馬氏體不銹鋼刀具表面線狀缺陷分析★

衛爭艷，張劍橋，譚國華

（1.太原鋼鐵（集團）有限公司先進不銹鋼材料國家重點實驗室，太原 030003；2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術中心，太原 030003）

馬氏體不銹鋼淬火后具有極高的硬度，且耐蝕性能優異，因此被廣泛應用于刀刃具、剪具和量具的生產。目前刀具行業用量最大的是20Cr13、30Cr13和40Cr13，高端刀刃具則采用硬度和耐蝕性更好的5Cr15MoV和60Cr13等。

對于刀體面積較大的廚刀、砍骨刀等刀具，偶爾會在成品刀面處發現類似水痕的線狀缺陷，此類缺陷嚴重影響刀具美觀，降低產品合格率，為客戶造成較大損失。本文對該缺陷及產生原因進行分析。

1 試驗材料及方法

本文以刀具廠家提供的有嚴重線狀缺陷的廚房刀作為研究對象（缺陷位置在圖1標記框內）。其原材料為馬氏體不銹鋼熱軋卷板，主要生產工藝：分條→下料→淬火→磨削，最終得到成品刀具。

圖1 線狀缺陷刀具照片

缺陷刀具的化學成分見表1。對照GB/T 4237—2015《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》可以看出，該刀具的材質為40Cr13，是典型的刀具用高碳馬氏體不銹鋼材料。

表1 線狀缺陷刀具的化學成分檢測結果

刀面線狀缺陷的宏觀表現采用體視顯微鏡直接觀測；微觀組織采用線切割方式制取試樣，鑲嵌后經粗磨、精磨和拋光處理，使用HCl+FeCl3混合溶液進行腐蝕，在光學顯微鏡下觀測；采用掃描電鏡和能譜分析儀對金相組織中的異常析出相進行形貌及成分檢測。

2 試驗結果及討論

2.1 缺陷宏觀形貌觀測

肉眼觀察圖1刀具的線狀缺陷，其形貌類似刀面浸濕、晾干后的水痕，用手觸摸該缺陷，光滑平整、無異常觸感，該缺陷也不會因反復的擦拭而消失。采用體視顯微鏡對該缺陷的宏觀形貌進行進一步的放大觀察，照片見圖2。

圖2 線狀缺陷體視顯微鏡照片

從圖2可以看出，刀面上肉眼可見的線狀缺陷，實際是若干條棱狀“凸起”（圖2方框內所示），該“凸起”較為輕微，僅略高于刀面，方向平行于刀柄，有的較長、有的略短，不十分連續，這些棱也有一定的寬度，寬窄不一。

2.2 微觀組織檢測

2.2.1 刀面金相組織分析

為對比線狀缺陷區域以及正常區域的金相組織有何差異，分別取兩處的試樣，以刀面為觀測面，鑲嵌制樣后進行觀測，正常區域的金相組織見圖3。

圖3 刀面正常區域的金相組織

從圖3可以看出，刀面正常區域的金相組織為淬火馬氏基體上均勻地分布著顆粒狀碳化物，屬于正常的馬氏體淬火組織。刀面線狀缺陷處的典型金相組織見圖4。

圖4 刀面線狀缺陷區域的金相組織

從圖4可以看出，刀面線狀缺陷的組織呈現明顯異常，馬氏體基體上大面積存在大顆粒、團簇狀的白色物質。為對該物質進行進一步分析確認，采用掃描電鏡進行更微觀的形貌和成分分析，結果見圖5。

圖5 線狀缺陷區域大顆粒物質電鏡照片及能譜結果

從圖5可以看出，該團簇狀分布的物質微觀形狀不規則，尺寸較大，多數尺寸在5~10μm，部分尺寸在20μm以上。從能譜成分上來看，該物質主要含有Cr、Fe、V和C四種元素（由于能譜對于C的含量分析不準確，因此去除了C峰），w(Cr)超過60%，從這點上判斷該物質為一種碳化物。另外，由于V是強碳化物形成元素，也可以從側面說明該物質是一種碳化物。對于馬氏體不銹鋼鋼來說，淬火組織中存在的碳化物為共析碳化物，但共析碳化物的形態是球形且尺寸極小（見圖5中箭頭所示的小顆粒碳化物），所以這種物質一定不是共析碳化物。結合其尺寸、形狀及化學成分綜合分析，最終確認其是液析碳化物[1-2]（即一次碳化物）。

2.2.2 橫截面金相組織分析

為對該材料橫截面的金相組織進行觀測，在圖6所示區域采用線切割方式制取試樣，觀測箭頭所指的面。

圖6 刀背金相組織分析的取樣位置示意圖

該橫截面試樣總厚度為3.0 mm，在圖7示意圖中所標示的4個位置處，均發現了大量的大顆粒液析碳化物和呈粗鏈狀的碳化物條帶，條帶的寬度在10~20μm，特別是位置2處的聚集尤為嚴重，碳化物條帶的長度甚至達到了4 mm。四個位置的金相照片見圖8。

圖7 刀具橫截面一次碳化物位置示意圖

圖8 刀具橫截面的大顆粒液析碳化物及碳化物條帶（500X）

從刀背的金相組織來看，該缺陷刀具的原材料鋼板在生產過程中形成了嚴重的液析碳化物偏聚，位置遍布整個橫截面，這正是刀具在后續磨削過程中，刀面上出現圖4所示團簇狀液析碳化物的來源。

2.2 結果分析

從刀面和刀背微觀組織的分析中可以看出，造成刀具線狀缺陷的原因主要是液析碳化物。由于此碳化物與淬火馬氏體（硬度500～600 HV）相比，硬度高達1 500～2 000 HV[3]，因此在刀面磨削的過程中，兩者的磨削量差別較大，最終形成了棱狀的“凸起”，宏觀上表現為線狀缺陷。

但是從40Cr13的熱力學計算結果來看，整個轉變過程中并不存在液析碳化物（見圖9）。分析其原因，因為熱力學計算是一種平衡態的計算，但鋼液的凝固過程是非平衡態。隨著凝固的進行，從微觀的角度來說，碳和鉻等溶質原子被推到了枝晶間，形成微觀偏析；從宏觀的角度來說，鑄坯中心的溶質原子也逐漸富集，形成宏觀偏析。正是由于微觀和宏觀偏析的存在，使鑄坯局部（枝晶間和鑄坯中心）的碳和鉻等溶質原子濃度達到了共晶濃度，最終在凝固過程中以共晶的方式形成共晶碳化物（FeCr）3C和（Fe－Cr）7C3，即液析碳化物[4-5]。熱變形時，液析碳化物沿著軋制方向被拉伸為條狀，因此，成品板材中無論表現為塊狀還是條帶狀的碳化物，其本質都是液析碳化物。當枝晶間偏析較輕時，只出現碳化物條帶，當偏析較重時，碳化物條帶和塊狀液析碳化物同時出現。

3 結論

1）從線狀缺陷刀具刀面的金相組織來看，正常區域的組織為淬火馬氏基體上均勻地分布著顆粒狀共析碳化物，而線狀缺陷處則存在典型的團簇狀、大顆粒液析碳化物，由于此類碳化物硬度遠高于基體，因此在后續磨削的過程中表現出具有浮凸感的線狀缺陷。

圖9 高碳馬氏體40Cr13的熱力學計算結果

2）從橫截面的金相組織來看，此刀具所使用的原材料鋼板在生產過程中形成了嚴重的大顆粒和寬鏈狀液析碳化物偏聚，位置遍布整個橫截面范圍，這正是產生線狀缺陷的根本原因所在。

3）液析碳化物的來源是鋼液在凝固過程中由于碳和鉻原子的微觀偏析和宏觀偏析，導致局部溶質濃度達到了共晶濃度，最終以共晶的方式形成。