高性能75Cr1鋸片材料熱處理及防銹工藝研究

吳齊 劉文俊

(三峽大學(xué) 材料與化工學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

金剛石鋸片是常用的石材切割工具之一,但基體材料必須滿足一定的硬度,才能完成正常的切割.基體材料的另一個特點(diǎn)是在使用中會產(chǎn)生振動,為了不發(fā)生疲勞斷裂[1-4],鋸片基體必須還具備一定的韌性,這就要求強(qiáng)韌性和塑韌性組合,熱處理工藝較嚴(yán)格.為了滿足以上所需性能,以75Cr1為材料制備鋸片基體,研究熱處理對其性能組織的影響,使其能滿足工業(yè)使用.鋸片基體熱處理一般用自由淬火+加壓回火方式,在加壓回火過程中,硬度和平面度相互矛盾,所以也要研究平面度和硬度的關(guān)系.另外,本文還分析比較了鋸片基體75Cr1所采取的防銹方法的性能.分別對采用噴漆處理、涂油處理、發(fā)黑處理3種措施的75Cr1材料進(jìn)行了鹽霧試驗(yàn),并通過XRD 分析,對比生銹面積、分析生銹成分、測量生銹質(zhì)量等來評價(jià)3種方法的效果,從而獲得更經(jīng)濟(jì)環(huán)保和高效的鋸片基體75Cr1材料的防銹工藝.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 材料熱處理實(shí)驗(yàn)

1)試樣的加工處理

試樣為75Cr1(厚度2 mm)的鋼材,切成200 mm×200 mm 大小的方形鋼板9 塊.其化學(xué)成分見表1.75Cr1鋼的相變臨界溫度Ac1和Ac3分別為730℃和773℃[5-6],因此在本文試驗(yàn)中的3個加熱溫度均可實(shí)現(xiàn)完全奧氏體化.

表1 75Cr1鋸片材料的化學(xué)成分

2)熱處理實(shí)驗(yàn)

熱處理工藝流程如圖1 所示.根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)溫度,選擇加熱到780、810、840℃并保溫20 min保證奧氏體化完全[2],然后油淬.淬火完成后再用車間的加壓回火爐進(jìn)行加壓回火實(shí)驗(yàn),回火溫度分別選擇390、430、470℃.加壓回火壓力保持在此種材料熱處理的標(biāo)準(zhǔn)壓力10 MPa,回火時(shí)間都為8 h[7],并隨爐冷卻.

圖1 試驗(yàn)鋼的熱處理工藝圖

3)性能分析

加壓回火完成后,對處理后的樣品用洛氏硬度計(jì)測量其硬度,再測量平面度.平面度的測量方法為:用平尺或者刀口尺貼近鋸片表面,在明亮處觀察尺與鋸片之間縫隙的寬窄,通過生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)判斷不平整性即絲數(shù);然后按圖要求切成拉伸試樣,分別測量各種熱處理工藝后材料的力學(xué)性能,包括抗拉強(qiáng)度,屈服強(qiáng)度和斷后伸長率;最后在試樣上切出15 mm×5 mm 的金屬金相組織試樣,拋光后用4%硝酸乙醇溶液進(jìn)行侵蝕,再用金相顯微鏡觀察金相組織,并選擇一部分樣品做掃描電鏡.

1.2 材料防銹實(shí)驗(yàn)

1)試樣的加工處理

試樣為75Cr1(厚度2 mm)的鋸片材料,取大小為30 cm×30 cm 的一塊鋼板,先進(jìn)行粗磨再精磨,然后用激光切割成6 cm×6 cm 大小的小塊試樣共12塊,分成4組來做對照實(shí)驗(yàn).每組3塊,分別無處理、噴漆處理[8]、涂防銹油處理[9]、表面黑化[10]后涂防銹油處理,在處理前后分別稱重.

2)鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)

把4個對照組同時(shí)放在鹽霧試驗(yàn)箱進(jìn)行鹽霧加速腐蝕實(shí)驗(yàn),分別在0.5、1、2、4、8、24、48、72 h拍照并記錄腐蝕的過程及腐蝕的表面積,并保證均勻腐蝕.

3)實(shí)驗(yàn)分析

鹽霧實(shí)驗(yàn)之后拿出鐵塊,分別測量腐蝕的氧化層厚度,用XRD 分析氧化層化學(xué)成分、去除生銹層后稱重,計(jì)算質(zhì)量減少的比例.用PS軟件處理腐蝕照片,計(jì)算生銹面積的比例,研究和分析各種防銹方法的特點(diǎn),得出最佳防銹蝕方法.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同熱處理?xiàng)l件下的組織形態(tài)和力學(xué)性能

1)鋸片平面度的變化規(guī)律

從表2中的數(shù)據(jù)可知,熱處理工藝中,隨著加壓回火溫度的升高,平面度越來越好.平面度是鋸片材料存在內(nèi)應(yīng)力的表現(xiàn),隨著回火溫度升高,材料的內(nèi)應(yīng)力不斷消除,從而表現(xiàn)出更好的平面度.

表2 熱處理溫度對平面度影響 (單位:絲)

2)材料的力學(xué)性能

不同熱處理?xiàng)l件下材料的力學(xué)性能如圖2所示.觀察數(shù)據(jù)可知,熱處理工藝中,隨著淬火溫度的升高,硬度也適當(dāng)升高;相反,隨著加壓回火溫度的升高,硬度出現(xiàn)下降.在淬火時(shí),一定溫度范圍內(nèi)淬火溫度越高,試樣硬度也越高.

圖2 不同熱處理?xiàng)l件下材料的力學(xué)性能

通過組織分析可知,淬火試樣中,存在白色非回火馬氏體,這種組織將會降低材料的硬度和耐磨性,而隨著淬火溫度升高,這種組織也在減少.隨著回火溫度升高而降低,一是因?yàn)榛鼗鹗箖?nèi)應(yīng)力降低而硬度降低,二是碳化物固溶強(qiáng)化減少析出強(qiáng)化增多.材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度隨回火溫度的升高而降低,斷后伸長率逐漸增加,是因?yàn)榛鼗疬^程其實(shí)是馬氏體分解過程,馬氏體的過飽和固溶碳脫溶再形成碳化物,隨著回火溫度提高,馬氏體分解也越充分.隨碳溶解,碳的固溶強(qiáng)化作用不斷減弱,所以拉伸性能也減弱.隨著碳化物長大和球化,分布更不均勻,降低鋼的應(yīng)力集中程度,使材料的塑韌性隨回火溫度升高而提高.

3)材料的金相組織

圖3為不同溫度回火后的金相組織.淬火得到的組織均是典型針狀馬氏體+少量殘留奧氏體,而回火后的均為回火馬氏體組織.

圖3 淬火后不同回火溫度下樣品的金相組織

780～840℃淬火,針狀馬氏體非常細(xì)小,隨著淬火溫度升高,析出的碳化物特別是小顆粒碳化物的數(shù)量明顯增加[11].隨溫度的升高,硬度略升高,但變化不大.回火后試樣鋼為回火馬氏體組織,可見板條結(jié)構(gòu),因?yàn)闇囟容^低回復(fù)并不完全.基體存在很多針狀或條狀碳化物.回火時(shí),馬氏體中過飽和碳原子有一定擴(kuò)散能力,其中位錯可作為擴(kuò)散通道,易形成富碳中心,促進(jìn)附近碳原子聚集.隨著回火溫度提高,碳化物不斷長大和增多.由此可看出,隨回火溫度的增加,性能變化符合回火一般規(guī)律[12-13].

4)部分材料熱處理后的掃描電鏡

圖4為試樣鋼在780℃淬火后經(jīng)不同溫度回火的SEM 顯微組織圖像.由此可知,回火后的試驗(yàn)鋼組織為回火馬氏體且有著不同的取向,從形態(tài)上可以看出回火組織依然保留著針狀馬氏體的形態(tài)特征.其中白色部分為回火析出的條狀碳化物,較為細(xì)小并彌散分布在基體上,且隨著回火溫度升高,碳化物析出逐漸增多.碳化物通常作為基體的重要組成相,其形態(tài)、大小及分布對材料的塑韌性及耐磨性等均會產(chǎn)生顯著的影響.其他溫度淬火后回火的組織與之非常相似,限于篇幅,此處沒有給出.

圖4 淬火后不同回火溫度的樣品掃描電鏡顯微組織

2.2 各種防銹方法應(yīng)用效果的對比

先通過拍照和圖片軟件Photoshop得出材料樣品表面形成銹蝕層面積,再用Origin軟件作圖.通過圖5的數(shù)據(jù),由4組試樣形成的生銹層覆蓋面積看出噴漆的防銹效果要好于未做處理的75Cr1鋸片試樣,但在實(shí)驗(yàn)后期,經(jīng)過噴漆處理的75Cr1的試樣也形成大面積的銹蝕層.而先做發(fā)黑處理再涂抹防護(hù)油的試樣比僅涂抹防銹油的試樣的防銹性能更強(qiáng),實(shí)驗(yàn)結(jié)束也沒有形成較明顯的銹蝕層.而且僅涂抹防銹油的試樣在結(jié)束時(shí)還是有了小部分腐蝕,而經(jīng)過表面發(fā)黑處理并涂抹防銹油的試樣并未產(chǎn)生任何銹蝕組織.因此,通過觀察腐蝕層在試樣表面覆蓋的面積比較來看,經(jīng)過表面發(fā)黑處理并涂抹防銹油的防腐蝕措施是效果最好的.

圖5 不同防銹方法下試樣腐蝕面積變化

1)銹層開始形成時(shí)間

實(shí)驗(yàn)過程中形成銹層的時(shí)間如圖5所示.在實(shí)驗(yàn)開始0.5 h時(shí),未處理的試樣已經(jīng)銹蝕.而經(jīng)過噴漆處理的試樣在經(jīng)過5 h后,才開始發(fā)生銹蝕,在12 h產(chǎn)生大面積銹層.僅涂油的試樣在實(shí)驗(yàn)開始后的154 h后才產(chǎn)生了小部分的銹蝕,但表面發(fā)黑處理并涂油的試樣一直未銹蝕.

2)銹蝕層質(zhì)量

銹蝕層變化對比見表3.此種對比方法下,防銹漆層與銹蝕層粘合較難區(qū)分,不含噴漆處理的腐蝕措施.經(jīng)過測量和計(jì)算可知,未處理試樣的銹蝕層測得平均質(zhì)量為1.103 g,僅涂防銹油的試樣產(chǎn)生的銹蝕物質(zhì)質(zhì)量只有0.01 g,而經(jīng)過發(fā)黑處理并涂抹防銹油的試樣未產(chǎn)生任何銹蝕.因此在這4種防銹措施中表面發(fā)黑處理并涂抹防銹油是效果最好的.

表3 各種防銹方法效果對比

3)銹蝕層厚度

未處理的試樣經(jīng)過鹽霧試驗(yàn)之后銹蝕層厚約為0.36 mm,僅涂防銹油的試樣未形成完整銹層,形成銹層的部分厚度只為0.01 mm,而表面發(fā)黑并涂防銹油的試樣未形成銹層.因此仍然是表面發(fā)黑處理并涂抹防銹油的試樣防腐蝕效果最好.

從以上的試驗(yàn)對比可以看出:噴漆應(yīng)用在鋸片上效果并不是很理想;涂油能在鋸片表面形成一層有效的防銹油膜,有一定的防銹效果,但這種方法沒有先表面發(fā)黑處理再涂油的方法效果好.所以實(shí)驗(yàn)中效果最好的防銹方法為先發(fā)黑處理再涂防銹油.

金屬腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕,是金屬材料在腐蝕介質(zhì)中形成原電池并發(fā)生電極反應(yīng),陽極金屬失去電子而被氧化的過程.因此使金屬與腐蝕介質(zhì)分離可以起到保護(hù)作用.噴漆形成的膜阻止水汽與金屬表面接觸,然而此類保護(hù)膜有一定的滲透性,噴涂的涂層并不能起到完全遮蔽效果.防銹油則是在金屬表面形成致密油膜阻止腐蝕介質(zhì)透過,但此類油膜與基體結(jié)合強(qiáng)度不高易受到煙霧沖刷而脫附,另外弱酸性條件下防銹油也會失去保護(hù)效果[14-16].而表面發(fā)黑處理利用化學(xué)反應(yīng),在金屬外表形成一個極薄的鈍化保護(hù)層,使腐蝕介質(zhì)與金屬隔離,從而起到防腐目的.此類保護(hù)膜是置換而得到的CuSe轉(zhuǎn)化膜,因此結(jié)合力較高,再次覆蓋一層防銹油后防腐蝕效果更好,可在弱酸及鹽霧腐蝕條件下長時(shí)間保護(hù)金屬基體不被腐蝕.

鹽霧實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將4種試樣表面產(chǎn)生的銹層用小刀刮下研磨,采用XRD 技術(shù)分析了銹層的化學(xué)成分,結(jié)果如圖6所示.通過信噪比可知,XRD 圖片非常精確,其中1為未做任何措施的試樣,2 為經(jīng)過噴漆處理的試樣,3為僅涂抹防銹油的試樣.由于經(jīng)過表面發(fā)黑處理并涂抹防銹油的75Cr1試樣基本沒有產(chǎn)生銹蝕,從圖中可知,對比3種銹層的衍射圖譜,可以發(fā)現(xiàn)三者的衍射峰尖銳且明顯,說明3種銹層結(jié)晶性好,試樣表面共有3 種物質(zhì),分別為C、Cr-O 和Fe2O3,由于該試樣原料為75Cr1 材料,所以可以得到該試樣形成的銹層的化學(xué)成分是Fe2O3與Cr-O.

圖6 各組樣品鐵銹成分分析

3 結(jié)論

1)通過改變材料加工中的熱處理參數(shù)可以改變金屬材料的綜合力學(xué)性能和加工性能.其中,改變淬火和回火溫度可以調(diào)整材料的強(qiáng)韌性,從而應(yīng)用于對力學(xué)性能要求不同的各種需求.對于硬度和耐磨性要求較高的產(chǎn)品,可以用高淬火溫度和低回火溫度來提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和硬度;相反,如果要應(yīng)用于對韌性要求較高或抗沖擊的產(chǎn)品,可以在適當(dāng)范圍內(nèi)降低淬火溫度和提高回火溫度來提高產(chǎn)品韌性.

2)熱處理工藝中,隨著加壓回火溫度的升高,平面度越來越好.平面度是鋸片材料存在的內(nèi)應(yīng)力的表現(xiàn),隨著回火溫度升高,材料的內(nèi)應(yīng)力不斷消除,從而表現(xiàn)出更好的平面度.所以生產(chǎn)中在保證硬度的條件下可以通過適當(dāng)提高回火溫度來達(dá)到更好的平面度.

3)金剛石鋸片在不做防銹處理的情況下,在鹽霧環(huán)境中使用,是很容易生銹的,從而影響產(chǎn)品正常使用.通過對4組不同防銹方法的研究,結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本以及環(huán)保考慮,先發(fā)黑處理再涂防銹油的處理對于75Cr1鋸片材料來說,是最有效的防銹措施.