9Mn2CrV磨具钢裂纹成因分析

牛云鹏++许光明++王浩宇++于振华

摘 要：为了探明淬火条件是否是9Mn2CrV磨具鋼材料形成裂纹的主要原因，实验得出形成裂纹的主要诱因有2个，材料内部存在着大量孔洞；在材料内部产生了局部部分脱碳现象。

关键词：磨具钢；裂纹；淬火；脱碳

中图分类号：S22 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170931024

1 材料的履历

材料名称：9Mn2CrV；

供货状态：轧制后750℃球化退火；

供货尺寸：65mm×250mm×6000mm；

供货批号：08203013085；

热处理加热方式：盐浴加热；

淬火温度：810℃；

淬火介质：德国好富顿K淬火油（HOUGHTO-QUENCH K）；

回火温度：180℃；

工件型号、图号和规格：MC593382、G103-302、65mm×250mm×2040mm；

发现裂纹的工况：2008年8月份始，曾多次观察到回火后的工件在磨削过程中材料中出现方向各异、长短不等的裂纹。

2 实验方法

A.晶相照片

实验装置：GPV-2A金相变频调速抛光机，Unimet union 8321显微镜；

研磨砂纸：400、600、800、1000、1500号水磨砂纸；

抛光膏粒度：1微米抛光膏；

蚀刻试剂：4%硝酸酒精，酒精纯度大于99%；

照片像素：1600×1200；

具体操作：将试样固定在试样夹中，观察面朝下；把试样放在玻璃板上（打磨面朝下），观察并调整试样与玻璃板之间保持水平。随后，用水磨砂纸打磨试样，按砂纸序号从400～1500由低到高逐次打磨，使表面达到用肉眼看不出磨痕，再用1μm的金刚石抛光膏在抛光布上抛光，直至细小磨痕全部抛掉；用酒精净化试样表面并热吹风吹干。试样制备完成后，首先在光学显微镜下进行观察，并拍摄相应特征部位的金相照片。之后，根据需求再用4%的硝酸酒精，蚀刻试样表面2s，并用酒精将试样表面擦洗干净，随后热吹风吹干，观察并拍摄试样蚀刻后的金相照片。

B.显微硬度

实验装置：HVS-5数显小负荷维氏显微硬度计；

载 荷：200gf；

加载时间：35s；

具体操作：拍过金相照片之后，为了确认裂纹表面是否出现脱碳现象，通过显微硬度测定进行了验证。在400倍显微镜下观察试样表面，确定打硬度部位，然后自动加载200gf保持35s，标定压痕对角线长度，打印出硬度值。一共测6点，紧靠裂纹处，离裂纹50μm和75μm处，离裂纹远处各2点，并比较各处硬度的高低。

3 实验数据

试样经过打磨、抛光之后，在100倍的显微镜下观察试样表面形貌，在同一视场内观察到了2条裂纹的尾部。如图1所示，可以看到2条裂纹尾部的轮廓均比较柔和且无规则，因此可以推断裂纹生成的主要原因不应当是淬火条件，这是因为由于淬火条件直接造成的裂纹其裂纹尾部的轮廓一般比较刚直并具有一定的规则。

图2和图3所示为在400倍下观察到的裂纹近旁不同部位出现的网点状氧化微观形貌，如图2、3所示，在裂纹内侧的不同部位均出现了程度不尽相同的网点状氧化组织，网点状组织数量不是太多说明其氧化程度尚轻。网点状氧化组织表明裂纹在淬火前已经存在于材料之中，后在淬火加热过程中发生高温氧化所致，因为经过较低温度回火处理的裂纹不会出现网点状氧化组织。另外，由图2、3还可看到，裂纹的形状是不规则的且裂纹中间还夹杂有许多白色物质。由此可以推断，裂纹主要不是淬火条件所致，因为由于淬火条件不当导致的裂纹其形状是规则的。

另外，在200倍下，通过显微镜在试样的不同部位观察到了材料中存在着呈线性分布的组织缺陷，其结果分别示于图4和图5。通过图4和图5，可以看到组织中呈线性分布的组织缺陷主要为大小不一且部分已经相互贯通的扁平状孔洞，这些孔洞具有线性呼应的趋势，如图中红线所示。可以推定，由于原材料中存在着杂质或缺陷，在试样抛光的过程中，其中的夹杂物被抛掉，从而形成孔洞。一般认为，这些组织缺陷是在轧制过程中由于轧制温度偏低所致。这些呈线性分布的组织缺陷在淬火过程中，由于热热胀的原因在缺陷尖端部位将会产生较大的张应力，在组织内部扩张，这是裂纹形成的主要诱因之一。

为了观察材料内部的微观组织和分布状态，利用4%硝酸酒精对试样进行了蚀刻，并在400倍下通过显微镜进行了观察，其结果分别示于图6和图7。从图6和图7可以看出，虽然试样的观察部位不同，但微观组织分布却类似，距裂纹较远处组织主要为回火马氏体+碳化物+残余奥氏体，在裂纹附近其组织主要为回火马氏体+残余奥氏体，碳化物存在较少，这说明裂纹附近存在脱碳现象。根据经验，由于脱碳层中含碳量降低，其淬火马氏体比其相邻的内层马氏体比容小，因而受拉应力。若属于完全脱碳，即表层变成了铁素体，它塑性好，易延伸变形，淬火时脱碳层铁素体不转变，它包裹着内部硬而脆的马氏体，尽管受拉应力，但能够变形松弛应力，故不易形成网状开裂。如果脱碳不彻底，即部分脱碳状态，脱碳层的含碳量仅比本体稍低，淬火时仍变为硬而脆的马氏体，且比容较主体小，将受到相当高的拉应力，因此就容易产生网状开裂。另外，在蚀刻后的样品中也观察到了局部孔洞，其形成机理应与前边的分析相同。

为进一步证实裂纹近旁出现了脱碳行为，利用维氏显微硬度计在裂纹一侧进行了硬度检测，其硬度测定结果示于表1，硬度压痕分别示于图8和图9。

参考表1和图8、图9可以看出，在裂纹近旁的1号和2号部位（如图8所示），其压痕（黑色菱形）较大，硬度值分别为Hv0.2475和Hv0.2488；在距离裂纹大约50μm和75μm处的3号和4号部位（如图8所示），其压痕较小，硬度值分别为Hv0.2625和Hv0.2622；在距离裂纹大约200μm以外的5号和6号部位（如图9所示），其压痕大小介于前两者之间，硬度值分别为Hv0.2520和Hv0.2539。根据以上分析可以发现裂纹近旁处的硬度较主体硬度低，而距裂纹50～75μm左右处的硬度较主体硬度高，这说明在裂纹边缘处存在着脱碳现象，而距裂纹50～75μm左右处的硬度值最大，是由于马氏体形成后其温度较高，过饱和固溶的碳进行了短距离的扩散，发生偏聚现象，使得该部位含碳量区域性增加，因此其硬度比主体硬度高。在金相图片8中，脱碳区显示较暗的颜色，图中的白亮点状物是碳化物，可以看出在紧靠裂纹边缘部位碳化物相对较少。

通过深度研磨后，在材料的另一层面上又观察到一条比较细小的裂纹，其金相照片如图10所示。通过图10可以看出，该裂纹尚未完全贯通，其轮廓走向比较柔和。这一结果说明，在材料的不同层面上均有可能存在着产生裂纹的诱因。

4 结论

测定分析结果显示，淬火条件不是该材料形成裂纹的主要原因，形成裂纹的主要诱因有2个，材料内部存在着大量孔洞；在材料内部产生了局部部分脱碳现象。由于样品中存在较多的杂质等组织缺陷，淬火时杂质挥发并形成孔洞，孔洞尖端部位受到较大的张应力，随着张应力的不断增加而形成裂纹并逐渐扩展致使短裂纹之间相互贯通；当材料内部存在局部部分脱碳时，脱碳层的含碳量仅比主体稍低，淬火时仍变为硬而脆的马氏体，且比容较主体小，将受到相当高的拉应力，因此就容易产生网状裂纹；通过观察可以确认，在材料的不同层面上均有可能存在着产生裂纹的诱因。

参考文献

[1] GB/T9943-1988，高速工具钢[S].

[2] GB/T14979-1994，钢的共晶碳化物不均匀度评定法[S].

[3]杨杰，祁宇翔.高速钢的成分及热处理特点分析[J].承德民族职业技术学院学报，2005（2）：86-88.

[4]李炯辉，林德成.金属材料金相图谱[M].北京：机械工业出版社，2006：91

[5]李建科，板胚表面裂痕的成因与控制[J].连铸，2005（1）：37-38.endprint