粉末高速鋼干切滾刀熱處理斷裂機理分析

侯國棟，邱桂娟，2，張巍，3，尤曉東，3

1.河冶科技股份有限公司 河北石家莊 052165

2.河北省高速工具鋼技術創新中心 河北石家莊 052165

3.河北省高品質工模具材料重點實驗室 河北石家莊 052165

1 序言

高速鋼干切滾刀是齒輪加工的關鍵裝備之一，具有切削速度高、加工精度高，節能環保等優點。在切削過程中干切滾刀承受復雜的高頻沖擊載荷，以及切削熱的影響[1]。粉末高速鋼復雜刀具生產周期較長，而且價格昂貴，如果出現開裂，則將直接關系到產品交付、產品質量，給企業帶來較大經濟損失[2]。

某公司采用φ75mm的某牌號粉末高速鋼生產一批干切滾刀，生產過程如下：下料→鉆中心孔→滾齒→熱處理（固溶＋時效）→清洗→噴砂。熱處理過程：一級預熱850℃→二級預熱950℃→固溶溫度1190℃→鹽浴冷卻至室溫，時效溫度590℃（保溫1h）→空冷至室溫（進行三次），熱處理曲線如圖1所示。現場情況：噴砂清洗時，發現一支滾刀沿內孔開裂，如圖2所示。本文通過對滾刀進行宏觀斷口分析、化學成分分析、硬度檢測和金相組織觀察，對其失效原因進行了討論與分析，為避免出現同類問題提供了借鑒依據。

圖1 干切滾刀熱處理工藝

圖2 干切滾刀實物

2 試驗過程與結果

2.1 宏觀斷口分析

（1）斷口裂紋源分析 將該滾刀沿裂紋打開，整個滾刀斷口可分為兩部分：一部分斷口表面呈灰黑色，斷面較為平整，約占整個斷面的3/4，如圖3所示。根據放射狀紋路收斂方向，可判斷裂紋源位于滾刀左端中心孔處，如圖4、圖5所示。為了避免取樣過程中試樣受熱而影響檢測的準確性，本試驗采用線切割方式，在裂紋源處進行取樣檢測。

圖3 斷口宏觀形貌

圖5 中心孔區域的放大

（2）斷口附著物分析 斷口表面有氧化銹蝕，以及少量淺白色附著物，如圖6所示。采用能譜分析儀，對圖5黃色虛線區域進行微區化學成分檢測，發現斷口表面含有少量Ba、Ca、Na等元素，O含量較高，見表1。說明滾刀斷裂發生在固溶冷卻階段，鹽浴浸入斷口，在清洗后，仍有少量殘留鹽分Ba、Ca吸附在斷口表面。

表1 斷口表面物質能譜分析化學成分（質量分數）（%）

圖6 中心孔附近（黃色方框內）表面附著物

2.2 化學成分分析

該干切滾刀的化學成分檢測結果見表2。從表2可知，其化學成分均符合相關方采購技術協議規定的要求。

表2 干切滾刀化學成分（質量分數） （%）

2.3 物理性能檢測結果

將裂紋源處樣品進行磨制并拋光后，觀察到裂紋源區及其附近凹凸不平，呈鋸齒狀，加工毛刺深度約0.10mm（見圖7），中心孔內壁表面氧化層厚度39.8μm（見圖8）。將樣品在4%硝酸酒精溶液中浸泡3min，觀察裂紋源區第二相分布均勻，未發現明顯偏聚現象，如圖9、圖10所示。該滾刀的熱處理硬度68.0HRC，晶粒度11.0級，回火度1級，均符合技術要求，見表3。

表3 物理性能檢測結果

圖7 裂紋源區形貌（拋光態）

圖8 A部放大（拋光態）

圖9 裂紋源區形貌（腐蝕態）

圖10 B部放大（腐蝕態）

將裂紋源處樣品進行磨制并拋光后，直接在掃描電鏡下進行觀察，在裂紋源附近發現多條微裂紋，且裂紋源位于表層晶界處，由表層向內部擴展開裂，如圖11、圖12所示。對裂紋源處表面氧化層與晶界處附著物進行能譜分析，如圖13、圖14所示。從圖13、圖14可見，內孔表面在高溫鹽浴中受到腐蝕氧化，表面氧化層含有O、Ba、Cl元素，而與表面氧化層相接的晶界處也含有O、Cl等元素，即晶界處液受到氧化腐蝕作用，表面氧化層與晶界處附著物能譜分析結果見表4。

表4 表面氧化層與晶間腐蝕物能譜分析（質量分數）（%）

圖11 裂紋源區附近形貌

圖12 C部放大

圖13 表面氧化層形貌

圖14 晶間腐蝕形貌

3 分析與討論

熱處理是高速鋼刀具獲得預期切削性能的重要環節之一。通過加熱、保溫、冷卻，以及多次回火，可使高速鋼刀具獲得所需要的硬度與組織。高速鋼刀具熱處理缺陷一般包括以下3類：第一類，淬火裂紋，一經產生，無法修復；第二類，淬火畸變，對于復雜精密刀具，淬火畸變是一種嚴重的缺陷；第三類，除淬火裂紋、淬火畸變外的其他缺陷，如過熱過燒、氧化脫碳、回火不充分等，可通過熱處理工藝改進來避免[3]。

裂紋源位于中心孔內壁，向內擴展開裂，斷口表面殘留少量Ba、Ca、Na等元素。在固溶冷卻時，奧氏體轉變為馬氏體，比體積增大，造成內壁表面受拉應力，心部受壓應力，而當內壁表面拉應力超過材料極限強度時，致使滾刀由中心孔內壁處開裂，鹽浴浸入斷口，清洗后，仍有少量殘留鹽分吸附在斷口表面[4，5]。中心孔表面呈鋸齒形，加工毛刺約0.10mm，不規則的幾何形狀，降低了材料表面強度水平，在固溶后鹽浴冷卻時，使該處冷卻速度急劇變化，在該處造成應力集中，從而使應力超過材料本身強度水平，致使滾刀開裂。實際生產過程中，對刀具提前失效影響較大的因素包括：尖角、厚薄不均、刀具幾何參數不合適等。因此，必須重視機加工產生的加工毛刺造成的應力集中，防止淬火裂紋的產生[6，7]。關于晶界的氧化與腐蝕，該滾刀熱處理采用鹽浴冷卻，鹽浴爐中脫氧不良，造成中心孔表面形成較厚氧化層，并且繼續沿晶界向內氧化，弱化晶界結合力，已氧化晶界趨于脆化，而鹽浴爐中的大量Cl-的存在，形成了易腐蝕環境，已氧化晶界屬于點蝕敏感點，較為薄弱，首先受到腐蝕，使材料強度和韌性顯著下降[8]。被氧化腐蝕的晶界逐漸形成微裂紋，冷卻時產生組織轉變應力，推動微裂紋在內部迅速擴展開裂[9]。

4 結論與建議

1）該粉末高速鋼干切滾刀的斷裂模式為脆性斷裂。滾刀中心孔內壁加工粗糙，存在較厚的加工毛刺，熱處理時造成該處應力集中，同時中心孔內壁存在沿晶腐蝕，弱化了晶界結合力，在二者的共同作用下致使干切滾刀發生斷裂。

2）建議提高滾刀中心孔的表面加工質量，盡量去除孔內的加工毛刺，避免熱處理時形成應力集中點。同時，熱處理前采用石棉封住中心孔，并在鹽浴中加入適量緩蝕劑，以降低鹽分對滾刀表面的腐蝕作用。