9SiCr淬火裂紋原因分析及解決辦法

齊 銳，王德勇，盧秉軍

（本鋼板材股份有限公司技術研究院， 遼寧 本溪 117000）

9SiCr是一種良好的工模具材料，其具有優良的回火穩定性和淬透性，具有高耐磨性、尺寸穩定性和高硬度，在經過淬火和低溫回火后就可以獲得較高的強度和硬度[1]。可用于制造各種形狀復雜、耐磨性高、低速切削的工具，也常用來制造拉刀、長絲錐等刃具、量具和冷作模具[2]。雖然9SiCr應用范圍廣，性能優良，但9SiCr由于含碳量較高，因此其脆性也較大，在使用加工過程中處理不當就會產生各種各樣的加工缺陷，如裂紋、崩刃等等。這些問題產生的原因有多種，有可能是原材料本身所帶來的缺陷，也有可能是在后續的加工熱處理過程操作不當所引起的問題。此次針對某用戶在使用鋼材9SiCr用于緊固件的生產過程中在淬火階段所產生的裂紋缺陷，對有缺陷試樣做了細致的檢測與分析，最后通過分析和研究，提出了產生缺陷的原因并提出了針對工藝的優化和改進意見，最終改善了9SiCr鋼的質量，有效的控制了淬火裂紋的產生。

1 裂紋試樣表征及結果

為了分析淬火裂紋產生的原因，對經過淬火產生裂紋的已加工成半成品的9SiCr緊固件進行了取樣，如圖1標示位置所示，并做了測試與表征。

圖1 9SiCr裂紋鋼件

1.1 化學成分

對所取試樣的化學成分進行了表征，結果見表1。可以看出斷裂試樣化學成分值都在標準要求的范圍內，符合標準的要求。

表1 9SiCr裂紋試樣化學成分 %

1.2 硬度值

對所取試樣隨機選取了表面的4個點做了硬度值的檢測，結果列于表2中。可以看出硬度值不均勻，較為離散，可能是試樣淬火時不均勻或是材料本身的某種缺陷，如偏析或是鋼材退火時不均勻造成的。

表2 裂紋試樣硬度值

1.3 金相組織及形貌

1.3.1 裂紋處顯微組織

裂紋處的顯微組織如下頁圖2所示，從圖2中可以看出，裂紋部位的顯微組織是馬氏體和少量殘余奧氏體，是9SiCr典型的淬火組織。從圖中還可以看出裂紋的兩邊緣和基體組織一樣，并沒有發生脫碳現象，說明在加熱過程中裂紋是不存在的，裂紋延展曲折，沿晶界分布，說明是在冷卻過程中形成的。

圖2 裂紋部位顯微組織

1.3.2 裂紋處形貌及夾雜物

裂紋處的形貌如下頁圖3所示，從圖3-2中所標示的位置可以看出是存在夾雜物的，由此推斷裂紋處也有可能存在夾雜物。

圖3 裂紋部位形貌

2 原因分析及改進措施和效果

2.1 原因分析

淬火裂紋產生的根本原因是熱處理過程中所引發的應力，當這種應力大于金屬零件的極限強度時就會引起金屬零件的缺陷與失效。在淬火過程中，由于加熱、冷卻和相變等拘束作用，就會在金屬零件各部位產生不同的應力場[3]，產生應力，這種應力主要有熱應力與組織應力。

熱應力是淬火過程中普遍存在的一種應力，是表層和心部溫度差引起的金屬零件體積變化不均勻而引起的。在淬火加熱的過程中，表層的升溫速度要比心部快，這樣表層的膨脹速率就比心部快，因此心部就產生拉應力，表層就產生壓應力。在淬火降溫的過程中則相反，表層的降溫速度要比心部快，因此就在心部產生壓應力，在表層產生拉應力。

組織應力是淬火過程中另一個重要應力，9SiCr在冷卻的最終階段Ms點以下會發生馬氏體相變，馬氏體的體積要大于相對應的奧氏體的體積[4]，這樣就在整個鋼件內形成由馬氏體相變區與未發生相變的區域相互擠壓形成的內應力，而且其危害性要超過熱應力。

以上所論述的是形成淬火裂紋的根本原因，但鋼件在淬火過程中產生應力并不一定產生淬火裂紋，產生裂紋還有一個必要因素是原材料本身帶有的某些缺陷，如夾雜物、微裂紋和原始組織不均勻等等。只有在這些缺陷處產生應力集中才會導致淬火裂紋的產生。

從前面對9SiCr鋼件分析表征的結果可以看到，9SiCr的化學成分符合標準值的要求，可見淬火裂紋并不是由于成分不符合要求引起。由圖2的顯微組織照片可以確定9SiCr鋼件的的裂紋是在淬火的冷卻階段形成的，并且原始材料中并不存在明顯的宏觀裂紋。由圖3-2的形貌照片所標示的位置可以看到9SiCr鋼件中是存在有夾雜物的，所以很有可能夾雜物所在的位置就是淬火裂紋的裂紋源，在淬火應力的作用下導致擴展成裂紋。

此9SiCr鋼材是要求以退火狀態交貨的，要求退火后是均勻的球化組織，因為球狀碳化物比較穩定，可以緩解奧氏體向馬氏體轉變過程中產生的應力，減弱產生裂紋的傾向[5]。從前面表2的數值可以看出經淬火后9SiCr鋼件表面的硬度是不均勻的，首先可以排除淬火工藝不合理的因素，則很有可能就是鋼材的退火不均導致的鋼材退火組織不均勻，也就是鋼材的交貨狀態不是均勻的球化組織，這樣不均勻的組織之間就成為了淬火裂紋的裂紋源。

綜上所述，9SiCr鋼件在淬火過程中所產生裂紋是由鋼材中存在夾雜物和球化退火不均勻所導致鋼材存在的內應力，在與淬火過程中的熱應力和組織應力的共同作用下產生的。

2.2 改進措施及效果

為了預防與減少裂紋的產生，生產中采取了如下措施：

1）冶煉過程加強過程脫氧，有效靜吹氬保證成分溫度均勻，嚴格按工藝規程執行吊包溫度。

2）澆注過程嚴格控制鑄溫、鑄速，鋼錠模清理干凈。

3）嚴格按均熱工藝執行加熱，保證鋼錠透燒溫度均勻化，嚴格控制加熱溫度及高溫停留時間，防止出現過熱、過燒現象。

4）軋制過程嚴格檢驗把關，保證此鋼表面質量。

5）嚴格按退火工藝執行，確保爐內溫度均勻，為防止硬度不均勻，溫度達到650℃時關閉燒嘴隨爐冷卻1 h后出爐。

經過以上改進措施后所生產的鋼材在取樣后所做的淬火試驗中并未發現有開裂現象，而且從客戶處得到的反饋也表示淬火過程中沒有產生淬裂，說明以上改進措施是合理有效的。

3 結論

1）分析結果表明，9SiCr鋼件在淬火過程中所產生裂紋是由鋼材中存在夾雜物和球化退火不均勻所導致鋼材存在內應力，在與淬火過程中的熱應力和組織應力的共同作用下產生的。

2）采用強化脫氧，擋渣出鋼，嚴格控制冶煉、澆鑄過程中內生及外來夾雜物；嚴格執行退火工藝操作，確保爐內溫度均勻，保證良好的球化退火組織，改善鋼材質量，能夠有效的減少淬火裂紋的產生。