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      材料基礎不牢地動山搖,16個工具材料缺陷分析實例

      發布日期:2021-04-07 浏覽次數:109

      材料是制造高壽命工具的基礎,在實際生産中,經常碰到各種形式的材料缺陷,現展示給同仁,期望大家重視原材料,以下分16個實例說明。

      1. 原材料疏松

      鋼材經酸蝕試驗,發現試樣表面部分區域組織不致密,出現一些肉眼可見的空隙,這些空隙呈現腐蝕程度較其他部分顔色深淺不規則的暗黑小點,稱爲疏松。如疏松集中于試樣的中心部分,稱爲中心疏松;如果疏松較均勻地分布于試樣的表面,稱爲一般疏松。GB/T9943—2008《高速工具鋼》和GB/T1299—2014《工模具鋼》都對鋼材疏松有明確的規定,但常有超標供貨。

      疏松對鋼材強度有很大影響,主要危害表現如下:

      (1)疏松使鋼材的強度顯著降低,在鍛造等熱加工過程中易開裂,熱處理時也極易在疏松處形成裂紋。

      (2)由于材料存在疏松,制成的工具極易造成磨損及表面不光潔。

      正因为疏松对钢材的性能有一定的影响,所以工具用钢对允许的疏松级别有严格的要求。图1、图2为φ90mm W18Cr4V(以下简称W18)钢原材料及锻造疏松、疏松致裂形态(1:1HCl水溶液热浸蚀),图3为W18Cr4V钢制槽铣刀因疏松严重热处理致裂的图片(1:1HCl水溶液热浸蚀)。






      2. 缩孔残余

      钢锭在浇注时,由于钢液在冷凝过程中收缩于中心部分形成管状的孔洞,称为缩孔。缩孔一般位于钢锭头部的冒口附近,在开坯成材时应加以切除,未能完全切除而剩余部分称为缩孔残余。按理讲,应该将缩孔完全切除,但钢厂往往追求成材率而留下残余,给后续工序留下不可挽回的灾难。图4为φ70mm W18钢缩孔残余及严重的疏松图片(1:1HCl水溶液热浸蚀),图5为φ70mm W18钢缩孔残余经轧制后形成的裂纹(1:1HCl水溶液热浸蚀)。前几年某公司在锯切φ75mm M2钢时,发现也有缩孔残余。





      3. 表面裂纹

      高速鋼原材料表面發現縱向裂紋非常普遍。産生的原因大概有如下4個方面:

      (1)鋼材熱軋時,由于表面裂紋未徹底清除,或由于表面被模孔劃傷,冷卻過程中造成應力集中,沿劃傷線引起開裂。

      (2)熱軋時,由于模孔不良或進給量大而造成折疊,在後續的加工過程中會沿折疊線産生開裂。

      (3)熱軋時由于停軋溫度過低,或因冷卻速度太快致裂。

      (4)某公司寒冷的冬季軋制的W18鋼13mm×4.5mm扁鋼,常發現表面裂紋,說明裂紋也有氣候效應,而同鋼號、同規格其他時間軋制時則無裂紋。

      图6为φ30mm W18钢表面裂纹(1:1HCl水溶液热浸蚀),深度达6mm。


      4. 原材料中心裂纹

      高速钢在热轧过程中,由于变形量过大,中心温度不降反升,在热应力作用下,造成材料中心开裂。图7为φ35mm W18钢中心开裂的图片(1:1HCl水溶液热浸蚀)。某工具厂在锯切高速钢原材料时,常见中心裂纹。此裂纹害死人,看不见摸不着,只有探伤才见庐山真面目。




      5. 偏析

      合金在凝固過程中形成的化學成分不均勻現象叫偏析,特別是碳和鋼中雜質分布不均勻,會對鋼的性能産生很大影響。偏析可分爲:①枝晶偏析。②密度偏析:合金中組成相的密度相差懸殊,在凝固過程中,重者下沈,輕者上浮。③區域偏析:由鑄錠或鑄件中雜質的局部聚集所引起。

      圖8爲W18鋼淬火後的金相試樣(4%HNO3酒精溶液浸蝕),發現有十字形圖樣,經化學成分分析,基體部分含碳量較低,十字形部位含碳量較高。所以認爲十字形是一種化學成分不均勻,是由于碳和合金成分的偏析而造成的方形偏析,經軋制後形成十字形狀。




      若有嚴重的區域偏析,將使鋼的強度降低,在熱加工時易在偏析處開裂。

      6. 碳化物不均匀度

      高速鋼中共晶碳化物在熱壓力加工中被破碎的程度稱之爲碳化物不均勻度。變形量越大,碳化物的破碎程度越高,碳化物不均勻度級別越低。當鋼中的碳化物嚴重時,如粗帶狀、網狀、大塊碳化物堆積時,對鋼的質量有較大的影響,所以對它進行嚴格的控制,是確保高速鋼刀具質量的必要條件。

      圖9是碳化物不均勻度對W18鋼抗彎強度的影響。由圖可知,不均勻度7~8級的抗彎強度僅爲1~2級鋼的40%~50%,降到1200~1500MPa,僅相當硬質合金中韌性較高牌號的水平;橫向性能爲縱向性能的85%左右。碳化物集中、帶狀分布還會使淬火晶粒不均、碳化物溶解不勻,前者致使過熱傾向加劇,後者使二次硬化能力下降。


      嚴重的碳化物不均勻性,容易造成熱加工過程中開裂、過熱,並使制成的工具在使用中崩刃。圖10爲W18鋼粗帶狀碳化物淬火開裂(4%HNO3酒精溶液浸蝕)。




      7. 网状碳化物

      鋼材在熱軋或退火時,因加熱溫度過高,保溫時間過長,引起晶粒長大,並在緩慢冷卻過程中碳化物沿晶界析出,形成網狀碳化物。

      網狀碳化物使刀具脆性大增,易出現崩刃現象,一般鋼材中不允許有完整的網狀碳化物存在。網狀碳化物的檢查,應在淬火、回火後進行。

      圖11爲T12A鋼網狀碳化物(4%HNO3酒精溶液浸蝕),圖12爲9SiCr鋼網狀碳化物形態(4%HNO3酒精溶液浸蝕),可見退火中嚴重過熱。



      8. 碳化物硬块

      有一些工具廠在進行高速鋼車削或銑削時,刀具會遇到堅硬的物質而損壞。一般在車削時往往由于切削速度快及噪聲較大,這種缺陷不易被發現,但在銑削時,就可能觀察到硬塊作怪的亂象:例如麻花鑽銑槽時,發現銑刀服役到某一位置不能繼續加工,産生尖叫的聲音及使刀具嚴重燒損。人們把這種材料剖開檢查,發現有肉眼可見的亮塊,經過硬度試驗,這種亮塊硬度極高,竟然達到1225HV,而非硬塊區爲正常的退火狀態。我們把它稱之爲“硬塊”。由于硬塊的存在,造成刀具的損壞及切削困難。

      硬塊的産生,估計是在冶煉過程中化學成分的偏析所致,硬塊的本身可能是一種高硬度的複合碳化物,或是由于冶煉過程中加入難熔合金塊未被熔化而保存于鋼中。

      圖13爲W18鋼硬塊低倍組織的照片(4%HNO3酒精溶液浸蝕),圖中白色的爲硬塊、灰黑爲鑽頭槽部。




      9. 夹杂物

      夾雜物是鋼中常見的一種缺陷,依其性質可分爲金屬夾雜物和非金屬夾雜物。金屬夾雜物是由于冶煉過程中鐵合金未充分熔化,或由于澆注過程中流入的外來金屬異物保留于鋼錠中而形成。

      非金屬夾雜物的形成可能有兩種:①外來夾雜物——主要是澆注系統不清潔;設備上的耐火泥剝落;所用爐料不純潔等。②由于冶煉過程化學反應所産生和析出的産物。

      圖14爲W18鋼中發現的金屬夾雜物的照片,圖15爲非金屬夾雜物在淬火時引起開裂的照片(4%HNO3酒精溶液浸蝕)。



      業已查明,夾雜物對鋼的質量危害很大,它將鋼的基體起分割,降低了鋼的塑性和強度,使鋼在軋制、鍛造、熱處理時易在夾雜物處形成裂紋。夾雜物也會導致鋼的疲勞和造成切削及磨削困難,所以工具鋼對夾雜物應有一定的要求。

      10. 大块碳化物

      鋼材冶煉過程中,由于成分偏析,使碳化物分布不均勻,或鐵合金中含有碳化物沒有完全熔解而造成大塊棱角狀碳化物,經鍛軋又未被擊碎而保存下來。

      大塊碳化物的存在,將造成工具脆性增大,容易産生崩刃現象。在熱處理過程中,由于大塊碳化物及合金元素的富集,易産生過熱、回火不足甚至沿晶界開裂等缺陷。

      圖16爲大塊碳化物周邊成分偏析造成淬火過熱的圖片(4%HNO3酒精溶液浸蝕)。




      11. 碳化物液析

      液體金屬在凝固過程中,由于碳和合金元素的偏析,冷卻時使偏析處在液體中析出大塊碳化物,在隨後的正常加工中不易被消除,它以大塊碳化物帶狀形式沿著鋼的軋制方向存在于鋼材中。這種偏析稱爲液析。圖17爲CrMn液析圖片(4%HNO3酒精溶液浸蝕)。





      有液析的鋼脆性很大,金屬連續的基體被切割,強度下降。以前在CrWMn、CrMn鋼中常見液析,如果用它們來制造量具,很難獲得光潔的表面。

      12. 石墨碳

      由于退火溫度過高,保溫時間又長,使鋼材在漫長的緩冷過程中,碳化物易分解成遊離碳即石墨。圖18爲T12A鋼石墨碳組織(4%苦味酸酒精溶液浸蝕)。


      石墨碳的析出,使鋼的強度和耐磨性大大降低,這種材料不宜制造刀具及重要零部件。石墨碳嚴重的鋼材,斷口呈黑色。石墨含量可以用化學分析作定性及定量測定,其形狀及分布可用金相法進行觀察,在石墨周圍會出現較多的鐵素體組織。

      13. 混料及成分不合格

      工模具制造企業混料是常態,屬管理之過,是一種低級缺陷。混料包括三方面:混鋼號、混規格、混爐號,特別是混爐號非常普遍,給熱處理造成不少“冤假錯案”,也沒有地方申訴。

      工具材料成分不合格時有發生,有些高速鋼成分不符合GB/T9943—2008《高速工具鋼》標准,特別是碳,不是高就是低。W6Mo5Cr4V2Co5屬HSS-E類,因C含量低于標准下限,經熱處理後硬度達不到67HRC,還叫什麽高性能高速鋼?既然屬HSS-E類,鋼廠必須保證該鋼能達到67HRC以上,至于刀具用不用如此高的硬度,是工具廠內部的事,跟鋼廠無關,但達不到67HRC就是鋼廠的失誤。模具鋼成分不合格的情況也不少,糾紛不斷。

      14. 原材料脱碳

      國家對鋼材脫碳層都有標准,但鋼材供應商往往還會將脫碳超標的材料供貨,使工具廠蒙受很大的經濟損失。

      具有脫碳層的材料,淬火後工具表面硬度降低、耐磨性差,所以鋼材的脫碳層必須在機加工過程中全部切除,否則將帶來一系列的質量隱患。圖19爲W18鋼原材料脫碳形貌(4%HNO3酒精溶液浸蝕),脫碳區爲針狀回火馬氏體,非脫碳區爲淬火馬氏體+碳化物+殘留奧氏體。圖20爲M2鋼脫碳。圖21爲T12鋼脫碳(4%HNO3酒精溶液浸蝕),全脫碳層爲鐵素體,過渡區爲貧碳回火馬氏體,無脫碳區爲回火馬氏體+碳化物。





      15. W18钢没有明显的热处理效应

      我們選取某公司的W18鋼13mm×4.5mm扁鋼,用1210℃、1230℃、1270℃三種溫度鹽浴淬火,加熱時間均爲200s,晶粒度都爲10.5級,如圖22所示,淬火後硬度都在65~65.5HRC,經550℃三次回火後硬度不升反而降低。這個問題非常奇怪,所以筆者把稱之爲“奇聞”。


      造成奇聞的根本是碳化物在戲弄我們,意思說碳化物在加熱時,它沒有溶入奧氏體,回火過程中也無析出,簡單地說叫進不去出不來,哪來的二次硬化?

      16. 表面质量

      表面缺陷肉眼可見,合同要定尺寸,實際供貨有長短尺寸不一,鋼材表面凹坑超薄、腐蝕麻點、圓度、馬蹄頭、鋼板不平度超標、厚薄不均勻等諸多表面缺陷。

      還有很多鋼材缺陷的實例,希望大家重視選好材料,材料是基礎,基礎不牢,地動山搖。差材料能制造出好工具嗎?當然不能!



      来源:《金属加工—热加工》2019 年第9期51~55页






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