材料是制造高壽命工具的基礎，在實際生產中，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顏色深淺不規則的暗黑小點，稱為疏松。如疏松集中于試樣的中心部分，稱為中心疏松；如果疏松較均勻地分布于試樣的表面，稱為一般疏松。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。

 

正因為疏松對鋼材的性能有一定的影響，所以工具用鋼對允許的疏松級別有嚴格的要求。圖1、圖2為φ90mm W18Cr4V（以下簡稱W18）鋼原材料及鍛造疏松、疏松致裂形態（1:1HCl水溶液熱浸蝕），圖3為W18Cr4V鋼制槽銑刀因疏松嚴重熱處理致裂的圖片（1:1HCl水溶液熱浸蝕）。

 

 

圖1  中心疏松

 

 

圖2  中心疏松的鋼材在鍛打開坯時造成的裂紋

 

 

圖3  槽銑刀材料因疏松在熱處理時引起裂紋

 

2. 縮孔殘余

 

鋼錠在澆注時，由于鋼液在冷凝過程中收縮于中心部分形成管狀的孔洞，稱為縮孔。縮孔一般位于鋼錠頭部的冒口附近，在開坯成材時應加以切除，未能完全切除而剩余部分稱為縮孔殘余。按理講，應該將縮孔完全切除，但鋼廠往往追求成材率而留下殘余，給后續工序留下不可挽回的災難。圖4為φ70mm W18鋼縮孔殘余及嚴重的疏松圖片（1:1HCl水溶液熱浸蝕），圖5為φ70mm W18鋼縮孔殘余經軋制后形成的裂紋（1:1HCl水溶液熱浸蝕）。前幾年某公司在鋸切φ75mm M2鋼時，發現也有縮孔殘余。

 

 

圖4 

 

 

圖5 W18鋼縮孔致裂

 

3. 表面裂紋

 

高速鋼原材料表面發現縱向裂紋非常普遍。產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，在后續的加工過程中會沿折疊線產生開裂。

 

（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。

 

圖6為φ30mm W18鋼表面裂紋（1:1HCl水溶液熱浸蝕），深度達6mm。

 

 

圖6  表面裂紋

 

4. 原材料中心裂紋

 

高速鋼在熱軋過程中，由于變形量過大，中心溫度不降反升，在熱應力作用下，造成材料中心開裂。圖7為φ35mm W18鋼中心開裂的圖片（1:1HCl水溶液熱浸蝕）。某工具廠在鋸切高速鋼原材料時，常見中心裂紋。此裂紋害死人，看不見摸不著，只有探傷才見廬山真面目。

 

 

圖7  中心裂紋

 

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，會對鋼的性能產生很大影響。偏析可分為：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，重者下沉，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為W18鋼淬火后的金相試樣（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。所以認為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，經軋制后形成十字形狀。

 

 

圖8 十字形偏析（3×）

 

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. 碳化物不均勻度

 

高速鋼中共晶碳化物在熱壓力加工中被破碎的程度稱之為碳化物不均勻度。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級的抗彎強度僅為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；橫向性能為縱向性能的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，后者使二次硬化能力下降。

 

 

圖9  碳化物不均度對高速鋼（W18Cr4V）抗彎強度的影響

 

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

 

 

圖10  粗帶狀碳化物

 

7. 網狀碳化物

 

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，并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、回火后進行。

 

圖11為T12A鋼網狀碳化物（4%HNO3酒精溶液浸蝕），圖12為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。

 

 

圖11  T12A鋼網狀碳化物（500×）

 

 

圖12  9SiCr鋼網狀碳化物（500×）

 

8. 碳化物硬塊

 

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：例如麻花鉆銑槽時，發現銑刀服役到某一位置不能繼續加工，產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，而非硬塊區為正常的退火狀態。我們把它稱之為“硬塊”。由于硬塊的存在，造成刀具的損壞及切削困難。

 

硬塊的產生，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復合碳化物，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為W18鋼硬塊低倍組織的照片（4%HNO3酒精溶液浸蝕），圖中白色的為硬塊、灰黑為鉆頭槽部。

 

 

圖13 W18鋼硬塊低倍組織（20×）

 

9. 夾雜物

 

夾雜物是鋼中常見的一種缺陷，依其性質可分為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產生和析出的產物。

 

圖14為W18鋼中發現的金屬夾雜物的照片，圖15為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）。

 

 

圖14  金屬夾雜物

 

 

圖15  非金屬夾雜物在淬火時引起的開裂（400×）

 

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. 大塊碳化物

 

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，容易產生崩刃現象。在熱處理過程中，由于大塊碳化物及合金元素的富集，易產生過熱、回火不足甚至沿晶界開裂等缺陷。

 

圖16為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）。

 

 

圖16  大塊碳化物周圍成分偏析淬火時造成過熱（500×）

 

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，在隨后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。這種偏析稱為液析。圖17為CrMn液析圖片（4%HNO3酒精溶液浸蝕）。

 

 

圖17  碳化物液析（500×）

 

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，碳化物易分解成游離碳即石墨。圖18為T12A鋼石墨碳組織（4%苦味酸酒精溶液浸蝕）。

 

 

圖18  T12A鋼石墨碳組織（500×）

 

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》標準，特別是碳，不是高就是低。W6Mo5Cr4V2Co5屬HSS-E類，因C含量低于標準下限，經熱處理后硬度達不到67HRC，還叫什么高性能高速鋼？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. 原材料脫碳

 

國家對鋼材脫碳層都有標準，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，淬火后工具表面硬度降低、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為W18鋼原材料脫碳形貌（4%HNO3酒精溶液浸蝕），脫碳區為針狀回火馬氏體，非脫碳區為淬火馬氏體+碳化物+殘留奧氏體。圖20為M2鋼脫碳。圖21為T12鋼脫碳（4%HNO3酒精溶液浸蝕），全脫碳層為鐵素體，過渡區為貧碳回火馬氏體，無脫碳區為回火馬氏體+碳化物。

 

 

圖19  等溫淬火脫碳層（250×）

 

 

圖20  M2鋼脫碳

 

 

圖21  T12A鋼脫碳層（淬火→回火后）（200×）

 

15. W18鋼沒有明顯的熱處理效應

 

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，加熱時間均為200s，晶粒度都為10.5級，如圖22所示，淬火后硬度都在65～65.5HRC，經550℃三次回火后硬度不升反而降低。這個問題非常奇怪，所以筆者把稱之為“奇聞”。

 

 

圖22 W18鋼淬火10.5級（500×）

 

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. 表面質量

 

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。