9SiCr淬火裂紋原因分析及解決辦法

齊 銳，王德勇，盧秉軍

（本鋼板材股份有限公司技術(shù)研究院， 遼寧 本溪 117000）

9SiCr是一種良好的工模具材料，其具有優(yōu)良的回火穩(wěn)定性和淬透性，具有高耐磨性、尺寸穩(wěn)定性和高硬度，在經(jīng)過淬火和低溫回火后就可以獲得較高的強(qiáng)度和硬度[1]?？捎糜谥圃旄鞣N形狀復(fù)雜、耐磨性高、低速切削的工具，也常用來制造拉刀、長絲錐等刃具、量具和冷作模具[2]。雖然9SiCr應(yīng)用范圍廣，性能優(yōu)良，但9SiCr由于含碳量較高，因此其脆性也較大，在使用加工過程中處理不當(dāng)就會(huì)產(chǎn)生各種各樣的加工缺陷，如裂紋、崩刃等等。這些問題產(chǎn)生的原因有多種，有可能是原材料本身所帶來的缺陷，也有可能是在后續(xù)的加工熱處理過程操作不當(dāng)所引起的問題。此次針對某用戶在使用鋼材9SiCr用于緊固件的生產(chǎn)過程中在淬火階段所產(chǎn)生的裂紋缺陷，對有缺陷試樣做了細(xì)致的檢測與分析，最后通過分析和研究，提出了產(chǎn)生缺陷的原因并提出了針對工藝的優(yōu)化和改進(jìn)意見，最終改善了9SiCr鋼的質(zhì)量，有效的控制了淬火裂紋的產(chǎn)生。

1 裂紋試樣表征及結(jié)果

為了分析淬火裂紋產(chǎn)生的原因，對經(jīng)過淬火產(chǎn)生裂紋的已加工成半成品的9SiCr緊固件進(jìn)行了取樣，如圖1標(biāo)示位置所示，并做了測試與表征。

圖1 9SiCr裂紋鋼件

1.1 化學(xué)成分

對所取試樣的化學(xué)成分進(jìn)行了表征，結(jié)果見表1。可以看出斷裂試樣化學(xué)成分值都在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 9SiCr裂紋試樣化學(xué)成分 %

1.2 硬度值

對所取試樣隨機(jī)選取了表面的4個(gè)點(diǎn)做了硬度值的檢測，結(jié)果列于表2中?？梢钥闯鲇捕戎挡痪鶆颍^為離散，可能是試樣淬火時(shí)不均勻或是材料本身的某種缺陷，如偏析或是鋼材退火時(shí)不均勻造成的。

表2 裂紋試樣硬度值

1.3 金相組織及形貌

1.3.1 裂紋處顯微組織

裂紋處的顯微組織如下頁圖2所示，從圖2中可以看出，裂紋部位的顯微組織是馬氏體和少量殘余奧氏體，是9SiCr典型的淬火組織。從圖中還可以看出裂紋的兩邊緣和基體組織一樣，并沒有發(fā)生脫碳現(xiàn)象，說明在加熱過程中裂紋是不存在的，裂紋延展曲折，沿晶界分布，說明是在冷卻過程中形成的。

圖2 裂紋部位顯微組織

1.3.2 裂紋處形貌及夾雜物

裂紋處的形貌如下頁圖3所示，從圖3-2中所標(biāo)示的位置可以看出是存在夾雜物的，由此推斷裂紋處也有可能存在夾雜物。

圖3 裂紋部位形貌

2 原因分析及改進(jìn)措施和效果

2.1 原因分析

淬火裂紋產(chǎn)生的根本原因是熱處理過程中所引發(fā)的應(yīng)力，當(dāng)這種應(yīng)力大于金屬零件的極限強(qiáng)度時(shí)就會(huì)引起金屬零件的缺陷與失效。在淬火過程中，由于加熱、冷卻和相變等拘束作用，就會(huì)在金屬零件各部位產(chǎn)生不同的應(yīng)力場[3]，產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力主要有熱應(yīng)力與組織應(yīng)力。

熱應(yīng)力是淬火過程中普遍存在的一種應(yīng)力，是表層和心部溫度差引起的金屬零件體積變化不均勻而引起的。在淬火加熱的過程中，表層的升溫速度要比心部快，這樣表層的膨脹速率就比心部快，因此心部就產(chǎn)生拉應(yīng)力，表層就產(chǎn)生壓應(yīng)力。在淬火降溫的過程中則相反，表層的降溫速度要比心部快，因此就在心部產(chǎn)生壓應(yīng)力，在表層產(chǎn)生拉應(yīng)力。

組織應(yīng)力是淬火過程中另一個(gè)重要應(yīng)力，9SiCr在冷卻的最終階段Ms點(diǎn)以下會(huì)發(fā)生馬氏體相變，馬氏體的體積要大于相對應(yīng)的奧氏體的體積[4]，這樣就在整個(gè)鋼件內(nèi)形成由馬氏體相變區(qū)與未發(fā)生相變的區(qū)域相互擠壓形成的內(nèi)應(yīng)力，而且其危害性要超過熱應(yīng)力。

以上所論述的是形成淬火裂紋的根本原因，但鋼件在淬火過程中產(chǎn)生應(yīng)力并不一定產(chǎn)生淬火裂紋，產(chǎn)生裂紋還有一個(gè)必要因素是原材料本身帶有的某些缺陷，如夾雜物、微裂紋和原始組織不均勻等等。只有在這些缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中才會(huì)導(dǎo)致淬火裂紋的產(chǎn)生。

從前面對9SiCr鋼件分析表征的結(jié)果可以看到，9SiCr的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)值的要求，可見淬火裂紋并不是由于成分不符合要求引起。由圖2的顯微組織照片可以確定9SiCr鋼件的的裂紋是在淬火的冷卻階段形成的，并且原始材料中并不存在明顯的宏觀裂紋。由圖3-2的形貌照片所標(biāo)示的位置可以看到9SiCr鋼件中是存在有夾雜物的，所以很有可能夾雜物所在的位置就是淬火裂紋的裂紋源，在淬火應(yīng)力的作用下導(dǎo)致擴(kuò)展成裂紋。

此9SiCr鋼材是要求以退火狀態(tài)交貨的，要求退火后是均勻的球化組織，因?yàn)榍驙钐蓟锉容^穩(wěn)定，可以緩解奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，減弱產(chǎn)生裂紋的傾向[5]。從前面表2的數(shù)值可以看出經(jīng)淬火后9SiCr鋼件表面的硬度是不均勻的，首先可以排除淬火工藝不合理的因素，則很有可能就是鋼材的退火不均導(dǎo)致的鋼材退火組織不均勻，也就是鋼材的交貨狀態(tài)不是均勻的球化組織，這樣不均勻的組織之間就成為了淬火裂紋的裂紋源。

綜上所述，9SiCr鋼件在淬火過程中所產(chǎn)生裂紋是由鋼材中存在夾雜物和球化退火不均勻所導(dǎo)致鋼材存在的內(nèi)應(yīng)力，在與淬火過程中的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的。

2.2 改進(jìn)措施及效果

為了預(yù)防與減少裂紋的產(chǎn)生，生產(chǎn)中采取了如下措施：

1）冶煉過程加強(qiáng)過程脫氧，有效靜吹氬保證成分溫度均勻，嚴(yán)格按工藝規(guī)程執(zhí)行吊包溫度。

2）澆注過程嚴(yán)格控制鑄溫、鑄速，鋼錠模清理干凈。

3）嚴(yán)格按均熱工藝執(zhí)行加熱，保證鋼錠透燒溫度均勻化，嚴(yán)格控制加熱溫度及高溫停留時(shí)間，防止出現(xiàn)過熱、過燒現(xiàn)象。

4）軋制過程嚴(yán)格檢驗(yàn)把關(guān)，保證此鋼表面質(zhì)量。

5）嚴(yán)格按退火工藝執(zhí)行，確保爐內(nèi)溫度均勻，為防止硬度不均勻，溫度達(dá)到650℃時(shí)關(guān)閉燒嘴隨爐冷卻1 h后出爐。

經(jīng)過以上改進(jìn)措施后所生產(chǎn)的鋼材在取樣后所做的淬火試驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)有開裂現(xiàn)象，而且從客戶處得到的反饋也表示淬火過程中沒有產(chǎn)生淬裂，說明以上改進(jìn)措施是合理有效的。

3 結(jié)論

1）分析結(jié)果表明，9SiCr鋼件在淬火過程中所產(chǎn)生裂紋是由鋼材中存在夾雜物和球化退火不均勻所導(dǎo)致鋼材存在內(nèi)應(yīng)力，在與淬火過程中的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的。

2）采用強(qiáng)化脫氧，擋渣出鋼，嚴(yán)格控制冶煉、澆鑄過程中內(nèi)生及外來夾雜物；嚴(yán)格執(zhí)行退火工藝操作，確保爐內(nèi)溫度均勻，保證良好的球化退火組織，改善鋼材質(zhì)量，能夠有效的減少淬火裂紋的產(chǎn)生。