熱處理冤假錯案

鄧振宇，趙步青，胡明，胡會峰，朱昌宏，蔣榮坤，劉小兵，朱建成

1.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司工具制造廠 遼寧沈陽 110045

2.安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司 安徽馬鞍山 243131

3.江蘇晶工工具有限公司 江蘇丹陽 212311

1 序言

對于任何一個(gè)單位，只要經(jīng)過熱處理，出一點(diǎn)質(zhì)量問題實(shí)屬難免，缺陷分析應(yīng)該實(shí)事求是，但現(xiàn)實(shí)很不公平，沒有人給我們熱處理人當(dāng)裁判，只要出現(xiàn)質(zhì)量問題，總有人對你說三道四。積累了不少冤假錯案，也許一輩子也不會“平反昭雪”。以下從設(shè)計(jì)、材料、鍛造、磨削4個(gè)方面闡述對熱處理的傷害，不妥之處請批評指正。

2 設(shè)計(jì)不良造成的熱處理廢品

機(jī)械設(shè)計(jì)師應(yīng)該懂一點(diǎn)熱處理，但現(xiàn)實(shí)中由于設(shè)計(jì)不良而導(dǎo)致刀具、模具、量具等熱處理開裂比比皆是。由于重冷輕熱傳統(tǒng)觀念的影響，只要在熱處理中開裂的，罪過總是熱處理的。

先以模具設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)不僅要結(jié)構(gòu)合理，還應(yīng)根據(jù)模具的服役條件和受力狀態(tài)選擇材料，制定合理的熱加工工藝，以達(dá)到希望的硬度值和力學(xué)性能。此外，還要對鋼材料的纖維取向、模具的幾何形狀變化、圓角曲率半徑的大小給予周全的考慮，有必要還要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)踐驗(yàn)證。當(dāng)前模具設(shè)計(jì)對熱處理的危害主要表現(xiàn)在：模具結(jié)構(gòu)不盡合理（截面尺寸不均、多處不是圓角過渡）；硬度要求不甚合理；選材錯誤，比如用40Cr制作的工模具，尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其臨界淬火直徑，油淬不硬，水淬易裂。

刀具設(shè)計(jì)也有不合理的地方，比如用M42之類的高性能高速鋼，動輒要求67～69HRC的高硬度，造成刀具早期脆斷，有的根本就不能使用。我們要以現(xiàn)實(shí)為鏡，不能盲目追求高硬度，超硬高速鋼也不能超硬度。根據(jù)我們多年的經(jīng)驗(yàn)，M42之類的高性能高速鋼制刀具，根據(jù)不同產(chǎn)品，將硬度控制在66～67.5HRC較妥。

3 原材料不良導(dǎo)致熱處理失誤[1]

材料是基礎(chǔ)，基礎(chǔ)不牢地動山搖。原材料不良主要體現(xiàn)在以下10個(gè)方面。

（1）網(wǎng)狀碳化物 當(dāng)模具鋼存在嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物時(shí)，使脆化增加，在沖切過程中易在應(yīng)力集中部位形成微裂紋，隨著沖切次數(shù)的增加，微裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂，如圖1所示。

圖1 T12鋼網(wǎng)狀碳化物（500×）

（2）帶狀組織 當(dāng)原材料存在帶狀組織時(shí)，淬火組織也呈帶狀。這種組織不均勻狀態(tài)會導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力增加，嚴(yán)重降低工具的使用壽命。此外，球化退火不良或其他原因遺留的網(wǎng)狀、帶狀碳化物，也是工具早期脆裂的原因之一。

（3）碳化物偏析 高速鋼的碳化物偏析對刀具裂紋的形成傾向有很大的影響。研究表明，一旦碳化物偏析≥5級時(shí)，按正常的溫度淬火，形成裂紋的敏感度激增。這是因?yàn)殇撝械奶己秃辖鹪剌^集中的區(qū)域在一定程度上降低鋼的熔點(diǎn)，即使在正常的淬火溫度下，也易出現(xiàn)過熱和過燒組織。

（4）疏松 疏松是大規(guī)格材料常見的一種組織缺陷，它使鋼材料的強(qiáng)度下降，熱處理時(shí)易裂。

（5）表面裂紋 原材料的表面裂紋，在淬火前必須徹底清除，否則淬火后會進(jìn)一步擴(kuò)大。

（6）碳化物液析 鋼材在凝固過程中，由于碳和合金元素的偏析，冷卻時(shí)使偏析處——液體中析出大塊碳化物，在隨后的熱加工冷卻過程中不易被消除，它以大塊碳化物帶狀形式沿鋼的軋制方向存在于鋼材中，這種偏析稱為液析。液析使鋼的脆性增大，金屬基體被切割，淬火易裂。圖2為CrMn鋼碳化物液析照片。

圖2 CrMn鋼碳化物液析（500×）

（7）脫碳 脫碳不應(yīng)超過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且在淬火前要全部去除，如果有脫碳，由于相變的不一致性，易形成淬火開裂。

（8）夾雜物 夾雜物是鋼中常見的一種現(xiàn)象，依其性質(zhì)可分為金屬夾雜物和非金屬夾雜物。夾雜物對鋼的質(zhì)量危害極大，對鋼的基體起破壞分割作用，降低鋼的塑性和強(qiáng)度，使鋼在鍛造、熱處理時(shí)易在夾雜處形成裂紋。圖3為鋼中非金屬夾雜物圖片。

圖3 非金屬夾雜物（200×）

（9）成分配比不合理 此問題在其他鋼中影響不明顯，很少人去研究，但在高速鋼中就敏感多了。比如當(dāng)M2鋼的C含量在下限（0.80%），而V含量在上限（2.2%）時(shí)，致使鋼的碳飽和度低于0.76，淬火回火后硬度達(dá)64HRC都難，刀具性能差、壽命短。

（10）熱處理工藝性能差 近年來，常發(fā)現(xiàn)國內(nèi)某公司生產(chǎn)的W18鋼扁條，用1220～1270℃淬火，金相、硬度基本一致，沒有二次硬化效應(yīng)。淬火時(shí)碳化物溶不進(jìn)，回火時(shí)碳化物析不出，刀片質(zhì)量差，客戶反映不佳。

4 鍛造導(dǎo)致的熱處理失誤

鍛造與熱處理的關(guān)系非常密切，它對熱處理的傷害主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

（1）鍛造裂紋 有些單位在鍛造薄片車?yán)稐l時(shí)，極易產(chǎn)生縱向表面裂紋，在淬火前若不能徹底清除，必會在淬火后重現(xiàn)且擴(kuò)大。圖4為高速鋼滾刀鍛造裂紋。

圖4 鍛造裂紋

（2）脫碳 手工自由鍛或在反射爐中加熱的高合金鋼鍛件，脫碳是肯定的，但退火要保護(hù)好，且在加熱前應(yīng)該徹底清除掉。事實(shí)上，有些單位為了節(jié)約貴重的原材料，使加熱前留有0.1～0.15mm的脫碳層，給熱處理帶來難題。

（3）萘斷口 我們曾發(fā)現(xiàn)φ200mm×3mm鍛件M2鋼制中齒鋸刀片銑刀，淬火金相檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)一邊有萘斷口，而對邊組織正常，萘斷口形貌如圖5所示[2]。

圖5 萘斷口（500×）

5 磨削裂紋

滲碳鋼或高合金鋼件熱處理后一切正常，但在磨削表面出現(xiàn)垂直于磨削方向的龜裂，是典型的磨削裂紋，如圖6所示。只要回火充分，不過熱，熱處理無過失。

圖6 W18鋼麻花鉆磨削裂紋

6 結(jié)束語

從上述4種情況來看，設(shè)計(jì)、材料、鍛造、磨削等與熱處理關(guān)系密切。熱處理受制于人，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，熱處理即是罪人。應(yīng)該實(shí)事求是，找出真正原因，還熱處理一個(gè)清白，給熱處理一片沃土，讓其健康成長。