1Cr13不銹鋼沖壓件表面裂紋原因分析

承 龍 鮑丙輝 范金席 胡顯軍

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇張家港 215625)

1Cr13不銹鋼沖壓件表面裂紋原因分析

承 龍 鮑丙輝 范金席 胡顯軍

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇張家港 215625)

通過化學(xué)成分分析、微觀形貌觀察、能譜分析、X射線衍射及硬度測試等手段，對1Cr13不銹鋼沖壓件表面裂紋的產(chǎn)生原因進行了分析。結(jié)果表明，材料中存在方向性明顯的帶狀組織，其晶界處有碳化物顆粒富集。基于試驗分析，認(rèn)為裂紋產(chǎn)生的原因是：1Cr13不銹鋼鑄坯在凝固過程中，中心部位產(chǎn)生成分偏析，熱軋時在碳及合金元素貧化帶形成鐵素體帶狀組織，多余的碳及合金元素在晶界處生成碳化物顆粒，形成了以鐵素體為主、晶界上密布著碳化物顆粒的帶狀組織，在沖壓過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致微裂紋的形成和擴展，使沖壓件產(chǎn)生裂紋。

1Cr13不銹鋼 表面裂紋 帶狀組織 碳化物顆粒

隨著科學(xué)技術(shù)以及現(xiàn)代化工業(yè)的快速發(fā)展，對不銹鋼的產(chǎn)量需求日益增加，對其使用性能也提出了更高的要求[1]。1Cr13不銹鋼因其化學(xué)成分中不含有對人體有毒性的Ni元素[2]，同時又具有良好的耐蝕性能和力學(xué)性能，在航空、醫(yī)療、機械制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3]。1Cr13不銹鋼能夠用于制作對韌性以及耐蝕性能要求較高、并能經(jīng)受沖擊載荷的零部件。某廠在生產(chǎn)1Cr13不銹鋼沖壓件時，在其內(nèi)外兩側(cè)表面中心部位均出現(xiàn)了連續(xù)分布的裂紋，導(dǎo)致這一批次產(chǎn)品的全部報廢。本文就1Cr13不銹鋼沖壓件表面出現(xiàn)連續(xù)裂紋的成因進行了分析，并在此基礎(chǔ)上對改善或避免該缺陷產(chǎn)生的生產(chǎn)控制手段進行了簡要探討。

1 裂紋狀況

1Cr13不銹鋼沖壓件表面出現(xiàn)的裂紋狀況如圖1中的方框所示，內(nèi)外側(cè)裂紋情況一致，均處于沖壓件厚度方向上的中心部位，且沿圓周表面環(huán)向連續(xù)分布。經(jīng)調(diào)查，該廠之前生產(chǎn)的多個批次的沖壓件從未出現(xiàn)過類似情況，現(xiàn)場生產(chǎn)采用的工藝參數(shù)均符合技術(shù)規(guī)范，設(shè)備狀況無異常，據(jù)此初步判斷本批沖壓件表面裂紋的產(chǎn)生與所采用的沖壓工藝無關(guān)。

圖1 1Cr13不銹鋼沖壓件表面裂紋情況及取樣位置示意圖

2 試驗材料與方法

產(chǎn)品所用的1Cr13不銹鋼板厚度為8 mm，供貨狀態(tài)為熱軋板，采用島津PDA-7000光電發(fā)射光譜儀對沖壓件進行成分檢測。采用線切割法從垂直于裂紋的橫截面處(如圖1虛線部位所示)切取試樣，試樣經(jīng)磨制拋光后再用王水進行腐蝕，用蔡司Axio Imager Z1M金相顯微鏡對腐蝕后的顯微組織進行觀察；用蔡司Evo-18掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣顯微組織，并用EDS能譜進行成分分析，以及用D/max- 2500/PC型X射線衍射儀(XRD)進行相組成分析；用英斯特朗Tukon 2100B維氏顯微硬度計測量試樣不同部位的硬度。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 化學(xué)成分

1Cr13不銹鋼沖壓件的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，符合GB/T 4237- 2007《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的化學(xué)成分范圍。

表1 1Cr13不銹鋼沖壓件的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

3.2 顯微組織分析

分別對圖1中標(biāo)注的頂部及中部區(qū)域進行金相觀察，其顯微組織如圖2所示。從圖中可以看出，試樣大部分區(qū)域都是細(xì)小的等軸晶粒，但在試樣的中部區(qū)域附近存在一些細(xì)長的帶狀組織(如圖2(b)、2(d)所示)，其寬度一般在10～20 μm，長達數(shù)百微米，具有明顯的方向性。

圖3為帶狀組織的SEM形貌，可以觀察到大量尺寸較大的顆粒物沿著帶狀鐵素體的晶界密集排列，而其他等軸晶晶界上分布的顆粒物尺寸相對較小，數(shù)量也較少。采用EDS能譜對帶狀鐵素體晶界上分布的顆粒(如圖3“+”標(biāo)記處)進行成分分析，結(jié)果如表2所示，可見其主要成分為Cr、Fe及C。資料顯示[4-5]，熱軋態(tài)1Cr13不銹鋼的組織為鐵素體及(Cr，F(xiàn)e)23C6型碳化物，結(jié)合EDS能譜分析以及圖4的XRD分析結(jié)果，認(rèn)為帶狀鐵素體晶界上聚集分布的二次相就是(Cr，F(xiàn)e)23C6碳化物。

圖2 1Cr13不銹鋼沖壓件不同部位的組織形貌

圖3 1Cr13不銹鋼沖壓件中帶狀組織的SEM形貌

表2 帶狀組織中顆粒物的EDS能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖4 1Cr13不銹鋼沖壓件的XRD圖譜

在鋼液凝固過程中，由于各種元素及其化合物的熔點、比重不同，容易引起成分的微觀偏析[6- 7]。有研究表明[8- 9]，帶狀組織的形成是因為在液相向固相轉(zhuǎn)變的過程中發(fā)生了枝晶偏析。而且不同元素在鋼液凝固過程中的偏析傾向不同，其對帶狀組織的形成趨勢影響也不同。元素偏析傾向的強弱常用其在已凝固金屬中的濃度與在液相中的濃度的比值k(見式(1))來表示，k值越小，表明元素偏析傾向越強。

(1)

式中:CB為元素在已凝固金屬中的濃度，Cl為元素在液相中的濃度。文獻[10]中幾種常見元素的k值列于表3中，其中C、Cr、P、S等元素的偏析傾向較強。

表3 幾種常見元素在固液相的凝固分配比k

不銹鋼鋼水的導(dǎo)熱性能差，鑄坯的凝固過程是由外至內(nèi)逐漸冷卻，中心溫度高于邊緣溫度。鑄坯從表層往中心結(jié)晶過程中，由于C、S、P及Cr等元素在液相比在固相中更容易溶解，這些元素在凝固過程中會從已結(jié)晶的晶粒析出，排到尚未凝固的金屬液中，隨著結(jié)晶的繼續(xù)進行，這些易偏析元素被富集到鑄坯中心或凝固末端區(qū)域，容易在鑄坯中心部位發(fā)生偏析。在熱軋過程中，鑄錠中的粗大枝晶因變形而發(fā)生扭轉(zhuǎn)、破碎和延伸拉長，由于加熱及軋制過程中元素偏析沒有完全消除，從而形成碳及合金元素的貧化帶。在緩冷條件下，先在碳及合金元素貧化帶形成鐵素體，過飽和的碳及合金元素富集到晶界區(qū)，最終形成以鐵素體為主的帶；而碳及合金元素在晶界則形成了碳化物，聚集在鐵素體周圍，形成了以鐵素體為主、四周晶界上密布著碳化物顆粒的帶狀組織。成分偏析的區(qū)域越多，形成的帶狀組織數(shù)量也越多。

在鐵素體帶的界面上，碳化物呈現(xiàn)較密集的分布，破壞了材料在厚度方向的連續(xù)性，是制約基體塑性變形的主要因素。眾所周知，帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻，并影響鋼材性能，形成各向異性，降低鋼的塑性、沖擊韌性和斷面收縮率，容易造成在變形過程中的應(yīng)力集中，甚至出現(xiàn)裂紋。由于帶狀組織晶粒取向的一致性，有利于變形的發(fā)展，隨著應(yīng)力的增加，形變量的積累，滑移面上的位錯容易越過晶界，從而加速裂紋的擴展。雖然密集彌散分布的碳化物顆粒能夠起到強化相的作用，有利于不銹鋼強度的提高，但在帶狀組織晶界密集分布的(Cr，F(xiàn)e)23C6顆粒物，因塑性變形過程中與基體間的協(xié)調(diào)應(yīng)變會在碳化物周圍產(chǎn)生大量位錯環(huán)，并使其界面分離形成微孔。另一方面，新產(chǎn)生的位錯環(huán)又源源不斷地被推向微孔，使微孔作快速不穩(wěn)定的擴展和聚合，形成了微裂紋[11]，進而形成宏觀可見的開裂現(xiàn)象。在塑性流變的中后期，通過加工硬化達到高應(yīng)力作用的階段時，這些脆性的碳化物顆粒因與基體(具有良好塑性的鐵素體組織)的應(yīng)變不協(xié)調(diào)，在不斷積累的形變損傷中發(fā)生開裂，成為斷裂的裂紋源，并沿著脆性碳化物顆粒密集的條帶方向上聚合與長大，進而在力的作用下沿條帶方向發(fā)生開裂。

3.3 裂紋產(chǎn)生原因分析

由于沖壓是流動—剪切過程，沖壓間隙內(nèi)的金屬在壓應(yīng)力的作用下產(chǎn)生強烈的塑性流動。如圖5所示，材料發(fā)生了強烈的塑性流動，邊緣晶粒被壓扁、拉長，有明顯的纖維化現(xiàn)象，內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變梯度較大，晶粒在沖裁方向形成強烈的變形，形成硬化的邊緣區(qū)。對沖裁面內(nèi)外表面和中心部位進行顯微硬度測試，內(nèi)外表面各取3處位置，中間部位取2處位置，每處測量3個點取平均值，結(jié)果如表4所示(具體取點位置如圖1所示)。可見在沖壓件內(nèi)外表面出現(xiàn)了強烈的冷作硬化，內(nèi)、外側(cè)的硬度最大可達中心部位硬度值的兩倍，而其塑性隨之降低。

圖5 1Cr13不銹鋼沖壓件內(nèi)表面的顯微組織

表4 1Cr13不銹鋼沖壓件不同部位的硬度測試結(jié)果

如圖6(a)所示，在沖壓過程中，材料邊緣主要受到一個向下的拉應(yīng)力， 當(dāng)這個向下的力遇到具有明顯方向性的帶狀鐵素體(如圖5中箭頭所指裂紋源處拉長的帶狀組織)晶界處聚集的碳化物時，其向下的動力受阻，會有一部分力沿著阻礙物的排列方向前進。這些碳化物顆粒受到兩個不同方向上的力作用，如圖6(b)所示，在圖5中圓圈處可以明顯看出有兩條不同方向的流力線。碳化物顆粒不僅各自的成分和力學(xué)行為不同，其與基體的結(jié)合程度也有很大的差異。在沖裁后期，間隙和變形厚度之比不斷增大，變形區(qū)的拉應(yīng)力會不斷增加，當(dāng)材料變形達到一定程度時，邊緣區(qū)發(fā)生強烈的加工硬化，塑性降低，碳化物顆粒與鐵素體組織的應(yīng)變不協(xié)調(diào)，同時碳化物顆粒受到不同方向上的力，且載荷達到一定程度時，在與基體結(jié)合不牢的顆粒處會形成空穴，空穴一旦形核便隨變形程度的增加而增加，這種空穴形核與長大的過程就是材料受削弱的過程。材料受削弱不僅使局部承載面積減小，更重要的是造成了強烈的非均勻應(yīng)力場，使得該區(qū)域內(nèi)微粒間結(jié)合更易遭到破壞，從而引發(fā)更多空穴形核。隨著變形的進一步加大，距離較近的空穴會聚合成微裂紋而導(dǎo)致宏觀斷裂，如圖6(c)所示。

圖6 1Cr13不銹鋼沖壓過程裂紋發(fā)展示意圖

4 改進措施

如上所述，鋼液在凝固過程中產(chǎn)生的元素偏析是形成帶狀組織的最直接原因，因此控制枝晶偏析及促進元素的均勻分布對于減弱或消除帶狀組織的形成具有至關(guān)重要的作用。綜合以上分析得出，要從根源上杜絕1Cr13不銹鋼在沖壓過程中產(chǎn)生裂紋，必須保證原材料的品質(zhì)。考慮到?jīng)_壓件的使用環(huán)境及設(shè)計要求，廠家決定加強對原材料入廠的驗收，每批次中隨機取樣進行金相組織觀察，對發(fā)現(xiàn)有帶狀組織的熱軋板立即停用，之后在生產(chǎn)中再未出現(xiàn)過上述質(zhì)量事故。

5 結(jié)論

(1)1Cr13不銹鋼鑄坯在凝固過程中，中心部位產(chǎn)生成分偏析，熱軋時在碳及合金元素貧化帶形成鐵素體帶狀組織，多余的碳及合金元素在晶界處生成碳化物顆粒，形成了以鐵素體為主、晶界上密布著碳化物顆粒的帶狀組織。

(2)沖壓過程中，帶狀組織及其晶界上聚集的碳化物顆粒使金屬中應(yīng)力發(fā)生再分布，引起應(yīng)力集中，成為斷裂的裂紋源，進而形成宏觀可見的開裂現(xiàn)象。

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收修改稿日期：2016- 06- 27

Cause Analysis of Surface Cracks on 1Cr13 Stainless Steel Stamping Parts

Cheng Long Bo Binghui Fan Jinxi Hu Xianjun

(Institute of Research of Iron and Steel, Shasteel, Zhangjiagang Jiangsu 215625, China)

The causes of surface cracks on 1Cr13 stainless steel stamping parts were analyzed by chemical component analysis，microscopic morphology observation，energy spectrum analysis，X- ray diffraction technology and hardness test. The results showed that some obviously- directional ferrite strip structures with lots of carbides densely distributed on grain boundaries are found. The main cause leading to the surface cracks on stamping parts based on experimental analysis could be segregation during the solidification process in the center part. The ferrite banded structures were formed in the depleted areas of carbon and alloying elements，and carbide particles were formed on grain boundaries that enriched of carbon and alloying elements during hot rolling. Such structures caused stress concentration in the process of stamping, thus leading the formation and propagation of micro cracks, and causing cracks in the stamping part.

1Cr13 stainless steel，surface crack，strip structure，carbide particle

承龍，男，助理工程師，碩士，主要從事耐蝕、高溫等領(lǐng)域的特種合金研發(fā)

胡顯軍，男，研究員級高級工程師，博士，主要從事金屬材料的研發(fā)工作，Email：huxj- iris@shasteel.cn