Ni元素质量分数对65Mn钢木工圆锯片性能的影响

The Effect of Ni Element Mass Fraction on the Performance of 65Mn Steel Woodworking Circular Saw Blades

摘要

高质量、高效率的木材切削工艺对于提高木材资源的利用率以及提升木质产品的品质具有重要意义。目前，木工圆锯片常用钢材65Mn存在硬度和抗拉强度等力学性能欠佳的问题，为此通过添加镍（Ni）元素对65Mn钢进行改性。采用原料熔炼、浇筑试棒、锻造加工以及热处理等步骤制备Ni改性65Mn钢，并对改性前后的65Mn钢进行显微硬度、冲击韧性和拉伸强度测试。同时运用金相显微镜（metallographic）及扫描电镜（SEM）剖析65Mn钢改性前后的组织构造差异。研究结果表明，1）添加Ni元素后，65Mn钢回火后的组织由回火屈氏体改变为淬火马氏体与回火马氏体的混合体，且当Ni元素质量分数达到0.9%时，出现残余奥氏体；2）在相同热处理工艺条件下，Ni元素对材料的硬度和抗拉强度的影响均呈现出先增大后降低的趋势，冲击韧性较未改性的65Mn钢有所降低。其中，添加质量分数为0.7%Ni元素的65Mn钢的硬度和抗拉强度最优，较未改性的65Mn钢分别增加了10.18%、35.40%（室温）。研究结果为后续木工圆锯片钢材的改良提供了新的思路和方法，有望推动木质加工工具行业的进一步发展。

Abstract

High-quality and efficient wood cutting processes are of significant importance for improving the utilization rate of wood resources and enhancing the quality of wooden products. Currently， the commonly used steel 65Mn for woodworking circular saw blades has issues with subpar mechanical properties such as hardness and tensile strength. To address this， nickel was added to modify the 65Mn steel. The Ni-modified 65Mn steel was prepared through steps including raw material smelting， casting test bars， forging processing， and heat treatment. Microhardness， impact toughness， and tensile strength tests were conducted on the 65Mn steel before and after modification. Additionally， the organizational differences of 65Mn steel before and after modification were analyzed using Metallographic microscopes and Scanning Electron Microscopes （SEM）. The results of the study indicated that， 1） after adding Ni elements， the tempered structure of 65Mn steel changed from tempered troostite to a mixture of quenched martensite and tempered martensite， and when the mass fraction of Ni reached 0.9%， residual austenite appeared. 2） Under the same heat treatment conditions， the effect of Ni elements on the hardness and tensile strength of the material showed a trend of first increasing and then decreasing， with the impact toughness being lower than that of unmodified 65Mn steel. The hardness and tensile strength of the 65Mn steel with a mass fraction of 0.7% Ni were optimal， increasing by 10.18% and 35.40%， respectively compared to unmodified 65Mn steel （at room temperature）. This research findings provides new ideas and methods for the subsequent improvement of woodworking circular saw blade steels and is expected to promote further development in the wood processing tools industry.

Graphical abstract

关键词

65Mn钢 / Ni含量 / 木工圆锯片 / 力学性能

Key words

65Mn steel / Ni content / woodworking circular saw blade / mechanical properties

0 引言

木材以其出色的强度与重量比、易于加工的特性以及环保优势^［1-2］，在房屋建筑、家具制造、乐器制作以及文具和纸张生产等多个领域中发挥着至关重要的作用^［3］。我国拥有丰富的林业资源，并且是世界上人工林面积最大的国家^［4］，然而随着经济社会的高速发展及天然林保护政策的实施，我国木材资源仍存在着巨大的供需缺口^［5］。目前，我国每年仍需大量进口木材^［6］，在这种背景下，提高木材的利用效率对于缓解我国木材供需矛盾显得尤为重要。

木材切削是木制品加工成型过程中使用频率最高的工艺过程。提高木材切削的质量，对于提升木材的利用率至关重要^［7］。而木材切削质量受多种因素影响，其中包括木材的固有性质（例如含水率、密度、纹理方向和孔隙结构等^［8-12］），以及进料速度和刀具特性。Kminiak等^［13］通过研究云杉、山毛榉和橡木的锯切表面，发现木材的密度和微观结构显著影响成品表面的粗糙度；密度更高、结构更均匀的木材，其表面粗糙度更低。此外，在硬木中，散孔木材相较于环孔木材，通常具有更低的表面粗糙度。Moradpour等^［14］在其研究中探讨了木材含水率对橡木和山毛榉木带锯加工质量的影响，研究结果表明，在含水率介于12%至纤维饱和点（FSP）的范围内，随着木材含水率的增加，切削质量呈现下降趋势。Aguilera等^［15］的研究也证实，木材表面粗糙度会随着进给速度的增加而提高。除了上述因素，圆锯片的质量也会对切削质量产生影响。通常情况下，锯齿数量越多，切削质量越好^［16］。同时，增加圆锯片的稳定性可以减少加工过程中的锯切损失，这种方法被认为是提高木材利用率最直接有效的方式^［17］。现如今，我国普遍用65Mn钢作为木工圆锯片片体材料^［18］。近年来，对65Mn钢性能的研究主要集中在热轧生产工艺、热处理工艺和连续冷却转变曲线等方面上^［19-23］，对钢材化学成分的研究相对较少。但通常情况下利用金属元素能够显著影响钢材的性能^［24］，比如镍（Ni）元素可以提升钢材的抗拉强度和屈服强度^［25］，铬（Cr）元素能细化钢材的珠光体片层间距^［26］。从化学元素方面对65Mn钢进行改性有着成本较低且效果显著的优势。

本研究选取65Mn钢材作为基体材料，并通过引入不同比例的Ni元素，旨在提升其抗拉强度与硬度，同时减少断后伸长率，从而制备出具有更优越力学性能的圆锯片材料。研究结果将为木材加工领域中65Mn钢材的改性工作提供新的研究视角和理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料

本次试验所采用的65Mn钢的化学成分见表1。

1.2 试验制备

通过原料熔炼→浇筑试棒→锻造加工→热处理获得改性65Mn钢，并将改性后的65Mn和未改性的65Mn进行性能检测。

经过改性后的4种试验材料钢（0.3Ni、0.5Ni、0.7Ni、0.9Ni代表材料钢中Ni的质量分数为0.3、0.5、0.7、0.9）的化学成分见表2。

1.3 测试与表征

1.3.1 金相组织观察及扫描电镜与能谱分析

首先，从每种试验材料中截取2个边长为10 mm的正方体样本。接着，利用PG-2B型抛光机对这些样本进行打磨和抛光处理。随后，对其中一个样本使用JSM-IT500LA型扫描电子显微镜进行观察，并借助能谱仪（energy dispersive spectrometer，EDS）来确定样品微区域的化学成分。对于另一个样本，先用配制好的腐蚀液进行表面形貌腐蚀，然后通过Leica DMI3000光学显微镜观察其金相组织。

1.3.2 显微硬度

本次试验采用HXD-1000TMC 型显微硬度计对试验样品进行测试，测定过程中取载荷为0.49 N，保压15 s，每个测试样品取3个不同位置的点进行测量，并计算其平均值。

1.3.3 夏比冲击韧性试验

根据新修订的GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》进行20 ℃冲击试验，冲击试验试样缺口角度为45 ℃、半径0.25 mm的V形缺口。

1.3.4 拉伸试验

按照国家标准GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验》，使用NSTRON电子拉伸试验机（1195型）对试验材料进行常温力学性能测试；使用INSTRON动静态材料试验机（1342型）对试验材料进行高温力学性能测试。

2 结果与讨论

2.1 金相组织观察

图1展示了不同Ni质量分数的65Mn钢的显微组织图像。作为对照组的65Mn钢，其组织结构为回火马氏体与回火屈氏体的混合。经过Ni元素改性后，4种试验材料的组织结构转变为回火马氏体与淬火马氏体的混合。在图1（b）—图1（d）中，可以明显看到材料组织中出现了黑色的板条状结构，这是由于部分针状马氏体转变为板条状马氏体所致^［27］。淬火马氏体主要呈现为白色针状，表明部分淬火马氏体已经转变为回火马氏体。观察其他经过改性的试验材料，也呈现出类似的转变现象，尽管转变的程度各有不同。此外，未经过改性的试验材料形成的回火屈氏体组织相对稳定，导致其硬度高于经过改性的试验材料。进一步观察发现，随着Ni元素添加量的增加，试验材料的晶粒逐渐细化。这一现象的原因在于，随着Ni元素的增加，α相逐渐细化，从而增强了材料的硬度和强度。由于Ni元素能够提高材料的渗透性，因此随着改性元素质量分数的增加，试验材料的金相组织中马氏体和奥氏体的比例也相应增加。

2.2 扫描电镜及能谱分析

图2展示了试验材料的显微组织SEM图像。在图2（a）中，可以清晰地看到未经改性的试验材料组织呈现出回火屈氏体的特征。图2（b）—图2（e）揭示了试验材料组织为回火马氏体与淬火马氏体的混合形态；特别对于添加了质量分数为0.3%的Ni试验材料中，存在大量白色针状的淬火马氏体。由于淬火马氏体的硬度高而脆性大，这导致了试验材料硬度的提升，但韧性降低。随着Ni元素质量分数的增加，淬火马氏体的体积比例逐渐减少，而回火马氏体的体积比例则相应增加。回火马氏体以其卓越的韧性和耐磨性，使得材料整体展现出较高的韧性和一定的脆性^［28-29］。然而，当Ni元素的添加量增至质量分数为0.9%（图2（e））时，在淬火过程中，部分奥氏体未能完全转变为马氏体，导致残余奥氏体的形成。这些残余奥氏体的存在可能会对材料的力学性能提升产生不利影响。

图3为0.3Ni试验材料的EDS面扫结果。由图3可以观察到所有元素分布均匀，这表明试样制备组织均匀，无明显成分偏析。

2.3 硬度测试和冲击韧性试验

由图4可知，随着Ni元素质量分数的增加，试验材料的硬度呈现出先升高后降低的趋势。分析其原因，通过观察金相组织的试验可以发现，65Mn试验材料的组织为回火屈氏体，而改性材料的组织则为淬火马氏体与回火马氏体的混合体，且这2种马氏体的分布量存在差异。回火马氏体的硬度高于淬火马氏体，而淬火马氏体的硬度又高于回火屈氏体，因此未改性的试验材料硬度处于两者之间。在4种改性材料中，随着Ni元素质量分数的增加，试验材料的组织经历了细晶强化，晶粒变得更加细小，从而导致材料硬度的提升。此外，Ni元素的添加使得回火马氏体的体积分数逐渐增加，进一步增强了材料的硬度。因此，在Ni元素质量分数不超过0.7%时，试验材料的硬度随着Ni元素质量分数的增加而增强。然而，随着回火马氏体的增加，残余奥氏体的含量也在不断上升。在0.9Ni的试验材料中，残余奥氏体对硬度的影响变得尤为显著，导致硬度相比0.7Ni的试验材料有所下降。综合来看，在改性试验材料中，0.7Ni试验材料的硬度最高，与未改性的试验材料相比，硬度提升了10.18%。

由图5可知，随着Ni元素质量分数的增加，试验材料的冲击韧性值呈现出先增加后减少的趋势。这一现象可归因于未改性的65Mn试验材料中，其组织主要为相对稳定的回火屈氏体，赋予了材料良好的韧性。在4种经过改性的试验材料中，Ni元素能够稳定回火马氏体和残余奥氏体。因此，试验材料组织中的回火马氏体和残余奥氏体与Ni元素质量分数呈正相关关系，其冲击韧性受到这2种组织的共同影响。回火马氏体以硬度高和脆性大为特点，而残余奥氏体则以柔软和韧性好为特征，这导致了图5中的冲击韧性变化趋势。总结来说，在这 4种改性试验材料中，当Ni元素质量分数达到0.7%时，材料的冲击韧性值达到峰值，为9.68 J/cm²。

2.4 拉伸试验

2.4.1 室温拉伸

图6展示了各项试验材料的拉伸数据。

通常而言，金属材料在室温下的拉伸性能主要受其组织结构的影响。以本次试验中未经改性的65Mn材料为例，其回火态组织为贝氏体，展现出卓越的强度与塑性的平衡^［30］，因此具备了优异的拉伸强度和良好的延伸率。通过分析图6中的数据，可以观察到试验材料的强度变化趋势与其硬度变化趋势相似。

例如，在图6（a）中，随着Ni元素质量分数的提升，试验材料的抗拉强度先是上升，随后略有下降。这一现象的原因在于，随着改性材料质量分数的增加，试验材料的组织逐渐转变为回火马氏体和淬火马氏体的混合相，同时伴随着晶粒的细化，从而使得材料的硬度和强度均得到增强。然而，当Ni元素质量分数过高时，组织中残余奥氏体的量也随之增加，这导致了拉伸强度的轻微下降。

由图6（b）和图6（c）可以看出，断后延伸率和断面收缩率起初随着Ni质量分数的增加而上升，但随后趋于稳定。这表明，随着强度的提高，这2个指标呈现出下降的趋势。

综合以上数据可以得出结论：在Ni元素添加量为0.7%的试验材料中，相较于未经改性的65Mn试验材料，不仅保持了良好的强度与塑性匹配，而且在强度和延伸率方面均有所提升。

2.4.2 高温拉伸

使用INSTRON动静态材料试验机按照预先设定好的步骤进行试验测试，测试所得的试验数据如图7所示。

由图7可知，3种试验温度所测试的数据结果表现出相同的变化趋势，即随着改性元素量的增加，抗拉强度呈现先降低再上升的趋势，塑性指标则呈现相反的变化趋势。其原因还是由于试验材料组织构造成分的不同，与常温拉伸试验原理相同。

观察所有图片可以得知，0.7Ni试验材料性能最为优异，既有良好的强塑性，同时也有着更高的强度和延伸率。

3 结论

1）改性元素添加量对材料组织构造的影响。通过金相组织观察试验可以得知，Ni元素的添加对于试验材料回火后的组织发生了较大的改变。未改性的原材料其回火后的组织为回火屈氏体，改性后的试验材料回火后的组织为淬火马氏体加回火马氏体的混合体。同时随着Ni元素的增加，组织中回火马氏体的量增多，且会出现残余奥氏体。

2）改性元素添加量对材料硬度和冲击韧性的影响。在相同的热处理工艺条件下，在改性后的试验材料中，当Ni元素质量分数为0.7%时，材料的硬度最高且较未改性的试验材料有明显提升，增幅为10.18%，同时冲击韧性降低幅度最小。

3）改性元素添加量对材料拉伸试验的影响。在相同热处理工艺条件下，随着Ni元素添加量的

提升，试验材料的屈服极限和抗拉强度呈现先增 加再略微降低的变化规律。其中当Ni元素添加量为0.7%时，试验材料可以兼顾强度与塑性、硬度与韧性。

综上所述，Ni元素的添加可以改变试验材料的组织构造，并改善材料硬度、冲击韧性和拉伸性能，其中，当Ni元素质量分数为0.7%时，试验材料综合性能最好。

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基金资助

广西林业科技推广示范项目(2024GXLK23)