低合金刃具钢的姜块状索氏体化处理 - 文章

低合金刃具钢的姜块状索氏体化处理

作者：黄建洪刘东雨

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摘要：介绍了一种工具钢在稍低于Acl温度下不太长时间加热，使片状索氏体不完全球化，形成姜块状碳化物的工艺。用于剪毛机刀片代替球化退火作毛坯预处理，淬火后刀片寿命大幅度提高。本文从空间形貌上说明姜块状碳化物的形成机制，并从微观机理分析姜块状碳化物提高刀片耐磨性的原因。研究表明，细粒碳化物可使刃口强化，但不能阻挡已压入刃面砂粒的划伤；而粗粒碳化物弥散强化效果差，却能阻挡砂粒的划伤，但对刃口则会加剧崩刃。姜块状碳化物兼有粗粒和细粒碳化物的优点，兼顾刃口和刃面的不同性能要求，因而是刀片的理想组织。
关键词：低合金刃具钢；索氏体化处理；碳化物形态；剪毛机刀片；磨粒磨损

Study on New Heat Treatment for Ginger-like
Sorbite of Low Alloy Cutlery Steels

Huang Jianhong（Inner Mongolia Research Institute of
Agricultural Machinery，Hohhot，010020）

Liu Dongyu（Department of Material Engineering，
Inner Mongolia Polytechnic University，Hohhot，010062）

【Abstract】 The new heat treatment process for ginger-like sorbite of low alloy cutlery steels was given in this paper．The characteristic of the new process is heating under Acl temperature for suitable time to change lamellar Sorbite to ginger-like Sobite．The life of the sheep shearing machine cutter after quenching is improved largely by using the new process instead of traditional spheroidizing annealing．The ginger-like Sorbite forming mechanism and the high wear-resistance of ginger-like carbide cutter blade were studied in this paper．From research the following conclusion can be got：Small size carbide can strengthen the cutting edge but cannot resist the scratching of abrasive particles．Large size carbide can resist the scratching of abrasive particles but cause the edge tipping．The lumpy ginger-like carbide having the advantage of small and large size carbide is the ideal microstructure of cutter blade．

Key words：low alloy cutlery steels，Sorbite treating，carbide morphology，sheep shearing machine cutter，wear with abrasive particle

1前言

在完成“农机刀片磨损机理的综合研究”项目过程中，当我们对刀片磨损机理有较多了解后，曾讨论过，传统的球化退火得到细小圆匀的碳化物（K），它是否在任何情况下都是工具钢的最佳原始组织？这时试验新钢种中有一种热轧空冷未退火，一种退火严重过热的带钢。我们采取略低于Acl温度的退火，使K不完全球化，形成姜块状索氏体，加工成剪毛机刀片，试验中获得很好效果。

2试验材料与试验方法

2.1试验材料

试验用新钢种成分为No.8（1.17％C，1.04％Si，1.12％Mn，0.28％V）和No.1（1.23％C，0.23％Mo）。两种钢均用碱性中频感应炉熔炼，浇成270kg方锭，在2t汽锤上开成90mm×90mm方坯，再轧成15mm×90mm扁坯，空冷后酸洗，清理表面，热轧成 4.5mm×90mm带钢。热轧工艺：950～1000℃加热，940℃开轧，850～800℃终轧，摊开空冷。

2.2试验方法

光学金相分析在Neophot-I型金相显微镜上进行。磨损后的刀片在S-530型扫描电镜下对刃口和刃面观察照相，加速电压20kV。为寻找新鲜断口，对整个刀片在φ120mm大试样台上进行全刀刃扫描，找出典型照相。观察刃口时试样台作30°旋转。

2.3刀片寿命考核

提出比JB／T7881.4—95《剪羊毛机.试验方法》更高、更全面的4项指标，并与有王牌刀片之称的某国外刀片在相同条件下剪毛对比：①以每次刃磨后每副刀片剪羊头数和纯剪毛时间作为基本考核数据； ②统计出现在高头数和低头数上的几率，表示刀片质量的稳定性；③每副刀片用至报废时总剪羊只数；④正常剪毛情况下刀片断齿率。

试验在牧场结合剪毛生产进行。所剪为新疆细毛羊，为消除剪毛手个人技术差异带来的影响，每种刀片均交全体剪毛手轮流使用。考核刀片与对比用国外刀片共剪羊3800多头，剔除剪毛过程中断齿、机器故障而中途换刀等不规范的数据后，共获有效剪羊数3227头。

3姜块状索氏体化处理工艺

No.8带钢热轧未退火，组织为极细片状索氏体，碳化物也极细小均匀，见图1。硬度为302～326HBS，切削加工困难，需要退火。

图1 No.8钢热轧未退火组织×500

3.1下料

为提高材料塑性，带钢加热到650～680℃用60t冲床下料，冲下的毛坯堆放空冷，检查组织与硬度均无变化。

3.2姜块状索氏体化处理

两种钢的Acl实测No.8为726℃，No.1为729℃。据此，决定索氏体化温度为715±5℃。为使加热均匀，控温准确，在盐浴中进行，加热3h，随炉冷到680℃出炉空冷。硬度为263～283HBS，加工面光洁度很高。

金相分析发现，相对于轧制方向，无论纵向还是横向剖面，No.8钢的组织基本相同，如图2。因组织极细，500倍照相较清晰，当放大1000倍以上用油镜头照相时，由于垂直景深小，照片反而不清。故图2是用500倍底片在制作照片时再放大4.5倍而成，相当于2250倍。

图2 No.8钢的姜块状索氏体组织×2250

3.3 No.8钢刀片最终热处理工艺

盐浴中加热780℃×5min油淬，（150～170）℃×3h回火。硬度整批为63.5～65HRC，大多为64HRC，极均匀，每片刀片各点硬度差≤0.6HRC。

4 剪毛效果与说明

剪毛结果见下表。从表中可见，试验刀片寿命明显高于国外名牌刀片。①每次刃磨剪羊头数和纯剪毛时间以及每副刀片总寿命均高于国外刀片；②稳定在高头数的几率显著高于国外刀片，且不存在低于11头／次的低指标，而国外刀片最低仅1头／次，还有47.42％达不到11头／次；③试验刀片正常剪毛情况下不断齿；④检查剪毛后换下的刀片发现，No.8刀片自身磨损是各种刀片中最轻的，刃磨时只要磨去薄薄一层就可使刃口恢复锋利，所以每副刀片可刃磨次数多，其总剪羊头数也高。这是刀片硬度高、碳化物分布均匀的结果。

试验刀片与国外刀片剪毛数据表

注： ①开始每种刀片均投18副，中途国外刀片2副断齿，补充2副，共投20副。国外刀片共测定97次。No.8和No.1钢刀片因寿命长，分别测定47次和 45次后，羊已剪完。②3种刀片中最高者平均剪羊21头／次，国产刀片最低剪11头／次，故以≥21和＜11作为高、低寿命指标，分别统计各种刀片出现高、低头数的几率。③测定97次中有22次≥21头／次，22／97＝22.7％。④20副刀片中断齿2片，2／20＝10％。
表中第3组是另一新钢种No.1刀片的数据。原材料进厂时发现，No.1上刀片用冷轧带钢球化良好，而下刀片用热轧带钢则退火严重过热，K十分粗大（图 3）。为此采用920℃正火消除粗大碳化物（38～44HRC），然后与No.8钢一同在715℃进行姜块状索氏体化处理（211～251HBS）。金相组织与图2相似，但还有少数较粗未溶碳化物，不过比原来大有改善。加工成下刀片后在800℃油淬，150～170℃回火。No.1钢上刀片因组织正常，用其它新工艺处理。剪毛结果这组刀片平均剪毛头数最高，虽与上刀片特殊处理有关，但作为下刀片，原材料组织存在严重缺陷，经正火并姜块状索氏体化处理后仍能取得优异成绩，再次证明这种组织是适宜的。

图3 No.1钢下刀片原材料退火过热组织×500

5 分析与讨论

众所周知，钢材长时间在稍低于Acl温度下保温可使碳化物球化，但因所需时间太长，工业上很少使用。我们所用工艺时间短，得到的是不完全球化效果，但原理相同。

文献［1，2］中在对低于Acl温度下加热时，碳化物由片状向球状转化过程的描述是球状碳化物具有最小的表面能，因此从片状向球状的转化，使系统自由能降低是一个自发过程。根据胶态平衡理论，第二相颗粒的溶解度与曲率半径r有关，最近碳化物（K）尖角处r小的铁素体（F），具有较高的碳浓度，而靠近平面处r大的F，碳浓度较低，这就引起碳的扩散，导致尖角处K溶解，而在平面处析出K，最终形成各部分r相近的球状K。此外，K片中还存在位错、亚晶界等晶体缺陷。缺陷的两边犹如r小的尖角，同样会引起K的溶解，通过碳的扩散，向平面部分析出，最后实现球化。上述过程可用图4示意说明：在K片中存在r小的尖角或晶体缺陷a；由于溶解——扩散—— 析出的结果，导致K片断裂b；并进一步溶成短杆状c；只要时间充足，最终将变成球状d。

需要注意的是，一般书中对碳化物片球化过程都用断面图示意出来，如图4中a～d。让我们将K的空间形貌变化过程示意画出如a′～c′。在一个珠光体或索氏体K片中，不仅断面存在尖角或亚晶界等缺陷，同样在K 片的面上也存在这种缺陷a′；在适当温度下K片溶解，成为若干裂片，裂片上存在不同方向的沟槽b′；随时间延长，沟槽扩宽，尖角圆化，K片就会成为由若干碎片组成的像生姜块状的K。它有些部分已经断裂，甚至有些小碎片已经球化，但大部分又还连着。从不同角度作其剖面，就像将生姜切片，其断面呈圆形、椭圆形或短杆状，如图4c，但其空间形貌则是大部分还连着的枝叉块状，有点像生姜，如图c′。我们曾试想将其萃取在扫描电镜下观察，但未成功。因处理前K片很薄，处理后有的已经断开，连接处也十分细薄，萃取只得到一些碎粒和短枝条，其断面尺寸均＜0.3μm。热轧空冷的索氏体，组织中存在较多的位错，因此在 Acl以下不需要很长时间（例如3h），就可形成姜块状索氏体。如果时间继续延长，姜块状K还会断开、变圆，向完全球化转变。由于K很细薄，淬火加热温度应适当降低，以便淬火组织中K仍保持姜块状。

图4 片状K球化过程示意图
（a）～（d）为断面，（a′）～（c′）为空间形貌

研究表明［3，4］：剪毛机刀片的刃口和刃面有不同的失效方式和磨损机理，也有不同的甚至互相矛盾的性能要求。最主要的破坏形式是刃口受夹杂于羊毛中的砂粒（最厉害的磨粒是硬达1100HV的石英）冲击而崩刃，砂粒从缺口进入上下刀片刃面之间形成三体磨损，在运动着的刀片带动下，划伤刃面并在出口处造成另一边刃口的崩刃。此外，处于亚表层的大颗粒K作为硬质第二相，在上下刀片相对摩擦时，由于和金属基体弹塑性变形不一致，会从内部先开裂而加速表层金属的剥落（图5）。还存在 Suh在磨损的剥层理论［5］中指出的破坏，由于第二相硬质点会加剧位错塞积，加快空穴形成，若存在较大的硬质点，则空穴主要由于基体金属围绕硬质点的塑性流动而形成，在应力作用下，硬质点破碎，导致金属开裂。但Suh本人并未出示这样的照片来支持上述论点，而笔者则在剪毛机刀片刚磨损的新断面上，3次发现这种金属围绕大粒K呈旋涡状塑性流动的现象，见图6。

通常认为，硬度越高越耐磨。钢中渗碳体型碳化物（约1150HV）比马氏体基体（≤900HV）要硬，但它对刀片耐磨性的影响是复杂的。细小无尖锐棱角的碳化物（K）应该对刀刃的整体起到强化作用，但处于尖薄刃口上的脆性K颗粒本身则容易受冲击而破碎崩刃。十几年来笔者在扫描电镜下分析了上百个刀刃，从未发现大颗粒K能增强刃口的证明，相反即使是圆形K颗粒，也会先于基体而崩刃。而在刃面上与基体结合牢固的碳化物则与马氏体一同筑成高硬度防线，抵御磨粒的压入和划伤，使之压入浅些，划伤轻些。当磨粒在表面划过时，其尖角可对金属表面产生微观切削，形成“刨槽”，或将表面金属推向磨粒运动轨迹两侧和前方，形成塑性流动的“犁沟”。K愈细小弥散，强化效果愈好，愈能抵抗砂粒的压入。但当已压入表面的磨粒划动时，细小的K将随金属一起被切掉或被翻到两侧。这时与基体结合良好的大K因与石英砂粒硬度相当，可将其锐角打掉并阻止其前进。

磨粒磨损理论形象地用刨槽和犁沟来说明磨粒划伤表面的过程。耕地时小石块不能阻挡犁的前进，而大石块或树根则让犁寸步难行。K的作用也类似，只有足够大的颗粒（至少在一个方向的尺寸上大于磨粒压入的深度）才能制止划伤。但这会带来其它性能的降低，对刃口更有害。姜块状K与韧性较好的金属基体包覆面远大于粒状K，结合牢固，弥散强化效果好。虽然它的每一团块体积较大，磨粒划过时有如遇到树根受阻，但在不同角度断面上暴露出来的只是小颗粒或一小段，即使露出刃口上被崩掉，也只造成很小缺口。所以姜块状K兼有粗粒和细粒K的优点，是刀片的理想组织。

工具钢淬火前的预处理除球化退火外，还可根据需要进行调质处理以及轴承钢贝氏体化处理等。姜块状索氏体化处理与之相比，工艺简单，周期短，可在盐浴炉中进行，还可免去钢厂热轧后的退火，是一种节能工艺。

6 结论

（1）工具钢在稍低于Acl温度下不太长时间保温，可使珠光体片不完全球化，形成姜块状索氏体，淬火后得到马氏体＋姜块状碳化物组织。
（2）姜块状碳化物兼有粗细粒状碳化物的优点，能兼顾刃口和刃面的不同性能要求，因而是锋利刀片的理想组织。
（3）与传统的球化退火相比，姜块状索氏体化处理是一种节能工艺。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/29/2008)


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