熱處理工藝對雙金屬帶鋸條背材用鋼RM80組織和性能的影響①

陳 剛， 孫瑜蔓， 蘇 斌， 曾 斌， 齊江華

（1.湖南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410012； 2.湖南華菱漣源鋼鐵有限公司技術中心，湖南 婁底 417009）

雙金屬帶鋸條是指齒尖和背材選用兩種不同的金屬材料，利用焊接制成復合鋼帶，再將其中一側進行齒形加工制成的鋸條產(chǎn)品[1］。 雙金屬帶鋸條具有切割效率高、尺寸精確、使用壽命長等明顯優(yōu)勢，所以逐漸成為鋸切行業(yè)的主流工具[2］。

全球有多個國家在爭相開發(fā)雙金屬帶鋸條背部用鋼，目前市面上性能最好的雙金屬帶鋸條背部材料當屬RM80 鋼。 RM80 鋼作為背部材料可以大大提高帶鋸條的使用壽命[3］。 目前國內已有學者對RM80 鋼抗疲勞性能和焊接性能進行了研究[4-5］，但關于熱處理條件對RM80 鋼組織和性能影響方面的研究較少。 本文以雙金屬帶鋸條背部材料用鋼RM80 為研究對象，在一定溫度范圍內開展淬火和回火實驗，探究不同熱處理工藝下RM80 鋼微觀組織和力學性能的演變規(guī)律，為雙金屬帶鋸條熱處理工藝的制定提供參考。

1 實驗方法及材料

實驗用材料為RM80 鋼帶，其化學成分見表1。首先采用箱式電阻爐將RM80 鋼分別加熱到1000 ℃、1100 ℃、1150 ℃、1200 ℃、1250 ℃、1300 ℃，保溫時間2 min，隨后采用油冷方式淬火；再分別回火至550 ℃、600 ℃、650 ℃，保溫時間1 h，空冷至室溫。

表1 RM80 鋼化學成分（質量分數(shù)）%

利用線切割將熱處理試樣加工成標準拉伸試樣，使用電子萬能試驗機（DNS100）進行拉伸實驗。 使用數(shù)顯洛氏硬度計（200HRS-150）測定不同淬火和回火溫度下熱處理試樣的硬度值（HRA）。 采用4%硝酸酒精對熱處理試樣進行腐蝕，利用掃描電子顯微鏡（SEM，F(xiàn)EI QUANTA 200）觀察分析其組織形貌，并使用能譜儀（EDS）分析不同熱處理條件下碳化物的合金元素含量。 利用X 射線衍射儀（Miniflex 600）分析淬火試樣物相。

2 實驗結果分析

2.1 淬火溫度對組織和性能的影響

圖1為不同溫度淬火后RM80 鋼的XRD 圖譜。由圖1 可知，不同溫度淬火后RM80 鋼組成相中只有α-Fe 衍射峰，沒有觀察到γ-Fe 的衍射峰，可能是淬火后組織中殘余奧氏體體積分數(shù)小于XRD 的最低檢測值[6］。

圖1 不同溫度淬火后RM80 鋼XRD 圖譜

圖2 為不同淬火溫度下RM80 鋼的顯微組織。 由圖2 可見，RM80 組織為板條馬氏體，隨著淬火溫度升高，碳化物溶解量逐漸增加，原奧氏體晶粒不斷長大。其中，淬火溫度1000 ～1150 ℃時，大量碳化物并未完全溶解，組織不均勻；淬火溫度升高至1200 ℃以上時，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的碳化物顆粒，原奧氏體晶粒迅速長大，晶粒尺寸由16 μm 增至50 μm，同時組織中未出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。 板條馬氏體組織是淬火后在原奧氏體晶粒內形成的，所以隨著原奧氏體晶粒長大，板條束也發(fā)生明顯粗化。

圖2 不同淬火溫度下RM80 鋼顯微組織

不同淬火溫度下組織的差異會造成材料力學性能的不同。 圖3 為不同淬火溫度下RM80 鋼的硬度值。1000 ～1200 ℃范圍內，隨著淬火溫度升高，硬度從73.0HRA 增至80.0HRA；之后繼續(xù)提高淬火溫度，硬度上升速度下降。 合金硬度主要受合金元素溶解引起的固溶強化和晶粒長大兩個因素的影響，隨著淬火溫度升高，合金元素在奧氏體中的溶解量不斷增加，因而固溶強化作用在加強；之后隨著淬火溫度進一步升高，奧氏體晶粒迅速長大，抵消了部分固溶強化效果，導致硬度上升速度減慢。

圖3 不同淬火溫度下RM80 鋼硬度值

2.2 回火溫度對組織和性能的影響

圖4 為不同溫度淬火、回火后RM80 鋼的顯微組織。 從圖4 可以看出，淬火溫度低于1150 ℃時，回火組織中存在淬火后未充分溶解的碳化物以及回火過程中析出的細小碳化物，并且隨著回火溫度升高，碳化物顆粒不斷聚集和球化，組織由回火屈氏體轉變?yōu)榛鼗鹚魇象w；回火溫度達到650 ℃時，由于回火溫度較高，部分碳化物出現(xiàn)回溶，碳化物數(shù)量減少，剩余的碳化物已經(jīng)基本完成粗化并且分布更加彌散。 圖5 為不同熱處理條件下RM80 鋼的EDS 圖譜。 結合圖5 可知，未溶解碳化物和析出碳化物的合金元素主要為Cr 和Mo。 在1200 ℃及以上溫度下淬火后在550 ～600 ℃回火時，合金組織中仍能看到馬氏體，這是因為較高的淬火溫度使馬氏體板條明顯粗化，并且RM80 鋼中存在的Mo、Cr、V 等碳化物形成元素能減緩和推遲馬氏體的分解過程，使馬氏體形態(tài)保持到更高的回火溫度[7］；當回火溫度繼續(xù)升高到650 ℃時，板條狀馬氏體逐漸消失，鐵素體發(fā)生回復和再結晶，形成等軸晶。

圖4 不同溫度淬火和回火后RM80 鋼顯微組織

圖5 不同熱處理條件下RM80 鋼EDS 能譜

2.3 回火溫度對RM80 鋼力學性能的影響

圖6 為不同熱處理條件下RM80 鋼的力學性能。由圖6 可知，RM80 鋼的硬度值總體上隨回火溫度升高而逐漸降低，在550 ～600 ℃回火時硬度值下降速度比600 ～650 ℃時更快，這是因為RM80 鋼中存在Cr、Mo 等碳化物形成元素，它們與碳的親和力大，可以減緩碳的擴散，故高溫回火過程中組織分解和轉變速度減慢，組織穩(wěn)定性提高。 1000 ℃和1150 ℃淬火、550 ℃回火后RM80 鋼的抗拉強度可超過1500 MPa，屈服強度和抗拉強度整體上隨著回火溫度升高呈現(xiàn)下降的趨勢。 這是由于隨著回火溫度上升，馬氏體中過飽和的碳和合金元素以碳化物形式析出，α 固溶體轉變?yōu)殍F素體，回復和再結晶導致位錯密度不斷降低，固溶強化作用也逐漸消失，析出的碳化物對RM80 鋼起著第二相強化作用[8-9］；但第二相強化的作用不足以彌補固溶強化和位錯強化作用的減弱，最終致使RM80 鋼強度不斷降低。 延伸率總體上呈現(xiàn)先隨著回火溫度升高而下降、再平穩(wěn)回升的趨勢，其中1000 ℃淬火＋550 ℃回火和1150 ℃淬火＋550 ℃回火后RM80 鋼塑性較好，延伸率分別達11.8%和12.0%。

圖6 不同熱處理條件下RM80 鋼力學性能

綜上所述，雙金屬帶鋸條背部材料用鋼RM80 在“高淬三回”的熱處理工藝下，適宜的熱處理工藝可取1150 ℃淬火后550 ℃回火3 次，保溫時間1 h，該工藝下屈服強度1244 MPa、抗拉強度1590 MPa、延伸率12.0%。

3 結論

1） 隨淬火溫度升高，RM80 鋼中碳化物逐漸溶解，奧氏體晶粒不斷長大，即使淬火溫度達到1300 ℃也未出現(xiàn)過燒現(xiàn)象；RM80 鋼硬度隨淬火溫度升高呈現(xiàn)先快速上升隨后平穩(wěn)變化的趨勢。

2） 1000～1150 ℃淬火后的回火組織中仍然存在未溶解碳化物，并且隨著回火溫度升高，碳化物顆粒逐漸聚集球化，組織由回火屈氏體轉變?yōu)榛鼗鹚魇象w；1200 ℃以上淬火后不同條件下回火，RM80 鋼回火組織中仍能看到馬氏體形態(tài)。

3） 隨著回火溫度升高，RM80 鋼硬度、屈服強度和抗拉強度整體呈現(xiàn)下降的趨勢，延伸率先下降再平穩(wěn)回升。 淬火溫度1150 ℃、回火溫度550 ℃時，RM80綜合力學性能較好，此時屈服強度和抗拉強度分別為1244 MPa 和1590 MPa，延伸率為12.0%。