95CrMo 釬具用鋼的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)相變研究

王筑生，余偉，熊家澤，唐文龍，于嘉君，張吉舟

（1.首鋼貴陽(yáng)特殊鋼有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550005；2.北京科技大學(xué)，北京，100083）

0 前言

鑿巖釬桿用中空鋼制造， 主要用于采礦、隧道、電站等炮孔鑿巖。95CrMo 鋼釬桿在國(guó)外是小孔鑿巖的常規(guī)產(chǎn)品，而國(guó)內(nèi)使用較少[1]。釬桿工作時(shí)受到高頻率、高強(qiáng)度的沖擊力，因此要求釬桿用中空鋼產(chǎn)品具有優(yōu)良的疲勞性能、 耐磨性能。網(wǎng)狀碳化物的存在， 將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的疲勞性能。 95CrMo 鋼是高碳鋼，碳化物是必然存在的，使最終產(chǎn)品沒(méi)有連續(xù)網(wǎng)狀碳化物的存在，是95CrMo 鋼產(chǎn)品正常使用的關(guān)鍵。 國(guó)內(nèi)對(duì)95CrMo鋼的研究很少，其組織變化規(guī)律主要參考GCr15軸承鋼的一些研究結(jié)果[2]。 因此，研究95CrMo 鋼的組織變化規(guī)律是必要的。

本文采用DIL805 熱膨脹儀， 對(duì)95CrMo 鋼試樣進(jìn)行連續(xù)冷卻試驗(yàn)， 針對(duì)不同的冷卻速度，分析了冷速對(duì)其顯微組織的影響，測(cè)定試驗(yàn)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變CCT 曲線(xiàn)。 在Gleeble3500 熱模擬試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定試驗(yàn)鋼的95CrMo 鋼的動(dòng)態(tài)相變溫度，冷卻過(guò)程中的溫度與熱膨脹隨時(shí)間的變化關(guān)系。95CrMo 鋼靜態(tài)和動(dòng)態(tài)相變規(guī)律，可以為制定中空鋼軋制工藝和釬桿熱處理工藝提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 靜態(tài)相變溫度測(cè)定

試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分如表1 所示。利用線(xiàn)切割的方法切取 Φ4 mm×10 mm 的圓柱試樣，在DIL805 熱膨脹儀上測(cè)定試驗(yàn)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變CCT 曲線(xiàn)。 方法為：將試樣以 10 ℃/s 的速度加熱至 820 ℃并保溫 5 min，分別以 0.5 ℃/s、1 ℃/s、1.5℃/s、2 ℃/s、3 ℃/s、5 ℃/s、7 ℃/s、10 ℃/s、15 ℃/s、20℃/s、30 ℃/s 的冷速冷卻到室溫，記錄冷卻過(guò)程中的溫度與熱膨脹隨時(shí)間的變化。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分

1.2 動(dòng)態(tài)相變溫度測(cè)定

用線(xiàn)切割的方法切取Φ6-Φ10 mm×60 mm的圓柱試樣， 在Gleeble3500 熱模擬試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定試驗(yàn)鋼的95CrMo 鋼的動(dòng)態(tài)相變溫度。 具體方法為：將試樣以10 ℃/s 的速度加熱至900 ℃并保溫5 min， 然后以 3 ℃/s 的冷卻速度冷卻至840℃，在840 ℃按照工程應(yīng)變20%、應(yīng)變速率5 s-1進(jìn)行變形，然后以30 ℃/s 的冷速分別冷卻到740℃、710 ℃和 680 ℃， 再按 1 ℃/s 的冷卻速度冷卻至550 ℃以下然后空冷至室溫。 記錄冷卻過(guò)程中的溫度與熱膨脹隨時(shí)間的變化。動(dòng)態(tài)相變溫度測(cè)量試驗(yàn)方案，如圖1 所示。

將連續(xù)冷卻后的試樣經(jīng)不同冷卻速度冷卻后經(jīng)研磨拋光并用4%硝酸酒精浸蝕， 分別在光學(xué)顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）下觀察組織的變化。

圖1 動(dòng)態(tài)相變溫度測(cè)量試驗(yàn)方案示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 95CrMo 鋼的靜態(tài)相變

2.1.1 95CrMo 的 CCT 曲線(xiàn)

Cr、Mo 為縮小 γ 相區(qū)元素， 即使 A3 點(diǎn)溫度升高。 通過(guò)Ac3 溫度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式可以得出，95CrMo 鋼 Acm 點(diǎn)大約為 850 ℃。 由黑色冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5127-93 可知， 利用膨脹法測(cè)量鋼的臨界點(diǎn)，95CrMo 選定880 ℃為奧氏體化溫度，選定每小時(shí)低于200 ℃的速率進(jìn)行加熱和冷卻，奧氏體化溫度保溫5 min， 通過(guò)Origin 軟件處理最終得出 95CrMo 的 Acm 點(diǎn)為 775 ℃、Ac1 點(diǎn)為740 ℃。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5128-93 測(cè)定鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)， 其中95CrMo 選定820 ℃為奧氏體化溫度，奧氏體化溫度保溫5 min，選擇10 種以上冷卻速度，最終得出95CrMo 鋼的CCT 曲線(xiàn)。

圖 2 95CrMo 鋼的 CCT 曲線(xiàn)

2.1.2 95CrMo 鋼的相變溫度

95CrMo 鋼當(dāng)冷速低于 5 ℃/s 時(shí)，只有高溫區(qū)域珠光體轉(zhuǎn)變；當(dāng)冷速介于 5 ℃/s 和 7 ℃/s 時(shí)，開(kāi)始在中溫區(qū)域發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，即貝氏體的臨界冷卻速度 Vk 大致為 6 ℃/s； 當(dāng)冷速大于 15 ℃/s時(shí)，開(kāi)始在低溫區(qū)域發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，Ms 點(diǎn)約為190 ℃。

表2 95CrMo 鋼的主要相變溫度

2.2 95CrMo 動(dòng)態(tài)相變

2.2.1 95CrMo 的相變溫度分析

從動(dòng)態(tài)相變溫度測(cè)量結(jié)果（圖 4 a、b、c）看，在試驗(yàn)條件下，變形后快速冷卻至740 ℃、710 ℃和680 ℃時(shí)，其相變溫度略有不同，約在710 ℃-680 ℃之間 （相變開(kāi)始溫度 740 ℃、710 ℃、680℃）。 結(jié)合 95CrMo 鋼的靜態(tài) CCT 曲線(xiàn)知道，在冷卻速度為30 ℃/s 時(shí)，相變溫度在522 ℃，即高速冷卻時(shí)，只要終冷溫度在B 或M 相變溫度以上，冷卻停止后會(huì)很快發(fā)生珠光體相變。珠光體相變溫度越低，其相變后的組織越細(xì)小。

2.2.2 95CrMo 相變組織分析

從圖6、圖7、圖8 可以看出：在動(dòng)態(tài)條件下，冷卻后的終止溫度為680 ℃時(shí)，95CrMo 鋼金相組織中的珠光體領(lǐng)域尺寸在2-5 μm， 索氏體化率達(dá)到100%，網(wǎng)狀碳化物幾乎消除；終止溫度為710 ℃時(shí)，金相組織中的珠光體領(lǐng)域尺寸多在2-5 μm，索氏體化率幾乎100%，網(wǎng)狀碳化物極少；終止溫度為740 ℃時(shí)，金相組織中的珠光體領(lǐng)域尺寸多在4-8 μm， 索氏體化率約70%-80%，且網(wǎng)狀碳化物較發(fā)達(dá)。

圖3 95CrMo 鋼的靜態(tài)相變組織

圖 4 680 ℃、710 ℃、740 ℃終冷時(shí)的溫度-膨脹量曲線(xiàn)

圖5 壓縮試樣分切剖面與SEM 分析位置

動(dòng)態(tài)相變溫度測(cè)試試驗(yàn)表明：95CrMo 鋼軋制后立即快速冷卻雖然可以將珠光體球團(tuán)和珠光體領(lǐng)域細(xì)化，但是網(wǎng)狀碳化物的抑制還取決于冷卻的終止溫度。

3 結(jié)論

（1）95CrMo 釬具鋼，當(dāng)冷速低于 5 ℃/s 時(shí)，只有高溫區(qū)域珠光體轉(zhuǎn)變； 當(dāng)冷速介于5 ℃/s 和7℃/s 時(shí)，開(kāi)始在中溫區(qū)域發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，即貝氏體的臨界冷卻速度Vk 大致為6 ℃/s；當(dāng)冷速大于15 ℃/s 時(shí)，開(kāi)始在低溫區(qū)域發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，Ms 點(diǎn)約為 190 ℃。

圖 6 終冷溫度 680 ℃金相組織（a-位置 1 處 1；b-位置 1 處 2；c-位置 3 處）

圖 7 終冷溫度 710 ℃的金相組織（a-位置 1 處 1；b-位置 1 處 2；c-位置 3 處）

圖 8 終冷溫度 740 ℃的金相組織（a-位置 1 處 1；b-位置 1 處 2；c-位置3 處）

（2）95CrMo 釬具鋼進(jìn)行快速冷卻，可以將珠光體球團(tuán)和珠光體領(lǐng)域細(xì)化，網(wǎng)狀碳化物的抑制還取決于冷卻的終止溫度。

[1]黎炳雄，劉正義. 沖擊鑿巖釬具用鋼的選擇［C］//中國(guó)釬鋼釬具協(xié)會(huì).2011 年全國(guó)釬鋼釬具會(huì)議論文集：175-194.

[2]孫艷坤， 吳迪. 用超快速冷卻新工藝生產(chǎn)GCr15 軸承鋼[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2009（1）：22-25.