刀具鋼304／440不銹鋼熱軋及性能

刀 具用 304／440／304不銹 鋼 復合 板 的熱 軋和 性 能 

對于日常生活使用的刀剪產品而言,人們既需要有持久的鋒利度和耐磨性,又希望刃口用鈍后便于修磨。由高碳鋼、馬氏體型不銹鋼等單-一材料制成的刀剪產品,很難滿足既有較高單項指標(鋒利度.耐磨性),又有良好的綜合性能(韌性、加工性能)的要求。但由兩種或兩種以上材料組成的復合鋼板可以根據使用要求進行設計,使國產刀具以高檔次、優品質進入國際市場"。

軋制復合試驗研究

制造刀剪產品的復合鋼材料由基板(即基體鋼)和復板(刃口鋼)復合而成。基板要具備較好的韌性及加工性能,試驗中選用厚20 mm,寬 120 mm的熱軋304(OCr18Ni9)奧氏體不銹鋼作為基板[2.3]，其化學成分如表1所示;復板要具有較高的硬度和鋒利度以及耐磨性能(持久鋒利度) ,試驗中采用了厚3.5 mm,寬120 mm 的冷軋440(7Cr17)不銹鋼板作為復合板的復板材料+,其化學成分如表1所示。

軋制復合試驗研究

組坯焊接

由于在極大的壓力下,復板,基板很容易發生錯動,從而降低復合強度,同時為了防止加熱和軋制過程中發生氧化,軋制前需將它們焊接起來,在復合板后部還要預留一個排氣孔,以便在軋制過程中排出殘留在基板和復板間的氣體(圖1)。

加熱溫度和壓下規程的確定

304不銹鋼的熱加工塑性溫度區間是 930 ~1 280 ℃ , 440不銹鋼的熱加工塑性溫度區間是1 170 ~1200 ℃ 5]。為了更好地降低變形抗力和提高塑性,有利于兩種金屬通過熱軋達到相互間的原子結合,加熱溫度應盡量高—些,本試驗中選取的加熱溫度為1 200℃,保溫15 min。復合金屬軋制首道次變形量必須很大,以促進組元的冶金結合,提高結合強度。實踐中發現對于某些材料如 NI/304/Cu復合材料經2個大壓下備道次還不能復合,只有經過一定的變形版-少后未社良好復合6]。鑒于此,采用如下軋制規程:

(1)不銹鋼復合板初次復合。將圖1所示的焊合好的鋼板加熱至1 200℃,保溫15 min后,在軋制力為1500 t的500 mm熱軋機上講行組制禮創下量為31.5 mm,4道次平均分配完成.郅后公板厚度為12 mm,總壓下率為72.4%,試驗中將初次復合定義為1火軋制。

(2)不銹鋼復合板二次復合。將1火軋制的復合板再次加熱至1 200℃保溫15 min,在軋制力為150O kN的中350 mm熱軋機上進行軋制。第12.3道次壓下量分別為4.4、2 mm,最終板料斷面尺寸為204 mm x2 mm。此次復合軋制定義為2火軋制。

復合板力學性能研究

拉伸試驗

試驗采用平板式試樣，試驗結果如表2所示。

由試驗結果可得,1火軋制后試樣拉斷后的斷口成剪切狀,沒有明顯的頸縮現象,為脆性斷裂,同時該拉斷后試樣在基板與復板之間出現分層現象，表明界面結合是不牢固的;2火軋制后試樣沒有出現分層現象,說明軋制過程中的加熱次數及軋制總變形量對復合板的界面結合強度及材料塑性有較大的影響。

彎曲試驗

試樣的取樣方向、部位按照 GB2975-1998和GB6397執行。試樣尺寸的測量、試驗設備和試驗條件按照GB232-1995執行,試樣加工成長條狀,試驗結果見表2。

1火和2火軋制的試樣在彎曲后均未發生分層現象,但Ⅰ火軋制的試樣在彎曲處出現了少量細徵的裂紋,這一現象也說明復合板的成形性與軋制過程中的加熱次數有關。

維氏硬度

試驗中采用0.5kg的載荷,保持10s后卸載進行測量。由于2火軋制試樣為最終用于生產的復合板,所以只研究了其基板與復板的硬度分布,試驗過程中取點位置如圖2所示。

從表1可知,440不銹鋼具有較高的碳含量,所過程中還伴有加工硬化的作用,所以熱軋過程中的塑性變形也使硬度相應的提高。

金相組織分析

由圖3( a)可見,復合板晶粒大小不均勻。這是復合板晶粒的大小不均。另外塑性變形不夠大,使界面間金屬沒有實現冶金結合,故復合界面的結合線清晰可見,1火軋制試樣拉斷后出現的分層現象的界面,兩板間的晶粒相互穿過界面實現了真正的冶金結合。

掃描電鏡觀察

選取兩火軋制試樣進行掃描電鏡試驗,以觀察橫截面上依次選取垂直于橫截面方向的8個點,對點進行成分分析,取點位置如圖3(c)所示。根據各點能譜數據作出了2火試樣各元素原子百分比變化趨勢圖,如圖4所示。

從試驗結果可以看出,基板和復板的鉻含量比較接近,所以鉻的擴散現象并不明顯(圖4a)。復合板兩側基板的鎳元素含量有一定的降低,而中間復板鎳元素的含量則有了明顯的升高(圖4c)。這是由于基板和復板中鎳元素的含量相差較大,從而使鎳元素由基板向復板擴散造成的。鎳元素可以提高不銹鋼的淬透性和可淬性,同時還可以提高馬氏體不銹鋼的回火穩定性,所以少量的鎳可有效地降低馬氏體不銹鋼回火的軟化程度。因而,鎳元素的擴散,增加了馬氏體不銹鋼440的淬透性和可淬性,進一步提升復合板的復板硬度。

從圖4( d)可見,復板中錳元素含量有所下降，這對復合板的硬度會產生一定的影響。錳元素是奧氏體形成元素,錳元素的減少會使奧氏體相區減小，馬氏體轉變過程中M、點上移和殘余奧氏體量減少,M、點的上移增大了馬氏體轉變的過冷度,從而獲得更多的馬氏體組織。錳含量減少1 % , M。點會提升33 ℃,并且奧氏體量會減少20%。因而錳元素含量下降,會對兩火軋制的復合板中馬氏體含量的增加、硬度的提高起到一定的促進作用。所以盡管軋制過程中復合板的復板碳含量有一定降低,但因為上述兩個因素的作用,復合板的硬度并沒有明顯的下降。

結論

兩火軋制后304/440/304不銹鋼復合板界面實現了冶金結合,界面結合牢固。兩火軋制后的基、復板厚度均勻,復板硬度較高,滿足刀具使用要求。