硼对刃具钢组织与性能的影响

杨　玉，高　磊，王　华，郭晓宏，刘凤莲，王英海



硼对刃具钢组织与性能的影响

杨玉，高磊，王华，郭晓宏，刘凤莲，王英海

（鞍钢股份有限公司，辽宁鞍山114009）

摘要：为研制开发适合水淬的新型刃具钢，采用显微组织观察、力学性能测试、热处理试验和磨粒磨损试验等技术手段，对比研究了含硼中碳钢与不含硼的65Mn钢热轧后与热处理后的显微组织和应用性能.结果表明：热轧态中碳含硼钢中存在较多铁素体相，强硬性更低，韧塑性更好；中碳含硼钢水淬回火后组织为回火马氏体，硬度可达50 HRC以上，高于油淬回火的65Mn钢，韧塑性和耐磨性也明显好于65Mn钢.中碳含硼钢完全适合水淬工艺，减少了工业污染，符合环保要求.

关键词：中碳含硼钢；回火马氏体；耐磨性；硬度；铁素体相；水淬；油淬

目前，我国刃具行业普遍采用65Mn等高碳钢油淬+高温回火的生产工艺，成品性能可以满足使用要求，但产生的油烟严重污染空气，不符合环保要求.随着我国环保意识的不断增强，油淬的热处理工艺将逐渐被水淬所代替，刃具行业也正在积极进行淬火工艺的改革.而65Mn等高碳锰钢由于碳含量较高，脆性大、塑韧性差，水淬易开裂，只适于油淬，不适合水淬［1-2］.为支持我国环保体制改革，适应绿色热处理的理念要求，急待研制开发一种适合水淬工艺的新型中碳刃具钢.

要使中碳钢热处理后达到高碳钢热处理后的硬度，必须在钢中加入提高淬硬性的合金元素.硼元素有明显提高钢的淬透性和淬硬性的作用［3］.1921年人们第1次发现了硼在钢中的淬透性效果，并于1935年开始应用在钢铁材料中.但由于硼是活性元素，难以控制，对钢的性能影响波动大，20世纪60年代到70年代，硼在钢中的应用处于停滞状态.直到1982年，美国研究人

随着对硼元素研究的深入，近几年来，硼合金已开始在国外钢铁行业中大量应用.芬兰罗奇钢铁公司开发的淬火硼钢具有很强的耐磨性，可有效延长刃具等机械零件的使用寿命，欧洲和美国已开始用中碳含硼钢加工制造各种机械零件和刃具［3］.为尽快研制出适合水淬的新型刃具钢，满足用户使用需求，本文对中碳含硼钢和65Mn刃具钢的组织和性能进行了较详细的研究分析.

1　试 验

1.1 试验材料

硼是明显提高淬透性和淬硬性的元素.硼提高淬硬性能力极强，质量分数0.001%～0.003%的B的作用可相当于质量分数0.6%Mn、0.7%Cr、0.5%Mo和1.5%Ni，故钢中只需加入极少量的B即可达到提高淬硬性作用［5-7］.本试验采用的钢板为6 mm厚的含硼碳锰钢和目前刃具行业普遍使用的65Mn钢.含硼钢板主要化学成分（质量分数）如下:0.36%C，0.21%Si，1.0%Mn，0.0022% B；65Mn钢板的主要化学成分（质量分数）如下: 0.66%C，0.25%Si，1.05%Mn.含硼钢采用中碳的成分设计，以改善原有高碳钢板热轧态的韧塑性，提高成型性，适应水淬的生产工艺.

1.2 热轧板力学性能检测

按GB/T 2975在上述含硼钢板与65Mn钢板宽度1/4处取横向拉伸试样2个、10 mm×5 mm× 55 mm的非标准KV2纵向冲击试样3个及表面硬度试样 1个（检测三点硬度值），分别按GB/T 228、GB/T 229、GB/T 230.1检测各项力学性能，取各项检测结果平均值，评价各项力学性能［8-10］.

1.3 热处理试验

在6 mm厚中碳含硼钢板和65Mn钢板板宽1/4处分别取350 mm×200 mm试样9块，利用箱式电阻炉加热，进行淬火和回火处理.加热温度850～920℃，回火温度200～400℃，含硼钢采用水淬工艺，65Mn钢采用油淬工艺.在每个热处理试样上取拉伸试样2个、10 mm×5 mm×55 mm非标准KV2冲击试样3个、硬度3点，取检测结果平均值作为各项力学性能评价值.再分别选用含硼钢和65Mn钢强硬性和韧塑性匹配最佳的热处理制度下的力学性能作为各自的热处理性能，进行对比分析［11-13］.

1.4 钢板显微组织观察

在中碳含硼钢和65Mn钢2种热轧态钢板的板宽1/4处分别取10 mm×10 mm×5 mm金相试样各1块.在热处理后含硼钢和65Mn钢强硬性和韧塑性匹配最佳的钢板上取 10 mm×10 mm× 5 mm金相试样各1块.上述所取金相试样磨制、抛光横断面，用体积分数4%的硝酸酒精侵蚀，在DMI5000M光学显微镜下观察钢板横断面的显微组织形貌［14-15］.

1.5 磨损试验

分别按上述1.3小节中选定的具有最佳热处理性能的热处理制度对含硼钢板试样与65Mn钢板试样进行热处理，在热处理后的2种钢板试样上分别取图1所示的磨擦磨损试验用标准试样.

图1　磨损试验试样尺寸及要求示意图

在室温大气中，空气湿度55%的环境下，按GB/T 12444—2006金属材料磨损试验方法在MM-W1A立式万能摩擦磨损试验机上进行销环滑动磨损试验，磨擦副为GCr15硬质合金.试验载荷为40 N，磨销转速分别为100、200、300 r/min，即滑动速度分别为151、302、453 m/s.每个试样磨损时间为10 min，根据磨损量计算每个试样在每种转速下的磨损速率，在激光共聚焦上观察每个试样的磨损表面形貌，分析其磨损性能［16-18］.

2　结果及讨论

2.1 刃具钢热轧板显微组织

图2为中碳含硼钢和65Mn钢2种试样的横断面显微组织形貌.由图2可见:中碳含硼钢板热轧态显微组织为珠光体和铁素体，65Mn热轧钢板组织以珠光体为主，存在极少量铁素体网；含硼钢碳含量低于65Mn，铁素体含量较多，确保了该热轧态钢板具有较好的成型性.

图2　热轧板试样横断面显微组织形貌

2.2 刃具钢热轧板力学性能

图3为中碳含硼钢和65Mn钢的热轧态性能对比结果.由图3可见，中碳含硼钢热轧板强度较65Mn钢低270 MPa，硬性较65Mn钢低6 HRB，延伸率较65Mn钢高7%，冲击功较65Mn钢高19 J.可见，中碳含硼钢强硬度低，但韧塑性明显好于65Mn.因此，中碳含硼钢热轧态冲压加工性能明显好于65Mn等高碳刃具钢.

图3　热轧态钢板力学性能

2.3 热处理性能

图4为含硼中碳钢和65Mn 2种钢板在加热温度850～920℃、回火温度200～400℃热处理后各自的最佳力学性能结果.由图4可见，选择合适的调质处理制度后，中碳含硼钢板水淬回火后硬度可达52 HRC，高于65Mn油淬回火硬度，屈服强度、抗拉强度、延伸率和冲击功也均高于65Mn油淬回火钢板，特别是冲击韧性明显好于65Mn调质处理后钢板，达21%.

图4　热处理性能

2.4 热处理组织形貌

图5为2.3小节含硼中碳锰钢和65Mn在加热温度850～920℃、回火温度200～400℃热处理后具有最佳力学性能钢板的显微组织形貌.由图5可见；淬火后含硼钢为全部马氏体，65Mn钢中则存在少量索氏体组织；中碳含硼钢回火后组织为回火马氏体，65Mn钢回火后组织为回火屈氏体.

2.5 耐磨性

图6为热处理后硬度为51 HRC的含硼钢和热处理后硬度为46 HRC的65Mn钢2种材料的磨损率和磨损表面粗糙度测试结果.图7为不同转速下含硼钢和65Mn试样磨损表面形貌激光共聚焦观察照片.由图6和图7可见，在载荷40 N，磨销转速为100、200、300 r/min情况下，1#含硼中碳钢样品的磨损速率和磨损表面的粗糙度均低于2#65Mn钢样品，1#样品的磨损程度明显低于2#样品.可见，中碳含硼钢比65Mn具有更好的磨损抗力，耐磨损性能更好.

图5　热处理后显微组织形貌对比

图6　耐磨性对比（1#—硼钢；2#—65Mn）

图7　不同转速下试样磨损表面形貌（1#—硼钢；2#—65Mn）

3　讨 论

3.1 硼元素对刃具钢组织与性能的影响

由试验结果可见，与65Mn刃具钢相比，热轧态中碳含硼钢的屈服强度较65Mn钢低112 MPa，抗拉强度较65Mn钢低270 MPa，硬度低4 HRB，而延伸率高7%，冲击韧性高19 J.可见，热轧态中碳含硼钢板冷成型性更佳.这主要是因为，中碳含硼钢的碳含量相对较低，热轧态钢板显微组织中铁素体相所占比例较大，因此强度和硬度相对较低，韧塑性更好，冷成型性更优异.

中碳含硼钢水淬回火后屈服强度1 460 MPa，抗拉强度1 785 MPa，硬度达52.5 HRC，延伸率达10%，冲击功达21 J.而普通刃具钢65Mn水淬易开裂，只能采用油淬工艺，油淬回火后屈服强度1 034 MPa，抗拉强度1 150 N/mm2，硬度46.5 HRC，且延伸率和冲击韧性很低，延伸率仅为1.5%，冲击功仅为3 J.可见，含硼中碳钢不仅适合水淬的热处理工艺，且热处理后综合性能更好.耐磨性试验结果也证实了这一点，在载荷和磨销转速相同的情况下，含硼中碳钢的磨损速率和磨损表面的粗糙度均低于65Mn钢，比65Mn具有更好的磨损抗力，耐磨损性能更好.

中碳含硼钢热处理后耐磨性更好，这主要与其热处理后硬度较高有关.由于碳含量较低，中碳含硼钢在较低温度回火时即可满足韧塑性要求.中碳含硼钢水淬后得到的细小均匀的马氏体组织在200℃以下低温回火时分解为α相和ε-碳化物，得到回火马氏体组织.由于碳扩散较慢，α相中碳含量仍较高，因此回火后钢板硬度仍较高.为了得到足够的韧塑性，65Mn钢则必须采用350℃以上较高温度回火，高温回火后马氏体分解形成碳含量较低的针状α相和更稳定的θ-碳化物（渗碳体），得到回火屈氏体组织，硬度大幅降低.因此，与普通65Mn刃具钢相比，中碳含硼钢热处理后硬度更高，耐磨性等综合使用性能也更佳.

3.2 硼元素对钢淬透性影响的探讨

图8为含硼中碳钢和不含硼钢的静态CCT曲线.由图8可见:中碳钢中加入少量硼后，其CCT曲线右移，得到全马氏体组织的临界冷速为10℃/S；而不含硼钢冷速为100℃/S时仍存在铁素体、珠光体和贝氏体组织.可见，钢中加入微量硼，热处理时就极易获得全部马氏体组织，含硼钢的淬透性明显提高.本文2.4小节试验中，淬火后中碳含硼钢得到全部马氏体组织，而65Mn钢中虽然以马氏体为主，但仍存在少量索氏体，这一方面与65Mn采用油淬冷速较慢有关，另一方面也说明中碳含硼钢较65Mn钢更易获得全马氏体组织.

图8　静态CCT曲线

硼是活性元素，钢中加入微量硼后，硼原子偏聚吸附在晶界，降低了晶界能，使先析铁素体不易形核，延长了奥氏体分解的孕育期，抑制并推迟了先析铁素体及贝氏体形核转变，因此，在较低冷速下即易生成马氏体组织，提高了钢的淬透性，从而可以获得较高的淬硬性.

4　结 论

1）本文研制开发的中碳含硼钢完全适合水淬的热处理工艺，中碳钢中加入微量的硼，水淬并回火处理后硬度可达50 RHC以上，高于传统65Mn刃具钢热处理后的硬度，且韧塑性和耐磨性也明显好于65Mn钢.

2）与65Mn等传统高碳刃具钢相比，中碳含硼钢碳含量相对较低，热轧态钢板存在先析铁素体相，强硬性更低，韧塑性更好，冲压成型性优异，更适合加工制造各类形状复杂的机械配件.

3）目前，硼元素已在欧洲、美国等发达国家的钢铁行业广泛应用，但由于热处理技术的制约，我国含硼钢还未大量应用.随着我国环保意识的增强，用水淬代替油淬是未来热处理业的发展趋势，用水淬的中碳含硼钢代替油淬的65Mn等高碳钢，实现产品的升级换代是刃具行业的发展方向.因此，本文研制开发的中碳含硼钢在刃具行业具有较好的发展前景.

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（编辑 程利冬）

中图分类号：TG142

文献标志码：A

文章编号：1005-0299（2016）02-0080-06

doi:10.11951/j.issn.1005-0299.20160211

收稿日期：2015-06-03.

作者简介：杨 玉（1977—），女，高级工程师，硕士.

通信作者：王英海，E-mail:yinghai_wang@aliyun.com.员指出，在碳锰钢中加入极少量的硼，钢的热处理和冷墩特性优于合金钢，法国、日本等世界多国的钢铁研究者也再次相继开展了硼在钢中应用的研究.我国富产硼，硼的总贮量占世界第5，但对硼钢的研究起步较晚，20世纪80年代才开始硼钢的研究工作，贺信莱等［4］对硼在钢中的作用有较多的研究.

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