刀剪材料6Cr13不銹鋼板冷軋后出現微裂紋的原因分析

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(揭陽職業技術學院 機電工程系， 揭陽 522000)

刀剪材料6Cr13不銹鋼板冷軋后出現微裂紋的原因分析

申利鳳,曹艷彬

(揭陽職業技術學院 機電工程系， 揭陽 522000)

某6Cr13馬氏體不銹鋼板經過三道冷軋工序后靜置一周出現密集分布的微裂紋,通過對鋼板的化學成分、顯微組織、表面形貌、硬度、微區成分等進行分析,確定了微裂紋產生的原因。結果表明：由于原材料鋼板局部碳化物中的鉻含量過高，導致周邊出現貧鉻區域，從而降低了材料的耐腐蝕性能,當接觸到氯離子時,貧鉻區出現孔腐蝕；隨著腐蝕的發展，孔內氯化物濃縮、水解等使得孔內介質pH下降成為酸性溶液，氫離子通過電化學反應獲得電子后成為氫原子并在局部富集產生氫壓；在氫壓與軋制殘余應力的共同作用下鋼板沿著軋制方向產生氫致裂紋。最后根據微裂紋產生原因提出了延長退火時間、改善成分等建議。

刀剪材料； 6Cr13馬氏體不銹鋼; 冷軋; 微裂紋； 碳化物; 貧鉻; 氫致裂紋

6Cr13鋼屬于高碳馬氏體不銹鋼，具有硬度高、耐磨性好等優點而被廣泛應用于刀剪工具中,如剃須刀、醫療手術刀、電動理發推剪器等。因較高的碳、 鉻含量，高碳高鉻不銹鋼刀剪材料中會產生大量的合金碳化物，碳化物的尺寸、 分布、 類型、 形狀等會對不銹鋼的性能和質量起著關鍵作用[1-6]。某公司對購買的原材料6Cr13馬氏體不銹鋼板進行了三道冷軋，厚度變化如下：2.0 mm→0.9 mm→0.3 mm→0.13 mm，每道冷軋后均在750 ℃進行退火處理，2.0 mm→0.9 mm→0.3 mm全程用3%(體積分數)長城牌防銹乳化液潤滑冷卻，0.3 mm→0.13 mm用地下水冷卻，并涂軋制油潤滑防銹。冷卻產品打包發貨一周后發現板面上出現均勻、密集分布的微裂紋。針對該現象，筆者通過一系列理化檢驗對該6Cr13不銹鋼板冷軋后出現微裂紋的原因進行了分析。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

6Cr13不銹鋼化學成分的光譜分析結果如表1所示，結果表明該不銹鋼板的化學成分符合技術協議的要求。

表1 6Cr13不銹鋼原材料的化學成分(質量分數)Tab.1 The chemical compositions of raw material of 6Cr13 stainless steel (mass fraction) %

1.2 宏觀觀察

圖1為失效不銹鋼板表面宏觀形貌。通過觀察可以發現有黑色條紋均勻分布在鋼板表面，條紋長度在1～6 mm，其長度方向大致與鋼板軋制方向平行。

圖1 0.13 mm厚鋼板試樣表面裂紋宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of surface cracks of the0.13 mm steel plate specimen

1.3 微觀觀察

將厚度為0.13 mm的鋼板試樣用4%(體積分數，下同)硝酸酒精溶液快速擦拭去除腐蝕紋上的雜質和氧化物，在光學顯微鏡(OM)下放大200倍觀察裂紋微觀形貌。由圖2可見，紋路的中間為一寬度較細小的黑色凹紋，兩旁伴有黑色腐蝕點出現。

圖2 0.13 mm厚鋼板試樣表面裂紋OM形貌Fig.2 OM morphology of surface cracks of the0.13 mm steel plate specimen

為進一步觀察裂紋的微觀形貌，在掃描電鏡內放大到500倍和4 000倍觀察。由圖3a)可以看到裂紋中有寬度為10～15 μm的白色紋路存在，紋路兩旁有顆粒狀物體，與圖2的觀察結果相對應。由圖3b)可看到該白色紋路由白色塊狀物組成。

1.4 金相檢驗

分別在原材料及各道軋制退火后的鋼板上取樣，磨制、拋光和4%硝酸酒精溶液侵蝕后進行金相檢驗，研究軋制過程中材料的組織變化情況。由圖4a)可見，原材料顯微組織為馬氏體基體上分布著碳化物，碳化物多為類橢圓狀，大小不太一致，也有少量沿晶條狀碳化物存在，沒有其他明顯的雜質相出現。由圖4b)～d)可見，隨著軋制道數的增加以及隨后的退火，條狀碳化物數量減少，到0.13 mm厚時不再存在，同時顆粒狀碳化物尺寸變小，相對原材料也更加均勻，軋制過程中沒有其他雜質相產生。

1.5 掃描電鏡分析

通過掃描電鏡可進一步清晰地觀察到碳化物的形狀、顆粒大小和分布情況。圖5為經4%硝酸酒精溶液侵蝕后原材料表面形貌，可以看出碳化物大部分為類橢圓狀，也有條狀,碳化物大小不一致，與金相檢驗結果相對應。

圖5 4%硝酸酒精溶液侵蝕后原材料表面形貌Fig.5 Surface morphology of raw material after erosion withalcohol solution containing 4% nitric acid

將4%硝酸酒精溶液侵蝕后的鋼板試樣放置一周，通過掃描電鏡觀察發現原材料及各道軋制品均有孔洞出現，孔洞呈條形排列，隨著軋制道次的增加，孔洞的直徑變大，見圖6。

圖6 鋼板試樣經4%硝酸酒精溶液侵蝕并放置一周后的表面形貌Fig.6 Surface morphology of the steel plate specimen after etching in alcohol solution containing4% nitric acid and placing for a week

圖7 基體、碳化物、碳化物周邊及孔洞的EDS譜Fig.7 EDS spectra of the a) matrix, b) carbides, c) carbides around, and d) holes

1.6 硬度測試

采用HVS-1000型數顯顯微硬度計對原材料以及軋制后的板材退火前后進行硬度測試，結果顯示，原材料的硬度為230～240 HV，退火后為210 HV，每道次軋制后鋼板的硬度在340～350 HV，退火后硬度在210～220 HV。

1.7 能譜分析

利用能譜儀(EDS)分析材料的元素分布情況。由圖7和表2可知，對應圖3a)中位置1的鉻(13.55%，質量分數，下同)、碳(0.54%)、鐵(85.85%)元素含量與材料成分相接近，而圖3b)中位置2的白色塊狀物的鉻(32.1%)和碳(2.27%)含量都高出材料基體的，為富含鉻的碳化物。圖5中位置3為碳化物周邊，經能譜分析可知該位置的鉻含量(8.85%)低于基體的，而碳含量(1.69%)反而大于基體的，同時有氯元素存在。圖6a)中位置4為孔洞，其鉻和碳含量與碳化物周邊的鉻和碳含量接近，鉻含量明顯低于基體的。

表2 能譜分析結果(質量分數)Tab.2 EDS analysis results (mass fraction) %

2 分析與討論

由上述理化檢驗結果可知，原材料的化學成分符合技術協議要求，顯微組織為馬氏體+碳化物，碳化物大部分為類橢圓狀，也有條狀出現，軋制過程細化了碳化物，條狀碳化物消失，碳化物分布更加均勻，且軋制過程沒有其他夾雜物摻雜進去，軋制后的退火處理有效地消除了加工應力，故排除了原材料夾雜物經軋制破裂后暴露、粗軋過程表面磨損以及熱處理不當等導致微裂紋產生的可能。通過掃描電鏡和能譜分析可知原材料部分碳化物鉻含量高，致使碳化物周邊基體鉻含量降低而出現貧鉻，貧鉻區的鉻含量遠低于鈍化所需的臨界鉻含量(12.5%)，鈍化膜的不穩定導致材料局部耐腐蝕性能降低，軋制過程將貧鉻區拉長，退火時間短而未能將基體的鉻元素擴散到貧鉻區，彌補鉻含量的不足，在后期含氯地下水冷卻時，氯離子對不銹鋼鈍化膜的破壞作用優先發生在鈍化膜薄弱的位置，如貧鉻區域。一旦局部發生破損,不銹鋼基體便會暴露于腐蝕介質中發生最初的溶解,進而作為蝕坑源誘發孔蝕。隨著孔腐蝕的發展，孔內氯化物濃縮、水解等使得孔內pH下降成為酸性溶液，氫離子通過電化學反應獲得電子后成為氫原子。當氫原子局部富集時便會產生氫壓，在此氫壓與軋制殘余應力的共同作用下，鋼板沿著軋制方向產生氫致裂紋[7-13]。

6Cr13不銹鋼的碳含量較高，遠超過基體的飽和度，碳易與合金元素形成化合物析出，按其在鋼中存在的具體特征及實際生成情況，可分成一次碳化物和二次碳化物。前者是鋼液凝固過程中直接從液體中析出，包括各種先共晶和共晶碳化物。它們在隨后的熱加工和熱處理過程中被破碎或分解成顆粒狀存在于鋼中，一般情況下也稱之為“一次碳化物”。后者是淬火時易溶于基體，回火時從基體中析出產生二次硬化的碳化物。值得注意的是，碳化物的化學成分范圍較寬，不同鋼中的碳化物成分不同，即使是同一鋼中，也會因生成條件不同而有所差別，甚至在同一碳化物的不同位置，其化學成分也有所不同[5]?；鼗疬^程中，對于富含鉻的碳化物的析出，若鉻來不及擴散彌補碳化物周邊的鉻流失，則碳化物周邊易于產生貧鉻區。當貧鉻區的鉻含量低于鈍化所需的臨界鉻含量時，便無法形成穩定的鈍化膜，成為局部腐蝕萌生區域[14-16]。

3 結論及建議

(1) 該6Cr13不銹鋼板微裂紋的產生原因在于基體中部分碳化物鉻含量過高，導致周邊出現貧鉻現象，從而降低了材料的耐腐蝕性能。當接觸到含有氯元素的介質時,貧鉻區便發生孔腐蝕，隨著孔腐蝕的發展，孔內氯化物濃縮、水解等使得孔內pH下降成為酸性溶液，氫離子通過電化學反應獲得電子后成為氫原子。當氫原子局部富集時產生氫壓，在其與軋制殘余應力的共同作用下鋼板沿著軋制方向產生氫致裂紋。

(2) 針對貧鉻現象的出現，建議延長回火時間，使得基體上的鉻元素能有時間去彌補富鉻碳化物周邊的貧鉻區域。

(3) 建議在6Cr13不銹鋼成分的基礎上，添加比鉻形成碳化物能力強的鉬元素，能夠在回火過程中形成一定數量的MoC化合物，均勻、彌散地分布在基體上，來提高鋼的硬度和耐磨性。部分鉬還可以溶入 Cr23C6中，形成復合型碳化物(Cr，Mo)23C6，顯著改善鋼的熱穩定性。此外，不銹鋼中添加鉬，還能夠提高鋼在非氧化性介質中的耐腐蝕性能，增強鋼耐點蝕和縫隙腐蝕的能力[17]。

(4) 建議材料加工或者存放過程中避開有害氣體或介質，杜絕氫環境的產生。鋼中的不均勻組織和應力集中對應力導致氫致開裂有著巨大的影響。為了避免高碳鋼的應力導致氫致開裂行為，應減少鋼內部的不均勻組織和殘余應力[18]。

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CausesAnalysisonMicro-Cracksof6Cr13StainlessSteelPlateofCutleryMaterialafterColdRolling

SHENLifeng,CAOYanbin

(Mechanical and Electrical Engineering Department, Jieyang Vocational & Technical Collgeg, Jieyang 522000, China)

After three times of cold-rolling process and standing for a week, densely distributed micro-cracks appeared in the 6Cr13 martensitic stainless steel plate. The crack forming causes were determined by analyzing the chemical composition, microstructure, surface morphology, hardness and micro-zone compositions of the steel plate. The results show that due to the high chromium content in the local carbides of the raw material, the phenomenon of poor chromium appeared in the carbides periphery, which reduced the corrosion resistance of the material. When the steel plate was exposed to chloride ions, pitting corrosion of the chromium deficient area occurred. With the development of the corrosion, the pH of the pit medium reduced to acidic because of the concentration and hydrolysis of chlorides in the pits. Hydrogen ions obtained electrons and became hydrogen atoms by electrochemical reaction, and then the hydrogen atoms enriched at the local position and produced hydrogen pressure. Under the combined action of hydrogen and rolling residual stress, hydrogen-induced cracking occurred along the rolling direction. Finally, according to the formation causes of micro-cracks of the steel plate, suggestions such as lengthening annealing time and improving compositions were proposed.

cutlery material; 6Cr13 martensitic stainless steel; cold rolling; micro-crack; carbide; chromium depletion; hydrogen-induced crack

2016-11-21

申利鳳(1980-)，女，講師,碩士，主要從事模具設計、夾具設計及材料熱處理研究

曹艷彬(1981-)，男，講師，高級技師,學士,主要從事數控加工及夾具設計研究，40199067@qq.com

10.11973/lhjy-wl201712013

TG178

B

1001-4012(2017)12-0904-05