼中只需加入極少量的B即可達(dá)到提高淬硬性作用［5-7］.本試驗(yàn)采用的鋼板為6 mm厚的含硼碳錳鋼和目前刃具行業(yè)普遍使用的65Mn鋼.含硼鋼板主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如下:0.36%C，0.21%Si，1.0%Mn，0.0022% B；65Mn鋼板的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如下: 0.66%C，0.25%Si，1.05%Mn.含硼鋼采用中碳的成分設(shè)計(jì)，以改善原有高碳鋼板熱軋態(tài)的韌塑性，提高成型性，適應(yīng)水淬的生產(chǎn)工藝.

1.2 熱軋板力學(xué)性能檢測

按GB/T 2975在上述含硼鋼板與65Mn鋼板寬度1/4處取橫向拉伸試樣2個(gè)、10 mm×5 mm× 55 mm的非標(biāo)準(zhǔn)KV2縱向沖擊試樣3個(gè)及表面硬度試樣 1個(gè)（檢測三點(diǎn)硬度值），分別按GB/T 228、GB/T 229、GB/T 230.1檢測各項(xiàng)力學(xué)性能，取各項(xiàng)檢測結(jié)果平均值，評價(jià)各項(xiàng)力學(xué)性能［8-10］.

1.3 熱處理試驗(yàn)

在6 mm厚中碳含硼鋼板和65Mn鋼板板寬1/4處分別取350 mm×200 mm試樣9塊，利用箱式電阻爐加熱，進(jìn)行淬火和回火處理.加熱溫度850～920℃，回火溫度200～400℃，含硼鋼采用水淬工藝，65Mn鋼采用油淬工藝.在每個(gè)熱處理試樣上取拉伸試樣2個(gè)、10 mm×5 mm×55 mm非標(biāo)準(zhǔn)KV2沖擊試樣3個(gè)、硬度3點(diǎn)，取檢測結(jié)果平均值作為各項(xiàng)力學(xué)性能評價(jià)值.再分別選用含硼鋼和65Mn鋼強(qiáng)硬性和韌塑性匹配最佳的熱處理制度下的力學(xué)性能作為各自的熱處理性能，進(jìn)行對比分析［11-13］.

1.4 鋼板顯微組織觀察

在中碳含硼鋼和65Mn鋼2種熱軋態(tài)鋼板的板寬1/4處分別取10 mm×10 mm×5 mm金相試樣各1塊.在熱處理后含硼鋼和65Mn鋼強(qiáng)硬性和韌塑性匹配最佳的鋼板上取 10 mm×10 mm× 5 mm金相試樣各1塊.上述所取金相試樣磨制、拋光橫斷面，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精侵蝕，在DMI5000M光學(xué)顯微鏡下觀察鋼板橫斷面的顯微組織形貌［14-15］.

1.5 磨損試驗(yàn)

分別按上述1.3小節(jié)中選定的具有最佳熱處理性能的熱處理制度對含硼鋼板試樣與65Mn鋼板試樣進(jìn)行熱處理，在熱處理后的2種鋼板試樣上分別取圖1所示的磨擦磨損試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)試樣.

圖1　磨損試驗(yàn)試樣尺寸及要求示意圖

在室溫大氣中，空氣濕度55%的環(huán)境下，按GB/T 12444—2006金屬材料磨損試驗(yàn)方法在MM-W1A立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行銷環(huán)滑動磨損試驗(yàn)，磨擦副為GCr15硬質(zhì)合金.試驗(yàn)載荷為40 N，磨銷轉(zhuǎn)速分別為100、200、300 r/min，即滑動速度分別為151、302、453 m/s.每個(gè)試樣磨損時(shí)間為10 min，根據(jù)磨損量計(jì)算每個(gè)試樣在每種轉(zhuǎn)速下的磨損速率，在激光共聚焦上觀察每個(gè)試樣的磨損表面形貌，分析其磨損性能［16-18］.

2　結(jié)果及討論

2.1 刃具鋼熱軋板顯微組織

圖2為中碳含硼鋼和65Mn鋼2種試樣的橫斷面顯微組織形貌.由圖2可見:中碳含硼鋼板熱軋態(tài)顯微組織為珠光體和鐵素體，65Mn熱軋鋼板組織以珠光體為主，存在極少量鐵素體網(wǎng)；含硼鋼碳含量低于65Mn，鐵素體含量較多，確保了該熱軋態(tài)鋼板具有較好的成型性.

圖2　熱軋板試樣橫斷面顯微組織形貌

2.2 刃具鋼熱軋板力學(xué)性能

圖3為中碳含硼鋼和65Mn鋼的熱軋態(tài)性能對比結(jié)果.由圖3可見，中碳含硼鋼熱軋板強(qiáng)度較65Mn鋼低270 MPa，硬性較65Mn鋼低6 HRB，延伸率較65Mn鋼高7%，沖擊功較65Mn鋼高19 J.可見，中碳含硼鋼強(qiáng)硬度低，但韌塑性明顯好于65Mn.因此，中碳含硼鋼熱軋態(tài)沖壓加工性能明顯好于65Mn等高碳刃具鋼.

圖3　熱軋態(tài)鋼板力學(xué)性能

2.3 熱處理性能

圖4為含硼中碳鋼和65Mn 2種鋼板在加熱溫度850～920℃、回火溫度200～400℃熱處理后各自的最佳力學(xué)性能結(jié)果.由圖4可見，選擇合適的調(diào)質(zhì)處理制度后，中碳含硼鋼板水淬回火后硬度可達(dá)52 HRC，高于65Mn油淬回火硬度，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊功也均高于65Mn油淬回火鋼板，特別是沖擊韌性明顯好于65Mn調(diào)質(zhì)處理后鋼板，達(dá)21%.

圖4　熱處理性能

2.4 熱處理組織形貌

圖5為2.3小節(jié)含硼中碳錳鋼和65Mn在加熱溫度850～920℃、回火溫度200～400℃熱處理后具有最佳力學(xué)性能鋼板的顯微組織形貌.由圖5可見；淬火后含硼鋼為全部馬氏體，65Mn鋼中則存在少量索氏體組織；中碳含硼鋼回火后組織為回火馬氏體，65Mn鋼回火后組織為回火屈氏體.

2.5 耐磨性

圖6為熱處理后硬度為51 HRC的含硼鋼和熱處理后硬度為46 HRC的65Mn鋼2種材料的磨損率和磨損表面粗糙度測試結(jié)果.圖7為不同轉(zhuǎn)速下含硼鋼和65Mn試樣磨損表面形貌激光共聚焦觀察照片.由圖6和圖7可見，在載荷40 N，磨銷轉(zhuǎn)速為100、200、300 r/min情況下，1#含硼中碳鋼樣品的磨損速率和磨損表面的粗糙度均低于2#65Mn鋼樣品，1#樣品的磨損程度明顯低于2#樣品.可見，中碳含硼鋼比65Mn具有更好的磨損抗力，耐磨損性能更好.

圖5　熱處理后顯微組織形貌對比

圖6　耐磨性對比（1#—硼鋼；2#—65Mn）

圖7　不同轉(zhuǎn)速下試樣磨損表面形貌（1#—硼鋼；2#—65Mn）

3　討 論

3.1 硼元素對刃具鋼組織與性能的影響

由試驗(yàn)結(jié)果可見，與65Mn刃具鋼相比，熱軋態(tài)中碳含硼鋼的屈服強(qiáng)度較65Mn鋼低112 MPa，抗拉強(qiáng)度較65Mn鋼低270 MPa，硬度低4 HRB，而延伸率高7%，沖擊韌性高19 J.可見，熱軋態(tài)中碳含硼鋼板冷成型性更佳.這主要是因?yàn)椋刑己痄摰奶己肯鄬^低，熱軋態(tài)鋼板顯微組織中鐵素體相所占比例較大，因此強(qiáng)度和硬度相對較低，韌塑性更好，冷成型性更優(yōu)異.

中碳含硼鋼水淬回火后屈服強(qiáng)度1 460 MPa，抗拉強(qiáng)度1 785 MPa，硬度達(dá)52.5 HRC，延伸率達(dá)10%，沖擊功達(dá)21 J.而普通刃具鋼65Mn水淬易開裂，只能采用油淬工藝，油淬回火后屈服強(qiáng)度1 034 MPa，抗拉強(qiáng)度1 150 N/mm2，硬度46.5 HRC，且延伸率和沖擊韌性很低，延伸率僅為1.5%，沖擊功僅為3 J.可見，含硼中碳鋼不僅適合水淬的熱處理工藝，且熱處理后綜合性能更好.耐磨性試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，在載荷和磨銷轉(zhuǎn)速相同的情況下，含硼中碳鋼的磨損速率和磨損表面的粗糙度均低于65Mn鋼，比65Mn具有更好的磨損抗力，耐磨損性能更好.

中碳含硼鋼熱處理后耐磨性更好，這主要與其熱處理后硬度較高有關(guān).由于碳含量較低，中碳含硼鋼在較低溫度回火時(shí)即可滿足韌塑性要求.中碳含硼鋼水淬后得到的細(xì)小均勻的馬氏體組織在200℃以下低溫回火時(shí)分解為α相和ε-碳化物，得到回火馬氏體組織.由于碳擴(kuò)散較慢，α相中碳含量仍較高，因此回火后鋼板硬度仍較高.為了得到足夠的韌塑性，65Mn鋼則必須采用350℃以上較高溫度回火，高溫回火后馬氏體分解形成碳含量較低的針狀α相和更穩(wěn)定的θ-碳化物（滲碳體），得到回火屈氏體組織，硬度大幅降低.因此，與普通65Mn刃具鋼相比，中碳含硼鋼熱處理后硬度更高，耐磨性等綜合使用性能也更佳.

3.2 硼元素對鋼淬透性影響的探討

圖8為含硼中碳鋼和不含硼鋼的靜態(tài)CCT曲線.由圖8可見:中碳鋼中加入少量硼后，其CCT曲線右移，得到全馬氏體組織的臨界冷速為10℃/S；而不含硼鋼冷速為100℃/S時(shí)仍存在鐵素體、珠光體和貝氏體組織.可見，鋼中加入微量硼，熱處理時(shí)就極易獲得全部馬氏體組織，含硼鋼的淬透性明顯提高.本文2.4小節(jié)試驗(yàn)中，淬火后中碳含硼鋼得到全部馬氏體組織，而65Mn鋼中雖然以馬氏體為主，但仍存在少量索氏體，這一方面與65Mn采用油淬冷速較慢有關(guān)，另一方面也說明中碳含硼鋼較65Mn鋼更易獲得全馬氏體組織.

圖8　靜態(tài)CCT曲線

硼是活性元素，鋼中加入微量硼后，硼原子偏聚吸附在晶界，降低了晶界能，使先析鐵素體不易形核，延長了奧氏體分解的孕育期，抑制并推遲了先析鐵素體及貝氏體形核轉(zhuǎn)變，因此，在較低冷速下即易生成馬氏體組織，提高了鋼的淬透性，從而可以獲得較高的淬硬性.

4　結(jié) 論

1）本文研制開發(fā)的中碳含硼鋼完全適合水淬的熱處理工藝，中碳鋼中加入微量的硼，水淬并回火處理后硬度可達(dá)50 RHC以上，高于傳統(tǒng)65Mn刃具鋼熱處理后的硬度，且韌塑性和耐磨性也明顯好于65Mn鋼.

2）與65Mn等傳統(tǒng)高碳刃具鋼相比，中碳含硼鋼碳含量相對較低，熱軋態(tài)鋼板存在先析鐵素體相，強(qiáng)硬性更低，韌塑性更好，沖壓成型性優(yōu)異，更適合加工制造各類形狀復(fù)雜的機(jī)械配件.

3）目前，硼元素已在歐洲、美國等發(fā)達(dá)國家的鋼鐵行業(yè)廣泛應(yīng)用，但由于熱處理技術(shù)的制約，我國含硼鋼還未大量應(yīng)用.隨著我國環(huán)保意識的增強(qiáng)，用水淬代替油淬是未來熱處理業(yè)的發(fā)展趨勢，用水淬的中碳含硼鋼代替油淬的65Mn等高碳鋼，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的升級換代是刃具行業(yè)的發(fā)展方向.因此，本文研制開發(fā)的中碳含硼鋼在刃具行業(yè)具有較好的發(fā)展前景.

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（編輯 程利冬）

中圖分類號：TG142

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1005-0299（2016）02-0080-06

doi:10.11951/j.issn.1005-0299.20160211

收稿日期：2015-06-03.

作者簡介：楊 玉（1977—），女，高級工程師，碩士.

通信作者：王英海，E-mail:yinghai_wang@aliyun.com.員指出，在碳錳鋼中加入極少量的硼，鋼的熱處理和冷墩特性優(yōu)于合金鋼，法國、日本等世界多國的鋼鐵研究者也再次相繼開展了硼在鋼中應(yīng)用的研究.我國富產(chǎn)硼，硼的總貯量占世界第5，但對硼鋼的研究起步較晚，20世紀(jì)80年代才開始硼鋼的研究工作，賀信萊等［4］對硼在鋼中的作用有較多的研究.

Effects of boron on microstucture and properties of cutting tool steel

YANG Yu，GAO Lei，WANG Hua，GUO Xiaohong，LIU Fenglian，WANG Yinghai

（Angang Steel Company Limited，Anshan 114009，China）

Abstract:In order to develop a new cutting tool steel suitable for water quenching process，microstructure and properties of the hot rolled and heat treated medium carbon boron steel and 65Mn steel were studied through the observation of microstructure and the characterization of mechanical and wear properties.The results show that ferrite phase exists in the hot rolled medium carbon boron steel，leading to lower strength and hardness and higher ductility and plasticity.The microstructure of the water-quenched and tempered medium carbon boron steel is tempered martensite.The hardness can reach more than 50 HRC，which is higher than that of the oil quenched and tempered 65Mn steel.The ductility，plasticity and wear resistance of the heat treated medium carbon boron steel are better than those of the 65Mn steel，too.It can be concluded that the medium carbon boron steel perfectly suited to water quenching process which is favorable to environmental protection.

Keywords:medium carbon boron steel；tempered martensite；wear-resisting property；hardness；ferrite phase；water quenched；oil quenched