9CrSi 合金钢在钢丝钳钳口部位的热处理工艺与耐磨机制研究

引言：钳类工具广泛应用于电工、机械维修、家庭装配等多种场景，其使用寿命和性能稳定性在很大程度上取决于钳口部位的材料性能与处理工艺。目前工业上常用的钳口材料包括中碳合金钢、铬钒钢和高碳工具钢等，而 9CrSi 合金钢因其较高的 Cr 含量和适中的 C 含量，在兼顾淬透性与硬度的同时具有较强的耐磨性，尤其适用于高频剪切操作场景。钳口作为受力集中区域，热处理工艺对其性能起到决定性作用。若处理不当，易出现淬火裂纹、韧性不足或碳化物析出不均等问题，严重影响使用安全与寿命。因此，深入研究 9CrSi 钢在热处理过程中的组织演化规律与耐磨性能响应，对提升工具性能具有重要意义。

1.9CrSi 合金钢的成分与组织基础

9CrSi 为 高 碳 高 铬 合 金 工 具 钢， 标 准 化 学 成 分 范 围 为：C0.85%～0.95% ， Cr2.00%～2.50% ，Si 0.50%～1.00% ，Mn、Ni、P、S 等 为杂质元素。其典型组织特征是在调质状态下形成细条状马氏体与均匀分布的 M7C3 型碳化铬颗粒，Si 元素有助于碳化物析出细化，而高 Cr 含量赋予其较高的二次硬化能力与红硬性。不同于低合金钢，9CrSi 钢具有更强的抗氧化能力和热疲劳性能，在高频交变载荷下仍能维持稳定性。

2. 热处理工艺路径设计与比较

2.1 淬火温度对组织与性能的影响

实验设定 9CrSi 钢试样分别在 1000^∘ C、 1020^∘ C、 1040^∘ C 和1060^∘ C 下进行油冷淬火处理。结果显示，随淬火温度升高，奥氏体晶粒明显粗化，过高温度（ >1040^∘ C）下形成粗大碳化物团聚，降低冲击韧性。最佳淬火温度控制在 10201040^∘ C，可获得细化马氏体 + 弥散碳化物的稳定组织，硬度可达 6163HRC 除此之外，淬火冷却介质的选择对组织形成亦有重要影响，油冷相较水冷可更好控制淬火应力，减少裂纹风险。

2.2 回火工艺调控韧性与稳定性

经淬火后分别实施 150^∘ C、 200^∘ C、 250^o C、 300^∘ C 和350^∘ C 保温 2h 的回火处理。 150^∘ ° C 以下为低温回火阶段，组织以回火马氏体为主，硬度变化不大但内应力较高。 300^∘ ° C 以上为中温回火，碳化物开始析出聚集，硬度下降明显。研究结果表明，最优回火温度在200～250^∘ C 范围，既能保留高硬度（ >60HRC ），又能降低内应力、避免早期微裂纹萌生。热分析结果也指出，在此温度区间内，碳化物主要以亚稳态M7C3 析出，未形成大尺寸脆性结构。

2.3 多次热处理提升耐磨性能

为进一步提升性能，探索两种复合热处理路径：（1）淬火 + 两次低温回火；（2）正火 + 淬火 + 回火。结果表明，两次回火可有效稳定组织、降低残余应力，使钳口部位表现出更高的疲劳抗裂性能。正火处理则有助于预细化晶粒、改善碳化物初始分布，为后续淬火提供良好组织基础。通过热处理模拟软件 JMatPro 对热循环过程进行模拟验证，进一步支持了实验所得组织状态的可重复性与稳定性。

3. 显微组织与耐磨机制分析

3.1 马氏体细化与硬度提升

光学金相与 SEM 分析显示，优化工艺处理后，9CrSi 钢形成以细条状马氏体为主、间夹少量细小碳化物的混合组织。马氏体板条宽度由原始状态的 1.5μm 细化至约 0.7μm ，提高位错密度，从而显著提升材料的硬度与强度。XRD 分析表明，该组织状态下残余奥氏体含量较低，有利于提升尺寸稳定性与磨损一致性。

3.2 碳化物分布与磨粒磨损特性

M7C3 型碳化物呈颗粒状弥散分布于晶界与晶内，有助于抵抗切削磨粒的划伤侵蚀，起到“硬质点”抗磨作用。硬度测试与磨损实验表明，经 200^∘ C 双回火处理后，材料在干摩擦条件下的磨损率降低约 28% ，磨痕宽度收窄，表面剥落明显减少，显示出良好的耐磨磨粒特征。此外，通过 EDS 分析，磨损区表面富 Cr 区域明显增多，说明碳化物在摩擦过程中对磨面硬化具有持续贡献。

3.3 微裂纹抑制与抗疲劳机制

重复剪切与夹持循环中，钳口常出现微裂纹萌生。9CrSi 钢通过优化热处理获得细化、均匀分布的马氏体和碳化物结构，显著延迟裂纹源形成与扩展。断口观察显示，经双回火处理后样品表现为韧窝型断口，微裂纹扩展路径受阻于弥散碳化物，有效提升了断裂韧性。进一步开展疲劳寿命测试发现，处理后样品在 10⁵ 次循环剪切下仍未出现显著裂纹扩展，较常规处理提高近 40% 的疲劳极限。

4. 工程应用性能与工艺建议

在工业生产应用中，采用 10201040^∘ C 油冷淬火 +200250^∘ C 低温回火的 9CrSi 热处理工艺，不仅可获得理想的硬度（62～64HRC）与耐磨性能，还可保持良好的尺寸稳定性与抗裂能力。建议对钳口工艺实现区域差异化处理：钳口部位强化淬火 + 回火，中部连接区适度回火以保韧性，尾部弹性区可采用调质处理以增强抗弯折性能，构建性能梯度型结构更能适应复杂载荷工况。同时，结合现代制造技术，可考虑应用激光表面淬火或感应淬火手段进一步提升表面耐磨性，配合深冷处理技术抑制残余奥氏体并提高尺寸精度，为产品提供更加可靠的服役保障。

结束语：

本研究系统探讨了 9CrSi 合金钢在钢丝钳钳口部位的热处理优化路径及其耐磨损机制。结果表明，合理的淬火 + 低温回火组合可获得细小马氏体与弥散碳化物复合结构，在维持高硬度的同时显著增强耐磨性与抗裂能力。未来可进一步开展等离子表面处理、激光淬火等新工艺探索，以及多轴载荷下的服役行为研究，为工具钢在高强剪切应用中的可靠性提升提供理论与实践支撑。

参考文献：

[1] 王跃军， 刘志峰. 工具钢热处理原理与工艺[M]. 北京： 机械工业出版社 ， 2019.

[2] GB/T 1299-2014 工具钢分类与技术条件 [S].

[3] 陈晓锋 ， 李刚 . 9CrSi 钢组织与耐磨性的热处理控制研究[J]. 材料热处理学报 ， 2021， 42（2）： 35–40.

[4] 刘超， 张晶. 不同热处理条件下9CrSi 钢的力学与断裂行为分析 [J]. 热加工工艺 ， 2022， 51（8）： 125–130.

[5] 周磊 . 钳类工具制造用钢的选择与处理技术 [J]. 机械设计与制造 ， 2020， 58（4）： 88–91.